Transformador tesla
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 19 de septiembre de 2020; las comprobaciones requieren 40 ediciones .El transformador de Tesla , o bobina de Tesla ( ing. bobina de Tesla ) es un dispositivo inventado por Nikola Tesla y que lleva su nombre. Es un transformador resonante que produce alto voltaje a alta frecuencia. El dispositivo fue patentado el 22 de septiembre de 1896 como "Aparato para la producción de corrientes eléctricas de alta frecuencia y potencial" [1] .
Cómo funciona
El transformador Tesla se basa en el uso de ondas electromagnéticas estacionarias resonantes en bobinas. Su devanado primario contiene un pequeño número de vueltas y forma parte de un circuito oscilatorio de chispa , que también incluye un condensador y un espacio de chispa. El devanado secundario es una bobina recta de alambre. Si la frecuencia de oscilación del circuito oscilatorio del devanado primario coincide con la frecuencia de una de las oscilaciones naturales (ondas estacionarias) del devanado secundario, debido al fenómeno de resonancia en el devanado secundario, se generará una onda electromagnética estacionaria y una alta aparecerá voltaje alterno entre los extremos de la bobina [2] .
El funcionamiento de un transformador resonante se puede explicar usando el ejemplo de un columpio ordinario. Si se balancean en el modo de oscilación forzada, la amplitud máxima alcanzada será proporcional a la fuerza aplicada. Si se balancea en el modo de oscilaciones libres, entonces, con los mismos esfuerzos, la amplitud máxima crece muchas veces. Lo mismo ocurre con el transformador Tesla: el circuito oscilatorio secundario actúa como un columpio y el generador actúa como el esfuerzo aplicado. Su consistencia ("empujar" estrictamente en el momento adecuado) la proporciona el circuito primario o el oscilador maestro (según el dispositivo).
El transformador Tesla más simple incluye un transformador de entrada, un inductor que consta de dos devanados: primario y secundario, un espacio de chispa (interruptor, a menudo se encuentra la versión en inglés de Spark Gap), un capacitor , un toroide (no siempre se usa) y un terminal (mostrado en el diagrama como "salida").
El devanado primario generalmente contiene solo unas pocas vueltas de tubo de cobre o alambre de gran diámetro, y el devanado secundario contiene alrededor de 1000 vueltas de alambre de un área de sección transversal más pequeña. La bobina primaria puede ser plana (horizontal), cónica o cilíndrica (vertical). A diferencia de los transformadores convencionales , aquí no hay núcleo ferromagnético . Por lo tanto, la inductancia mutua entre las dos bobinas es mucho menor que en los transformadores con núcleo ferromagnético. La bobina primaria, junto con el condensador, forma un circuito oscilatorio , que incluye un elemento no lineal: un espacio de chispa.
El pararrayos, en el caso más simple, uno de gas ordinario, consta de dos electrodos macizos con un espacio ajustable. Los electrodos deben ser resistentes al flujo de altas corrientes a través de un arco eléctrico entre ellos y tener un buen enfriamiento.
La bobina secundaria también forma un circuito oscilatorio , donde el papel del capacitor lo realiza principalmente la capacitancia del toroide y su propia capacitancia entre vueltas de la propia bobina. El devanado secundario a menudo se recubre con una capa de epoxi o barniz para evitar averías eléctricas .
El terminal puede tener la forma de un disco, un pasador afilado o una esfera y está diseñado para producir descargas de chispas predecibles de gran longitud.
Así, el transformador Tesla consta de dos circuitos oscilatorios conectados, lo que determina sus notables propiedades y es su principal diferencia con los transformadores convencionales. Para el pleno funcionamiento del transformador, estos dos circuitos oscilatorios deben estar sintonizados a la misma frecuencia resonante. Por lo general, durante el proceso de sintonización, el circuito primario se ajusta a la frecuencia del secundario cambiando la capacitancia del capacitor y el número de vueltas del devanado primario hasta obtener el voltaje máximo en la salida del transformador.
