Bobina de Tesla

Una bobina de Tesla es un circuito transformador eléctrico resonante diseñado por el inventor Nikola Tesla en 1891. Se utiliza para producir electricidad de corriente alterna de alta frecuencia, baja corriente y alto voltaje. Tesla experimentó con varias configuraciones diferentes que consistían en dos, o a veces tres, circuitos eléctricos resonantes acoplados.

Tesla usó estos circuitos para realizar experimentos innovadores en iluminación eléctrica, fosforescencia, generación de rayos X, fenómenos de corriente alterna de alta frecuencia, electroterapia y transmisión de energía eléctrica sin cables. Los circuitos de bobina de Tesla se utilizaron comercialmente en transmisores de radio de vía de chispa para telegrafía inalámbrica hasta la década de 1920, y en equipos médicos como electroterapia y dispositivos de rayos violeta. Hoy en día, su uso principal es para pantallas educativas y de entretenimiento, aunque todavía se usan bobinas pequeñas como detectores de fugas para sistemas de alto vacío.

Originalmente, las bobinas de Tesla usaban vías de chispa fijas o vías de chispa giratorias para proporcionar una excitación intermitente del circuito resonante; más recientemente, se utilizan dispositivos electrónicos para proporcionar la acción de conmutación requerida.

Operación

Coil Tesla casero en funcionamiento, mostrando descargas de cepillo del toroide. El campo eléctrico alto hace que el aire alrededor de la terminal de alta tensión ionice y conduzca la electricidad, permitiendo que la electricidad se escape en el aire en descargas coronarias coloridas, descargas de cepillo y arcos de streamer. Las bobinas de Tesla se utilizan para el entretenimiento en museos científicos y eventos públicos, y para efectos especiales en películas y televisión.

Una bobina de Tesla es un oscilador de radiofrecuencia que impulsa un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir altos voltajes a bajas corrientes. Los circuitos originales de Tesla, así como la mayoría de las bobinas modernas, usan un espacio de chispa simple para excitar las oscilaciones en el transformador sintonizado. Los diseños más sofisticados utilizan interruptores de transistores o tiristores u osciladores electrónicos de tubos de vacío para impulsar el transformador resonante.

Las bobinas de Tesla pueden producir voltajes de salida desde 50 kilovoltios hasta varios millones de voltios para bobinas grandes. La salida de corriente alterna está en el rango de frecuencia de radio bajo, generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. Aunque algunas bobinas impulsadas por osciladores generan una corriente alterna continua, la mayoría de las bobinas de Tesla tienen una salida pulsada; el alto voltaje consiste en una cadena rápida de pulsos de corriente alterna de radiofrecuencia.

El circuito común de bobina de Tesla excitado por chispa, que se muestra a continuación, consta de estos componentes:

• Un transformador de suministro de alta tensión (T), para acelerar el voltaje de las barras AC hasta un voltaje suficientemente alto para saltar la brecha de chispa. Tensiones típicas son entre 5 y 30 kilovoltios (kV).
• Un condensador (C1) que forma un circuito sintonizado con el viento primario L1 del transformador Tesla
• Una brecha de chispa (SG) que actúa como un interruptor en el circuito primario
• La bobina Tesla (L1, L2), un transformador resonante de doble ajuste de aire-core, que genera la tensión de salida alta.
• Opcionalmente, un electrodo capacitivo (carga superior) (E) en la forma de una esfera metálica lisa o toro adherido al terminal secundario de la bobina. Su superficie grande suprime el colapso del aire prematuro y descargas de arco, aumentando el factor Q y el voltaje de salida.

Transformador resonante

El transformador especializado que se usa en el circuito de la bobina de Tesla, llamado transformador resonante, transformador de oscilación o transformador de radiofrecuencia (RF), funciona de manera diferente a los transformadores ordinarios que se usan en los circuitos de alimentación de CA. Mientras que un transformador ordinario está diseñado para transferir energía de manera eficiente desde el devanado primario al secundario, el transformador resonante también está diseñado para almacenar temporalmente energía eléctrica. Cada devanado tiene una capacitancia a través de él y funciona como un circuito LC (circuito resonante, circuito sintonizado), que almacena energía eléctrica oscilante, de manera análoga a la forma en que un diapasón almacena energía mecánica vibratoria. La bobina primaria (L1) que consta de relativamente pocas vueltas de alambre o tubería de cobre grueso, está conectada a un capacitor (C1) a través del espacio de chispa (SG). La bobina secundaria (L2) consiste en muchas vueltas (cientos a miles) de alambre fino en una forma cilíndrica hueca dentro de la primaria. El secundario no está conectado a un capacitor real, pero también funciona como un circuito LC, la inductancia de (L2) resuena con la capacitancia parásita (C2), la suma de la capacitancia parásita perdida entre los devanados de la bobina y la capacitancia del electrodo de metal toroidal conectado a la terminal de alto voltaje. Los circuitos primario y secundario están sintonizados para que tengan la misma frecuencia de resonancia, por lo que intercambian energía, actuando como un oscilador acoplado; durante cada chispa, la energía almacenada oscila rápidamente entre el primario y el secundario.

El peculiar diseño de la bobina está dictado por la necesidad de lograr bajas pérdidas de energía resistiva (alto factor Q) a altas frecuencias, lo que da como resultado los mayores voltajes secundarios:

• Los transformadores de potencia ordinario tienen un núcleo de hierro para aumentar el acoplamiento magnético entre las bobinas. Sin embargo, a altas frecuencias, un núcleo de hierro causa pérdidas energéticas debido a corrientes de eddy e histeresis, por lo que no se utiliza en la bobina de Tesla.
• Los transformadores ordinarios están diseñados para ser "recogidos". Tanto la primaria como la secundaria están heridas fuertemente alrededor del núcleo de hierro. Debido al núcleo de hierro y la proximidad estrecha de los vientos, tienen una alta inductancia mutua (M), el coeficiente de acoplamiento está cerca de la unidad 0.95 – 1.0, lo que significa casi todo el campo magnético de los vientos primarios pasa por la secundaria. El transformador de Tesla en contraste es "sólo acoplado", el enrollamiento primario es mayor en diámetro y separado de la secundaria, por lo que la inductancia mutua es menor y el coeficiente de acoplamiento es sólo 0.05 a 0.2. Esto significa que sólo el 5% al 20% del campo magnético de la bobina primaria pasa por la secundaria cuando está abierta. El acoplamiento flojo ralentiza el intercambio de energía entre las bobinas primarias y secundarias, lo que permite que la energía oscilante permanezca en el circuito secundario más tiempo antes de volver a la primaria y comienza a disiparse en la chispa.
• Cada enrollamiento también se limita a una sola capa de alambre, que reduce las pérdidas de efecto de proximidad. La primaria lleva corrientes muy altas. Dado que la corriente de alta frecuencia fluye principalmente en la superficie de conductores debido al efecto de la piel, a menudo está hecha de tubos de cobre o tira con una gran superficie para reducir la resistencia, y sus giros se separan, lo que reduce las pérdidas de efecto de proximidad y arcing entre giros.

