Una bobina de Tesla, o simplemente bobina Tesla, es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, el gran científico de origen croata y nacionalizado norteamericano Nikola Tesla. Son transformadores de alta frecuencia que son autorresonantes, y en realidad hay varios tipos de bobinas Tesla, ya que Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones de funcionamiento. Generalmente las bobinas de Tesla generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de pocos metros, lo que las hace muy espectaculares. No obstante, estas bobinas proporcionan corrientes muy bajas, aunque muy superiores a las que se podían obtener en la época de Tesla con las fuentes de alta tensión de entonces, que eran máquinas electrostáticas.

Grandes bobinas Tesla realizadas por aficionados,
generando chispas de cientos de miles de voltios.

Historia y tipos de bobinas

Tesla construyó sus primeras bobinas en primavera de 1891 (ya residiendo en Estados Unidos desde 1884) basándose en las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia del físico inglés William Crookes. Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción disruptiva de un explosor o chispero ("spark-gap" en inglés) en su funcionamiento.

Un explosor o chispero básicamente consiste en dos electrodos enfrentados próximos, típicamente esféricos, entre los cuales se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión eléctrica que sobrepasa un valor determinado, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación entre electrodos. La tensión a la que salta la chispa en el explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar ésta al chispero y hacer saltar las chispas en éste.

Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (RF, radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el arrollamiento primario de la bobina Tesla propiamente dicha. Ésta actúa como transformador elevador de tensión autorresonante, por lo que da lugar en su arrollamiento secundario a tensiones de alta frecuencia de muy alta tensión, como se ha dicho anteriormente, de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina. El circuito se completa con un condensador de alta tensión, necesario junto con el primario de la bobina Tesla para la generación de los impulsos de alta frecuencia. El mecanismo de cómo se originan estos impulsos de alta frecuencia se explicará más adelante. Aquí puede ver ejemplos de circuitos con chisperos para operar bobinas Tesla.

Actualmente las bobinas Tesla que funciona con chispero se alimentan con un transformador de red eléctrica de alta tensión, el cual proporciona por su arrollamiento secundario la alta tensión necesaria al chispero para producir las chispas. Pero en la época en que Tesla comenzó a desarrollar sus primeras bobinas de alta tensión, la única fuente de alta tensión disponible era el carrete o bobina de Ruhmkorff. El carrete Ruhmkorff es una especie de bobina transformadora que permite obtener tensiones muy elevadas (incluso de miles de voltios) a partir de una corriente continua. Fue ideado hacia 1850 por el mecánico de precisión parisino de origen alemán Heinrich Daniel Ruhmkorff, época en la que casi no se empleaban las corrientes alternas, y es el antecesor de los modernos transformadores eléctricos.

Un carrete o bobina de Ruhmkorff consta de dos arrollamientos realizados sobre un núcleo de hierro dulce, uno de pocas decenas de espiras (el arrollamiento primario) realizado con hilo aislado algo grueso, y un segundo arrollamiento (el arrollamiento secundario) realizado con un número elevado de espiras (cientos e incluso miles) realizadas con hilo muy fino y recubierto de un buen aislante. Para su funcionamiento en corriente continua el carrete está constituido como un electroimán, el cual opera un contacto eléctrico normalmente cerrado mediante un resorte metálico que está enfrentado a un extremo del núcleo de hierro dulce. Eléctricamente este contacto se dispone en serie con el arrollamiento primario.

Cuando se aplica corriente continua al circuito del arrollamiento primario, el núcleo del carrete se imana por el paso de la corriente eléctrica por el arrollamiento, y con ello atrae el resorte del contacto, el cual se abre. Pero al abrirse el contacto eléctrico, deja de circular corriente por el arrollamiento primario, por lo que cesa la imanación del núcleo del carrete, y con ello desactúa el contacto eléctrico, el cual vuelve a cerrarse. Y al cerrarse, vuelve a circular de nuevo corriente eléctrica por el arrollamiento primario, repitiéndose de nuevo el proceso, y así indefinidamente. La corriente que circula por el arrollamiento primario se hace pulsante, actuando similarmente a una corriente alterna, provocando en el arrollamiento secundario del carrete una tensión inducida pulsante, normalmente de varios cientos o unos pocos miles de voltios, valor de tensión que depende de la relación de espiras de ambos arrollamientos del carrete (relación que es muy grande en las bobinas de Ruhmkorff).

El arrollamiento primario y el contacto en serie forman, pues, un oscilador que genera implusos de corriente continua a una frecuencia que depende de las características mecánicas del contacto eléctrico (del resorte, su elasticidad, etc...), aunque es una frecuencia de unas decenas de impulsos por segundo. Debido a las tensiones autoinducidas en el arrollamiento primario cada vez que se abre el contacto, se forman chispas en éste que lo pueden desgastar con el tiempo, por lo que se suele añadir en paralelo con el contacto un condensador cuya función es absorber estas tensiones autoinducidas, evitando la aparición de las chispas en el contacto.

Bobina o carrete de Ruhmkorff: C = Núcleo de hierro dulce ; A = Arrollamiento primario ; B = Arrollamiento secundario ; G = Batería de corriente continua ; H = Salida de alta tensión ; E = Contacto en serie con el arrollamiento primario ; D = Resorte que gobierna el contacto E ; F = Condensador apagachispas.

En los montajes iniciales de Tesla, el carrete Ruhmkorff es alimentado por una fuente principal de corriente continua (típicamente una batería), y su arrollamiento secundario o de alta tensión es conectado a dos condensadores de alta tensión, cada uno en serie con uno de los dos extremos del arrollamiento secundario. Un explosor se coloca en paralelo al arrollamiento secundario del carrete de Ruhmkorff y antes de los condensadores. Las puntas de descarga del explosor eran usualmente bolas metálicas con diámetros inferiores a los 3 cm, aunque Tesla utilizó diferentes elementos para producir las descargas. Los condensadores tenían un diseño especial, siendo pequeños con un gran aislamiento entre placas. Estos condensadores consistían en placas móviles introducidas en aceite (empleado como dieléctrico). Cuanto menores eran las placas, mayor era la frecuencia generada por estas primeras bobinas (ya que la capacidad del condensador era menor). Las placas resultaban también útiles para compensar la elevada autoinductancia de la bobina secundaria, añadiendo capacidad a ésta. También se colocaban placas de mica en el explosor para establecer un chorro de aire a través de él. Esto ayudaba a extinguir el arco eléctrico cuando disminuía la tensión entre electrodos del explosor, haciendo la descarga más abrupta. También se empleó una ráfaga de aire con este objetivo.

Los condensadores se conectan a un circuito primario de dos arrollamientos (cada arrollamiento en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente (que es la auténtica bobina Tesla). Cada primario de la bobina estaba realizado con veinte vueltas de alambre cubierto por caucho y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3 mm. El arrollamiento secundario de la bobina tenía 300 vueltas de hilo metálico recubierto de seda, enrollado en un tubo de caucho con sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho, y es un arrollamiento mucho más largo que los arrollamientos primarios. Los arrollamientos primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar el arrollamiento secundario entre ambos. Los primarios cubrían unos 5 cm del secundario. Además se colocaba una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de los arrollamientos primarios que no estaban conectados con los condensadores se conectaban al explosor.

