NIKOLA TESLA Y ALBERT EINSTEIN Sobre la electrodinámica de la bobina de Tesla y Albert Einstein Introducción Se explican algunos antecedentes en la teoría del electromagnetismo que motivaron a Einstein a desarrollar su Teoría de la Relatividad. Se demuestran experimentos basados en la teoría electromagnética culminada por Maxwell poco antes del nacimiento de Einstein. Einstein y la Bobina de Tesla Albert Einstein es conocido universalmente por su Teoría de la Relatividad. Aunque parezca extraño, el artículo en que presentó esta teoría al mundo no contiene en el título la palabra relatividad, sino que se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento". Fueron las leyes del electromagnetismo las que llevaron a Einstein a formular su famosa teoría. Figura 1. El movimiento relativo del conductor y la brújula determina el campo magnético detectado. Einstein razonó más o menos así. Supongamos que tenemos un alambre conductor cargado, cuyas cargas están en reposo respecto a nosotros. Entonces mediremos un campo eléctrico. Si las cargas se mueven hacia la derecha respecto a nosotros, entonces con una brújula podemos detectar un campo magnético. Con un aparato un poco más sofisticado podemos medir además de la dirección, la intensidad del campo magnético. Este campo magnético es producido por el movimiento de las cargas eléctricas y no existe en el caso de que el alambre esté en reposo. ¿Qué ocurre si en vez de moverse el alambre, nos movemos con la brújula hacia la izquierda? ¿Detectaremos un campo magnético? La respuesta es sí, pues la existencia de un campo magnético depende del movimiento relativo de las cargas eléctricas respecto al aparato de medición, denominado genéricamente observador. Einstein desarrolló la idea, que parece obvia, de que las leyes de la Física son exactamente las mismas para todos los observadores. En nuestro caso esto significa que el observador que se mueve con rapidez v hacia la izquierda del alambre cargado detecta y mide el mismo campo magnético que un observador inmóvil enfrentado al conductor que se mueve hacia la derecha con rapidez. En otras palabras, sólo depende del movimiento relativo del observador y el conductor, y esto es la esencia del principio de la relatividad. Desarrollando matemáticamente esta idea Einstein obtuvo relaciones matemáticas entre las intensidades del campo eléctrico y el campo magnético medidas por los dos observadores. Una de las consecuencias de las ecuaciones anteriores es que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal. El origen de la teoría de la relatividad se sustenta en las ecuaciones del electromagnetismo, descubiertas parcialmente por varios sabios del siglo XIX y completadas por otro genio,
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NIKOLA TESLA Y ALBERT EINSTEIN
Sobre la electrodinámica de la bobina de Tesla y Albert Einstein
Introducción
Se explican algunos antecedentes en la teoría del
electromagnetismo que motivaron a Einstein a desarrollar su
Teoría de la Relatividad. Se demuestran experimentos basados
en la teoría electromagnética culminada por Maxwell poco
antes del nacimiento de Einstein.
Einstein y la Bobina de Tesla
Albert Einstein es conocido universalmente por su Teoría de la Relatividad. Aunque parezca
extraño, el artículo en que presentó esta teoría al mundo no contiene en el título la palabra
relatividad, sino que se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento".
Fueron las leyes del electromagnetismo las que llevaron a Einstein a formular su famosa
teoría.
Figura 1. El movimiento relativo del conductor y la brújula determina el campo magnético detectado.
Einstein razonó más o menos así. Supongamos que tenemos un alambre conductor cargado,
cuyas cargas están en reposo respecto a nosotros. Entonces mediremos un campo eléctrico.
Si las cargas se mueven hacia la derecha respecto a nosotros, entonces con una brújula
podemos detectar un campo magnético. Con un aparato un poco más sofisticado podemos
medir además de la dirección, la intensidad del campo magnético. Este campo magnético es
producido por el movimiento de las cargas eléctricas y no existe en el caso de que el alambre
esté en reposo. ¿Qué ocurre si en vez de moverse el alambre, nos movemos con la brújula
hacia la izquierda? ¿Detectaremos un campo magnético? La respuesta es sí, pues la
existencia de un campo magnético depende del movimiento relativo de las cargas eléctricas
respecto al aparato de medición, denominado genéricamente observador. Einstein desarrolló
la idea, que parece obvia, de que las leyes de la Física son exactamente las mismas para
todos los observadores. En nuestro caso esto significa que el observador que se mueve con
rapidez v hacia la izquierda del alambre cargado detecta y mide el mismo campo magnético
que un observador inmóvil enfrentado al conductor que se mueve hacia la derecha con
rapidez.