Diseño de bobina Unipolar ampliamente utilizado en bobinas modernas. La primaria es la espiral roja plana enrollando en la parte inferior, la secundaria es la herida de bobina cilíndrica vertical con alambre rojo fino. La terminal de alta tensión es el toro de aluminio en la parte superior de la bobina secundaria.

Bobina bipolar, utilizada a principios del siglo XX. Hay dos terminales de salida de alta tensión, cada uno conectado a un extremo de la secundaria, con una brecha de chispa entre ellos. La primaria es de 12 giros de alambre pesado, que se encuentra en el punto medio de la secundaria para desalentar arcos entre las bobinas.

El circuito de salida puede tener dos formas:

• Unipolar: Un extremo del viento secundario está conectado a un único terminal de alto voltaje, el otro extremo se basa. Este tipo se utiliza en bobinas modernas diseñadas para el entretenimiento. El viento primario se encuentra cerca de la parte inferior, bajo potencial final de la secundaria, para minimizar arcos entre los vientos. Puesto que el suelo (tierra) sirve como el camino de retorno para el alto voltaje, arcos de streamer de la terminal tienden a saltar a cualquier objeto terrestre cercano.
• Bipolar: Ni el fin del viento secundario se basa, y ambos son llevados a terminales de alta tensión. El viento primario se encuentra en el centro de la bobina secundaria, equidistante entre los dos terminales de alto potencial, para desalentar el arcing.

Ciclo de operación

El circuito opera en un ciclo de repetición rápida en el que el transformador de suministro (T) carga el condensador primario (C1), que luego se descarga en una chispa a través del espacio de chispa, creando un breve pulso de corriente oscilante en el circuito primario que excita un alto voltaje oscilante a través del secundario:

1. Corriente del transformador de suministro (T) carga el condensador (C1) a un alto voltaje.
2. Cuando el voltaje a través del condensador alcanza el voltaje de descomposición de la brecha de chispa (SG) una chispa comienza, reduciendo la resistencia de la brecha de chispa a un valor muy bajo. Esto completa el circuito primario y la corriente del condensador fluye a través de la bobina primaria (L1). La corriente fluye rápidamente entre las placas del condensador a través de la bobina, generando la frecuencia de radio oscilando la corriente en el circuito primario a la frecuencia resonante del circuito.
3. El campo magnético oscilante del viento primario induce una corriente oscilante en el viento secundario (L2)Por la ley de inducción de Faraday. Durante varios ciclos, la energía en el circuito primario se transfiere a la secundaria. La energía total en los circuitos sintonizados se limita a la energía almacenada originalmente en el condensador C1, así como el voltaje oscilante en la amplitud secundaria aumenta la amplitud ("ing up") las oscilaciones en la disminución primaria a cero. Aunque los extremos de la bobina secundaria están abiertos, también actúa como un circuito sintonizado debido a la capacitancia (C2), la suma de la capacitancia parasitaria entre los giros de la bobina más la capacitancia del electrodo toroideo E. Corrientes corrientes de ida y vuelta por la bobina secundaria entre sus extremos. Debido a la pequeña capacitancia, el voltaje oscilante a través de la bobina secundaria que aparece en la terminal de salida es mucho más grande que el voltaje primario.
4. La corriente secundaria crea un campo magnético que induce el voltaje de vuelta en la bobina primaria, y sobre un número de ciclos adicionales la energía se transfiere de nuevo a la primaria, provocando que el voltaje oscilante en la secundaria disminuya ("abajo"). Este proceso repite, la energía que cambia rápidamente entre los circuitos sintonizados primario y secundario. Las corrientes oscilantes en la primaria y secundaria mueren gradualmente debido a la energía disipada como calor en la brecha de chispa y resistencia de la bobina.
5. Cuando la corriente a través de la brecha de chispa ya no es suficiente para mantener el aire en la brecha ionizada, la chispa se detiene ("cuchas"), terminando la corriente en el circuito primario. La corriente oscilante en la secundaria puede continuar por algún tiempo.
6. La corriente del transformador de suministro comienza a cargar el condensador C1 otra vez y el ciclo repite.

Todo este ciclo tiene lugar muy rápidamente, desapareciendo las oscilaciones en un tiempo del orden de un milisegundo. Cada chispa a través del espacio de chispas produce un pulso de alto voltaje sinusoidal amortiguado en la terminal de salida de la bobina. Cada pulso se apaga antes de que ocurra la siguiente chispa, por lo que la bobina genera una cadena de ondas amortiguadas, no un voltaje sinusoidal continuo. El alto voltaje del transformador de suministro que carga el capacitor es una onda sinusoidal de 50 o 60 Hz. Dependiendo de cómo se establezca el espacio de chispa, generalmente se producen una o dos chispas en el pico de cada medio ciclo de la corriente principal, por lo que hay más de cien chispas por segundo. Por lo tanto, la chispa en el espacio de chispa parece continua, al igual que las serpentinas de alto voltaje desde la parte superior de la bobina.

El devanado secundario (T) del transformador de suministro está conectado a través del circuito sintonizado primario. Podría parecer que el transformador sería un camino de fuga para la corriente RF, amortiguando las oscilaciones. Sin embargo, su gran inductancia le da una impedancia muy alta a la frecuencia de resonancia, por lo que actúa como un circuito abierto a la corriente oscilante. Si el transformador de alimentación tiene una inductancia de cortocircuito inadecuada, se colocan estranguladores de radiofrecuencia en sus conductores secundarios para bloquear la corriente de RF.

Frecuencia de oscilación

Para producir el mayor voltaje de salida, los circuitos sintonizados primario y secundario se ajustan para resonancia entre sí. Las frecuencias resonantes de los circuitos primario y secundario, f1{displaystyle scriptstyle f_{1} y f2{displaystyle scriptstyle f_{2}, se determinan por la inductancia y la capacitancia en cada circuito:

f1=12π π L1C1f2=12π π L2C2{displaystyle f_{1}={1over {2pi} {cHFF} {L_{1}C_{1}}}qquad qquad f_{2}={1 over {2pi {cHFF} {L_{2}C_{2}}},}

Por lo general, el secundario no es ajustable, por lo que el circuito primario se sintoniza, generalmente mediante un toque móvil en la bobina primaria L₁, hasta que resuena a la misma frecuencia que el secundario:

f=12π π L1C1=12π π L2C2{displaystyle f={1 over {2ccH00} {cHFF} {L_{1}C_{1}}}={1} over {2pi {sqrt {L_{2}C_{2}}},}

Por lo tanto, la condición para la resonancia entre primaria y secundaria es:

L1C1=L2C2{displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2},}

La frecuencia de resonancia de las bobinas de Tesla está en el rango de radiofrecuencia (RF) baja, generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. Sin embargo, debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, producen ruido de radio de banda ancha y, sin blindaje, pueden ser una fuente significativa de RFI, que interfiere con la recepción de radio y televisión cercana.

