Proyecto Física IV Bobina Tesla PDF

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Proyecto sobre Física IV en el que se hace un experimento usando el concepto de la Bobina de Nikola Tesla...

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Universidad Nacional Autónoma de México Escuela Nacional Preparatoria No. 2

“Erasmo Castellanos Quinto” Colegio de física

“Bola relámpago” Profesor: Ing. Armando Morales Grupo: 601-B Área 1

Integrantes: Ávila Nila Gael Benítez Vargas Daniel Alejandro Serrato Ruiz Yair Alejandro Ciclo escolar: 2018-2019

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Resumen En el presente proyecto, se habla sobre la importancia de la bobina de tesla, diseñada por el reconocido inventor Nikola Tesla, con el objetivo de entender la importancia de esta creación para los avances tecnológicos de la época, además de analizar sus aplicaciones en el presente.

Abstract The following project, talks about the importance of the tesla coil, designed by the recognized inventor Nikola Tesla with the objective of understanding the importance of this creation for the technology advances of the current age, also analyzing the applications in the present.

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Índice • Introducción………………………………………………………………………..4 • Objetivo…………………………………………………………………………….5 • Generalidades…………………………………………………………………….6 • Desarrollo del proyecto…………………………………………………………13 • Conclusiones…………………………………………………………………….18 • Referencias……………………………………………………………………...18

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Introducción El presente trabajo abarcará diversos temas relacionados principalmente con la bobina de tesla. Primeramente, hablaremos acerca de la vida del inventor Nikola Tesla, citando datos importantes sobre su vida personal pero principalmente sobre sus principales descubrimientos e invenciones para así poder entender mejor todo el contexto que rodeo el invento en el que nos centraremos, la bobina tesla. Posteriormente, tocaremos conceptos primordiales como el de qué es una bobina tesla, así entenderemos su funcionamiento y como afecta diferentes campos de la física y su relación con el temario de Física IV Área I, además, revisaremos en que consiste la corriente alterna y su relación con la bobina y a su vez con nuestro proyecto. Por otra parte, para lograr entender el funcionamiento de nuestro dispositivo y la función que cumplen cada una de las piezas que lo conforman, citamos conceptos tales como, atenuador, capacitor, bombilla incandescente, transformador y bobina de encendido, cada uno de ellos es indispensable para el funcionamiento del dispositivo y más adelante las explicaremos con más detalle. Por último, enlistamos los pasos que llevamos a cabo para la elaboración del dispositivo,

incluyendo de forma detallada

los materiales

utilizados

y el

procedimiento ilustrado con fotos del proceso.

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Objetivo El objetivo de nuestro proyecto es crear un prototipo de una bobina Tesla para entender el funcionamiento de un circuito de corriente alterna, como funciona un transformador de energía, el condensador, el atenuador y la bombilla incandescente y a partir de esto construir el dispositivo antes mencionado. Por otra parte, queremos dar a conocer a la comunidad estudiantil que integra nuestro salón de clases, que tan importante fue para humanidad este invento, tanto para su época, como sus repercusiones en la actualidad, entrañándonos más en el contexto en el que fue creada y las principales motivaciones de su creador Nikola Tesla, así como la relación con el temario de la materia de Física IV Área I.