En otras palabras, sólo depende del movimiento relativo del observador y el conductor, y
esto es la esencia del principio de la relatividad. Desarrollando matemáticamente esta idea
Einstein obtuvo relaciones matemáticas entre las intensidades del campo eléctrico y el
campo magnético medidas por los dos observadores. Una de las consecuencias de las
ecuaciones anteriores es que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal.
El origen de la teoría de la relatividad se sustenta en las ecuaciones del electromagnetismo,
descubiertas parcialmente por varios sabios del siglo XIX y completadas por otro genio,
James Clerk Maxwell, unas tres décadas antes de 1905. La teoría electromagnética fue
confirmada poco después de su muerte y una multitud de experimentos desarrollados antes
de 1905 daba soporte a una confianza absoluta ella. Uno de los muchos experimentos que
confirma las leyes de Maxwell es la Bobina de Tesla.
La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de
elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables por el ojo humano como
chispas, coronas y arcos eléctricos. Fue inventada por Nikola Tesla, un extraordinario
ingeniero serbio-americano, quien en 1891 desarrolló un generador de alta frecuencia y alta
tensión con el cual proyectaba trasmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.
Aunque la idea no prosperó, a Tesla le debemos la corriente trifásica, los motores de
inducción que mueven las industrias y otras 700 patentes más.
Figura 2. Fotografía y esquema eléctrico de la bobina de Tesla.
La bobina funciona como sigue. El transformador T1 carga al capacitor C1 y se establece una
alta tensión entre sus placas. El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del
aire, haciendo saltar una chispa entre los bornes del explosor EX. La chispa descarga al
capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras) estableciendo una
corriente oscilante. Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente repitiendo el proceso.
Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario. La
energía producida por el circuito primario es inducida en la bobina secundaria L2 (con más
vueltas). El circuito secundario se forma con la inductancia de la bobina L2 y la pequeña
capacidad distribuida en ella misma, diseñado de modo que el circuito secundario oscila a la
misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Finalmente, el circuito
secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy
elevados. Las ondas que se propagan en el medio ionizan las moléculas del aire,
convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.
Si se acerca una ampolleta al electrodo superior de la bobina de alto voltaje L2, se
observarán los efluvios internos provocados por la radiofrecuencia. Una lámpara
fluorescente se encenderá también al acercarla, lo mismo con un tubo de neón. Se puede
provocar una chispa de RF tomando un objeto metálico oprimido fuertemente con los dedos
y acercando su extremo al electrodo superior de la bobina; si no se oprime fuertemente, el
arco puede quemar la piel. No acerque aparatos electrónicos a la bobina, pues la alta tensión
de radiofrecuencia los puede dañar.
Otro aparato interesante es el impulsor electromagnético. Este
consiste en un transformador cuyo núcleo de hierro sobresale,
de modo que además del intenso campo magnético interior, se
genera un intenso campo magnético residual a su alrededor. Si
se deposita un anillo metálico cerrado, al conectar la
electricidad se establece un campo magnético intenso dentro
del núcleo del transformador que varía en el tiempo con la
frecuencia de la corriente alterna de la red eléctrica. Las leyes
Figura 3: Impulsor electromagnético del electromagnetismo explican que en el transformador y el
aro se generan corrientes eléctricas que tienden a compensar la
variación del flujo magnético encerrado por el aro. Estas
corrientes a su vez son desviadas por el campo magnético
residual que atraviesa el aro, resultando en un empuje neto
hacia arriba aplicado al aro.