Clásica configuración de las primeras bobinas ideadas por Tesla ("Magnifying Transmitter"). En el lado izquierdo está la fuente de alta tensión, típicamente un carrete Ruhmkorff, a cuyo secundario se conecta un primer explosor (en paralelo) y dos condensadores de alta tensión en serie con sendos arrollamientos primarios de la bobina disruptiva (hacia el centro-derecha). El arrollamiento secundario, bifurcado en su base para acoplarlo a ambos arrollamientos primarios, está conectado a tierra en sus bifurcaciones (a la izquierda) y a un electrodo elevado (derecha) donde se tienen las altas tensiones de alta frecuencia. Los extremos libres de ambos primarios están conectados a otro chispero.

Esta es la descripción de la primera bobina disruptiva realizada por Tesla, publicada en la publicación System of Electric Lighting (del 23 de junio de 1891). Tesla fue desarrollando variaciones de estas bobinas posteriormente, como la que patentó en 1897 como Electrical Transformer (Transformador eléctrico, patente US0593138, 2-11-1897), una especie de transformador eléctrico con dos arrollamientos (primario y secundario) que convertía corrientes eléctricas a corrientes de alto potencial. Esta bobina Tesla tenía la bobina secundaria dentro de y rodeada por las espiras de la bobina primaria, y uno de los terminales de la secundaria podía estar conectada eléctricamente con la primaria. Ambos arrollamientos estaban enrollados en forma de espiral plana (con el primario de pocas espiras rodeando por fuera al secundario de muchas espiras, disposición que empleó Tesla inicialmente con bastante frecuencia), y el aparato era conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento.

Tesla siguió desarrollando bobinas, algunas de gran tamaño para manejar potencias elevadas, pensando en la posibilidad de transmitir energía eléctrica a grandes distancias y para comunicaciones sin hilos, empleando estas bobinas como unidades transmisoras y como unidades receptoras, lo que sería uno de los antecedentes de las primeras transmisiones inalámbricas o transmisiones de radio (por ello Nikola Tesla es considerado uno de los pioneros de la radio, aunque oficialmente es el italiano Guillermo Marconi el considerado como inventor de la radio).

Tesla patentó varios de sus desarrollos en este sentido empleando este tipo de bobinas, tales como las patentes System of Transmission of Electrical Energy (patente US0645576, 20-03-1900), Apparatus for Transmission of Electrical Energy (patente US0649621), en las cuales describió nuevas y útiles combinaciones empleadas en bobinas transformadoras, preparadas y excitadas para provocar corrientes u oscilaciones que se propagaran por conducción a través del medio natural de un punto a otro punto remoto, y bobinas receptoras de las señales transmitidas. Estas bobinas permitían producir corrientes de muy alto potencial. Más tarde patentaría el Method of Signaling (patente US0723188, 17-03-1903) y el System of Signaling (patente US0725605, 14-04-1903) para bobinas con una elevada capacitancia transmisiva con un electrodo a Tierra, así como el Apparatus for Transmitting Electrical Energy (patente US1119732, del 18-01-1902), un transformador resonante auto-regenerativo de alto voltaje con núcleo de aire que genera un alto voltaje a alta frecuencia. Este último diseño del año 1902 es ya un diseño mucho más parecido a los diseños de las actuales bobinas Tesla que funcionan a chispa.

Los dispositivos posteriores fueron en ocasiones alimentados desde transformadores de alta tensión, usando bancos de condensadores de cristal de botella inmersos en aceite para reducir las pérdidas por descargas de corona, y usaban explosores rotativos para tratar los niveles de alta potencia. Las bobinas Tesla conseguían una gran ganancia en tensión acoplando dos circuitos LC resonantes, usando transformadores con núcleo de aire. A diferencia de las transformadores convencionales, cuya ganancia en tensión está limitada a la razón entre los números de vueltas en los arrollamientos primario y secundario, la ganancia en tensión de una bobina Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la razón de las inductancias secundaria y primaria, y ello es así por el particular comportamiento de este tipo de bobinas a causa de la resonancia de los arrollamientos.

Los explosores rotativos daban mejores resultados que los explosores sencillos, y básicamente consisten en dos contactos fijos, a los cuales se aplica la alta tensión, y entre los cuales pasa la periferia de un disco de material aislante. En la periferia del disco se disponen una o varias espigas metálicas que lo atraviesan. El disco gira accionado por un motor, y en el preciso instante en que una de las espigas metálicas del disco pase entre los dos contactos fijos (manteniendo una separación muy pequeña entre estos), saltará la chispa entre los electrodos fijos pasando a través de la espiga metálica.

Las típicas bobinas de Tesla están constituidas por dos arrollamientos resonantes acoplados, pero Tesla también experimentó configuraciones con tres arrollamientos resonantes acoplados. Las bobinas que desarrolló Tesla inicialmente podían generar elevadas tensiones de alta frecuencia a frecuencias típicamente del orden de 20 kHz a 100 kHz.

Transmisor y receptor de energía eléctrica de Tesla, de su patente US645576 del año 1900. Como se puede apreciar, en estos diagramas se refleja el uso de arrollamientos espirales planos, donde el arrollamiento A (A') es el secundario de gran diámetro de muchas espiras de hilo fino, y C (C') es el arrollamiento primario, de muy pocas espiras e hilo mucho más grueso, rodeando al arrollamiento A cerca de la periferia de éste. En el transmisor (izquierda), G representa al generador adecuado de corrientes de alta frecuencia (el chispero, por ejemplo). El arrollamiento secundario A se conecta por un extremo a tierra, y el otro extremo (el centro de la espiral) se lleva a través del conductor B a un terminal D de gran superficie, elevado (como puede ser un globo metalizado) a efectos de una mejor tansmisión de la energía hacia los equipos receptores. El receptor (derecha) captaría la energía transmitida por el transmisor por las corrientes inducidas en el terminal D', y se inducirían del secundario A' al primario C', reduciendo su tensión, pero aumentando el valor de la corriente eléctrica proporcionada, la cual se emplearía para encender lámparas L, mover motores M, o para ser empleada por otros dispositivos eléctricos. (Haz clic en la imagen para ampliarla).

Bobinas Tesla actuales

Las bobinas Tesla empleadas actualmente corresponden a este último tipo de bobinas, y son las que construyen usualmente ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. Son bobinas-transformadores autorresonantes con núcleo de aire que generan muy altas tensiones a elevadas frecuencias (desde unas decenas de kilohertcios a algunos Megahertcios, según la construcción de la bobina). La bobina alcanza una gran ganancia de tensión transfiriendo energía durante un número de ciclos desde el arrollamiento primario al secundario (en bobinas excitadas a chispa), estando constituidos ambos arrollamientos como circuitos resonantes. Ambos arrollamientos están sintonizados a la misma frecuencia.

Las bobinas de Tesla modernas constan típicamente de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductancia-condensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un chispero (explosor), y el arrollamiento primario ; y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por el arrollamiento secundario, que suele ser terminado en su parte superior en un toroide metálico. Al aplicar una alta tensión alterna o pulsante al circuito primario, las chispas generadas en el explosor o chispero producen fuertes impulsos de radiofrecuencia cuya frecuencia dependerá de los condensadores y del bobinado primario. Modernamente se puede emplear un circuito electrónico realizado con lámparas o con transistores de potencia configurado con el arrollamiento primario de la bobina como circuito oscilador de alta frecuencia de potencia.