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Generalidades: Nikola Tesla: (Smiljan, actual Croacia, 1856 - Nueva York, 1943) Físico estadounidense de origen serbio. Estudió en las universidades de Graz (Austria) y Praga. Después de haber trabajado en varias industrias eléctricas en París y en Budapest, se trasladó a Estados Unidos (1884), donde trabajó a las órdenes de Thomas A. Edison, entonces partidario de la corriente eléctrica continua. Tesla fundó en Nueva York un laboratorio de investigaciones electrotécnicas, donde descubrió el principio del campo magnético rotatorio y los sistemas polifásicos de corriente alterna. Creó el primer motor eléctrico de inducción de corriente alterna y otros muchos ingenios eléctricos como el llamado montaje Tesla, un transformador de radiofrecuencia en el que primario y secundario están sintonizados, de utilidad a la hora de preseleccionar la entrada de un receptor radioeléctrico. Predijo la posibilidad de realizar comunicaciones inalámbricas con antelación a los estudios llevados a cabo por Marconi, y en su honor se denomina tesla a la unidad de medida de la intensidad del flujo magnético en el sistema internacional. En 1891 Tesla inventó la bobina que lleva su nombre, que consiste en un trasformador que consta de un núcleo de aire y con espirales primaria y secundaria en resonancia paralela. Con esta bobina fue capaz de crear un campo de alta tensión y alta frecuencia. Dos años después descubrió el fenómeno de carácter ondulatorio denominado "luz de Tesla" en las corrientes alternas de alta tensión y alta frecuencia; mediante el estudio de estas corrientes, observó que las lámparas de incandescencia de un único polo emiten luz cuando se las aproxima a un conductor por el que pasa corriente eléctrica, y que los tubos de vidrio vacíos brillan aunque carezcan de electrodo si se les conecta por uno de sus extremos y se aproxima el otro a un conductor por el que fluye corriente de alta frecuencia. 6

Bobina Tesla Una bobina de Tesla es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891. La bobina de Tesla está compuesta por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. Nikola Tesla experimentó con gran variedad de bobinas y configuraciones, de modo que el prototipo patentado es diferente de sus primeros prototipos y de los que continuó probando. Las bobinas de Tesla de mayor tamaño pueden provocar chispas eléctricas con una longitud de varios metros.

Corriente alterna La corriente alterna es aquella que varía su magnitud en función del tiempo. La forma de onda de corriente alterna más habitual es la senoidal. Con ella se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Senoide

En donde: Vp: Valor pico Vpp: Valor Pico a Pico T: Periodo 7

Valor de pico (Vp): Es el valor máximo que alcanza la señal. Existen dos valores pico; el valor de pico positivo y negativo. El Valor pico positivo corresponde a la región positiva de la señal, mientras que el valor pico negativo a la región negativa. Valor pico a pico (Vpp): Es la magnitud entre el valor de pico positivo y el negativo. En una señal simétrica, el valor pico a pico es el doble del valor pico. Periodo: es el tiempo necesario para la onda necesita para producir un ciclo. El periodo determinara la frecuencia. Esta indicara la cantidad de ciclos que se repiten dentro de un segundo. Su unidad es el Hertz. Con el periodo se puede obtener la frecuencia de una onda de la siguiente manera: 1 𝑓 = (𝐻𝑒𝑟𝑡𝑧) 𝑡 Utilizada genéricamente, la corriente alterna se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las industrias. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la corriente alterna.

Transformador El transformador eléctrico es una máquina electromagnética que se usa para aumentar o disminuir una fuerza electromotriz (Potencial, tensión eléctrica o voltaje); también se puede usar para aislar eléctricamente un circuito. Está compuesto de dos embobinados independientes (devanados) en un núcleo de aire o material electromagnético. Su principio de funcionamiento es la inducción electromagnétic a y sólo funciona con C. A. o corriente directa pulsante.

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Devanado Primario: Se llama devanado primario al embobinado que recibe la fem de corriente alterna que se quiere aumentar o disminuir. Devanado Secundario: Recibe este nombre la bobina que proporciona el potencial transformado a una carga. Transformador de Subida: Se denomina así al transformador que aumenta la fem aplicada en el primario, e1, también se le conoce como elevador. La razón de vueltas de secundario a primario () es mayor que 1, es decir, el embobinado secundario tiene más vueltas que el primario. Transformador de Bajada: Conocido también como reductor disminuye la fem aplicada en el primario e1, la razón de vueltas de secundario a primario () es menor que 1, es decir, el embobinado secundario tiene menos vueltas que el primario. Transformador de Aislamiento: Este no modifica la intensidad de la fem suministrada al primario, se usa solamente para aislar eléctricamente un circuito.

