Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)

Generador de energía con base en el modelo de Tesla como modelo de energía sustentable

Asesor: MARISA CALLE MONROY

Equipo [ ]: Joshua López Lozada(3° Xcaret) , Luis Eduardo Jiménez Silva(3° Xcaret) , Enki Rodríguez Gómez(3°Xcaret)

Resumen

La bobina fue creada por Tesla poco después de que los experimentos de Hertz salieran a la luz. El mismo Tesla la denominó “aparato para transmitir energía eléctrica”. Tesla deseaba probar que la electricidad podía transmitirse sin hilos.La idea original de Tesla en sus experimentos con estas bobinas siempre fue encontrar la forma de transmitir la energía eléctrica a gran distancia sin cableado.  Sin embargo, la poca eficiencia de este método debido a las pérdidas de energía por dispersión a través del medio ambiente hizo necesario que se buscaran otros medios para transmitir energía eléctrica de potencia. Hoy en día se continúa usando el cableado. Pese a no tener uso en gran escala, las bobinas de Tesla continúan siendo útiles en la industria eléctrica de alta tensión para poner a prueba sistemas aislantes, torres y otros dispositivos eléctricos que deben funcionar en forma segura. También se usan en distintos espectáculos para generar rayos y chispas, así como en algunos experimentos de física. También se usan en distintos espectáculos para generar rayos y chispas, así como en algunos experimentos de física. Nuestra bobina se trata de algo innovador ya que toma la idea principal de Tesla con las nuevas tecnologías en la actualidad, con materiales muy fáciles de conseguir y no muy costosos.

Pregunta de Investigación

¿Cómo generar energía eléctrica con base en la bobina de Tesla?

Planteamiento del Problema

Seis de cada diez personas deja la luz encendida al salir de una habitación lo que genera un desperdicio de energía de 1.5 horas o más en un promedio al día. En el estudio de la conciencia y prácticas de consumo energético a los hogares, se enfocó la importancia del ahorro energético en México donde se midió que los jóvenes y niños menores de 18 años, son quienes más contribuyen al desperdicio de energía, más en la electricidad debido al uso simultáneo de aparatos electrónicos. Mientras que el refrigerador es el aparato que representa un mayor consumo energético de los hogares de todo el país. Luis Pérez Suárez, especializado en instalación y mantenimiento de sistemas ahorradores explica que uno de los mayores errores es la colocación de generadores de energía en lugares inútiles que llegan a desperdiciar hasta un 30% de energía. que pagas. Actualmente la Procuraduría Federal del Consumidor recibe miles de denuncias por tarifas que no son aplicadas correctamente por parte de la Comisión Federal de electricidad (CFE). Los hogares mexicanos mantienen sus gastos energéticos  sin tener el conocimiento que un 3.8% de energía no deben pagar ya que es un aumento a tarifa por el uso del desperdicio de energía. 

 