Tensión de salida

Gran bobina produciendo 3,5 metros (10 pies) arcos de streamer, indicando un potencial de millones de voltios

En un transformador resonante la tensión alta se produce por resonancia; el voltaje de salida no es proporcional a la relación de giros, como en un transformador ordinario. Puede calcularse aproximadamente a partir de la conservación de la energía. Al comienzo del ciclo, cuando la chispa comienza, toda la energía en el circuito primario W1{displaystyle W_{1} se almacena en el condensador primario C1{displaystyle C_{1}. Si V1{displaystyle V_{1} es el voltaje en el que se descompone la brecha de chispa, que suele estar cerca del voltaje de salida pico del transformador de suministro T, esta energía es

W1=12C1V12{displaystyle W_{1}={1 over 2}C_{1}V_{1} {2},}

Durante el "reunir" esta energía se transfiere al circuito secundario. Aunque algunos se pierden como calor en la chispa y otras resistencias, en las bobinas modernas, más del 85% de la energía termina en la secundaria. En el pico (V2{displaystyle V_{2}) de la onda de voltaje sinusoidal secundaria, toda la energía en la secundaria W2{displaystyle W_{2} se almacena en la capacitancia C2{displaystyle C_{2} entre los extremos de la bobina secundaria

W2=12C2V22{displaystyle W_{2}={1 over 2}C_{2}V_{2}2}

Asumiendo que no haya pérdidas energéticas, W2=W1{displaystyle W_{2};=;W_{1}. Sustituir en esta ecuación y simplificar, el voltaje secundario pico es

La segunda fórmula anterior se deriva de la primera utilizando la condición de resonancia L1C1=L2C2{displaystyle L_{1}C_{1};=;L_{2}C_{2}. Dado que la capacitancia de la bobina secundaria es muy pequeña en comparación con el condensador primario, la tensión primaria se aumenta a un alto valor.

La tensión de pico anterior solo se alcanza en bobinas en las que no se producen descargas de aire; en las bobinas que producen chispas, como las bobinas de entretenimiento, el voltaje máximo en el terminal se limita al voltaje en el que el aire se descompone y se vuelve conductor. A medida que el voltaje de salida aumenta durante cada pulso de voltaje, alcanza el punto donde el aire junto al terminal de alto voltaje se ioniza y forma corona, descargas de cepillo y arcos serpenteantes que salen del terminal. Esto sucede cuando la intensidad del campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire, unos 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico es mayor en los puntos y bordes afilados, las descargas de aire comienzan en estos puntos en la terminal de alto voltaje. El voltaje en el terminal de alto voltaje no puede aumentar por encima del voltaje de ruptura del aire, porque la carga eléctrica adicional bombeada al terminal desde el devanado secundario simplemente se escapa al aire. El voltaje de salida de las bobinas de Tesla al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aire, pero se pueden lograr voltajes más altos con bobinas sumergidas en tanques presurizados de aceite aislante.

Carga superior o "toroide" electrodo

Sólido estado DRSSTC Tesla bobina con alambre apuntado a toroide para producir descarga de cepillo

La mayoría de los diseños de bobinas de Tesla tienen un electrodo de metal suave con forma esférica o toroidal en el terminal de alto voltaje. El electrodo sirve como una placa de un capacitor, con la Tierra como la otra placa, formando el circuito sintonizado con el devanado secundario. Aunque el "toroide" aumenta la capacitancia secundaria, que tiende a reducir la tensión de pico, su principal efecto es que su superficie curva de gran diámetro reduce el gradiente de potencial (campo eléctrico) en la terminal de alta tensión; funciona de manera similar a un anillo de corona, aumentando el umbral de voltaje en el que se producen las descargas de aire, como las descargas de corona y cepillo. La supresión de la ruptura prematura del aire y la pérdida de energía permite que el voltaje alcance valores más altos en los picos de la forma de onda, creando serpentinas más largas y espectaculares cuando finalmente se producen las descargas de aire.

Si el electrodo superior es lo suficientemente grande y liso, es posible que el campo eléctrico en su superficie nunca llegue a ser lo suficientemente alto, ni siquiera en el voltaje máximo, como para provocar la ruptura del aire y no se producirán descargas de aire. Algunas bobinas de entretenimiento tienen un "punto de chispa" proyectándose desde el toro para iniciar las descargas.

Tipos

El término "bobina de Tesla" se aplica a una serie de circuitos transformadores resonantes de alto voltaje.

Excitación

Los circuitos de bobina de Tesla se pueden clasificar según el tipo de "excitación" utilizan, qué tipo de circuito se utiliza para aplicar corriente al devanado primario del transformador resonante:

• Spark-excited o Spark Gap Tesla Coil (SGTC): Este tipo utiliza una brecha de chispa para cerrar el circuito primario, oscilaciones emocionantes en el transformador resonante. Las brechas de chispa tienen desventajas debido a las altas corrientes primarias que deben manejar. Producen un ruido muy alto mientras operan, gas de ozono nocivo y altas temperaturas que pueden requerir un sistema de refrigeración. La energía disipada en la chispa también reduce el factor Q y el voltaje de salida. Las bobinas de Tesla fueron excitadas.
  • Brillo estatico: Este es el tipo más común, que se describe detalladamente en la sección anterior. Se utiliza en la mayoría de las bobinas de entretenimiento. Un voltaje AC de un transformador de suministro de alta tensión carga un condensador, que descarga a través de la brecha de chispa. La tasa de chispa no es ajustable pero se determina por la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. Múltiples chispas pueden ocurrir en cada medio ciclo, por lo que los pulsos de tensión de salida pueden no ser igual de espacio.
  • La brecha de chispa activada estática: Los circuitos comerciales e industriales a menudo aplican un voltaje DC de una fuente de alimentación para cargar el condensador, y utilizan pulsos de alta tensión generados por un oscilador aplicado a un electrodo desencadenante para activar la chispa. Esto permite controlar la velocidad de chispa y el voltaje emocionante. Las brechas comerciales de chispa suelen encerrarse en un ambiente de gas aislante como hexafluoruro de azufre, reduciendo la longitud y así la pérdida de energía en la chispa.
  • Brillo rotativo: Estos utilizan una brecha de chispa que consiste en electrodos alrededor de la periferia de una rueda girada a alta velocidad por un motor, que crea chispas cuando pasan por un electrodo estacionario. Tesla usó este tipo en sus grandes bobinas, y se utilizan hoy en grandes bobinas de entretenimiento. La velocidad de separación rápida de los electrodos engancha la chispa rápidamente, permitiendo que el apagado "primero punto", haciendo posibles voltajes más altos. La rueda es generalmente impulsada por un motor sincrónico, por lo que las chispas se sincronizan con la frecuencia de la línea AC, la chispa que ocurre en el mismo punto de la onda AC en cada ciclo, por lo que los pulsos primarios son repetibles.
• Interruptores o Estado sólido Tesla Coil (SSTC): Estos utilizan dispositivos semiconductores de potencia, generalmente tirisores o transistores como MOSFETs o IGBT, activados por un circuito de osciladores de estado sólido para cambiar pulsos de tensión de una fuente de alimentación DC a través del enrollamiento primario. Proporcionan excitación pulsada sin las desventajas de una brecha de chispa: el ruido fuerte, las altas temperaturas y la mala eficiencia. La forma de onda de tensión, frecuencia y excitación puede ser perfectamente controlable. SSTCs se utilizan en la mayoría de aplicaciones comerciales, industriales y de investigación, así como bobinas de entretenimiento de alta calidad.
  • Estado sólido único resonante bobina Tesla (SRSSTC): En este circuito la primaria no tiene un condensador resonante, por lo que no es un circuito de doble ajuste; sólo la secundaria es. La corriente a la primaria de los transistores de conmutación excitan la resonancia en el circuito secundario sintonizado. Las SSTC son más simples, pero el circuito resonante tiene el factor Q total depende sólo de la resonancia lateral secundaria.
  • Bobina Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC): El circuito es similar al circuito de chispa doble sintonizado excitado, excepto en lugar del transformador de suministro AC (T) en el circuito primario un suministro de energía DC carga al condensador, y en lugar de los interruptores de semiconductor de la brecha de chispa completan el circuito entre el condensador y la bobina primaria.
  • Cantando bobina Tesla o bobina musical Tesla: Esto no es un tipo separado de excitación, sino una modificación al circuito primario de estado sólido para crear una bobina Tesla que se puede reproducir como un instrumento musical, con sus descargas de alta tensión reproduciendo tonos musicales simples. Los pulsos de tensión de la unidad aplicados a la primaria se modulan a una velocidad de audio por un circuito "interruptor" de estado sólido, causando la descarga del arco desde la terminal de alta tensión para emitir sonidos. Sólo se han producido tonos y acordes simples hasta ahora; la bobina no puede funcionar como altavoz, reproduciendo música compleja o sonidos de voz. La salida de sonido es controlada por un teclado o archivo MIDI aplicado al circuito a través de una interfaz MIDI. Se han utilizado dos técnicas de modulación: AM (modulación de la densidad de la tensión excitante) y PFM (modulación de frecuencia de pulso). Estas se construyen principalmente como novedades para el entretenimiento.
• Onda continua: En estos el transformador es impulsado por un oscilador de retroalimentación, que aplica un pulso de corriente al viento primario cada ciclo de la corriente RF, excitando una oscilación continua. El circuito primario de sintonía sirve como el circuito del tanque del oscilador, y el circuito se asemeja a un transmisor de radio. A diferencia de los circuitos anteriores que generan una salida pulsada, generan una salida continua de onda sine. Los tubos de vacío de potencia se utilizan a menudo como dispositivos activos en lugar de transistores porque son más robustos y tolerantes de sobrecargas. En general, la excitación continua produce voltajes de salida más bajos de una potencia de entrada dada que la excitación pulsada.

Número de bobinas

Los circuitos de Tesla también se pueden clasificar según la cantidad de bobinas resonantes (inductores) que contienen:

• Dos bobinas o doble resonancia circuitos: Prácticamente todas las bobinas actuales de Tesla utilizan el transformador resonante de dos bobinas, que consiste en un enrollamiento primario al que se aplican los pulsos actuales, y un enrollamiento secundario que produce el alto voltaje, inventado por Tesla en 1891. El término "coil Tesla" normalmente se refiere a estos circuitos.
• Tres bobinas, triple resonante, o lupa circuitos: Estos son circuitos con tres bobinas, basados en el circuito "magnificante transmisor" de Tesla que comenzó a experimentar con algún tiempo antes de 1898 e instalado en su laboratorio de Colorado Springs 1899-1900, y patentado en 1902. Consisten en un transformador de dos espirales de aire-core similar al transformador de Tesla, con la secundaria conectada a una tercera bobina no conectada magnéticamente a los otros, llamada la bobina "extra" o "resonador", que es alimentada por series y resona con su propia capacitancia. La salida se toma desde el extremo libre de esta bobina. La presencia de tres circuitos de tanques de almacenamiento de energía da este circuito comportamiento resonante más complicado. Es el tema de la investigación, pero se ha utilizado en pocas aplicaciones prácticas.

Historia

El transformador resonante con chispa de Henry Rowland, un predecesor de la bobina de Tesla

Pasos en el desarrollo de Tesla del transformador de Tesla alrededor de 1891: (1) Transformadores de núcleo cerrado usados en bajas frecuencias, (2–7) reorganización de los enrolladores para bajas pérdidas, (8) núcleo de hierro removido, (9) núcleo parcial, (10–11) transformador de Tesla final cónico (12–13) Circuitos de bobina Tesla y Elihu Thomson

La oscilación eléctrica y los circuitos transformadores de núcleo de aire resonante se habían explorado antes que Tesla. Los circuitos resonantes que utilizan botellas de Leyden fueron inventados a partir de 1826 por Felix Savary, Joseph Henry, William Thomson y Oliver Lodge. y Henry Rowland construyeron un transformador resonante en 1889. Elihu Thomson inventó el circuito de bobina de Tesla de forma independiente al mismo tiempo que Tesla. Tesla patentó su circuito de bobina de Tesla el 25 de abril de 1891 y lo demostró públicamente por primera vez el 20 de mayo de 1891 en su conferencia "Experimentos con corrientes alternas de muy alta frecuencia y su aplicación a métodos de iluminación artificial" ante el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en Columbia College, Nueva York. Aunque Tesla patentó muchos circuitos similares durante este período, este fue el primero que contenía todos los elementos de la bobina de Tesla: transformador primario de alto voltaje, capacitor, espacio de chispa y 'transformador de oscilación' con núcleo de aire.