Bombilla incandescente Una bombilla de incandescencia o bombilla incandescente es un dispositivo que produce luz mediante el calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico, en concreto de tungsteno, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante el paso de corriente eléctrica. Con la tecnología existente, actualmente se considera poco eficiente, ya que el 85 % de la electricidad que consume la transforma en calor y solo el 15 % restante en luz. Joseph Wilson Swan inventó la bombilla incandescente. Swan recibió la patente británica para su dispositivo en 1879, alrededor de un año antes que Thomas Alva Edison. Swan comunicó el éxito a la Sociedad Química de Newcastle (Newcastle Chemical Society), y en una conferencia en febrero de 1879, mostró una lámpara funcionando. Al comienzo de ese año empezó a instalar bombillas en hogares y señales en Inglaterra. En 1881 creó su propia compañía, The Swan Electric Light 9

Company, y empezó la producción comercial. Thomas Alva Edison fue el primero en patentar una bombilla incandescente de filamento de carbono, viable fuera de los laboratorios, es decir, comercialmente viable.

Atenuador Un Dimmer, regulador, atenuador o dimmer, sirve para regular la energía en uno o varios focos con el fin de variar la intensidad de la luz que emiten, cuando las propiedades de la lámpara lo hacen posible. Actualmente los circuitos más empleados incluyen la función de encendido al "paso por cero" de la tensión. La disminución del valor eficaz en la bombilla se logra recortando la señal en el momento de subida en el punto que se elija (si cortamos la señal cuando la onda llega a 60 V p.e. se encenderá muy poco, mientras que si la cortamos al llegar a 200 V se encenderá casi al máximo). Existen sistemas más complejos capaces de regular el flujo de iluminación para otro tipo de lámparas (fluorescentes, de bajo consumo, etc.) pero son más complicados. Algunos dimmer pueden ser controlados remotamente a través de controladores y protocolos especiales. En el caso de la iluminación para escenarios uno de los protocolos más utilizados es DMX (Digital MultipleX), que es un protocolo de comunicaciones usado para controlar la iluminación de escenarios, o DMX512, el cual permite que la intensidad de las luces convencionales pueda ser sincronizada con las luces de efectos especiales, máquinas de humo, etc.

Capacitor Un condensador eléctrico (también conocido frecuentemente con el anglicismo capacitor, proveniente del nombre equivalente en inglés) es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente 10

en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por la permisividad eléctrica del vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente

eléctrica,

sino

simplemente

energía mecánica latente, al ser introducido en un circuito, se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después

durante

el periodo

de

descarga.

Bobina de encendido La bobina del encendido es un dispositivo de inducción electromagnética o inductor, que forma parte del encendido del motor de combustión interna alternativo de que cumple con la función de elevar el voltaje normal de a bordo (6, 12 o 24 V, según los casos) en un valor unas 1000 veces mayor con objeto de lograr el arco eléctrico o chispa en la bujía, para permitir la inflamación de la mezcla aire/combustible en la cámara de combustión. La bobina es un transformador de corriente eléctrica. Al arrollamiento primario llega corriente de la batería y salen del arrollamiento secundario miles de volts. Consta de dos arrollamientos, primario y secundario, con una relación de espiras de 1 a 1000 aproximadamente, con grosores inversamente proporcionales a dichas longitudes, y un núcleo ferromagnético. Cuenta con dos conexiones para el primario: una de alimentación positiva desde el contacto de encendido del motor, y una de negativo al dispositivo de interrupción cíclica del primario. El secundario cuenta con una conexión a masa, y otra de salida de alta 11

tensión hacia la bujía o en su caso hacia el distribuidor. Posteriormente a las bujías del motor.

Corriente eléctrica La corriente se define como la tasa a la cual circula la carga a través de esta superficie. Si ΔQ es la cantidad de carga que pasa a través de esta superficie en un intervalo de tiempo Δt, la corriente promedio Iprom es igual a la carga que pasa a través de A por unidad de tiempo: 𝑙𝑝𝑟𝑜𝑚 =

∆𝑄 ∆𝑡

Si la tasa a la que circula la carga varía en el tiempo, entonces la corriente también varía en el tiempo; se define la corriente instantánea I como el límite de la corriente promedio cuando Δt → 0: 𝑙=

𝑑𝑄 𝑑𝑡

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Desarrollo del proyecto Materiales • Bobina de encendido marca volkswagen • Bombilla incandescente • Atenuador de luz 30-300 voltiampers • Base de foco • Capacitor 47 microfaradios y 250 volts • 1/4 de fibracel • Segueta se diente fino flexible • Resistol 850 • Cautín • Estaño para soldadura • Extensión de 1 m • 1 Caimán • Papel aluminio 5 x 5 cm • Diurex • Cinta de aislar • Lija de esmeril • Cable de instalación eléctrica 50cm • Zapatas eléctricas • Pintura acrílica azul y oro

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Procedimiento 1. Primeramente, trazamos sobre el cuarto de fibracel 4 rectángulos; dos de 9x22cm, 2 de 9x16cm y 2 de 22x16cm.