Físicamente, el arrollamiento primario es un arrollamiento de un número bajo de espiras (desde muy pocas espiras a un par de decenas como máximo), mientras que el arrollamiento secundario es un arrollamiento cilíndrico de una sola capa de espiras, con un número de espiras elevado (varios cientos o pocos miles de espiras), de una longitud mucho mayor que el arrollamiento primario, y en el que las espiras están juntas (por lo que debe realizarse con hilo de cobre esmaltado o bien aislado).

El arrollamiento secundario presenta una frecuencia de autorresonancia elevada (de cientos o miles de kilohertcios) que está determinada por la elevada inductancia del arrollamiento secundario y la baja capacidad parásita entre espiras que presenta el arrollamiento. Si al arrollamiento primario se le aplica corrientes a la frecuencia de autorresonancia de la bobina, se obtienen entre los extremos del arrollamiento secundario muy elevadas tensiones de RF que pueden alcanzar valores de decenas o centenas de miles de voltios (depende de la potencia de las corrientes aplicadas al arrollamiento primario), lo que crea una fuerte ionización en el aire, que puede fácilmente originar descargas de corona alrededor del terminal de alta tensión del arrollamiento secundario (el otro terminal se conecta a tierra), y vistosas descargas eléctricas (similares a los rayos) entre dicho terminal de alta tensión del arrollamiento secundario y el aire que lo circunda, y que puede alcanzar a objetos que estén próximos, sobre todo si tienen contacto físico con el suelo.

Las elevadísimas tensiones de RF generadas en la bobina Tesla no se explican solo por la simple relación del número de espiras entre el arrollamiento primario y el arrollamiento secundario (como ocurriría en cualquier transformador eléctrico ordinario), sino que interviene la autorresonancia del arrollamiento secundario. De hecho, si se varía un poco la frecuencia de las corrientes aplicadas al arrollamiento primario, el valor de la alta tensión generada en el arrollamiento secundario decae notablemente, y ello es debido a que la autorresonancia del arrollamiento secundario es muy aguda, debido al alto valor de inductancia (milihenrios) y la baja capacidad parásita (unos cuantos picofaradios) del arrollamiento secundario: Dicho técnicamente, el arrollamiento secundario presenta un valor de Q muy elevado.

El valor de la capacidad parásita del arrollamiento secundario es tan bajo, que puede ser significativamente alterado por la presencia de objetos próximos a la bobina (por ejemplo, acercando la mano a la bobina en el caso de bobinas de pequeña potencia), que también introducen una capacidad parásita adicional, pudiendo variar la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario notablemente.

El arrollamiento secundario de la bobina Tesla se comporta más bien como una corta antena resonante en la cual la tensión entre sus extremos alcanza su máximo valor cuando la "longitud eléctrica" de esta antena corresponda a 1/4 de la longitud de onda a su frecuencia de trabajo.

Debido a las altísimas tensiones que se desarrollan en el arrollamiento secundario de la bobina Tesla, el hilo con que está realizado debe ser un hilo que esté bien aislado eléctricamente para evitar daños por chispas que puedan saltar (además, la tensión entre espira y espira contigua puede alcanzar altos valores), y por el mismo motivo, el arrollamiento primario no está arrollado directamente sobre el arrollamiento secundario, sino que hay una separación suficiente entre las espiras de ambos arrollamientos (por ejemplo, el diámetro de las espiras del arrollamiento primario es bastante superior a las del arrollamiento secundario). Ello implica que, a diferencia de los transformadores convecionales, el acoplamiento entre arrollamientos primario y secundario sea bajo (del orden del 10 al 20%, frente a un 97% típico de los transformadores convencionales).

Este bajo acoplamiento entre arrollamientos también es el responsable de que, como se ha citado anteriormente, la transferencia de energía del arrollamiento primario sobre el arrollamiento secundario no alcance su máximo hasta al cabo de varios ciclos de RF (y no inmediatamente), alcanzándose entonces el máximo valor de tensión de RF en el arrollamiento secundario (El tiempo en que tarda en alcanzarse el máximo valor de la tensión de RF en el secundario disminuye al aumentar el acoplamiento entre arrollamientos). A pesar de las pérdidas que serían esperables por tan bajo acoplamiento entre arrollamientos, al estar ambos arrollamientos sintonizados, se llega a transferir al arrollamiento secundario hasta un 85% de la energía que es almacenada inicialmente en el condensador del circuito primario de la bobina.

El requerimiento realmente importante de cualquier bobina Tesla es que los circuitos primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia de resonancia para permitir transferencias eficientes de energía entre ambos (algo bastante importante, teniendo en cuenta el bajo acoplamiento entre arrollamientos). Mientras que el arrollamiento secundario es de por sí autorresonante, el arrollamiento primario se debe llevar a la misma frecuencia de resonancia mediante condensadores externos. Para ello originariamente se empleó un condensador de alta tensión y un chispero o explosor para generar sobre el circuito primario impulsos de RF a la frecuencia de la bobina Tesla (es la tecnología de los primeros transmisores de radio de la época de Marconi, los transmisores de chispa, que se emplearon como estaciones de telegrafía sin hilos hasta los años 1920's), empleándose posteriormente un alternador de alta frecuencia para excitar el arrollamiento primario. El valor del condensador del circuito primario debía ser aquél que pusiera al arrollamiento primario en resonancia a la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario.

Actualmente en las más modernas bobinas Tesla el arrollamiento primario es excitado por un oscilador electrónico de RF de potencia, operando a la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario. El oscilador, seguido de un amplificador de potencia, ha de ser capaz de entregar al arrollamiento primario tensiones de RF del orden de 100 a 800 V, y los osciladores-amplificadores de RF más adecuados para ello son los realizados con lámparas electrónicas (actualmente anticuadas, y que requieren elevadas tensiones de alimentación), transistores bipolares (menos empleados) o transistores MOSFET de potencia o IGBT, estos últimos empleados para conmutar las corrientes aplicadas al arrolamiento primario de una manera muy rápida.

El arrollamiento secundario se suele realizar sobre un soporte cilíndrico aislante, a espiras juntas, y normalmente se dispone en posición vertical. Uno de los extremos del arrollamiento secundario, el extremo inferior, debe ser conectado a una toma de tierra, mientras que el otro extremo, el superior, se lleva a un electrodo terminal (situado en el extremo superior del soporte cilíndrico) con forma de esfera o toro metálico, de curvatura suave, de manera que forme una superficie conductora grande. Esta especie de sombrero metálico presenta una cierta capacidad con respecto a tierra, aunque de bajo valor, pero afecta por ello a la resonancia del bobinado secundario, modificando su frecuencia de autorresonancia. No obstante, esta baja capacidad relativa del sombrero superior permite que se cargue a la mayor tensión respecto a tierra que es posible. La superficie conductora exterior de dicho elemento es donde principalmente se acumula la carga eléctrica (ya que actúa como la armadura de un condensador). Por diversos motivos, la forma de toro es la que mejores resultados proporciona para el sombrero superior del arrollamiento secundario.