Bobinas de Tesla modernas

Secreción eléctrica que muestra los filamentos de plasma parecidos al rayo de una bobina de té

Coil Tesla (descarga)

Bobina Tesla en terrario (I)

Los entusiastas del alto voltaje moderno suelen construir bobinas de Tesla similares a algunas de las "posteriores" Diseños de núcleo de aire de 2 bobinas. Por lo general, consisten en un circuito de tanque primario, un circuito LC (inductancia-capacitancia) en serie compuesto por un capacitor de alto voltaje, un espacio de chispa y una bobina primaria; y el circuito LC secundario, un circuito resonante en serie que consta de la bobina secundaria más una capacitancia terminal o "carga superior". En el diseño (lupa) más avanzado de Tesla, se agrega una tercera bobina. El circuito LC secundario está compuesto por una bobina secundaria de transformador de núcleo de aire estrechamente acoplada que impulsa la parte inferior de un resonador helicoidal de tercera bobina separada. Los sistemas modernos de 2 bobinas utilizan una única bobina secundaria. Luego, la parte superior del secundario se conecta a un terminal de carga superior, que forma una 'placa' de un capacitor, la otra 'placa' siendo la tierra (o "suelo"). El circuito LC primario está sintonizado para que resuene a la misma frecuencia que el circuito LC secundario. Las bobinas primaria y secundaria están acopladas magnéticamente, creando un transformador de núcleo de aire resonante de doble sintonización. Las bobinas de Tesla con aislamiento de aceite anteriores necesitaban aisladores grandes y largos en sus terminales de alto voltaje para evitar descargas en el aire. Las bobinas de Tesla posteriores extendieron sus campos eléctricos a distancias más grandes para evitar, en primer lugar, tensiones eléctricas elevadas, lo que permitió el funcionamiento al aire libre. La mayoría de las bobinas de Tesla modernas también usan terminales de salida en forma de toroide. Estos a menudo se fabrican con conductos de aluminio flexible o metal hilado. La forma toroidal ayuda a controlar el alto campo eléctrico cerca de la parte superior del secundario al dirigir las chispas hacia afuera y lejos de los devanados primario y secundario.

Una versión más compleja de una bobina de Tesla, denominada "lupa" de Tesla, utiliza un 'controlador' de resonancia de núcleo de aire acoplado más estrechamente. transformador (u "oscilador maestro") y una bobina de salida más pequeña y ubicada de forma remota (llamada "bobina adicional" o simplemente resonador) que tiene una gran cantidad de vueltas en una bobina relativamente pequeña formulario. La parte inferior del devanado secundario del conductor está conectada a tierra. El extremo opuesto está conectado a la parte inferior de la bobina adicional a través de un conductor aislado que a veces se denomina línea de transmisión. Dado que la línea de transmisión funciona con voltajes de RF relativamente altos, generalmente está hecha de 1" tubería de metal de diámetro para reducir las pérdidas de corona. Dado que la tercera bobina está ubicada a cierta distancia del controlador, no está acoplada magnéticamente a él. En cambio, la energía de RF se acopla directamente desde la salida del controlador a la parte inferior de la tercera bobina, lo que hace que "suene" a voltajes muy altos. La combinación del controlador de dos bobinas y el resonador de la tercera bobina agrega otro grado de libertad al sistema, lo que hace que la afinación sea considerablemente más compleja que la de un sistema de 2 bobinas. La respuesta transitoria para múltiples redes de resonancia (de las cuales la lupa Tesla es un subconjunto) se ha resuelto recientemente. Ahora se sabe que una variedad de útiles "modos" están disponibles, y en la mayoría de los modos de funcionamiento, la bobina adicional sonará a una frecuencia diferente a la del oscilador maestro.

Conmutación primaria

Las modernas bobinas Tesla de transistor o tubo de vacío no utilizan un espacio de chispa principal. En su lugar, los transistores o los tubos de vacío proporcionan la función de conmutación o amplificación necesaria para generar potencia de RF para el circuito primario. Las bobinas de Tesla de estado sólido utilizan el voltaje operativo primario más bajo, generalmente entre 155 y 800 voltios, y accionan el devanado primario utilizando una disposición de transistores, MOSFET o IGBT simple, de medio puente o de puente completo para cambiar la corriente primaria.. Las bobinas de tubo de vacío generalmente funcionan con voltajes de placa entre 1500 y 6000 voltios, mientras que la mayoría de las bobinas de chispa funcionan con voltajes primarios de 6000 a 25 000 voltios. El devanado primario de una bobina tradicional de transistor Tesla se enrolla solo alrededor de la parte inferior de la bobina secundaria. Esta configuración ilustra el funcionamiento del secundario como un resonador bombeado. El primario 'induce' voltaje alterno en la porción más inferior del secundario, proporcionando 'empujes' (similar a proporcionar empujones en el tiempo adecuado a un columpio del patio de recreo). Se transfiere energía adicional de la inductancia primaria a la secundaria y la capacitancia de carga superior durante cada 'empuje', y se acumula el voltaje de salida secundario (llamado 'ring-up'). Por lo general, se usa un circuito de retroalimentación electrónica para sincronizar de manera adaptativa el oscilador primario con la resonancia creciente en el secundario, y esta es la única consideración de sintonización más allá de la elección inicial de una carga superior razonable.

En una bobina Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC), la conmutación electrónica de la bobina Tesla de estado sólido se combina con el circuito primario resonante de una bobina Tesla de chispa. El circuito primario resonante se forma conectando un capacitor en serie con el devanado primario de la bobina, de modo que la combinación forme un circuito tanque en serie con una frecuencia resonante cercana a la del circuito secundario. Debido al circuito resonante adicional, son necesarios un ajuste de afinación manual y uno adaptativo. Además, generalmente se usa un interruptor para reducir el ciclo de trabajo del puente de conmutación, para mejorar las capacidades de potencia máxima; De manera similar, los IGBT son más populares en esta aplicación que los transistores de unión bipolar o MOSFET, debido a sus características superiores de manejo de energía. Por lo general, se usa un circuito limitador de corriente para limitar la corriente máxima del tanque primario (que debe ser conmutada por los IGBT) a un nivel seguro. El rendimiento de un DRSSTC puede ser comparable al de una bobina Tesla de chispa de potencia media, y la eficiencia (medida por la longitud de la chispa frente a la potencia de entrada) puede ser significativamente mayor que la de una bobina Tesla de chispa que funciona con la misma potencia de entrada.

Aspectos prácticos del diseño

Producción de alta tensión

Tesla coil schematics

Configuración típica del circuito. Aquí, la brecha de chispa corta la alta frecuencia a través del primer transformador que se suministra por corriente alterna. Una inductancia, no mostrada, protege al transformador. Este diseño es favorecido cuando se utiliza un transformador de signo de neón relativamente frágil.

Configuración de circuito alternativo. Con el condensador en paralelo al primer transformador y la brecha de chispa en serie a la primaria Tesla-coil, el transformador de suministro AC debe ser capaz de soportar altas tensiones a altas frecuencias.

Una gran bobina Tesla de diseño más moderno a menudo funciona a niveles de potencia pico muy altos, hasta muchos megavatios (millones de vatios, equivalentes a miles de caballos de fuerza). Por lo tanto, se ajusta y opera con cuidado, no solo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a una sintonización incorrecta, el punto de tensión máxima se produce debajo del terminal, a lo largo de la bobina secundaria, puede producirse una descarga (chispa) y dañar o destruir el cable de la bobina, los soportes u objetos cercanos.

