Elaboración del spark gap.
Para la elaboración del spark gap tuvimos que tener en cuenta la tensión que había en el
circuito primario y la tensión de ruptura. Primero de todo para poder construir el spark gap
tuvimos que comprar tornillos que eran los que hacían la función de electrodos, los tornillos
los compramos con una “cabeza” de superficie grande ya que a mayor superficie aumenta el
rendimiento de disparo del spark gap ya que tiene más superficie donde impactar. Después
de haber comprado los electrodos calculamos la distancia de separación que tenía que haber
entre ellos, sabiendo que la tensión de ruptura del aire seco es de 3.000V/mm:
Para asegurarnos pusimos 2’6 mm de separación ya que la tensión de 10 KV sería en un caso
ideal y de esta manera nos aseguramos un correcto funcionamiento.
3.6. Medidas necesarias para el circuito (SGTC)
En este apartado vamos a resolver algunos de los datos los cuales no hemos resuelto en otros
apartados, ya que eran necesarios saber pero hemos preferido separar para poder explicar
mejor de donde provienen y sus funciones y resultados como por ejemplo cuando hemos
definido el valor de los condensadores e inductancias a partir de la frecuencia de resonancia
la cual no hemos definido de dónde provenía la fórmula y el porqué de su resultado,
refiriéndome al resultado de porqué queremos que resuenen los circuitos primario y
secundario.
3.6.1. Introducción a la resonancia
(Todos los cálculos están basados en circuito serie RLC, ya que la bobina Tesla en nuestro
caso, es un circuito RLC en serie.)
La frecuencia de resonancia de un circuito se establece cuando las impedancias (parte
imaginaria) capacitivas e inductivas son iguales. Al poner un circuito resonante ya estableces
que haya en el circuito una bobina y un condensador como mínimo, por lo tanto podremos
decir que no habrá mucho desfase dependiendo de los cálculos. Cuando hay un condensador
y una bobina no se produce ningún tipo de desfase de tensión respecto de la intensidad, lo
cual eso garantiza una potencia neta máxima, eso sería en caso ideal porque siempre hay
algún tipo de error, ni que sea de muy poco. Los condensadores producen un retraso de la
tensión respecto de la corriente y las bobinas producen un adelanto de la tensión respecto de
la corriente.
Como podemos observar para que se produjera un rendimiento máximo, la corriente y la
tensión tendrían que ir juntos y no desfasados un ángulo de 90º. Esto lo podemos explicar
mediante el uso del triángulo de potencias:
Por lo tanto, para que hubiera un rendimiento máximo, no tendría que haber ningún tipo de
desfase angular. Para evitar ese tipo de desfase de 90º, lo que se hace es poner una bobina y
un condensador juntos para que se igualen y por lo tanto que vayan la corriente y tensión
juntos.
Pero hay también otra razón principal, que es en la que se basa el circuito de la bobina Tesla,
al resonar, como las reactancias (reactancia = parte imaginaria) capacitivas e inductivas son
iguales la “resistencia” de dicha bobina y condensador se vuelve nula y solo queda como
resistencia el valor de la resistencia del cable o materiales del condensador. A continuación
vamos a demostrar el porqué:
Como lo que queríamos es que el circuito RLC en serie resonara, eso significaba que las
reactancias capacitivas e inductivas tenían que ser iguales, por lo tanto, al hacer la diferencia
se anulan entre ellas y como habíamos dicho, el valor total de la impedancia pasa a ser la
propia resistencia física de los materiales que componen la bobina y el condensador. ¿Pero
cómo podemos saber qué capacidad o que inductancia es necesaria poner en un circuito para
que este resuene? Porque lo que hemos hecho hasta ahora ha sido demostrar porque se
reducen las impedancias hasta su valor mínimo en resistencia, a continuación vamos a
demostrar cómo podemos calcular esos valores:
1- Como habíamos dicho para que resonara un circuito las reactancias inductivas y
capacitivas debían ser iguales, por lo tanto, lo primero de todo es igualarlas a partir de la
reactancia total del circuito que ya hemos calculado previamente y después aislar la
frecuencia.