Este elemento conductor superior posee un gran radio de curvatura. Este diseño de curvatura amplia pero suave permite al elemento superior acumular cargas eléctricas (en su superficie externa) a muy altas tensiones sin generar coronas o chispas lanzadas sobre el arrollamiento debido al intenso campo eléctrico que se genera alrededor de dicho elemento superior. Con ello se consigue controlar este intenso campo eléctrico y que el elemento superior lance las chispas provocadas directamente fuera, al aire, lejos de los arrollamientos de la propia bobina. El propio Tesla, durante su proceso de aplicación de patentes, describió variados terminales resonadores para la parte superior de las bobinas que desarrolló posteriormente, que incluían un terminal con forma de toro, y varios terminales semi-esféricos y oblongados (según Tesla, los terminales podían ser usados para producir ondas longitudinales y, secundariamente, ondas transversales "Hertzianas"). Actualmente, la mayoría de las bobinas Tesla modernas usan toroides simples, generalmente fabricados de metal fundido o de aluminio flexible, para controlar el intenso campo eléctrico cerca de la parte superior de la secundaria.

En cuanto al arrollamiento primario, típicamente suele ser un arrollamiento de pocas espiras, pero con un diámetro de espiras notablemente mayor que el del arrollamiento secundario, y en cuyo interior se dispone concéntricamente la parte inferior del arrollamiento secundario (la parte conectada a tierra). Como se ha dicho anteriormente, esta configuración da lugar a un bajo acoplamiento magnético entre arrollamientos (más concretamente entre el arrollamiento primario y la parte inferior del arrollamiento secundario), pero ello protege al arrollamiento primario de las descargas que provocan las altas tensiones que se generan el el arrollamiento secundario.

Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar chispas eléctricas de gran longitud, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin hilos (entre otros usos), de tal manera que Tesla usaba arrollamientos de gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona debidas a las altas tensiones generadas.

Circuito equivalente de una bobina Tesla. L1 y L2 representan las inductancias de los arrollamientos primario y secundario respectivamente. C2 es la suma de las capacidades parásitas del arrollamiento secundario mas la capacidad respecto a tierra del sombrero superior, y junto con L2 determina la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario. C1 es el condensador externo necesario para poner al arrollamiento primario (L1) en resonancia a la frecuencia de autorresonancia del secundario (Fuente: Web de Anilandro)

Uso de las bobinas para transmisión y recepción: Generación de pulsos de RF

Tesla aplicó las bobinas que desarrolló para la transmisión de señales inalámbricas a distancia en la época inical de las primeras comunicaciones sin hilos, o inicios de la radio, y para ello operaba las bobinas con circuitos muy similares a los primeros transmisores de radio inalámbricos, los transmisores de chispa: la electrónica no existía por entonces, y los impulsos de radiofrecuencia se consegían aplicando una tensión suficientemente elevada (alterna o impulsiva) a un circuito resonante LC en el que había un chispero o explosor, de manera que cuando la tensión aplicada entre electrodos del explosor alcanzaba la tensión de ruptura del aire, saltaba una chispa entre ambos electrodos. En cada chispa se generaba un breve impulso de RF debido a la descarga autooscilante que ello provocaba en la carga acumulada en el condensador de sintonía a través de la bobina primaria y del chispero. Pero mientras en las bobinas de Tesla se emplea un arrollamiento secundario que genera elevadas tensiones en el terminal conectado en su extremo superior, en los transmisores inalámbricos de chispa (que en realidad se basaron en las bobinas de Tesla) el arrollamiento secundario no estaba pensado especialmente para producir tensiones de radiofrecuencia elevadas, y su extremo superior se conectaba a un largo hilo tendido en el aire, la antena del transmisor. Las características eléctricas (inductancia y capacidad) del arrollamiento secundario y del hilo de antena conectada a éste determinaban la frecuencia de transmisión del transmisor de chispa.

En cuanto a la recepción de las señales, Tesla usaba una bobina similar a la del transmisor, ya que debido a la reciprocidad electromagnética, los parámetros electromagnéticos de una bobina Tesla transmisora son aplicables idénticamente para ser empleada como bobina receptora. El campo eléctrico generado por la bobina transmisora podía inducir corrientes en la bobina receptora distante. Captadas con el arrollamiento secundario de la bobina receptora, ésta debía actuaba como transformador reductor de tensión, para obtener en la salida del arrollamiento primario una tensión mucho menor pero de mayor intensidad de corriente. Sin embargo, Tesla apenas consideró cuestiones de acoplamientos de impedancias en las bobinas receptoras.

Con estas bobinas, Tesla consiguió demostrar la transmisión de potencia eléctrica sin cables de un transmisor a un receptor. Incluso Tesla sugirió (y trabajó en ello) que sus bobinas podían ser empleadas para captar por inducción energía del campo magnético de la Tierra y de otras fuentes de energía radiante, lo que podía ser una fuente de energía eléctrica gratuita.

Para los transmisores se llegaron a emplear enormes bobinas Tesla capaces de operar con niveles de potencia con picos muy altos, de incluso varios megavatios (millones de vatios), y capaces de producir tensiones eléctricas de cientos de miles e icluso el millón de voltios en el arrollamiento secundario. Estas potentes bobinas debían ser ajustadas y operadas cuidadosamente, no sólo por razones de eficiencia y economía, sino también por razones de seguridad.

En efecto, el arrollamiento secundario tiene un comportamiento muy próximo al de una antena de cuarto de onda eléctrico, y si se producía un ajuste inadecuado de la frecuencia de operación aplicada a la bobina, el punto de máxima tensión de RF en el circuito secundario de la bobina podía no estar situado en el electrodo del extremo de la bobina (como ocurre en una antena de cuarto de onda sobre plano de tierra), sino que podía quedar situado por debajo del electrodo, a lo largo de la bobina secundaria, y se podían producir entonces chispas de descarga en la propia bobina que podían dañar o destruir el cable de la bobina, sus soportes o incluso objetos cercanos.

Tesla experimentó con varias configuraciones de circuitos (ver más abajo), similares a las empleadas en los primitivos transmisores inalámbricos de chispa. En todos ellos el arrollamiento primario de la bobina, el chispero o explosor (spark gap) y las armaduras del condensador (que ha de ser de alta tensión) están conectados en serie. Mediante un transformador de corriente alterna que sea elevador de tensión (o mediante un carrete de Ruhmkorff alimentado en corriente continua en el caso de bobinas de pequeña potencia) se aplica una alta tensión alterna al condensador, con lo que en cada semiciclo de la tensión alterna aplicada, ésta va cargando las armaduras del condensador, hasta que la diferencia de tensión que aparece entre los dos electrodos del explosor es lo suficientemente alta como para provocar una descarga disruptiva en el chispero (Esta tensión de ruptura solía ser del orden de varios miles de voltios con los chiperos empleados entonces; la tensión de ruptura del aire es del orden de 30 kV por centímetro). Ello disminuye casi instantáneamente la tensión entre electrodos del chispero a un valor bastante inferior (debido a la ionización del aire entre electrodos, volviéndolo conductor), lo que provoca que la carga acumulada hasta ese momento por el condensador se descargue a través del chispero, circulando la corriente de descarga por el arrollamiento primario de la bobina Tesla.

