Bobina de Tesla: Diseño y Funcionamiento
Principios de Operación
Tesla, en sus patentes «System of Transmission of Electrical Energy» y «Apparatus for Transmission of Electrical Energy», describió combinaciones innovadoras para bobinas transformadoras. Estas bobinas, diseñadas para transmitir energía eléctrica inalámbricamente, consistían en:
- Bobinas transmisoras: Excitadas para generar corrientes u oscilaciones que se propagan por el medio natural.
- Bobinas receptoras: Captan las señales transmitidas.
Estas bobinas permitían generar corrientes de alto potencial. Tesla también patentó métodos de señalización utilizando bobinas con alta capacitancia transmisiva y conexión a tierra («Method of Signaling» y «System of Signaling»).
Evolución del Diseño
Las primeras bobinas de Tesla evolucionaron en tamaño y potencia. En su patente «Apparatus for Transmitting Electrical Energy», Tesla describe un «transformador resonante autoregenerativo de alto voltaje con núcleo de aire». Este dispositivo, precursor de las bobinas Tesla modernas, utilizaba transformadores de alto voltaje, condensadores de cristal y explosores rotativos para manejar la alta potencia.
Las bobinas Tesla logran una alta ganancia de voltaje acoplando dos circuitos LC resonantes mediante transformadores con núcleo de aire. A diferencia de los transformadores convencionales, la ganancia de voltaje en una bobina de Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre las inductancias secundaria y primaria.
Bobinas Tesla Modernas
Las bobinas Tesla modernas, populares entre aficionados, son transformadores resonantes con núcleo de aire que generan altos voltajes en radiofrecuencias. La energía se transfiere de un circuito resonante primario a un circuito secundario durante varios ciclos, lo que resulta en una alta ganancia de voltaje.
Mientras que las bobinas Tesla modernas se utilizan principalmente para generar chispas largas, los diseños originales de Tesla se enfocaban en la comunicación inalámbrica. Para minimizar las pérdidas por descarga de corona, Tesla empleó superficies con gran radio de curvatura.
Factores que Influyen en la Ganancia de Voltaje
La ganancia de voltaje en una bobina de Tesla depende de la cantidad de carga desplazada, que a su vez está determinada por:
- Capacitancia del circuito
- Voltaje (que Tesla denominaba «presión»)
- Frecuencia de las corrientes
Tesla exploró las aplicaciones de sus bobinas en diversos campos, como la fluorescencia, los rayos X, la transmisión de energía inalámbrica, la electroterapia y el estudio de las corrientes telúricas.
Componentes y Estructura
Circuito Primario
El circuito primario de una bobina de Tesla es un circuito LC en serie que consta de:
- Un condensador de alto voltaje
- Un spark gap (interruptor de chispa)
- Una bobina primaria
Circuito Secundario
El circuito secundario es un circuito resonante en serie que incluye:
- La bobina secundaria
- El toroide (terminal de carga)
El toroide actúa como una terminal del condensador, mientras que la otra terminal está conectada a tierra. El circuito LC primario se ajusta para resonar a la misma frecuencia que el circuito secundario.
Acoplamiento Magnético
con la secundaria superior, porque cada secundaria está diseñada específicamente para su papel.
En detalle, este circuito Tesla consiste en una bobina en relación inductiva cercana con un primario, y una de las terminaciones conectada a una placa a tierra, mientras que la otra está dirigida a través de una bobina de auto-inducción separada (cuya conexión debe ser hecha siempre a, o cerca de, el centro geométrico de la bobina, para asegurar una distribución simétrica de la corriente), y de un cilindro metálico que transporta la corriente al terminal. La bobina primaria puede ser excitada por cualquier fuente de corriente de alta frecuencia deseada. El requerimiento importante es que los lados primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia resonante para permitir transferencias eficientes de energía entre los circuitos resonantes primario y secundario. Originalmente, un alternador de alta frecuencia o un condensador de descarga eran usados para excitar la bobina primaria. Bobinas Tesla modernas pueden usar tubos de vacío para excitar el primario y generar corriente de alta frecuencia.
En el diseño de Tesla, el conductor a la terminal tiene la forma de un cilindro de suave superficie con radio mucho mayor que el de las placas metálicas esféricas, y que se ensancha en la parte más baja en un gancho (que está encajado para evitar pérdidas por corrientes de Foucault y por seguridad). La bobina secundaria está enrollada en un tambor de material aislante, con sus vueltas muy cercanas entre sí. Cuando el efecto de los pequeños radios de curvatura del cable es superado, la bobina secundaria inferior se comporta como un conductor de gran radio de curvatura, correspondiendo al del tambor. El final inferior de la bobina secundaria superior, si se desea, puede ser extendido hasta el terminal, hasta algún lugar por debajo de la vuelta superior de la bobina primaria.