Antecedentes

La bobina fue creada por Tesla poco después de que los experimentos de Hertz salieran a la luz. El mismo Tesla la denominó “aparato para transmitir energía eléctrica”. Tesla deseaba probar que la electricidad podía transmitirse sin hilos. En su laboratorio de Colorado Springs, Tesla tenía a su disposición una enorme bobina de 16 metros conectada a una antena. El dispositivo era utilizado para realizar experimentos de transmisión de energía. En una ocasión se produjo un accidente ocasionado por esta bobina en el que se quemaron dinamos de una central ubicada a 10 kilómetros de distancia. A raíz de la falla se producían arcos eléctricos alrededor de los embobinados de las dinamos. La idea original de Tesla en sus experimentos con estas bobinas siempre fue encontrar la forma de transmitir la energía eléctrica a gran distancia sin cableado. Sin embargo, la poca eficiencia de este método debido a las pérdidas de energía por dispersión a través del medio ambiente hizo necesario que se buscaran otros medios para transmitir energía eléctrica de potencia. Hoy en día se continúa usando el cableado. Pese a no tener uso en gran escala, las bobinas de Tesla continúan siendo útiles en la industria eléctrica de alta tensión para poner a prueba sistemas aislantes, torres y otros dispositivos eléctricos que deben funcionar en forma segura. También se usan en distintos espectáculos para generar rayos y chispas, así como en algunos experimentos de física. En los experimentos de alta tensión con bobinas de Tesla de gran dimensión es importante tomar las medidas de seguridad. Un ejemplo es el uso de jaulas de Faraday para la protección de los observadores y trajes de malla metálica para los artistas que participan en espectáculos con estas bobinas. Cabe recordar que en la época de Nikola Tesla no existían los transistores. En este caso el transistor sustituye al “spark gap” o “explosor” de la versión original. El transistor se usará como una compuerta que permite o no el paso de corriente. Para esto el transistor se polariza así: el colector c al borne positivo y el emisor e al borne negativo de la pila. Cuando la base b tiene polarización positiva, entonces permite el paso de corriente desde el colector hasta el emisor, y en caso contrario lo impide. En nuestro esquema, la base se conecta al positivo de la batería, pero se intercala una resistencia de 22 kilo ohmios, para limitar el exceso de corriente que pueda quemar al transistor. El circuito muestra también un diodo LED que puede ser de color rojo. Su función será explicada más adelante. En el extremo libre de la bobina secundaria L2 se coloca una esferita metálica, la cual puede construirse recubriendo una bolita de poliestireno o una pelotita de pin pong con papel de aluminio. Esta esferita es la placa de un condensador C, siendo la otra placa el entorno. Esto es lo que se conoce con el nombre de capacidad parásita. Cuando se cierra el interruptor S, la base del transistor queda polarizada positivamente, y también se polariza positivamente el extremo superior de la bobina primaria. De modo que aparece abruptamente una corriente que pasa por la bobina primaria, sigue por el colector, sale por el emisor, y retorna a la pila. Esta corriente crece de cero a un valor máximo en un tiempo muy corto, razón por la cual induce una fuerza electromotriz en la bobina secundaria. Esta produce una corriente que va de la parte inferior de la bobina L2 hasta la base del transistor. Esta corriente cesa abruptamente la polarización positiva de la base de modo cesa el flujo de corriente por el primario. En algunas versiones se elimina el diodo LED y el circuito funciona. Sin embargo, el colocarlo mejora la eficiencia en el corte de la polarización de la base del transistor.

¿Qué sucede cuando circula la corriente? Durante el ciclo de crecimiento rápido de corriente en el circuito primario se indujo una fuerza electromotriz en la bobina secundaria. Debido a que la relación de espiras entre primario y secundario es de 3 a 275, el extremo libre de la bobina L2 tiene una tensión de 825 V respecto a tierra. Debido a lo anterior, se produce un campo eléctrico intenso en la esfera del capacitor C capaz de ionizar el gas a baja presión de un tubo de neón o de una lampara fluorescente que se acerque al la esfera C y acelerar los electrones libres dentro del tubo como para excitar a los átomos que producen la emisión luminosa. Como la corriente cesó abruptamente por la bobina L1 y la bobina L2 se descargó a través del aire circundante a C hacia tierra, se reinicia el ciclo. El punto importante en este tipo de circuito es que todo ocurre en un tiempo muy corto, de modo que se tiene un oscilador de alta frecuencia. En este tipo de circuito es más importante el swicheo u oscilación rápida producida por el transistor que el fenómeno de resonancia descrito en el apartado anterior y referido a la versión original de la bobina de Tesla.

Objetivo

Construir una bobina con base en los principios de Nikola Tesla como modelo de energía sustentable.

Justificación

Una de las empresas que más dinero genera es la eléctrica, pues esta produce una gran cantidad de ingresos probablemente no comparables. Sin embargo, también es una de las que más contaminación genera, lo cual es una desventaja tanto para el ambiente, como para la sociedad.

Actualmente, la misma sociedad busca disminuir los daños que generan este tipo de empresas, al proponer soluciones que apoyen a cumplir este propósito.

Es entonces que los puntos anteriores convierten a este proyecto en una opción sustentable y económica, que podría servir de solución a los problemas ya planteados.

Nuestro proyecto consiste de un modelo de generación eléctrica, basado en las investigaciones de Nikola Tesla. Dichas investigaciones toman como principal sustento ocupar la energía eléctrica de forma que, en vez de consumirse, la energía circule por medio de un sistema de cableados, de tal manera que la misma electricidad se mantenga constante; creando así, una opción económica de un generador de energía, además de una solución para los anteriores problemas.

Cabe destacar que esta propuesta busca principalmente evitar los gastos excesivos que mucha gente usualmente produce.

Hipótesis

Si logramos generar electricidad con base en el modelo Tesla, entonces podríamos desarrollar un sistema de energía eléctrica en ciclo en focos de 50 volts como modelo de energía sustentable. 