Einstein aplicó la idea de la universalidad de las leyes de la Física, expresada en la
invariancia de sus ecuaciones, usando las ecuaciones del electromagnetismo formuladas
Maxwell. Resulta que la aplicación subsecuente del principio de la relatividad a las leyes de
la mecánica, formuladas por Isaac Newton (otro gigante de la ciencia de la misma talla de
Einstein) hace trescientos años, implica modificar las leyes y ecuaciones de Newton,
modificaciones que se hacen evidentes a velocidades comparables a la velocidad de la luz y
llevan a los famosos fenómenos de la dilatación del tiempo y la contracción de las
longitudes.
Es notable que Einstein pudo optar por haber mantenido invariantes las ecuaciones de
Newton y modificar las ecuaciones de Maxwell. Modificar las hasta entonces indiscutidas
ecuaciones de Newton requirió audacia, y una prueba de esto es que Einstein no recibió el
Premio Nobel por su más famoso descubrimiento, sino por su también osada y controversial
teoría del efecto fotoeléctrico y “otras contribuciones”. Sin duda, las notables
confirmaciones de la teoría electromagnética de Maxwell, incluyendo experimentos como la
bobina de Tesla, lo condujeron por el camino correcto. La relación de continuidad entre los
trabajos científicos de Maxwell y Einstein (no se conocieron personalmente, pues Einstein
nació el año en que murió Maxwell) se extiende a otras ramas de la Física, pero esto es otra
historia.
Construcción de una bobina Tesla.
Atención, la realización de una bobina tesla implica el manejo de
tensiones eléctricas que pueden acarrear la muerte. Quien asuma este
tipo de proyectos debe estar habituado a manejar altas tensiones. En
cualquier caso es responsabilidad de cada uno velar por su integridad
física.
Después de muchos años de negarme a construir una de estas bobinas no he
tenido otro remedio que ceder y hacer una, en parte debido al gran interés que
despiertan en muchos cacharreros y la admiración de los neófitos. No había
ninguna clausula de fe que me impidiese hacerla, tan solo que no le veo otra
utilidad que el espectáculo. Así que me armo con el propósito de hacer una
bobina que sea suficientemente potente y con materiales lo más accesible
posibles.
De momento aquí pondré notas, es decir esto sera como un cuaderno en sucio.
Luego cuando termine ya pondré todo bonito
Lo primero es recomendar la Richie Tesla Coil Web Page. Es una fuente de
información precisa y muy pertinente para cualquiera que quiera diseñar su
Tesla. http://www.richieburnett.co.uk/tesla.shtml
Instrumentación.
Para moverse con facilidad este mundo pueden ser convenientes estos
instrumentos.
Sonda de alta tensión: Las tensiones en que se mueven los tesla están por
encima de los 10.000 V. Si conectas las sondas del osciloscopio o las del un
polímetro directamente a estas tensiones puedes dañar irremediablemente el
aparato y sufrir una peligrosa descarga. Por ello necesitas una sonda de alta
tensión, si la tienes estupendo, si no más adelante te diremos como hacerte una
sencilla.
OJO: Cuando la tesla está funcionando tiene la manía de cargarse todos los
aparatos digitales de su entorno, incluyendo polímetros aunque tengan sondas
de alta tensión incluso si están apagados. Así que ya estas avisado.
Variac. Es un trasformador de entrada a 220 y salida variable de 0 a 220. Con
esto podemos alimentar los circuitos subiendo la tensión de alimentación
gradualmente y comprobar que las cosas van bien con cierta seguridad antes de
aplicar directamente los 220 V. Una variac nuevo te puede costar entre 50 y
200 euros dependiendo de la potencia, es caro, pero es una inversión
absolutamente rentable que no lamentaras.
La fuente de alimentación de alta tensión.
Ande o no ande caballo grande. Olvídate de los Flyback.
Digo esto porque las teslas espectaculares que vemos por ahí emplean
potencias de 3 Kw y más. Con el transformador de microondas se obtendrán
1000 W, algo nada desdeñable, de hecho ya me salen chispas de 20 cm. Pero un
transformador Flyback de televisión con suerte nos entregará 60 W y con 60
w no vamos a ningún lado.
Si quieres hacer una tesla grande piensa en una fuente de alimentación potente
y con transformadores de microondas tenéis la solución más barata y accesible.