Tesla experimentó con estas y muchas otras configuraciones de circuitos (ver a la derecha). El devanado primario de la bobina de Tesla, el espacio de chispa y el condensador del tanque están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de suministro de CA carga el capacitor del tanque hasta que su voltaje sea suficiente para romper el espacio de chispa. El espacio se dispara repentinamente, lo que permite que el capacitor del tanque cargado se descargue en el devanado primario. Una vez que se dispara el espacio, el comportamiento eléctrico de cualquiera de los circuitos es idéntico. Los experimentos han demostrado que ningún circuito ofrece ninguna ventaja de rendimiento marcada sobre el otro.

Sin embargo, en el circuito típico, la acción de cortocircuito del espacio de chispas evita que las oscilaciones de alta frecuencia 'retrocedan'. en el transformador de suministro. En el circuito alterno, las oscilaciones de alta frecuencia y gran amplitud que aparecen en el capacitor también se aplican al devanado del transformador de suministro. Esto puede inducir descargas de corona entre espiras que debilitan y eventualmente destruyen el aislamiento del transformador. Los constructores experimentados de bobinas de Tesla utilizan casi exclusivamente el circuito superior, a menudo lo complementan con filtros de paso bajo (redes de resistencias y condensadores (RC)) entre el transformador de suministro y el espacio de chispa para ayudar a proteger el transformador de suministro. Esto es especialmente importante cuando se utilizan transformadores con devanados frágiles de alto voltaje, como los transformadores de letreros de neón (NST). Independientemente de la configuración que se utilice, el transformador HV debe ser de un tipo que limite automáticamente su corriente secundaria por medio de una inductancia de cortocircuito interna. Un transformador de alto voltaje normal (baja inductancia de cortocircuito) debe usar un limitador externo (a veces llamado balasto) para limitar la corriente. Los NST están diseñados para tener una alta inductancia de cortocircuito para limitar su corriente de cortocircuito a un nivel seguro.

Afinación

La frecuencia resonante de la bobina principal se sintoniza con la de la secundaria mediante el uso de oscilaciones de baja potencia, luego aumentando la potencia (y volviendo a sintonizar si es necesario) hasta que el sistema funcione correctamente a la potencia máxima. Durante la sintonización, a menudo se agrega una pequeña proyección (llamada "golpe de ruptura") a la terminal superior para estimular las descargas de corona y chispas (a veces llamadas serpentinas) en el aire circundante. La sintonización se puede ajustar para lograr las serpentinas más largas a un nivel de potencia dado, correspondiente a una coincidencia de frecuencia entre la bobina primaria y la secundaria. "carga" capacitiva por las serpentinas tiende a disminuir la frecuencia de resonancia de una bobina de Tesla que funciona a plena potencia. A menudo se prefiere una carga superior toroidal a otras formas, como una esfera. Un toroide con un diámetro principal que es mucho mayor que el diámetro secundario proporciona una forma mejorada del campo eléctrico en la carga superior. Esto proporciona una mejor protección del devanado secundario (de daños por impactos de serpentina) que una esfera de diámetro similar. Y, un toroide permite un control bastante independiente de la capacitancia de carga superior frente al voltaje de arranque de chispa. La capacitancia de un toroide es principalmente una función de su diámetro mayor, mientras que el voltaje de arranque de la chispa es principalmente una función de su diámetro menor. A veces se utiliza un oscilador de inmersión de rejilla (GDO) para ayudar a facilitar el ajuste inicial y ayudar en el diseño. La frecuencia resonante del secundario puede ser difícil de determinar, excepto mediante el uso de un GDO u otro método experimental, mientras que las propiedades físicas del primario representan más de cerca aproximaciones agrupadas del diseño del tanque de RF. En este esquema, el secundario se construye de manera un tanto arbitraria imitando otros diseños exitosos, o completamente con los suministros disponibles, se mide su frecuencia de resonancia y el primario se diseña para adaptarse.

Descargas de aire

Una pequeña y posterior bobina Tesla en funcionamiento: La salida está dando chispas de 43 centímetros (17 pulgadas). El diámetro de la secundaria es de 8 cm (3,1 pulgadas). La fuente de energía es una 10 000 V, 60 Hz suministro de corriente limitada.

En las bobinas que producen descargas de aire, como las que se construyen para el entretenimiento, la energía eléctrica del secundario y del toroide se transfiere al aire circundante en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. El proceso es similar a cargar o descargar un capacitor, excepto que una bobina de Tesla usa CA en lugar de CC. La corriente que surge del cambio de cargas dentro de un capacitor se llama corriente de desplazamiento. Las descargas de la bobina de Tesla se forman como resultado de las corrientes de desplazamiento a medida que los pulsos de carga eléctrica se transfieren rápidamente entre el toroide de alto voltaje y las regiones cercanas dentro del aire (llamadas regiones de carga espacial). Aunque las regiones de carga espacial alrededor del toroide son invisibles, juegan un papel fundamental en la apariencia y ubicación de las descargas de la bobina de Tesla.

Cuando se dispara el espacio de chispa, el capacitor cargado se descarga en el devanado primario, lo que hace que el circuito primario oscile. La corriente primaria oscilante crea un campo magnético oscilante que se acopla al devanado secundario, transfiriendo energía al lado secundario del transformador y haciendo que oscile con la capacitancia del toroide a tierra. La transferencia de energía se produce a lo largo de varios ciclos, hasta que la mayor parte de la energía que estaba originalmente en el lado primario se transfiere al lado secundario. Cuanto mayor sea el acoplamiento magnético entre los devanados, menor será el tiempo necesario para completar la transferencia de energía. A medida que se acumula energía dentro del circuito secundario oscilante, la amplitud del voltaje de RF del toroide aumenta rápidamente y el aire que rodea al toroide comienza a sufrir una ruptura dieléctrica, formando una descarga de corona.

A medida que la energía de la bobina secundaria (y el voltaje de salida) continúan aumentando, los pulsos más grandes de corriente de desplazamiento ionizan y calientan aún más el aire en el punto de ruptura inicial. Esto forma una 'raíz' muy eléctricamente conductora. de plasma más caliente, llamado líder, que se proyecta hacia afuera desde el toroide. El plasma dentro del líder es considerablemente más caliente que una descarga de corona y es considerablemente más conductor. De hecho, sus propiedades son similares a un arco eléctrico. El líder se estrecha y se ramifica en miles de descargas más delgadas, más frías y parecidas a cabellos (llamadas serpentinas). Las serpentinas parecen una "neblina" azulada. en los extremos de los líderes más luminosos. Las serpentinas transfieren la carga entre los líderes y el toroide a las regiones cercanas de carga espacial. Las corrientes de desplazamiento de innumerables serpentinas alimentan al líder, lo que ayuda a mantenerlo caliente y eléctricamente conductor.