 

Método (materiales y procedimiento)

  • Tabla de madera (17,5 cm x 8cm)
  • Una pila de 9V con un conector.
  • Un transistor (2N2222A).
  • Una resistencia de 22k Ohm.
  • Un interruptor.
  • Un tubo de PVC (8.4cm de largo, 2.1cm de diámetro)
  • Alambre de cobre.
  • Una pequeña pelota.
  • Papel de aluminio.
  • Cable de 1mm de Grosor x 15cm de Largo.
  • Cinta adhesiva.
  • Cautín para soldar.

PROCEDIMIENTO

  • Deja un pedazo de alambre en cada extremo.
  • Pega el transistor con los números hacia arriba.
  • Pega el interruptor y el tubo de preferencia con Silicon.
  • Soldar la resistencia a la pata central del transistor.
  • Pelar el esmalte de la punta, del alambre inferior, soldarlo también a la pata central.
  • Pega un extremo del cable a la tabla, cerca del tubo.
  • Toma el cable y dale 2 vueltas al tubo.
  • Pega el otro extremo a la tabla.
  • Tomar el extremo del cable y se debe soldar a la pata derecha del transistor.
  • Crea un puente de cable, soldando el otro extremo del cable hasta el extremo libre de la resistencia.
  • Crear otro puente desde la resistencia hasta un contacto del interruptor.
  • Soldar el conector de la batería.(Cable negro a la pata izquierda del transistor y cable rojo al otro contacto del interruptor)
  • Envuelve la pelota en el papel aluminio.
  • Pelamos la punta del alambre superior y le pegamos la bola de aluminio y unimos la bola al tubo.
  • Por ultimo fijamos bien la batería.

Galería Método

Resultados

Como resultado obtuvimos una recreación de una bobina Tesla, la cual funciona con base en un generador el cual permite el paso de una corriente eléctrica la cual es dada por la pila de 9 voltios debido a que si utilizaremos un circuito o una sobre carga debido al diseño compacto de la bobina. La finalidad de este proyecto era en poder transmitir electricidad de un objeto a otro sin necesidad de utilizar cables. El funcionamiento es por medio de energía magnética, la bola de unicel funciona como un aislante para evitar que la energía que transmita la bobina se disperse por todos lados y se concrete en un solo lugar el cual sería la punta. Como pudimos comprobar al encenderla se genera un campo con base en la energía alrededor del tubo, el cual al momento de acercar un objeto, por ejemplo un foco, este se encenderá debido a que la bobina transfiere electricidad directamente al foco.

Galería Resultados

Discusión

Desde que se creo la bobina tesla, hubo muchos problemas en la aplicación de este, ya que su objetivo principal era parar la forma de transmitir la energía eléctrica con cableado.  Sin embargo, la poca eficiencia de este método debido a las pérdidas de energía por dispersión a través del medio ambiente hizo necesario que se buscaran otros medios para transmitir energía eléctrica de potencia, con este problema el modelo original de tesla no fue muy bien visto, ya que en  nuestros día todavía se utiliza el cableado. Sin embargo, en la actualidad las bobinas basadas en el modelo de Tesla se usan en distintos espectáculos para generar rayos y chispas, así como en algunos experimentos de física.                               Y por otra parte, con las nuevas tecnologías en la actualidad se puede aplicar la bobina tesla de otras formas que no sean solo por el entretenimiento, para una energía eléctrica sustentable para nuestro mundo.

Conclusiones

En conclusión, la bobina Tesla desde su origen fue muy innovadora, pero con los cambios que se vivían en ese entonces, y que los objetos eléctricos gastaban más y desperdiciaban energía, no fue muy bien recibido en aquel entonces, ahora que en la actualidad hay nuevas energías renovables y muy buenas funcionando con energía eléctrica, es el momento de aplicar nuestro conocimientos y agregar a la bobina tesla como una gran innovación en nuestros días que nunca se había visto, ya que nuestro proyecto tiene como base hacer el modelo original de Tesla pero con las nuevas tecnologías

Bibliografía

Consultado en: https://ecoinventos.com/como-hacer-una-mini-bobina-de-tesla/ el 3 de Octubre del 2019

Summary

The energy model was created by Tesla shortly after Hertz’s experiments came to light. Tesla himself called it “an apparatus for transmitting electrical energy.” Tesla wanted to prove that electricity could be transmitted wirelessly. Tesla’s original idea in his experiments with these coils was always to find a way to transmit electrical energy over a long distance without wiring. However, the low efficiency of this method due to energy losses due to dispersion through the environment made it necessary to find other means to transmit electrical power energy. Today, wiring continues to be used. Despite not having large-scale use, Tesla coils continue to be useful in the high-voltage electrical industry for testing insulating systems, towers, and other electrical devices that must function safely. They are also used in various shows to generate lightning and sparks, as well as in some physics experiments. They are also used in various shows to generate lightning and sparks, as well as in some physics experiments. Our project is about something innovative as it takes Tesla’s main idea with new technologies today, with materials that are very easy to get and not very expensive.