3.6.1.1. Frecuencia de resonancia (doble circuito resonante)
Cuando estuvimos realizando el estudio del esquema eléctrico de la bobina Tesla, nos dimos
cuenta que el circuito estaba dividido en dos, por lo tanto, se transfería la frecuencia del
circuito primario al secundario y por lo tanto al haber una frecuencia en el circuito primario
que provocara la resonancia, en el circuito secundario también habían una bobina y un
condensador, con lo que si no estaban sintonizados a la misma frecuencia iban a haber
pérdidas de potencia en el circuito. Por lo tanto, para aumentar el rendimiento de “trabajo”
de los dos circuitos, tuvimos que hacer los cálculos para que en el circuito secundario tuviera
la misma frecuencia de resonancia que en el circuito primario y por lo tanto muy pocas
pérdidas, ya que todos los cálculos son en casos ideales, con eso queremos dar a entender
que por ejemplo al construir el toroide siempre pueden fallar mm de radio, o también que en
el spark gap falten unos pocos mm de separación entre bornes, etc...
Simplemente se tendría que igualar las frecuencias de resonancia del circuito primario y
secundario y luego hacer lo mismo que en el punto anterior, como ya hemos dicho:
𝑓𝑝 = 𝑓𝑠 = 132.892 𝐻z
3.6.2. Tensión transformada (circuito secundario)
Como hemos podido estar observando en los primeros apartados de la bobina Tesla, hay dos
circuitos, en el primario, hay un transformador que eleva la tensión de 220 V hasta 10.000
V.
En el secundario se produce el mismo principio pero con más pérdidas, ya que el
transformador es de núcleo de aire y no hay mucho factor de acoplamiento (entre 0’1 y 0’2
K (se le designa esta letra al factor de acoplamiento)), con lo cual hay muchas pérdidas. En
todo caso, nosotros quisimos saber la tensión máxima que iba a ser inducida en el circuito
secundario en un caso ideal.
Al ser en caso ideal, no se suponen ningún tipo de pérdidas y también suponiendo que el
transformador tiene un factor de acoplamiento 1, como podemos entender son casos
demasiado ideales. Lo cual consideraremos de esos 490 KV la mitad, (también siguen siendo
valores ficticios, pero es una manera de tener una idea de cuanta tensión habrá en el circuito
secundario, ya que no vamos a medir por razones de seguridad ya que es nuestra primera
bobina Tesla y no queremos arriesgarnos tanto).
3.6.3. Longitud de la descarga de corona
La longitud de las descargas de corona viene dada por la relación intensidad y tensión, lo
que viene a ser la potencia. Para poder saber una longitud aproximada de las descargas
eléctricas se puede aplicar esta fórmula:
𝐿 = 1′7√𝑃1
Esta es una fórmula que proporciona una medida aproximada, la longitud resultante de esta
fórmula es en pulgadas, por lo tanto en nuestro caso nos daba una longitud de:
𝐿 = 1′7√180
𝐿 = 22′81 𝑖𝑛𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠 = 57′937 𝑐𝑚
Como ya hemos dicho en caso ideal. También hay que tener en cuenta que cuando se produce
una descarga de corona “esto forma una “raíz” de plasma caliente muy conductora, llamada
chispa directora que se proyecta hacia el exterior del toroide. El plasma en esta
“conductora” está considerablemente más caliente que una descarga de corona, y es
considerablemente más conductora. De hecho, tiene propiedades similares a un arco
eléctrico. La conductora se bifurca en miles de descargas mucho más finas, similares a
cabellos, llamadas streamers.”
