322278509 Informe mini bobina de tesla PDF

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Summary

La bobina de tesla es un generador elec- tromagnético que produce descargas de alta tensión de elevadas frecuencias con efectos perceptibles como efluvios, coronas y ar- cos eléctricos, que son la manifestación de la existencia de campo eléctrico y magné- tico en los componentes del dispositivo....

Description

Informe “Mini bobina tesla”

Introducción Nikola Tesla fue un inventor, ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico. Se lo conoce, sobre todo, por sus numerosas y revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo, desarrolladas a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema polifásico de distribución eléctrica y el motor de corriente alterna, que tanto contribuyeron al nacimiento de la Segunda Revolución Industrial. Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados; Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un modo específico de construcción que satisfaga a aquellos que hablan sobre bobinas de Tesla. Las primeras bobinas y las bobinas posteriores varían en configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas eléctricas de alcances del orden de metros, lo que las hace muy espectaculares, un dispositivo que se puede encontrar desde un acelerador de partícula hasta televisores y juguetes. Primeras bobinas American Electrician da una descripción magnética o de su misma magnitud, de una de las primeras bobinas Tesla, donde un vaso acumulador de cristal de 15 cm por 20 cm es enrollado con entre 60 y 80 vueltas de alambre del mayor porcentaje cobre No. 18 B & S. Dentro de éste se sitúa una bobina primaria consistente en entre 8 y 10 vueltas de cable AWG No. 6 B & S, y el conjunto se sumerge en un vaso que contiene aceite de linaza o aceite mineral (El uso a nivel industrial y en los laboratorios se debe principalmente a dos propiedades del aceite mineral: no conduce calor ni electricidad y aísla el aire y humedad.)

Elementos y su funcionamiento Condensador Almacena la energía proporcionada por el transformador y las descargas del condensador son las que generan la frecuencia de trabajo. Se necesita el condensador para cerrar el circuito aunque en la misma bobina secundaria en cada espacio vacío genera pequeños condensadores que son suficientes para cerrar el circuito. Bobina primaria Generar un campo magnético variable e inducir una corriente en la bobina secundaria para generar un voltaje de salida muy grande Bobina secundaria Produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y de voltaje muy elevado ionizando las moléculas del aire, además genera capacitancias parasitas, cada par de espiras como son dos conductores y en medio tienen aire que es un dieléctrico conforman un condensador con capacitancia muy pequeña cerrando el circuito Batería Dar el voltaje de entrada Transistor Funciona como interruptor que se abre y se cierra muchas veces en pocos segundos, logrando una corriente intermitente, lo que es necesario esa corriente para generar un campo magnético variable en la bobina primaria por la ley de ampere Resistencia Evita que se queme el transistor

Cables de conexión Conecta los elementos para formar un circuito

 Transformador = transistor  Bobina secundaria es la que tiene más vueltas  La bobina de tesla es un transformador resonante , no solo eleva la tensión o voltaje sino que además aumenta la frecuencia

Armando el experimento

Materiales: - Cables de puente macho-macho (caimán – caimán)

- Tubo de pvc de diámetro de 2.0 a 2.5 cm y de 8 a 12 cm de largo

- Transistor 2N2222A

*Este transistor funciona con el emisor común, es decir, La señal se aplica a la

base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta al punto de tierra (masa) tanto de la señal de entrada como de salida

-

Una batería de 9 voltios

- Resistencia de 22k ohm

- Alambre magneto (alambre de cobre esmaltado) medio milímetro de grosor

- Alambre de cobre de un milímetro de grosor 15 cm de largo aislado

- Broche de batería

- Base de madera de 20x20 cm (opcional)

Pasos a seguir:

1.- forme la bobina secundaria con el tubo de pvc arrollando y sin dejar espacio entre cada vuelta del alambre de magneto de entre 250 y 350 vueltas dejando 5 cm de largo aprox. entre el inicio y final y pele las puntas para quitar el aislamiento que se produce por el esmalte. 2.- forme la bobina primaria con el alambre de cobre aislado tres vueltas alrededor y sobre la bobina secundaria y péguelos con cinta adhesiva para que se mantenga pegado a la bobina secundaria 3.- utilice el broche de batería en la batería, y ahora con los cables de puente conecte de la siguiente forma: - un extremo de la resistencia con la base del transistor y en ese mismo extremo también conectar el alambre de magneto que está en el extremo inferior de la bobina secundaria y el otro extremo de la resistencia conectar con el cable rojo del broche de batería y un extremo de la bobina primaria - el cable negro del broche de batería conectar con el emisor del transistor - el cable colector del transistor conectar con el otro extremo de la bobina primaria - opcional pegar la bobina secundaria que está en conjunto con la bobina primaria con la base de madera

4.- ahora acerque una ampolleta ahorrativa a la bobinas y se prenderá.