 

Research Question

How can we generate electricity using Tesla`s generator original concept?

Problem approach

Six out of ten people leave the light on when leaving a room which generates an energy waste of 1.5 hours or more on an average per day. In the study of awareness and practices of energy consumption in homes, the importance of energy saving in Mexico was focused where it was measured that young people and children under 18 are the most dangerous to waste energy, more in electricity due to the simultaneous use of electronic devices. While the refrigerator is the device that represents the highest energy consumption of homes of all country.

Luis Pérez Suárez, specialist in installation and maintenance of saving systems explains that one of the biggest mistakes is the placement of power generators in useless places and they get to waste of up to 30% of energy that you pay. Currently, the Federal Consumer Attorney’s Office receives thousands of complaints for rates that are not correctly applied by the Federal Electricity Commission (CFE). Mexican households maintain their energy expenses without knowing that 3.8% of energy should not be paid as it is a rate increase for the waste of energy

Background

The coil was created by Tesla shortly after Hertz’s experiments came to light. Tesla himself called it “an apparatus for transmitting electrical energy.” Tesla wanted to prove that electricity could be transmitted wirelessly. In his Colorado Springs lab, Tesla had a huge 16-meter coil attached to an antenna at his disposal. The device was used to perform power transmission experiments. On one occasion there was an accident caused by this coil in which dynamos were burned in a plant located 10 kilometers away. As a result of the fault, electrical arcs were produced around the windings of the dynamos. Tesla’s original idea in his experiments with these coils was always to find a way to transmit electrical energy over a long distance without wiring. However, the low efficiency of this method due to energy losses due to dispersion through the environment made it necessary to find other means to transmit electric power energy.
Today, wiring continues to be used. Despite not having large-scale use, Tesla coils continue to be useful in the high-voltage electrical industry for testing insulating systems, towers, and other electrical devices that must function safely. They are also used in various shows to generate lightning and sparks, as well as in some physics experiments. In high voltage experiments with large Tesla coils it is important to take safety precautions. An example is the use of Faraday cages for the protection of observers and wire mesh suits for artists who participate in shows with these coils. It should be remembered that in Nikola Tesla’s time there were no transistors. In this case the transistor replaces the “spark gap” or “explosor” of the original version. The transistor will be used as a gate that allows or does not allow the passage of current. For this the transistor is polarized like this: the collector c to the positive terminal and the emitter e to the negative terminal of the battery. When the base b has positive polarization, then it allows the passage of current from the collector to the emitter, and otherwise prevents it. In our scheme, the base is connected to the positive of the battery, but a resistance of 22 kilo ohms is inserted, to limit the excess current that can burn the transistor. The circuit also shows an LED diode that may be red. Its function will be explained later. A metallic ball is placed at the free end of the secondary coil L2, which can be built by coating a polystyrene ball or a pin pong ball with aluminum foil. This sphere is the plate of a capacitor C, the other plate being the environment. This is what is known as the parasitic capacity. When switch S is closed, the base of the transistor is positively polarized, and the upper end of the primary coil is also positively polarized. So a current appears abruptly through the primary coil, follows the collector, exits the emitter, and returns to the cell. This current grows from zero to a maximum value in a very short time, which is why it induces an electromotive force on the secondary coil. This produces a current that goes from the bottom of the L2 coil to the base of the transistor. This current abruptly ceases positive biasing of the base so current flow through the primary ceases. In some versions the LED diode is removed and the circuit works. However, placing it improves the efficiency of the transistor base polarization cutoff. What happens when current flows? During the rapid current growth cycle in the primary circuit, an electromotive force was induced in the secondary coil. Due to the ratio of turns between primary and secondary is from 3 to 275, the free end of coil L2 has a voltage of 825 V with respect to ground. Due to the above, an intense electric field is produced in the sphere of capacitor C capable of ionizing the gas at low pressure from a neon tube or from a fluorescent lamp that approaches the sphere C and accelerating the free electrons inside the tube as to excite the atoms that produce the light emission. As the current abruptly ceased through coil L1 and coil L2 was discharged through the surrounding air to C toward ground, the cycle is restarted. The important point in this type of circuit is that everything happens in a very short time, so it has a high frequency oscillator. In this type of circuit swicheo or fast oscillation produced by the transistor is more important than the resonance phenomenon described in the previous section and referred to the original version of the Tesla coil.