2. Después,

cortamos cada uno de los rectángulos

y quitamos las

imperfecciones con la lija.

3. Trazar a uno de los rectángulos de 9x16cm un rectángulo de 2.5cm por 3.5cm para el atenuador de luz, lo cortamos y lijamos hasta que entró a presión, más adelante, sobre la misma placa dibujamos y cortamos un pequeño círculo con la segueta y le dimos forma con la lija para que entraran los cables.

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4. Posteriormente, tomamos otro rectángulo de 22x16cm y trazamos una circunferencia en el centro de radio de 2cm; con la misma segueta cortamos hasta perforar y lijamos para que se formara el circulo. 5. Consiguientemente, sobre la placa utilizada en el paso anterior, abrimos un pequeño orificio circular para permitir la entrada del cable.

6. Más adelante, pegamos 5 de los 6 rectángulos para formar la caja, sin contar la tapa ya que esa la anexaríamos más adelante. 7. Cortamos los cables para hacer las conexiones, cada uno de 10 cm y uno muy pequeño de 1cm para hacer la conexión del condensador y el atenuador.

8. Soldamos la punta de un cable de 10cm con cautín y estaño para que no se deshile y así conectarlo después a uno de los polos de la bobina y este a su vez lo metimos al atenuador y apretamos con un desarmador de punta plana. 9. Por otra parte, el cable de 1cm fue soldado con el capacitor, de igual forma lo metimos al atenuador y apretamos con el desarmador.

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10. Conectamos uno de los cables de la extensión al otro polo de la bobina y con ayuda de un caimán conectamos el otro cable de la extensión al capacitor (cabe destacar que estas y posteriores conexiones fueron hechas con zapatas eléctricas).

11. Por otro lado, el otro cable de 10 cm lo conectamos de la base del foco al polo restante de la bobina.

12. Hecho lo anterior, introducimos el circuito dentro de la caja dejando por fuera los cables y el atenuador a través de los orificios.

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13. Posteriormente, conectamos el centro de la bobina a uno de los cables de 10cm y lo sacamos por el orificio pequeño de la tapadera.

14. Después, cortamos un pedazo de 5x3cm de papel aluminio y lo pegamos con diurex al foco dejando debajo el extremo sobrante de la conexión con el centro de la bobina.

15. Para finalizar , atornillamos la bombilla incandescente a la base dejando así por dentro de la caja la base y la bombilla en el exterior.

16. Por último, decoramos la caja con los colores del puma de la UNAM.

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Conclusiones Después de realizar una investigación acerca de la bobina de tesla, entender su funcionamiento y haber realizado un simulador simple del artefacto, podemos concluir que este invento no solo tuvo una gran trascendencia en su tiempo, sino que a día de hoy es uno de los inventos más importantes para la humanidad, ya que con él se pudo entender lo que es la corriente alterna y posteriormente darle un sinfín de aplicaciones en la vida diaria y en otros campos.

Referencias Anónimo. (2014). Nikola Tesla. Marzo 12, 2019, de Biografías y vidas. Recuperado de: https://www.biografiasyvidas.com/biografia/t/tesla.htm Huergo, L. (2018). Corriente alterna. Marzo 12, 2019, de Departamento de telecomunicaciones. Recuperado de: http://www.huergo.edu.ar/tcweb/pdf/APCap2.pdf IPN. (2012). Transformador eléctrico. Marzo 13, 2019, de IPN. Recuperado de: http://www.academico.cecyt7.ipn.mx/FisicaIV/unidad1/transformador.htm Anónimo. (2012). Lámpara incandescente. Marzo 12, 2019, de Wikipedia. Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_incandescente

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