Marco teórico En principio uno de los elementos más importantes de este proyecto, además de las bobinas, es el transistor, junto con la batería. El papel de la batería es actuar como fuente de poder del circuito, pero esta solo produce una corriente directa y con dicha corriente no es posible que funcione el experimento ya descrito. El transistor se encarga de transformar esa corriente directa en corriente alterna, actuando como un interruptor que abre y cierra el circuito muchas veces por segundo (en el caso de este transistor son 300 MHz), generando una intermitencia en la corriente que la hace oscilar como una Fuente electromotriz de corriente alterna. La ecuación de esta FEM esta descrita por la siguiente ecuación: ∆ V =∆ V max∗sin (wt )

Donde ∆ V max es la diferencia de potencial entregada por la batería (9 Volts) y w es la velocidad angular con la cual oscila la diferencia de potencial de la FEM, pero debemos transformar los 300 MHz en Rads/s para que las unidades sean las apropiadas: 300 [ MHz]=300000000 [ Hz ] 300000000 [ Hz ]=300000000

300000000

[] 1 s

/*2π rads

[]

1 ∗2∗π [ rads ] ≈ 2∗109 [ Rads/ s] s

w ≈ 2∗109 [Rads /s ]

Por lo tanto la diferencia de potencial entregada por la FEM a las bobinas en función del tiempo es: s 2∗10 9 ¿ ¿ ∆ V =9 V∗sin ¿

Lo que se busca calcular es el valor teórico que se genera en la bobina secundaria, por lo tanto se realizara un diagrama de circuito, que considere la bobina primaria y así, por la ley de Faraday, ver la corriente que se induce en la bobina secundaria. El circuito relacionado a la bobina primaria quedaría de la siguiente manera:

El sistema que se muestra corresponde a un sistema RL, y por Kirchhoff podemos obtener las siguientes relaciones: ∆ V + ∆V R +∆V L =0

Ahora se procede a calcular tanto ∆ V R como ∆ V L , pero tratándolos como sistemas aislados para luego sumar sus diferencias de potencial en función de la corriente (que idealmente en los sistemas en serie, a través de todas sus partes es la misma), es decir un circuito con la fuente y la resistencia, y otro con la fuente y el inductor: ∆ V R=I R R

Se sabe que: I R=

∆V ∆ V max = ∗sin ( wt ) =I Max∗sin (wt ) R R

Reemplazando la corriente en la resistencia y reemplazándola en la ecuación previa: ∆ V R=I Max∗sin ( wt )∗ R

Ahora en el caso de la diferencia de potencial en el inductor: ∆ V L=−L

dIL dt

Donde L es la inductancia (que se calculara más adelante). Como el sistema es solo de la fuente y el inductor, por Kirchhoff: ∆ V + ∆V L =0

−∆ V L=∆ V

Reemplazando: L

dIL =∆V max∗sin ( wt ) dt

Se aísla la corriente: d I L=

∆V max ∗sin ( wt )∗dt L

Integrando: I L=

∆ V max ∗∫ sin ( wt )∗ dt L

I L=

−∆ V max ∗cos(wt ) wL

Hasta ahora todas las relaciones se han trabajado sinodalmente, por consecuencia para que finalmente puedan sumarse las respectivas diferencias de potencial se debe transformar, a través de propiedades trigonométricas la expresión anterior a seno: I L=

−∆ V max π ∗sin(wt + ) wL 2

Por la expresión anterior se puede afirmar que para un voltaje aplicado sinodal, la corriente en un inductor siempre se atrasa 90° respecto al voltaje en

las terminales del inductor (un cuarto de ciclo en tiempo). En este caso la

(

)

π corriente alcanza su mayor valor cuando sin wt + 2 =± 1 , por lo tanto: I Max =

−∆ V max wL

− I Max wL = ∆ V max

Se tenía que: ∆ V L=−L

dIL =∆ V max∗sin ( wt ) dt

Ahora, reemplazando el valor de expresión se obtiene:

(

∆ V L=−I Max wL∗sin wt + π 2

∆ V max , y el ángulo de fase en la

)