Funcionamiento
El transformador Tesla del diseño más simple bajo consideración, que se muestra en el diagrama, opera en modo pulsado. La primera fase es la carga del condensador hasta la tensión de ruptura del pararrayos. La segunda fase es la generación de oscilaciones de alta frecuencia en el circuito primario. Un espacio de chispa conectado en paralelo , cerrando la fuente de alimentación (transformador), la excluye del circuito, de lo contrario, la fuente de alimentación introduce ciertas pérdidas en el circuito primario y, por lo tanto, reduce su factor de calidad . En la práctica, esta influencia puede reducir muchas veces la duración de la descarga, por lo tanto, en el circuito del transformador de Tesla, el pararrayos siempre se coloca en paralelo con la fuente de alimentación.
Cargo
El condensador se carga mediante una fuente externa de alto voltaje basada en un transformador elevador de baja frecuencia. La capacitancia del capacitor se elige de modo que, junto con el inductor, forme un circuito resonante con una frecuencia de resonancia igual al circuito de alto voltaje. Sin embargo, la frecuencia diferirá de la calculada por la fórmula de Thomson , ya que hay pérdidas notables en el circuito primario para "bombear" el segundo circuito. La tensión de carga está limitada por la tensión de ruptura del pararrayos, que (en el caso de un entrehierro) se puede ajustar cambiando la distancia entre los electrodos o su forma. Por lo general, el voltaje de carga del capacitor se encuentra en el rango de 2 a 20 kilovoltios.
Generación
Después de alcanzar el voltaje de ruptura entre los electrodos del pararrayos, se produce una ruptura eléctrica del gas similar a una avalancha en él. El condensador se descarga a través del pararrayos a la bobina. Después de la descarga del capacitor, el voltaje de ruptura del pararrayos disminuye bruscamente debido a los portadores de carga restantes ( iones ) en el gas. Por lo tanto, el circuito del circuito oscilatorio , que consta de una bobina primaria y un condensador, permanece cerrado a través del espacio de chispas y en él se producen oscilaciones de alta frecuencia. Las oscilaciones se amortiguan gradualmente, principalmente debido a pérdidas en el espacio de chispas y en el circuito secundario, pero continúan hasta que la corriente crea un número suficiente de portadores de carga para mantener la descarga. En el circuito secundario se producen oscilaciones resonantes, lo que provoca la aparición de una tensión alta en el terminal .
Modificaciones del transformador Tesla
En todos los tipos de transformadores Tesla, el elemento estructural principal, los circuitos primario y secundario, permanece sin cambios. Sin embargo, una de sus partes: el generador de oscilaciones de alta frecuencia puede tener un diseño diferente. Las abreviaturas de las bobinas de Tesla alimentadas por CC a menudo incluyen las letras CC, como DCSGTC .
En este momento hay:
- SGTC ( ing. Spark -gap Tesla coil ) - una bobina de Tesla clásica - el generador de oscilación se realiza en un Spark gap (pararrayos). Para los transformadores Tesla de alta potencia, junto con los pararrayos convencionales (estáticos), se utilizan diseños de pararrayos más complejos. Por ejemplo, RSG (del inglés rotary spark gap , se puede traducir como un espacio de chispa giratorio / giratorio) o un espacio de chispa estático con extintores de arco adicionales. En este caso, es recomendable elegir la frecuencia de la operación de brecha de forma sincronizada con la frecuencia de recarga del capacitor, y el circuito en este caso está más cerca de la imagen y no de la forma en que se describe aquí. El diseño de un espacio de chispa rotatorio utiliza un motor (generalmente un motor eléctrico ) para hacer girar un disco con electrodos que se acercan (o simplemente cierran) a los electrodos de acoplamiento para completar el circuito primario. La velocidad de rotación del eje y la ubicación de los contactos se seleccionan en función de la frecuencia requerida de repetición de los paquetes de oscilación. Se hace una distinción entre descargadores de chispas rotativos síncronos y asíncronos dependiendo del control del motor. Además, el uso de un espacio de chispas giratorio reduce en gran medida la probabilidad de un arco parásito entre los electrodos . A veces, un espacio de chispas estático convencional se reemplaza por un espacio de chispas estático de etapas múltiples. Para enfriar los pararrayos, a veces se colocan en dieléctricos líquidos o gaseosos, como el aceite. Una técnica típica para extinguir un arco en un espacio de chispas estático es purgar los electrodos con un potente chorro de aire. A veces, el diseño clásico se complementa con una segunda vía de chispas protectora. Su tarea es proteger el suministro (parte de bajo voltaje) de sobretensiones de alto voltaje.