La frecuencia de ruptura primaria de las bobinas de Tesla que generan chispas es lenta en comparación con la frecuencia de resonancia del conjunto de carga superior del resonador. Cuando el interruptor se cierra, la energía se transfiere desde el circuito LC primario al resonador, donde el voltaje sube durante un corto período de tiempo y culmina en la descarga eléctrica. En una bobina Tesla de chispa, el proceso de transferencia de energía de primario a secundario ocurre de forma repetitiva a tasas de pulsación típicas de 50 a 500 veces por segundo, dependiendo de la frecuencia del voltaje de la línea de entrada. A estas velocidades, los canales líderes formados previamente no tienen la oportunidad de enfriarse por completo entre pulsos. Entonces, en pulsos sucesivos, las descargas más nuevas pueden construir sobre las vías calientes dejadas por sus predecesores. Esto provoca un crecimiento incremental del líder de un pulso al siguiente, alargando la descarga completa en cada pulso sucesivo. La pulsación repetitiva hace que las descargas crezcan hasta que la energía promedio disponible de la bobina de Tesla durante cada pulso equilibre la energía promedio que se pierde en las descargas (principalmente como calor). En este punto, se alcanza el equilibrio dinámico y las descargas han alcanzado su longitud máxima para el nivel de potencia de salida de la bobina de Tesla. La combinación única de una envolvente de radiofrecuencia de alto voltaje ascendente y pulsaciones repetitivas parece ser ideal para crear descargas ramificadas largas que son considerablemente más largas de lo que se esperaría solo por consideraciones de voltaje de salida. Las descargas de alto voltaje y baja energía crean descargas filamentosas multiramificadas que son de color azul violáceo. Las descargas de alto voltaje y alta energía crean descargas más espesas con menos ramificaciones, son pálidas y luminosas, casi blancas, y son mucho más largas que las descargas de baja energía, debido a una mayor ionización. En el área se producirá un fuerte olor a ozono y óxidos de nitrógeno. Los factores importantes para la duración máxima de la descarga parecen ser el voltaje, la energía y el aire en calma con una humedad de baja a moderada. Hay comparativamente pocos estudios científicos sobre el inicio y el crecimiento de las descargas de RF pulsadas de baja frecuencia, por lo que algunos aspectos de las descargas de aire de la bobina de Tesla no se entienden tan bien en comparación con las descargas de CC, CA de frecuencia industrial, impulso HV y rayos.

Aplicaciones

Hoy en día, aunque las pequeñas bobinas de Tesla se utilizan como detectores de fugas en sistemas científicos de alto vacío y como encendedores en soldadores de arco, su uso principal es el entretenimiento y las pantallas educativas.

Educación y entretenimiento

Electrum escultura, la bobina Tesla más grande del mundo. Constructor Eric Orr es visible sentado dentro del electrodo esférico hueco de alta tensión.

Las bobinas de Tesla se exhiben como atracciones en museos de ciencias y ferias de electrónica, y se utilizan para demostrar los principios de la electricidad de alta frecuencia en las clases de ciencias en escuelas y universidades.

Dado que son lo suficientemente simples para que los haga un aficionado, las bobinas de Tesla son un proyecto popular en las ferias de ciencias de los estudiantes y son caseras por una gran comunidad mundial de aficionados. Los constructores de bobinas de Tesla como pasatiempo se llaman "bobinadores". Asisten a "enrollar" convenciones donde exhiben sus bobinas de Tesla caseras y otros dispositivos de alto voltaje. Las bobinas de Tesla de baja potencia también se utilizan a veces como fuente de alto voltaje para la fotografía Kirlian.

La bobina Tesla más grande del mundo actual es una unidad de 130 000 vatios construida por Greg Leyh y Eric Orr, parte de una escultura de 12 m (38 pies) de altura titulada Electrum propiedad por Alan Gibbs y actualmente reside en un parque privado de esculturas en Kakanui Point cerca de Auckland, Nueva Zelanda. Otra bobina de Tesla muy grande, diseñada y construida por Syd Klinge, se muestra todos los años en el Festival de Música y Artes de Coachella Valley en Coachella, California.

Las bobinas de Tesla también se pueden utilizar para generar sonidos, incluida la música, mediante la modulación de la "tasa de ruptura" efectiva del sistema. (es decir, la velocidad y la duración de las ráfagas de RF de alta potencia) a través de datos MIDI y una unidad de control. Los datos MIDI reales son interpretados por un microcontrolador que convierte los datos MIDI en una salida PWM que se puede enviar a la bobina de Tesla a través de una interfaz de fibra óptica. Un extenso concierto musical al aire libre ha demostrado el uso de bobinas de Tesla durante la Casa Abierta de Ingeniería (EOH) en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. La artista islandesa Björk usó una bobina de Tesla en su canción "Thunderbolt" como instrumento principal de la canción. El grupo musical ArcAttack utiliza bobinas de Tesla moduladas y un hombre con un traje de eslabones de cadena para tocar música.

Detectores de fugas en sistemas de vacío

Los científicos que trabajan con sistemas de alto vacío prueban la presencia de diminutos orificios en el aparato (especialmente en una pieza de vidrio recién soplada) utilizando descargas de alto voltaje producidas por una pequeña bobina portátil de Tesla. Cuando se evacua el sistema, el electrodo de alto voltaje de la bobina se coloca sobre el exterior del aparato. A bajas presiones, el aire se ioniza más fácilmente y, por lo tanto, conduce la electricidad mejor que el aire a presión atmosférica. Por lo tanto, la descarga viaja a través de cualquier agujero de alfiler inmediatamente debajo de él, produciendo una descarga de corona dentro del espacio evacuado que ilumina el agujero, indicando los puntos que deben recocerse o volverse a soplar antes de que puedan usarse en un experimento.

Teslaforesis

En 2016, los científicos de la Universidad de Rice utilizaron el campo de una bobina de Tesla para alinear de forma remota pequeños nanotubos de carbono en un circuito, un proceso que llamaron "teslaforesis".

Problemas de salud

Las descargas de radiofrecuencia (RF) de alto voltaje del terminal de salida de una bobina de Tesla representan un peligro único que no se encuentra en otros equipos de alto voltaje: cuando pasan a través del cuerpo, a menudo no causan la sensación de dolor ni la contracción muscular. de descarga eléctrica, como lo hacen las corrientes de CA o CC de baja frecuencia. El sistema nervioso es insensible a las corrientes con frecuencias superiores a 10 - 20 kHz. Se cree que la razón de esto es que una cierta cantidad mínima de iones debe ser impulsada a través de la membrana de una célula nerviosa por el voltaje impuesto para provocar que la célula nerviosa se despolarice y transmita un impulso. En las frecuencias de radio, no hay suficiente tiempo durante un medio ciclo para que suficientes iones atraviesen la membrana antes de que se invierta el voltaje alterno. El peligro es que, dado que no se siente dolor, los experimentadores a menudo asumen que las corrientes son inofensivas. Los maestros y aficionados que hacen demostraciones de pequeñas bobinas de Tesla a menudo impresionan a su audiencia tocando la terminal de alto voltaje o permitiendo que los arcos de serpentina pasen a través de su cuerpo.