Objective

To build an electric energy generator using Nikola Tesla`s investigations .

Justification

One of the companies that generates the most money is electricity, generating a large amount of income that is probably not comparable. However, it is also one of the most polluting, which is a disadvantage, both for the environment and for society.

Currently, the same society look for to reduce the damages generated by this type of companies, by proposing solutions that support the fulfillment of this purpose.

It is then that the previous points make this project a sustainable and economic option, which could be useful as a solution to the problems already mentioned.

Our project consists of a power generation model, based on Nikola Tesla’s research. These investigations take as main sustenance to occupy the electrical energy so that, instead of being consumed, the energy circulates through a wiring system, in such a way that the same electricity is kept constant; thus creating an option economic of a power generator, in addition to a solution to the above problems. It should be noted that this proposal mainly look for to avoid, not only the excessive expenses that many people usually produce.

Hypothesis

If we get to generate electicity, basing on the Tesla model, then, we’ll be able to develop a system capable of generating electricity.

Method (materials and procedure)

  • Wooden board (17,5 cm x 8cm)
  • A 9V battery with a connector.
  • A transistor (2N2222A).
  • A 22k Ohm resistor.
  • A switch.
  • A PVC pipe (8.4cm long, 2.1cm diameter)
  • Copper wire.
  • A little ball.
  • Foil.
  • Cable of 1mm thick x 15cm long.
  • Scotch tape.
  • Soldering iron.

PROCESS

  • Leave a piece of wire at each end.
  • Paste the transistor with the numbers facing up.
  • Glue the switch and the tube preferably with Silicon.
  • Solder the resistance to the central leg of the transistor.
  • Peel the enamel from the tip, from the lower wire, also solder it to the central leg.
  • Glue one end of the cable to the board near the tube.
  • Take the cable and twist the tube 2 times.
  • Glue the other end to the table.
  • Take the end of the wire and it must be soldered to the right leg of the transistor.
  • Create a cable bridge, soldering the other end of the cable to the free end of the resistor.
  • Create another bridge from the resistor to a switch contact.
  • Solder the battery connector. (Black wire to the left leg of the transistor and red wire to the other contact of the switch)
  • Wrap the ball in the foil.
  • We stripped the tip of the upper wire and glued the aluminum ball and attached the ball to the tube.
  • Finally we fix the battery well.

 

Results

As a result we obtained a recreation of a Tesla coil, which works based on a generator which allows the passage of an electric current which is given by the 9 volt battery because if we use a circuit or an overload due to the compact coil design. The intention of this project was to be able to transmit electricity from one object to another without using cables. The operation is by means of magnetic energy, the ball of unicel works as an insulator to avoid that the energy transmitted by the coil is dispersed on all sides and is concreted in one place which would be the tip. As we could detect when turning it on, a field is generated based on the energy around the tube, which is the time to approach an object, for example a bulb, it turns on because the coil transfers electricity directly to the bulb

Discussion

Since the tesla coil was created, there have been many problems in applying it, since its main objective was to stop the way of transmitting electrical energy with wiring. However, the low efficiency of this method due to energy losses due to dispersion through the environment made it necessary to find other means to transmit electric power, with this problem the original tesla model was not very well regarded, since today wiring is still used. However, currently coils based on the Tesla model are used in various shows to generate lightning and sparks, as well as in some physics experiments. And on the other hand, with new technologies today, the tesla coil can be applied in other ways than just for entertainment, for sustainable electric energy for our world.

Conclusions

In conclusion, the Tesla coil from its origin was very innovative, but with the changes that were experienced at that time, and that electric objects used up more and wasted energy, it was not very well received back then, now that there are new and very good renewable energies running on electric power, it is time to apply our knowledge and add to the tesla coil as a great innovation in our days that has never been seen, since our project is based on making the original Tesla model but with new technologies

Bibliography

Consulted on: https://ecoinventos.com/como-hacer-una-mini-bobina-de-tesla/ in October 3rd 2019