Los transformadores de Tesla son transformadores de núcleo de aire que producen corrientes eléctricas de alto voltaje y alta frecuencia. Fueron inventados a fines del siglo XIX por el ingeniero serbio-estadounidense Nikola Tesla, conocido también por ser el principal impulsor del uso de la energía eléctrica alterna que hoy en día ilumina las ciudades de todo el mundo, así como inventor de los motores de corriente alterna trifásicos que mueven las industrias y por proponer y lograr usar las ondas electromagnéticas para transmitir información sin cables, adelantándose a Guillermo Marconi. Por desgracia para Tesla esto no le fue reconocido hasta después de su muerte.

Los transformadores de Tesla constan de tres secciones principales:

• Fuente de energía
• Circuito resonante primario
• Circuito resonante secundario

La fuente de energía no es más que un transformador de alto voltaje convencional que generalmente provee de 5 a 30 KV de tensión ya sea directa o alterna. Es posible emplear muchos de estos transformadores en paralelo para aumentar la potencia del sistema, a condición de que los transformadores todos tengan las mismas especificaciones. Luego está el circuito resonante primario que, como su nombre lo dice, es un circuito capaz de generar corrientes oscilantes de una frecuencia bien definida. Este circuito consta de un capacitor de alto voltaje dedicado (es un capacitor de pulsos adecuado para altas frecuencias) conectado en serie con un inductor (una bobina) de baja resistencia eléctrica y alta capacidad conductiva y un explosor, el cual consiste de dos o más electrodos es serie separados por un espacio vacío. Este explosor no es más que un interruptor de alto voltaje que se activa cuando su rigidez dieléctrica es superada. Por último está el circuito secundario, es cual consta de un inductor (generalmente un solenoide largo) conectado a tierra física por una de sus terminales, mientras que por la otra se conecta a una terminal eléctrica metálica (esfera o toroide).

Diagrama de un Transformador de Tesla

La forma en que operan los transformadores de Tesla es la siguiente:

Conectado el transformador de alto voltaje a la línea eléctrica se establece una corriente a través del circuito transformador – capacitor – bobina primaria. A las frecuencias de operación del transformador la bobina primaria tiene una reactancia inductiva prácticamente nula y no influye en la magnitud de la corriente establecida, la cual resulta ser solo función de la impedancia interna del transformador y la reactancia capacitiva del capacitor. Esta corriente carga el capacitor de alto voltaje, elevando la diferencia de potencial entre sus placas y almacenando más y más energía en este. Por leyes de Kirchhoff es inmediato el hecho de que el voltaje establecido entre los electrodos del explosor es igual al voltaje entre las placas del capacitor. Por lo tanto, cuando el capacitor se carga a un voltaje lo suficientemente alto como para que la rigidez dieléctrica del aire entre los electrodos del explosor sea superada, el campo eléctrico entre estos arranca electrones de las moléculas de aquel y se establece un arco eléctrico de baja impedancia que actúa como un puente que cierra el circuito capacitor – bobina primaria… y entonces se originan los pulsos de alta frecuencia de los que tanto se habla.

Físicamente los circuitos primario y secundario no tienen conexiones eléctricas en común; sin embargo se encuentran enlazados permanentemente por su inductancia mutua, por los efectos electrodinámicos que produce uno sobre el otro cuando están en operación; más concretamente, por el campo electromagnético que se establece en el espacio circundante. Cuando se cierra el circuito primario se establecen corrientes eléctricas de alta frecuencia que crean un campo electromagnético a su alrededor. Este campo induce en la bobina secundaria corrientes eléctricas que fluyen a lo largo del conductor, desde la terminal hasta la base conectada a tierra. Estas corrientes son máximas en la base del secundario y mínimas en la parte superior hasta la terminal.

El campo electromagnético variable induce corrientes, pero también voltajes en el circuito secundario. En particular sabemos que la terminal metálica colocada en la parte superior de la Bobina tiene una capacitancia intrínseca dependiente de su posición respecto al suelo y al resto de los componentes de la bobina, pero también el conductor del que está hecha la bobina secundaria tiene su propia capacitancia. En operación la terminal se convierte en un depósito para la carga eléctrica y en consecuencia para la energía proveniente del circuito primario, energía transmitida por inducción y a través del campo electromagnético. La acumulación de carga en la terminal produce un rápido incremento de voltaje hasta que este es tan alto que se produce emisión electrónica desde la terminal hacia el espacio circundante. Así se producen las enormes descargas que observamos al poner uno de estos aparatos en funcionamiento.

¿Y luego qué? Bueno, la energía se sigue transmitiendo hasta que el arco en el explosor se extingue, se detiene la corriente en el primario y la energía restante en el secundario se disipa en forma de descargas, todo en un tiempo de 20 a 50 microsegundos. Es posible que antes de que el arco en el explosor se apague se haya transmitido la mayor parte de la energía al secundario y quede muy poca en el primario, solo la suficiente para mantener vivo el arco. En este caso como los circuitos están acoplados se produce el efecto contrario: toda la energía que aun permanezca en el secundario comienza a regresarse al primario hasta que eventualmente este se queda sin energía. No hace falta decirlo: si el explosor sigue activo se repite el proceso de intercambio de energía hasta que queda tan poca que el arco se apaga. En ese momento el secundario y el primario dejan de estar ligados y la energía que reste en el secundario se va consumiendo en forma de arcos y un intenso campo electromagnético que rodea al sistema. En los textos en inglés al instante en que el explosor se apaga se le llama “quenching”.

¿Qué proporción de la energía total almacenada en el primario se transmite al secundario? Depende de la relación entre la frecuencia natural de oscilación del primario y del secundario. Entre más grande sea la diferencia entre estas frecuencias es menor la energía que se transmite. Solo cuando las frecuencias de oscilación del primario y el secundario son iguales es posible transmitir toda la energía del primario al secundario, obtener un mayor voltaje en el secundario y descargas más grandes e intensas. Es por esto que es muy importante que ambas bobinas estén en resonancia. A esta frecuencia la magnificación de voltaje es máxima y está dada por

Las potencias instantáneas desarrolladas en los circuitos primario y secundario son extraordinariamente grandes, llegando a ser del orden de los megawatts. En el circuito primario se producen corrientes de 1000A o más y los voltajes en el secundario llegan fácilmente a 250KV en modelos medianos. Sin duda alguna estamos frente a un dispositivo impresionante.