- Bobina de tubo de Tesla (LCT) ( bobina de Tesla de tubo de vacío en inglés , VTTC ). Utiliza tubos de electrones como generador de oscilaciones de RF . Por lo general, se trata de lámparas generadoras potentes, como la GU-81, pero también existen diseños de bajo consumo. Una de las características es la ausencia de la necesidad de alta tensión. Para obtener descargas relativamente pequeñas, son suficientes 300-600 V. Además, VTTC prácticamente no emite el ruido que aparece cuando la bobina de Tesla opera en la vía de chispa.
- SSTC ( bobina de Tesla de estado sólido ) : el generador está hecho de semiconductores . Incluye un oscilador maestro (con frecuencia ajustable, forma, duración del pulso) e interruptores de potencia (potentes transistores MOSFET de efecto de campo). Este tipo de bobinas de Tesla es la más interesante por varios motivos: cambiando el tipo de señal en las teclas, puedes cambiar radicalmente el aspecto de la descarga. Además, la señal de RF del generador se puede modular con una señal de audio, por ejemplo, música: el sonido provendrá de la descarga misma. Sin embargo, la modulación de audio es posible (con modificaciones menores) en VTTC. Otras ventajas incluyen el voltaje de suministro bajo y la ausencia de un espacio de chispa ruidoso, como en SGTC.
- DRSSTC ( ing. bobina de Tesla de estado sólido de doble resonancia ) - debido a la doble resonancia, las descargas de este tipo de bobinas son mucho mayores que las de SSTC convencional. Para bombear el circuito primario, se utiliza un generador de clave de semiconductor: transistores IGBT o MOSFET .
- QCW DRSSTC ( ing. quasi-continious wave ) es un tipo especial de bobina de transistor Tesla, que se caracteriza por el llamado bombeo suave: gradual y suave (en lugar de un golpe fuerte, como en las bobinas convencionales), un aumento en una cantidad de parámetros, (a saber: voltaje del circuito primario y corriente del circuito primario, y posiblemente voltaje del circuito secundario). En una bobina de impulso de Tesla clásica, el crecimiento de corriente en el devanado primario generalmente ocurre durante un período de tiempo comparable a la duración del período (de 2 a 3 a 7 a 10 o más períodos) de la frecuencia resonante, es decir, durante un tiempo del orden de decenas a centenas de microsegundos. En QCW, el tiempo de subida es de decenas de milisegundos, es decir, más de dos órdenes de magnitud. Un ejemplo simple de QCW cercano son las bobinas de cambio de tubo de Tesla. Debido a la señal sinusoidal con una frecuencia de 50 hercios, se produce un efecto de bombeo semisuave en su salida, lo que proporciona un aumento bastante impresionante en la duración de la descarga en relación con una interrupción dura típica (a lo largo del cátodo o rejilla). Como resultado de esta técnica, se logra un tipo de rayo característico en forma de descargas largas y casi rectas en forma de espada, cuya longitud es muchas veces mayor que la longitud del devanado del devanado secundario. El hecho es que la tensión total en el terminal QCW DRSSTC nunca alcanza la tensión de ruptura para el devanado secundario: siempre permanece bastante pequeña, decenas de kilovoltios. Una serpentina que ha surgido a bajo voltaje continúa siendo alimentada con energía durante todo el tiempo de bombeo y, por lo tanto, crece hacia arriba a lo largo de las líneas de fuerza del campo, en lugar de atravesar el lado del toroide hacia el anillo de percusión. Es por esto que se realiza un bombeo suave en las bobinas de Tesla. Debido a esta técnica, se logra el siguiente efecto: al principio, aparece una pequeña descarga, que luego crece no a gran velocidad, rompiendo el canal de plasma en una dirección aleatoria, sino a una baja (para que este proceso de desarrollo pueda incluso filmarse con cámaras de video ordinarias), lo que hace que no se ramifique y sea enorme en relación con la longitud del devanado secundario. De hecho, constantemente estamos calentando una pequeña descarga que ha surgido, que se alarga a medida que se bombea energía al devanado secundario. Pero el voltaje a la salida de una bobina de Tesla de este tipo es pequeño y no supera las decenas de kilovoltios.
Las bobinas magnifer de Tesla también se incluyen en una categoría separada.