La corriente que circula por el arrollamiento primario hace que éste almacene energía en forma de campo magnético, y al cesar la descarga del condensador, esta energía es devuelta al circuito en forma de corriente autoinducida, que carga de nuevo al condensador, aunque con polaridad inversa y con una tensión de carga menor (debido a las pérdidas ohmicas en el circuito y a pérdidas por radiación de energía). Ello provoca una nueva descarga disruptiva en el chispero y se vuelve a repetir el ciclo, cada vez con una tensión de carga menor y con cambios de polaridad en la carga del condensador cada vez. El resultado: El arrollamiento primario junto con el condensador entran en oscilación generando breves trenes de ondas de alta frecuencia de gran potencia instantánea inicial, pero que se extinguen muy rápidamente (es una "oscilación amortiguada"), por lo que son impulsos de RF de pocos ciclos de señal alterna y duraciones típicas de pocos microsegundos. Estos impulsos se inducen en el arrollamiento secundario, transfiriéndose la energía de RF al arrollamiento secundario y provocando con ello las elevadas tensiones generadas en el extremo superior del arrollamiento.

Generación de los impulsos amortiguados de RF. En el gráfico A se inicia la carga del condensador C con la corriente de alta tensión suministrada al circuito. Cuando se alcanza la tensión de ruptura del aire en el explosor, salta la chispa disruptiva y se produce la descarga del condensador C a través del explosor (gráfico B). La corriente de descarga circula por la bobina L, y vuelve a cargar el condensador C, aunque con polaridad invertida (gráfico C), repitiéndose de nuevo otro ciclo de descarga aunque con una potencia instantánea menor, y así sucesivamente hasta que se extingue el impulso de RF al cabo de varios ciclos de amplitud cada vez menor. (Fuente: Web de Anilandro).

Al estar acoplados el arrollamiento primario al arrollamiento secundario de la bobina, parte de la energía que circula por el arrollamiento primario se transfiere al arrollamiento secundario, y el efecto de carga de éste sobre el arrollamiento primario condiciona que la frecuencia de oscilación de los impulsos de RF que se generan en el circuito primario en las descargas en el chispero sea la frecuencia de autorresonancia del circuito secundario (arrollamiento secundario y electrodo toroidal superior, o el hilo de antena en los transmisores inalámbricos de chispa). El arrollamiento secundario del transformador de alimentación no interviene prácticamente en este proceso, ya que se comporta a todos los efectos como un choque de RF.

Esquema típico de una bobina Tesla Este circuito de ejemplo está diseñado para ser alimentado con corrientes alternas. Aquí el chispero deriva las altas frecuencias mientras permanece ionizado el aire que separa los electrodos del chispero, protegiendo con ello el secundario del primer transformador de los picos de tensión de RF. No obstante, se incluía una inductancia de choque de RF, no mostrada aquí, para proteger de las altas tensiones de RF al secundario del transformador de corriente alterna. (Fuente: Wikipedia)

Configuración alternativa de una bobina Tesla También está alimentado por corrientes alternas. Sin embargo, aquí el transformador de alimentación de corriente alterna debe ser capaz de soportar altas tensiones a altas frecuencias. (Fuente: Wikipedia).

Los distintos experimentos han demostrado que el comportamiento de cualquiera de los circuitos probados por Tesla era similar, y entre los dos circuitos mostrados, ninguno de ellos ofrece alguna ventaja de rendimiento sobre el otro. Sin embargo, el primer circuito mostrado es el más típicamente usado, ya que en él, al actuar el chispero, previene que las oscilaciones de alta frecuencia retornen hacia el transformador de alimentación, mientras que para el segundo circuito los potentes impulsos de RF generados en cada descarga del chispero no sólamente aparecen aplicados a las armaduras del condensador, sino que también son aplicados al arrollamiento secundario del transformador de alimentación. Dado que estos impulsos de RF poseen elevadas tensiones de pico, pueden inducir descargas de corona entre las espiras de los arrollamientos del transformador de alimentación, que pueden deteriorar y eventualmente destruir el aislamiento de los arrollamientos del transformador, haciendo que este funcione defectuosamente. Aunque no se muestra en estos dos circuitos, para evitar estos problemas, se protegía el arrollamiento secundario del transformador de alimentación aislándolo de los potentes impulsos de RF mediante choques de RF adecuados en serie con los terminales de salida del arrollamiento secundario. La alternativa sería emplear un transformador de alimentación cuyo arrollamiento secundario esté preparado para aguantar altas tensiones (empleando un hilo recubierto de un buen aislante), o emplear algún filtro paso-bajo (realizado con una red de resistencias y condensadores) entre el secundario del transformador y el resto del circuito.

Bobina Tesla con choque de RF para proteger el suministro de corriente de alta tensión. Entre A y B se suministra la alta tensión (varios miles de voltios) procedente de un transformador de red de alta tensión, cuyo arrollamiento secundario es protegido de los elevados picos de alta tensión de los impulsos de RF generados por las descargas en el explosor. (Fuente: Web de Anilandro)

Para los aficionados, estas medidas de protección del transformador de alimentación son importantes cuando no se dispone de transformadores especiales para altas tensiones y se emplean en su lugar transformadores más asequibles, como los transformadores NST (Neon-sign transformers), transformadores empleados para los tubos de neón empleados en rotulación comercial, pero cuyo arrollamiento de alta tensión es de características más frágiles frente a picos de alta tensión.

En cualquier caso, el transformador de alta tensión empleado ha de tener la característica de que pueda limitar las corrientes que proporciona el arrollamiento secundario, algo importante para limitar dichas corrientes a un valor seguro en casos de cortocircuitos. Para ello se emplearán transformadores de alta tensión con un acoplamiento bajo entre arrollamiento primario y secundario, como es el caso de los transformadores NST. De emplear transformadores de alta tensión de mayor rendimiento (mayor acoplamiento entre arrollamientos), se debe disponer de un limitador externo de corrientes (un "balastro").

En cualquier caso, las bobinas Tesla con el diseño original mediante chispa siguen siendo muy fiables y son más baratas que aquellas que emplean un oscilador de potencia electrónico, por lo que las bobinas tesla a chispa se siguen usando mucho hoy en día, sobre todo entre aficionados.

Pequeña bobina Tesla de aficionado de diseño a chispa. Se observa en esta fotografía los distintos elementos que constituye todo el montaje: El arrollamiento secundario cilíndrico de muchas espiras de hilo fino, y rodeándolo en su extremo inferior, el arrollamiento primario de dos epiras de hilo grueso. Iluminado, el chispero generando brillantes chispas; a su izquierda dos condensadores en serie de alta tensión, y a su derecha dos choques de RF realizados sobre barras de ferrita, que protegen el secundario de alta tensión del transformador de alimentación (de color azul oscuro). (Haz clic en la imagen para ampliarla).