3.6.4. Intensidad del circuito primario
En este caso la intensidad del circuito primario no iba a suponer mucho problema ya que el
circuito antes de que llegaran a haber intensidades considerables, se “fugaban” por el
secundario en forma de descarga de corona. Cabe decir que en realidad sí que tuvimos algún
problema la primera vez que la probamos pero bastó con limitar la corriente añadiéndole
alguna capacidad más. Tampoco le dimos mucha importancia ya que después en la bobina
Tesla con música era más fácil de controlar este problema, ya que con el puente en H (se
explica en su correspondiente apartado) se pueden controlar más este tipo de problemas.
3.7. Seguridad y precauciones
Dado que había que trabajar con altas tensiones y fuertes campos magnéticos, tuvimos que
tener en cuenta bastantes aspectos de seguridad:
Colocar los cables a una cierta distancia, ya que, por ejemplo, los cables del circuito
primario tienen una diferencia de potencial de 10 KV, lo cual si están bastante pueden
comportarse como dos placas con una diferencia de potencial, el cual significa, que crean un campo eléctrico y por consecuencia una fuerza eléctrica:
De esta forma ya podemos apreciar más el valor de la fuerza causada entre dos conductores
a una distancia de 3 mm. También tener en cuenta si hay algún cable que no está bien aislado,
ya que la tensión de ruptura del aire seco de 3.000V/mm y por lo tanto los cables tendrían
que tener un mínimo de separación ya que si no podrían estar dos cables no aislados muy
juntos, ya que podrían saltar arcos voltaicos.
Lo mismo sucede también con el campo magnético, ya que al circular una corriente por un
conductor se crea un campo magnético, el cual podremos saber la fuerza magnética que
ejerce el campo magnético en un punto, a partir de la ley de Lorentz:
Por lo tanto imaginemos, que en nuestra bobina tesla tenemos los cables del circuito primario
y los cables que vienen de la bobina secundaria hacia la toma tierra, si estos estuvieran a una
distancia por ejemplo de 10 cm y circulara una corriente a través del conductor de 18 mA.
El campo magnético creado por un conductor es (consideramos como permeabilidad
magnética la del vacío):
11
𝐹𝐵 = 6′48 ∗ 10− N
Comparado con la fuerza generada por el campo eléctrico, la fuerza generada por el campo
magnético es mucho menor.
CONSEJOS:
Cuando se apague la bobina, los condensadores pueden quedar cargados, así que
como medida de precaución, habría que descárgalos con alguna resistencia en
paralelo el cual se pueda conectar con algún interruptor.
No se debe mirar directamente a las chispas del spark gap ya que su alta intensidad
lumínica puede provocar lesiones en los ojos e incluso la pérdida parcial o total de la
visión.
Cuando la bobina Tesla esté en funcionamiento, no se debe acercar nadie ya que, por
ejemplo, un aparato electrónico al estar expuesto a las radiofrecuencias puede sufrir
daños y por lo tanto romperse.
MUY IMPORTANTE: Las descargas eléctricas del toroide ionizan el oxígeno del
aire produciendo ozono, el cual es tóxico. Por lo tanto, es conveniente esperar un rato
antes de acceder en la zona donde se han producido las descargas eléctricas, por lo
tanto, tampoco hay que tener mucho rato encendida la bobina Tesla.
Hay más de una forma de que se produzca la ionización, pero en nuestro caso vamos a
analizar la ionización desde el punto de vista de la física:
“En los procesos físicos se suelen separar los electrones de una molécula neutra. Para
lograrlo hay que aportar la energía necesaria: energía de ionización. Esto es posible
calentando hasta una elevada temperatura (se suele formar un plasma), mediante irradiación
ionizante (por ejemplo, luz ultravioleta, rayos X o radiactividad alfa, beta o gamma),
aplicando campos eléctricos fuertes, o bombardeando una muestra con partículas. Se genera
de esta forma una partícula con carga positiva (catión) además de un electrón libre.
Los procesos de ionización están implicados en la formación del rayo durante las tormentas,
en la generación de luz en las pantallas de plasma, en las lámparas fluorescentes y son la
base de la espectroscopia de masas.”
No colocar la placa electrónica cerca de la bobina Tesla, como ya habíamos dicho
los aparatos electrónicos se estropean.