Usando el Transformador Tesla
El voltaje de salida de un transformador Tesla puede alcanzar varios millones de voltios . Este voltaje a la frecuencia de la fuerza eléctrica mínima del aire es capaz de crear impresionantes descargas eléctricas en el aire, que pueden tener muchos metros de largo. Estos fenómenos fascinan a las personas por diversas razones, por lo que el transformador Tesla se utiliza como elemento decorativo.
El transformador fue utilizado por Tesla para generar y propagar oscilaciones eléctricas destinadas a controlar dispositivos a distancia sin cables ( control de radio ), transmisión inalámbrica de datos ( radio ) y transmisión inalámbrica de energía . A principios del siglo XX , el transformador Tesla también encontró un uso popular en la medicina . [3] [4] Los pacientes fueron tratados con corrientes débiles de alta frecuencia que, al fluir a través de una capa delgada de la superficie de la piel, no dañaron los órganos internos (ver: efecto de la piel , darsonvalización ), mientras ejercían un "tónico" y "efecto curativo.
Es erróneo suponer que el transformador Tesla no tiene una amplia aplicación práctica. Se utiliza para encender lámparas de descarga de gas y para encontrar fugas en sistemas de vacío. Sin embargo, su uso principal en la actualidad es cognitivo y estético. Esto se debe principalmente a importantes dificultades cuando es necesario controlar la selección de energía de alto voltaje, o más aún transferirla a una distancia del transformador, ya que en este caso el dispositivo inevitablemente sale de resonancia y la calidad El factor del circuito secundario y el voltaje en él también se reducen significativamente.
Efectos observados durante el funcionamiento del transformador Tesla
Durante el funcionamiento, la bobina de Tesla crea hermosos efectos asociados con la formación de varios tipos de descargas de gas . Mucha gente colecciona transformadores Tesla para observar estos impresionantes y hermosos fenómenos. En general, la bobina de Tesla produce 4 tipos de descargas:
- Streamer (del inglés Streamer ): canales ramificados delgados y tenuemente brillantes que contienen átomos de gas ionizado y electrones libres separados de ellos. Fluye desde el terminal (o desde las partes BB curvas más afiladas) de la bobina directamente al aire, sin entrar en el suelo, ya que la carga fluye uniformemente desde la superficie de descarga a través del aire hacia el suelo. La serpentina es, de hecho, la ionización visible del aire (resplandor de iones) creada por el campo HV del transformador.
- Spark (del inglés Spark ) es una descarga de chispa . Va desde la terminal (o desde las partes BB más afiladas y curvas) directamente al suelo o a un objeto conectado a tierra. Es un haz de tiras filamentosas brillantes, que desaparecen rápidamente o se reemplazan entre sí, a menudo muy ramificadas: canales de chispa. También hay un tipo especial de descarga de chispa: una descarga de chispa deslizante.
- La descarga de corona es el resplandor de los iones de aire en un campo eléctrico de alto voltaje . Crea un hermoso brillo azulado alrededor de las partes BB de la estructura con una fuerte curvatura superficial.
- Descarga de arco : formada en muchos casos. Por ejemplo, con suficiente potencia del transformador, si un objeto conectado a tierra se acerca a su terminal, se puede encender un arco entre él y el terminal (a veces es necesario tocar directamente el objeto con el terminal y luego estirar el arco, retrayendo el objeto a una distancia mayor). Esto es especialmente cierto en el caso de las bobinas de tubo de Tesla. Si la bobina no es lo suficientemente fuerte y confiable, la descarga de arco provocada puede dañar sus componentes.
A menudo puede observar (especialmente cerca de bobinas potentes) cómo las descargas van no solo desde la propia bobina (su terminal, etc.), sino también hacia ella desde objetos conectados a tierra. Además, la descarga de corona puede ocurrir en dichos objetos . En raras ocasiones, también se puede observar una descarga luminiscente . Es interesante notar que ciertos químicos iónicos aplicados a la terminal de descarga son capaces de cambiar el color de la descarga. Por ejemplo, los iones de sodio cambian el color habitual de la chispa a naranja y el boro cambia a verde.