Producción de las descargas

Ya que las bobinas Tesla pueden producir corrientes o descargas de muy alta frecuencia y voltaje, y son útiles para diferentes propósitos, entre los que se incluyen demostraciones prácticas en clases, efectos especiales para teatro y cine, y pruebas de seguridad de diferentes tecnologías. En su funcionamiento más común, se producen largas descargas de alta tensión en todas direcciones alrededor del toroide del extremo superior de la bobina, que resultan muy espectaculares.

Pequeña bobina Tesla en funcionamiento, que proporciona chispas de 17 pulgadas de longitud (45 cm). El diámetro del secundario es de tres pulgadas (7,6 cm). Es alimentada por una corriente alterna de 60 Hz y 10.000 voltios de tensión, limitada en corriente. (Haz clic en la imagen para ampliarla).

Mientras se generan las descargas, se produce una transferencia de energía eléctrica entre la bobina secundaria y el toroide superior con el aire circundante, transferencia que se produce en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de estas descargas se deben a los rápidos cambios de la cantidad de carga que se transmite desde el terminal superior al aire circundante. El proceso es similar a cargar o descargar un condensador. Las corrientes que surgen con los cambios de carga en un condensador se denominan "corrientes de desplazamiento". Los impulsos de RF aplicados al circuito secundario de la bobina producen corrientes de desplazamiento en forma de impulsos de carga eléctrica (debido a la capacidad del toroide superior), que se transfieren rápidamente entre el toroide de alta tensión y las regiones de aire cercanas, llamadas "regiones de carga espacial". Estas regiones de carga espacial, aunque invisibles, juegan un papel fundamental en la aparición y situación de las descargas de las bobinas Tesla.

Estos impulsos de RF de elevada tensión ionizan y calientan el aire que rodea al terminal superior toroidal. Inicialmente se forma un pequeño camino de plasma muy caliente que se origina en algún punto del toroide, que se denomina "raíz" o "chispa directora", y que se proyecta hacia el exterior del toroide. El plasma de esta chispa directora" está considerablemente más caliente que una descarga de corona, y es considerablemente más conductor. De hecho, tiene propiedades similares a un arco eléctrico.

A su vez, la chispa conductora se bifurca en miles de descargas mucho más finas y más frías, similares a cabellos, llamadas "streamers". Estos "streamers" son como una especie de niebla azulada que se forma al final de las chispas directoras, más luminosas, y son los que transfieren la carga entre el toroide y las regiones espaciales de carga que lo circunda. Las corrientes de desplazamiento de incontables streamers alimentan a la chispa directora, ayudando a mantenerla caliente y eléctricamente conductora.

En las bobinas Tesla que oscilan a chispa, los impulsos amortiguados de RF generados por el chispero o explosor del circuito de la bobina son muy breves (del orden de varios microsegundos), pero tienen lugar a razón de unas 50 a 500 veces por segundo, por lo que los canales conductores previamente formados en el aire que circunda al toroide no tienen tiempo de enfriarse totalmente entre impulsos. De esta forma, en impulsos sucesivos de RF, las nuevas descargas se pueden construir sobre los rastros calientes dejados por sus predecesoras. Esto produce un alargamiento sucesivo de las chispas directoras de un pulso al siguiente, aumentando la longitud de las descargas en cada impulso sucesivo.

La repetición de los sucesivos impulsos da lugar a que las descargas crezcan hasta que la energía media que está disponible en la bobina Tesla durante cada impulso se equilibre con la energía media perdida por las descargas en el aire (principalmente en forma de calor). En este punto se alcanza un equilibrio dinámico, y las descargas alcanzan su máxima longitud para la potencia generada en la bobina. Esta única combinación de la alta tensión de RF y los impulsos de RF repetitivos parece ser la forma ideal para crear descargas largas y bifurcadas, que son considerablemente más largas que las que se podrían esperar considerando únicamente el valor de la alta tensión generada. Las altas tensiones producen descargas ramificadas en muchos filamentos, que son de color azul morado, mientras que las descargas de alta energía son gruesas y muy poco ramificadas, de color pálido y luminosas, casi blancas, y que son mucho más largas que las descargas de baja energía (debido a que aumentan la ionización del aire). Los factores importantes para obtener descargas de la mayor longitud parecen ser la tensión, la energía, y un grado de baja o moderada humedad del aire. No obstante, más de 100 años después del uso de las primeras bobinas Tesla, siguen habiendo aspectos de las descargas y de los procesos de transferencia de energía en una bobina Tesla que todavía no se comprenden en su totalidad.

	Descarga producida por una bobina Tesla, simulando un rayo, en Questacon, el National Science and Technology centre (Centro Nacional de Ciencia y Tecnología) en Canberra, Australia. La descarga se dirige lejos de la bobina con una vara metálica conectada al toroide superior de la bobina. (Haz clic en la imagen para ampliarla).
	Chispas producidas por una bobina Tesla de 4 kVA de potencia. Observe el arrollamiento primario de la bobina, arrollamiento plano realizado con espiras de tubo de cobre en la base de la bobina. (Haz clic en la imagen para ampliarla).

Peligros del manejo de las bobinas Tesla

Las corrientes eléctricas de alta tensión de las descargas de una bobina Tesla pueden ser bastante peligrosas para la salud humana. Estamos hablando de tensiones de miles o cientos de miles de voltios, aunque de una frecuencia elevada, y se podría pensar que estas corrientes no son peligrosas debido al denominado "efecto pelicular (o efecto "skin"), por el cual las corrientes de alta frecuencia fluyen por las capas externas de un conductor, lo que en el cuerpo humano significaría que las corrientes de alta frecuencias circularían por la piel humana y no por el interior del cuerpo humano.

Estudiante conduciendo los streamers de una bobina Tesla hacia su cuerpo (año 1909). Para minimizar los efectos de las descargas, el estudiante está sobre una banqueta aislante, que lo aísla del suelo. (Haz clic en la imagen para ampliarla).

Si bien esto es cierto en buenos conductores eléctricos como son los metales, el cuerpo humano no es un buen conductor, y además las frecuencias a las que opera una bobina Tesla aún presentan una importante penetrabilidad en los conductores eléctricos, esto es, parte de la corriente de electrones circula por el interior del conductor. En el caso del cuerpo humano, tenderían a circular por sus partes internas mejor conductoras, como el torrente sanguíneo o el sistema nervioso. En cualquier caso, la profundidad de penetración de las corrientes de alta frecuencia en un conductor es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, por lo que el efecto de circulación pelicular de las altas frecuencias sólo tendrá realmente lugar a partir de varios megahertcios de frecuencia.

Pero además, el sistema nervioso humano no sentiría dolor por el efecto de estas corrientes de alta frecuencia, ya que por encima de los 15-20 kHz el sistema nervioso deja de reaccionar a las corrientes eléctricas. En efecto, el rápido cambio de polaridad de la corriente en cada ciclo no da tiempo a que los iones que provocan y transmiten las sensaciones nerviosas atraviesen las paredes celulares de las células nerviosas, activando el nervio, y se vuelva a revertir el sentido de circulación de estos iones al cambiar la polaridad de la corriente.