Ya que se ha obtenido la diferencia de potencial en la bobina primaria, La ley de Faraday expresa que el voltaje V L 1 en las terminales de la bobina: ∆ V L1=−N 1

d ɸb 1 dt

Luego se aísla d ɸb 1 , donde cada vuelta de la bobina primaria: d ɸb 1=

ɸb 1

es el flujo magnético que pasa por

−∆ V L1 dt N1

Si supone que todas las líneas de campo magnético que se producen en la bobina primaria son las mismas que atraviesan las espiras de la bobina secundaria, el flujo que pasa por cada vuelta del primario es igual al flujo que pasa por cada vuelta del secundario. Por esto, el voltaje en las terminales de la bobina secundaria es: ∆ V L2=−N 2

d ɸb 1 dt

Luego si se reemplaza la diferencial de flujo que se aisló anteriormente en la ecuación se obtiene:

∆ V L2=

N2 ∗∆ V L1 N1

Se reemplaza la diferencia de potencial obtenida anteriormente: ∆ V L2=

−N 2 ∗I wL∗sin wt + π 2 N1 Max

(

)

Y se obtuvo el valor teórico de la diferencia de potencial que debería tener la bobina secundaria, solo hace falta calcular la Inductancia L. La inductancia L se calcula con la siguiente ecuación: L=

μ0 N 2 A l

Donde A es el área de la sección transversal de la bobina y l el largo de esta, reemplazando en la ecuación se obtiene: ∆ V L2=

2 −N 2 μ0 (N 2) A 2 ∗sin wt + π ∗I w 2 l N1 Max 2

(

)

Ordenando: N (¿¿ 2) μ0 A2 w I Max π ∗sin wt + 2 N 1 l2 ∆ V L2=−¿ 3

(

)

Se tenía que: − I Max wL = ∆ V max

Se reemplaza en la ecuación: N (¿¿ 2)3 μ0∗A 2∗∆ V max π ∗sin wt + 2 N 1 ¿ l2 ∆ V L 2=¿

(

)

Al ya conocerse cada uno de los datos de la expresión anterior, se puede proceder a reemplazar para así obtener el valor teórico de la diferencia de potencial presente en la bobina secundaria, se tomara el valor promedio de este,

por lo que se transformara esta medición a rms, dividiendo el resultado obtenido por √ 2 N 2 (¿¿ 2) μ0∗A 2∗∆ V max (250) ∗ 4∗ π∗ ( 0.01 [ m] ) ∗9 [V ] ≈ 0.25[ V ] = 3∗0.09 [m ] N 1 ¿ l2 ∆ V L2=¿ 3

∆ V L2 Rms=

3

0.25[ V ] =0.17 [ V ] √2

Posibles causas de que falle el experimento y como solucionarlos

1. Se quemó el transistor: - una solución es cambiar la batería por uno de 6 volts o cambiar la resistencia por una más grande. 2. simplemente no funciona: - Las conexiones donde se colocó los extremos de la bobina primaria se intercambian, es decir, si la punta A de la bobina primaria se conectó a la resistencia y la punta B se conecta con el colector del transistor, entonces ahora la punta A se conecta con el colector de la resistencia y la punta B con la resistencia. - Cambie la batería, debió descargarse.

3. ampolleta incorrecta: - Las ampolletas normales para funcionar necesitan que una corriente atraviese un filamento resistente que tienen en su interior para funcionar, ya que este al calentarse, produce luz, Por lo que al acercarla a la bobina no logra provocar que se prenda pues la diferencia de potencial que hay a su alrededor es muy pequeña, en cambio un Led, que necesita una pequeña cantidad de diferencia de potencial para que se encienda logra ser encendida por la diferencia que provoca la bobina. En el caso delos focos de ahorro, que por lo general usan mercurio, lo que necesitan para prenderse es una pequeña diferencia de potencial que logre ionizar el gas, y así provocar que este irradie luz, y ya que la

bobina genera esta pequeña diferencia de potencial alrededor de ella provoca esta ionización en el gas

Posibles aplicaciones y conclusión Este experimento es para entender el funcionamiento en general de una bobina de tesla por lo que su funcionamiento principal es ionizar las moléculas del aire para que al acercar una ampolleta ahorrativa se encienda automáticamente sin la necesidad de conectarlo directamente. El proyecto presento al principio no nos funcionó, comprobamos con un voltímetro los volts de la batería y estaba todo bien. Luego intercambiamos el transistor en caso de que se halla quemado pero aun no funcionaba. Por ultimo intercambiamos las conexiones de la bobina primaria como se explicó anteriormente y funciono. Los materiales muchos de ellos son fácil de adquirir gratuitamente, por lo que no se utilizó muchos recursos monetarios....