Si los arcos de la terminal de alto voltaje golpean la piel desnuda, pueden causar quemaduras profundas llamadas quemaduras por radiofrecuencia. Esto a menudo se evita permitiendo que los arcos golpeen una pieza de metal sostenida en la mano o un dedal en un dedo. La corriente pasa del metal a la mano de la persona a través de una superficie lo suficientemente amplia como para no causar quemaduras. A menudo no se siente ninguna sensación, o simplemente un calor u hormigueo.

Sin embargo, esto no significa que la corriente sea inofensiva. Incluso una pequeña bobina de Tesla produce muchas veces la energía eléctrica necesaria para detener el corazón, si la frecuencia es lo suficientemente baja como para causar una fibrilación ventricular. Un pequeño desajuste de la bobina podría resultar en electrocución. Además, la corriente de RF calienta los tejidos por los que pasa. Las corrientes de bobina de Tesla cuidadosamente controladas, aplicadas directamente a la piel por medio de electrodos, se utilizaron a principios del siglo XX para calentar tejidos corporales profundos en el campo médico de la diatermia de onda larga. La cantidad de calentamiento depende de la densidad de corriente, que depende de la potencia de salida de la bobina de Tesla y del área de la sección transversal del camino que toma la corriente a través del cuerpo hasta tierra. En particular, si pasa a través de estructuras estrechas, como vasos sanguíneos o articulaciones, puede elevar la temperatura del tejido local a niveles hipertérmicos, "cocción" órganos internos o causando otras lesiones. Las normas de seguridad internacionales ICNIRP para la corriente de RF en el cuerpo en el rango de frecuencia de la bobina de Tesla de 0,1 a 1 MHz especifican una densidad de corriente máxima de 0,2 mA por centímetro cuadrado y una tasa máxima de absorción de energía (SAR) en el tejido de 4 W/kg en las extremidades y 0,8 W/kg de media sobre el cuerpo. Incluso las bobinas de Tesla de baja potencia podrían superar estos límites y, por lo general, es imposible determinar el umbral de corriente donde comienza la lesión corporal. Ser golpeado por arcos de una bobina Tesla de alta potencia (> 1000 vatios) es probable que sea fatal.

Otro peligro informado de esta práctica es que los arcos de la terminal de alto voltaje a menudo golpean el devanado primario de la bobina. Esto crea momentáneamente una ruta conductora para que la corriente primaria letal de 50/60 Hz del transformador de suministro llegue al terminal de salida. Si una persona está conectada a la terminal de salida en ese momento, ya sea tocándola o permitiendo que los arcos de la terminal golpeen el cuerpo de la persona, entonces la alta corriente primaria podría pasar a través de la ruta de aire ionizado conductor, a través del cuerpo. a tierra, causando electrocución.

El mito del efecto piel

Una explicación errónea de la ausencia de descargas eléctricas que ha persistido entre los aficionados a las bobinas de Tesla es que las corrientes de alta frecuencia viajan a través del cuerpo cerca de la superficie y, por lo tanto, no penetran en los órganos vitales o los nervios, debido a un electromagnético. fenómeno llamado efecto piel.

Esta teoría es falsa. La corriente de RF tiende a fluir en la superficie de los conductores debido al efecto pelicular, pero la profundidad a la que penetra, llamada profundidad pelicular, depende de la resistividad y permeabilidad del material, así como de la frecuencia. Aunque el efecto pelicular limita las corrientes de las frecuencias de la bobina de Tesla a la fracción exterior de un milímetro en los conductores metálicos, la profundidad pelicular de la corriente en el tejido corporal es mucho más profunda debido a su mayor resistividad. La profundidad de penetración de las corrientes de frecuencia Tesla (0,1 - 1 MHz) en los tejidos humanos es de aproximadamente 24 a 72 centímetros (9 a 28 pulgadas). Dado que incluso los tejidos más profundos están más cerca de la superficie, el efecto pelicular tiene poca influencia en la trayectoria de la corriente a través del cuerpo; tiende a tomar el camino de impedancia eléctrica mínima a tierra y puede pasar fácilmente a través del núcleo del cuerpo. En la terapia médica llamada diatermia de onda larga, la corriente de RF cuidadosamente controlada de frecuencias Tesla se usó durante décadas para el calentamiento de tejidos profundos, incluido el calentamiento de órganos internos como los pulmones. Las modernas máquinas de diatermia de onda corta utilizan una frecuencia más alta de 27 MHz, que tendría una profundidad de piel correspondientemente menor, pero estas frecuencias aún pueden penetrar en los tejidos corporales profundos.

Patentes relacionadas

patentes de Tesla

• "Transformador eléctrico o dispositivo de inducción". U.S. Patente No 433,702, 5 de agosto de 1890
• "Medios para generar corrientes eléctricas", U.S. Patente No 514.168, 6 de febrero de 1894
• "Transformador eléctrico", patente No 593,138, 2 de noviembre de 1897
• "Método de utilización de energía radiante", patente No 685,958 5 de noviembre de 1901
• "Método de señalización", U.S. Patente No 723,188, 17 de marzo de 1903
• "Sistema de señalización", U.S. Patente No 725.605, 14 de abril de 1903
• "Apparatus for Transmitting Electrical Energy", 18 de enero de 1902, U.S. Patent 1,119.732, 1 de diciembre de 1914

Otras patentes

• J. S. Stone, U.S. Patent 714,832, "Apparato para ondas de señal electromagnéticas amplificadoras". (Filed January 23, 1901; Issued December 2, 1902)
• A. Nickle, U.S. Patent 2,125,804, "Antena". (Filed May 25, 1934; Issued August 2, 1938)
• William W. Brown, U.S. Patent 2,059,186, "Estructura de antena". (Filed May 25, 1934; Issued October 27, 1936).
• Robert B. Dome, U.S. Patent 2,101,674, "Antena". (Filed May 25, 1934; Issued December 7, 1937)
• Armstrong, E. H., U.S. Patent 1,113,149, "Sistema de recepción inalámbrico". 1914.
• Armstrong, E. H., U.S. Patent 1,342,885, "Método para recibir oscilación de alta frecuencia". 1922.
• Armstrong, E. H., U.S. Patent 1,424,065, "Sistema de señalización". 1922.
• Gerhard Freiherr Du Prel, U.S. Patent 1,675,882, "Circuito de alta frecuencia". (Filed August 11, 1925; Issued July 3, 1928)
• Leydorf, G. F., U.S. Patent 3,278,937, "Antena cerca del sistema de acoplamiento de campo". 1966.
• Van Voorhies, U.S. Patent 6,218,998, "Antena helical toroidal"
• Gene Koonce, U.S. Patent 6,933,819, "Generador de campo electromagnético multifrecuencia". (Filed October 29, 2004; Issued August 23, 2005)