Por ello un experimentador no informado o inexperto puede tener la falsa sensación de seguridad de que no va a sufrir daños si toca o le alcanza un streamer o una descarga de una pequeña bobina Tesla. De hecho, en este caso no sentirá ningún shock doloroso, ya que su sistema nervioso no reacciona a estas corrientes de alta frecuencia, y de hecho, los experimentadores inexpertos pueden hacer demostraciones de tocar los streamers emitidos por una bobina Tesla para demostrar que son inocuas, a pesar de la espectacularidad de las descargas. Sin embargo, hay pruebas entre experimentadores de bobinas Tesla de haber sufrido daños temporales en los tejidos, los cuales pueden ser observados como dolor de músculos, articulaciones u hormigueo durante horas e incluso días después.

Posiblemente estos nocivos efectos sean debidos a los efectos dañinos del flujo de las corrientes de RF por el interior del cuerpo humano, principalmente por el calentamiento por efecto Joule, especialmente si las corrientes son intensas (caso de utilizar bobinas Tesla de potencia y controladas por osciladores electrónicos, que generan una señal de RF continua y no impulsiva). Además, al interceptar el cuerpo humano una chispa o un streamer emitido por la bobina Tesla, debido a la alta tensión de éstas, se pueden producir arcos eléctricos que pueden producir carbonizaciones en la piel, produciendo dolorosas y peligrosas quemaduras que pueden alcanzar el hueso, y que pueden durar meses hasta su curación.

Mientras las bobinas de pequeña potencia son capaces de causar daños temporales en tejidos internos, nervios o articulaciones a través de calentamiento Joule, en las bobinas de potencia los altos valores de la tensiones generadas (250.000 voltios o más) y los relativos altos valores de las corrientes de RF generadas, el shock eléctrico que puede ocasionar a un experimentador que sea alcanzado por una descarga aérea de la bobina puede causar espasmos musculares involuntarios y puede inducir fibrilación ventricular en el corazón y otros problemas que pueden matar al experimentador.

Dedido a estos riesgos, los experimentadores con conocimientos evitan el contacto con los streamers de las bobinas Tesla, a excepción de las de pequeña potencia. Los profesionales, que pueden trabajar con bobinas de gran potencia, suelen usar otros medios de protección como una jaula de Faraday, que intercepta las descarga impidiendo que éstas pasen a su interior, donde está el experimentador, o bien emplean trajes metálicos de cota de malla para evitar que las corrientes penetren en el cuerpo.

Otro efecto que hay que tener en cuenta cuando se manejan bobinas Tesla, o cualquier otro sistema que genere descargas de alta tensión, es que se produce la ionización del aire que rodea las chispas de descarga, ionización que entre otras consecuencias provoca que el oxígeno ordinario (oxígeno biatómico) se transforme en oxígeno triatómico u ozono, el cual es un gas de típico olor (un olor de tipo marisco) y de efecto irritante. También se producen óxidos de nitrógeno, que son también irritantes. Por ello, no se recomienda realizar un uso prolongado de las bobinas de Tesla, salvo que el local disponga de un buen sistema de aireación (renovación del aire).

Uso de las bobinas Tesla

Las bobinas Tesla son dispositivos muy populares entre ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. Estos últimos suelen construir bobinas Tesla caseras como hobby, y se los suele conocer como "bobinadores Tesla" o simplemente "bobinadores". Antiguamente las bobinas Tesla fueron empleadas para los transmisores de radiotelegrafía a chispa (que dejaron de usarse en los años 1920's), para electroterapia y para ciertos dispositivos pseudométicos (empleando las altas tensiones generadas para producir rayos ultravioleta e incluso rayos X).

Los usos típicos de las bobinas Tesla son como elementos educacionales en las clases de Física en escuelas, institutos y universidades, pero también tienen bastante uso en espectáculos, a causa de la espectacularidad de las chispas y streamers que desprenden desde su electrodo (toroidal) superior. Realizando modificaciones en la forma física del electrodo superior, así como disponiendo adecuadamente elementos conductores próximos a la bobina Tesla como receptores de las descargas, se pueden conseguir espectaculares y artísticas descargas eléctricas.

También se emplean bobinas Tesla de pequeña potencia como fuente de alta tensión para la denominada "fotografía Kirlian" (o electrofotografía Kirlian), un curioso tipo de fotografía sobre papel fotográfico que básicamente consiste en colocar en un recinto oscuro (para no velarlo) el papel fotográfico junto con un objeto o incluso un pequeño ser vivo, la mano, etc... depositiado sobre el papel fotográfico, y someterlo durante unos instantes a una alta tensión de alta frecuencia (en este caso proporcionado por la bobina Tesla). Esto conduce a que en el papel fotográfico se registre la imagen oscura del objeto o ser vivo depositiado sobre él, mostrando luminiscencias que rodean el objeto a modo de aura, puntos luminosos en los bordes y en el interior del objeto, etc... Estas luminiscencias son explicables por la luminosidad que emite el objeto fotografiado por el efecto corona al estar sometido a un elevado campo eléctrico, aunque en el caso de fotografías Kirlian de seres vivos estas "auras luminosas" no son fijas, sino que presentan variaciones, y algunos investigadores de lo esotérico y lo paranormal afirman que también reflejan de alguna manera aspectos de la supuesta aura psíquica que rodea a los seres vivos.

	Fotografía Kirlian del dedo índice de la mano. (Haz clic en la imagen para ampliarla)
	Fotografía Kirlian de las yemas de los dedos de una mano. (Haz clic en la imagen para ampliarla)

Una aplicación mucho menos conocida de las bobinas Tesla es su uso como reproductor de sonoro de música y señales de audio, sin necesidad de emplear altavoces. Esta capacidad de reproducción sonora funciona bien para sonidos agudos, no funcionando para reproducir sonidos medios ni bajos, por lo que la bobina Tesla se puede emplear a modo de reproductor de audio equivalente a un altavoz de agudos o "tweeter".

Todo esto viene de la época anterior a la iluminación eléctrica mediante las bombillas de incandescencia inventadas por Edinson, cuando se usaban las lámparas de arco eléctrico para la iluminación nocturna de las vías públicas. Estas lámparas, consistentes en dos electrodos de carbono muy próximos entre los que saltaba un arco eléctrico, proporcionaban una luz blanca muy intensa, aunque tenía el problema de que el arco consumía con cierta rapidez los electrodos y éstos debían ser sustituidos con bastante periodicidad. Pero además se observó que junto con la luz se producía un molesto zumbido, y para resolver este problema, las autoridades británicas encargaron en 1899 el estudio y resoulción de este problema al físico británico William Duddell (1872-1917).

Dudell se dedicó a observar cuidadosamente este efecto en las descargas de arco e hizo numerosas pruebas, y llegó a la conclusión de que el zumbido no era inherente a la propia descarga del arco eléctrico, sino que era debido a la frecuencia de red de la corriente alterna que alimentaba el arco, y que si se producían fluctuaciones en la tensión de la red eléctrica, también variaba la intensidad del zumbido eléctrico. También comprobó que si se realizaba un control riguroso de la frecuencia e intensidad que circulaba por el arco, el sonido que éste generaba variaba en amplitud y frecuencia, y si modulaba la corriente del arco con notas musicales individuales (generadas por un teclado conectado al sistema de alimentación del arco), éste literalmente "cantaba", reproduciendo las notas musicales.