El funcionamiento de un transformador resonante va acompañado de un crepitar eléctrico característico. La aparición de este fenómeno está asociada con la transformación de las serpentinas en canales de chispas (ver el artículo Descarga de chispas ), que se acompaña de un fuerte aumento en la intensidad de la corriente y la cantidad de energía liberada en ellos. Cada canal se expande rápidamente, la presión aumenta abruptamente en él, como resultado de lo cual surge una onda de choque en sus límites . La combinación de ondas de choque de los canales de chispa en expansión genera un sonido percibido como el "crack" de una chispa.
Efectos sobre el cuerpo humano
Como fuente de alto voltaje, el transformador Tesla puede ser mortal. Esto es especialmente cierto para instalaciones de trabajo pesado en lámparas o transistores de efecto de campo. En cualquier caso, incluso los transformadores Tesla de baja potencia se caracterizan por la liberación de energía de alta frecuencia y alto voltaje, que puede causar daños locales en la piel en forma de quemaduras que cicatrizan mal. En el caso de los transformadores Tesla de potencia media (50-150 vatios ), tales quemaduras pueden causar daños en las terminaciones nerviosas y daños importantes en las capas subcutáneas, incluidos músculos y ligamentos. Los transformadores Tesla con excitación por chispa son menos peligrosos en términos de quemaduras, sin embargo, las descargas de alto voltaje seguidas de pausas causan más daño al sistema nervioso y pueden causar un paro cardíaco (en personas con problemas cardíacos). En cualquier caso, el daño que pueden causar los potentes generadores de alta frecuencia, entre los que se encuentran los transformadores Tesla, es puramente individual, y depende de las características del organismo y del estado mental de una persona en particular.
Es un hecho que las mujeres reaccionan más agudamente a la radiación de potentes dispositivos de radiofrecuencia, respectivamente, y la reacción en las mujeres es más aguda que en los hombres. Al transformador Tesla, así como a cualquier aparato eléctrico, no se debe permitir el ingreso de niños sin la supervisión de un adulto.
Sin embargo, existe otra opinión respecto a algunos tipos de transformadores Tesla. Dado que el alto voltaje de alta frecuencia tiene un efecto sobre la piel , a pesar del potencial de millones de voltios, una descarga en el cuerpo humano no puede causar un paro cardíaco u otro daño grave al cuerpo que sea incompatible con la vida.
Por el contrario, otros generadores de alto voltaje, como el multiplicador de TV de alto voltaje y otros generadores de CC de alto voltaje domésticos, que tienen un voltaje de salida incomparablemente más bajo (del orden de 25 kV), pueden ser mortales. Todo esto se debe a que los convertidores anteriores usan una frecuencia de 50 hercios (en un multiplicador de TV clásico, la frecuencia es de unos 15 kHz, en monitores incluso más alta), por lo tanto, no hay efecto de piel, o es muy débil, y la corriente fluirá a través de los órganos internos de una persona (peligroso para la vida se considera una corriente de decenas de mA).
Una imagen ligeramente diferente con la electricidad estática , que puede provocar una descarga muy sensible cuando se descarga (al tocar metal), pero no es fatal, ya que la carga estática es relativamente pequeña. Otro peligro que acecha al usar un transformador Tesla es un exceso de ozono en la sangre, lo que puede derivar en dolores de cabeza , ya que grandes porciones de este gas se producen durante el funcionamiento del aparato.
Véase también
Notas
- ↑ Patente de EE. UU. n.º 568.176, 22 de septiembre de 1896. Aparato para producir corrientes eléctricas de alta frecuencia y potencial . Descripción de la patente en el sitio web de la Oficina de Patentes y Marcas de EE . UU .
- ↑ Kalashnikov S. G. , Electricidad, M., GITTL, 1956, cap. XII "Ondas electromagnéticas a lo largo de hilos", pág. 261 "Ondas estacionarias en bobinas", pág. 592-593.
- ↑ Transformador Tesla // Biblioteca. Proyecto de exploración espacial.
- ↑ Rzhonsnitsky B. N. Nikola Tesla .
Enlaces
- Transformador Tesla como bomba de cargas desde la Tierra. Cálculo de parámetros
- Demidov Pavel. ¿ Transformador Tesla de bricolaje (ruso) ? . Club intelectual Caleidoscopio . // intelogic.ru (13 de noviembre de 2018). Fecha de acceso: 19 de abril de 2021.
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