Este efecto se denominó "arco cantante". Aunque este efecto sorprendió cuando Duddell presentó su informe en el Instituto de Ingeniería de Londres, y propuso que podría llevarse la música a las calles de Londres, como un hilo musical, a través de la red de iluminación pública, nadie se interesó en ello, y sólo a principios de los años 1960's algunos fabricantes de altavoces emplearon este efecto para construir un nuevo tipo de tweeter para reprodución de los sonidos agudos, que se conoció como "tweeter de plasma".

Este efecto sonoro es reproducible con bobinas Tesla que sean controladas con osciladores cuya frecuencia de oscilación pueda ser modulada en amplitud por una señal sonora externa. El efecto sonoro se produce porque las descargas en el arco eléctrico, o las descargas de alta tensión en el toroide o extremo superior del secundario de la bobina Tesla, igual que ocurre con los rayos, produce un rápido calentamiento del aire que atraviesa la descarga, convirtiéndolo en plasma o gas fuertemente ionizado (de ahí el nombre de "tweeter de plasma"). Este fenómeno provoca la repentina expansión de la columna de aire que rodea la chispa, creando una onda de choque que es percibida por el oído humano como un sonido.

Pero si se modula en amplitud la intensidad de la descarga, la densidad en el plasma que se genera alrededor de las chispas de descarga sufrirá variaciones, lo que originará frentes de ondas de choque de distinta presión sonora, que serán percibidas por el oído como sonidos.

Otro sistema musical que emplean bobinas Tesla es la creación de música empleando un reproductor de música electrónica MIDI cuya salida de datos es llevada a un microprocesador, que convierte los datos MIDI en señales impulsivas PWM (Impulsos modulados en anchura), los cuales son llevados al oscilador electrónico de la bobina Tesla (típicamente mediante una conexión de fibra óptica, para mantener un buen aislamiento eléctrico entre la bobina y el equipo MIDI). Los impulsos PWM modulan la señal de RF generada por el oscilador electrónico provocando trenes de impulsos de RF de velocidad y duración variable, que al ser aplicados al arrollamiento secundario, reproducirá la música MIDI gracias a este efecto sonoro de las bobinas Tesla.

La ventaja de estos sistemas de reproducción de ondas sonoras es que el sonido generado en las descargas se irradia en todas direcciones, produciendo en el oyente un particular efecto envolvente. Y al no depender el sonido reproducido de la inercia de partes en movimiento (como ocurre en los altavoces ordinarios), este tweeter de plasma tiene una respuesta rapidísima, lo que le proporciona una gran eficiencia en la reproducción de sonidos de tono alto o aguudos. Sin embargo, en tonos de frecuencias más bajas, el límite del tweeter de plasma en cuanto a la frecuencia de trabajo más baja como la presión sonora que produce depende mucho del tamaño de las descargas, que en el caso de las pequeñas bobinas Tesla (y de los arcos eléctricos) no puede ser demasiado amplia. Por ello este curioso transductor acústico no puede ser empleado pra reproducir sonidos medios, y mucho menos, sonidos bajos. Sin embargo, como reproducor de agudos, puede reproducir frecuencias por encima de los 20 kHz, por lo tanto, ya ultrasónicas.

Ajuste de pequeñas bobinas Tesla

Para aquellos aficionados que quieran realizar su propia bobina Tesla de pequeña potencia, ha de recordar que para que una bobina funcione correctamente, ha de ser excitada en su bobinado primario por una señal de RF proporcionada por un oscilador de RF de cierta potencia (del cual el arrollamiento primario podría formar parte si se trata de un oscilador LC), cuya frecuencia ha de ser igual a la frecuencia de autorresonancia del arrollamiento secundario. El problema es conocer cuál es esta frecuencia de autorresonancia para la bobina realizada por el experimentador, con el fin de desarrollar el circuito oscilador adecuado.

Para determinar empíricamente esta frecuencia de autorresonacia, se ha de disponer de un generador de funciones capaz de generar señales de RF desde unas cuantas decenas de kilohertcios a unos pocos megahertcios, que sea capaz de proporcionar una amplitud de señal de al menos 30 voltios pico a pico sobre su salida, y que ésta sea de baja impedancia (50 ohmios típicamente). Además se necesitará una pequeña bombilla piloto de neón.

La salida del generador se conectará al arrollamiento primario de la bobina, o bien a un arrollamiento de 5-10 espiras realizado con hilo aislado que rodee la bobina de prueba. La amplitud de la señal de salida del generador se fijará a su valor máximo, y se seleccionará la forma de onda sinusoidal (para evitar falsas autorresonancias debidas a frecuencias armónicas si se eligen otras formas de onda).

La bombilla de neón se conectará uno de sus terminales al extremo superior del arrollamiento secundario de la bobina, y el otro terminal de la bombilla se deja libre y apuntando hacia el aire circundante. El otro extremo del arrollamiento secundario se conectará al terminal de masa del generador.

Se enciende el generador y se va variando progresivamente su frecuencia. Cuando la tensión del campo eléctrico en el extremo superior de la bobina alcance altos valores, comenzará a lucir la bombilla de neón. Variando entonces más lentamente la frecuencia, se ha de buscar la frecuencia a la que el brillo del neón es máximo, y ello corresponderá con la frecuencia de autorresonancia de la bobina. Una vez alcanzado éste, podemos observar que si acercamos la mano a la bobina, el brillo de la bobina se reducirá o incluso se apagará, y ello es debido a que la capacidad parásita que introducimos en el circuito secundario de la bobina al acercar la mano la desintoniza suficientemente (cambia la frecuencia de resonancia).

Si durante estas pruebas se observan más de una frecuencia de autorresonancia, la real será la que produzca un mayor brillo de la bombilla de neón.

Si se dispone de un osciloscopio, además del generador de funciones, o de un generador calibrado de RF, se puede emplear este último con un nivel de señal mucho menor para comprobar la autorresonancia de la bobina Tesla montando un circuito de pruebas como el que se muestra a continuación. Monitorizando el nivel de señal de RF entre extremos del arrollamiento primario, a medida que se varía la frecuencia del generador de señal, se apreciará un importante y brusco cambio de la amplitud de la señal medida cuando la frecuencia del generador coincida con la de autorresonancia del arrollamiento secundario.

Una vez determinada la frecuencia de autorresonancia de la bobina en estas condiciones de prueba, puede ser necesario que para su funcionamiento óptimo en condiciones reales el circuito primario deba ser sintonizado a una frecuencia inferior (de un 20 a un 30% inferior), ya que cuando la bobina Tesla esté funcionando, la propia ionización del aire generada por la alta tensión, los objetos conductores próximos a la bobina, acercar la mano a la bobina, etc... tenderán a aumentar la capacidad parásita del arrollamiento secundario, bajando el valor de la frecuencia de autorresonancia.

Principales referencias:

Wikipedia: Artículos "Bobina Tesla" (Wiki española), "Tesla coil" (wiki inglesa).

Revista "Nueva Electrónica" nº 307 (Edición española, diciembre 2011): Sobre reproducción de música con bobinas Tesla.

Patentes USA, para las patentes de Nikola Tesla citadas en este artículo.

Web de Anilandro, artículo sobre 'Experiencias con la Bobina de Tesla' (2008).

Fernando Fernández de Villegas (EB3EMD)
Actualizado: 21/04/2012