COMPRENDAMOS

Resumen

Según [1], el arco eléctrico como lo prefieren la mayoría de las publicaciones, no es más que una chispa de electricidad sostenida de manera controlada entre dos piezas de algún medio que sirve de conductor “metal y en ocasiones carbón” a las que llamamos o en términos comunes: electrodos.

El objetivo primordial de este artículo es describir el procedimiento para crear un sistema que permita implementar en cualquier lugar y sin necesidad de equipo electrónico sofisticado un arco eléctrico propio de frecuencia ajustable. Aquí se presenta la construcción de un sistema que sea capaz de crear un arco eléctrico con condiciones seguras; utilizando herramientas y artículos comerciales: una bobina de inducción para automóvil, un timer basado en un circuito integrado 555, una resistencia variable, un par de electrodos (que pueden ser diábolos de rifle de aire o simplemente alambres conductores), un transistor MOSFET IRF540, una fuente de 12 Volts y una tablilla de pruebas o protoboard.

Es necesario recordar que a pesar de que la información presentada en este artículo es suficiente para crear un arco eléctrico seguro, incapaz de poner en peligro la vida, pueden darse descargas eléctricas de cientos de volts que podrían resultar dolorosas o producir pequeñas quemaduras, por lo tanto se sugiere que el experimento se realice con cuidado y siguiendo fielmente todas las indicaciones.

Palabras Clave: Arco eléctrico, bobina, frecuencia, electrodo, timer, voltaje.

Introducción

De acuerdo a Wikipedia [2], se conoce como arco eléctrico o arco voltaico a la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en una atmósfera gaseosa o simplemente expuestos al aire libre. Cuando por los electrodos circula una corriente eléctrica y estos se separan, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama, esto le ha valido a la mencionada forma de propagación de energía muchas aplicaciones en la actualidad como lo son: poderosas fuentes de luz, en la industria cinematográfica para producir fuertes intensidades luminosas en la filmación de películas, en los automóviles para generar chispas alternadamente en los motores de combustión interna y en la industria para la soldadura de metales por los efectos caloríficos propios del arco eléctrico.

Text Box: Figura 1. Arco eléctrico (Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Arco_eléctrico)

En [3] se dice que el arco eléctrico fue descubierto y demostrado por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800. En un arco abierto al aire a presión normal el electrodo positivo alcanza una temperatura de 3,500 grados Celsius. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor, ambos fenómenos, en caso de ser accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre con la perforación de aisladores en las líneas de transporte de energía eléctrica en alta tensión o de los aislantes de conductores y otros elementos eléctricos o electrónicos. Este fenómeno se puede apreciar más claramente en la figura 2.

Text Box: Figura 2. Fotografía de un Arco Eléctrico (Fuente: http://www.neopolis.com/videos/importarVideoNeopolis/arco-electrico-increible).

El fenómeno de la inducción de una bobina eléctrica para la generación del arco eléctrico

El presente artículo sugiere la construcción e implementación de un arco eléctrico propio, utilizando herramientas y artículos de uso común, por tanto una de las cosas importantes a utilizar para lograr el cometido planteado anteriormente es la bobina de inducción de un automóvil, la cual se encuentra conectada directamente a las bujías, las cuales son responsables de emitir la chispa necesaria para producir la explosión dentro del motor del vehículo. De acuerdo a [4] La bobina de inducción debe su funcionamiento primordialmente al fenómeno conocido como inducción electromagnética, la cual origina la producción de una fuerza electromotriz o voltaje en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético, creándose como una consecuencia directa una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético. Otro de los grandes personajes que realizó importantes experimentos con la inducción electromagnética fue Nikola Tesla, una bobina de Tesla[5] es un tipo de transformador llamado así en honor a su inventor. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas eléctricas de alcances del orden de metros, lo que las hace muy espectaculares. En la figura 3 se puede apreciar claramente su apariencia física.

Text Box: Figura 3. Fotografía de una Bobina de Tesla. (Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Bobina_de_Tesla)

El fenómeno de crear alto voltaje ocurre con la bobina de un automóvil. Resulta un tanto increíble como un simple trozo de metal enrollado alrededor de algo conocido como núcleo pueda elevar en gran medida el voltaje con el cual este se alimenta, produciendo así la gran diferencia de potencial requerida para generar el arco eléctrico. La bobina estará conectada a un circuito electrónico que permitirá que se conecte y desconecte del voltaje de alimentación de manera repetida y a una gran velocidad de ocurrencia, originándose que la bobina se cargue y descargue, lo cual producirá un movimiento continuo de electrones en los electrodos que se conectaran a la parte referida como toma de alta tensión (figura 4) de esta y a su vez a la tierra del circuito eléctrico.

Text Box: Figura 4.Estructura de una bobina de automovil. (Fuente: http://html.rincondelvago.com/sistema-de-encendido_2.html)

Construcción del sistema electrónico para la generación del arco eléctrico

El objetivo es describir el procedimiento para crear un sistema que permita implementar en cualquier lugar y sin necesidad de equipo electrónico sofisticado un arco eléctrico seguro con frecuencia ajustable. Es necesario recordar que a pesar de que la información presentada en este artículo es suficiente para crear un arco eléctrico seguro, incapaz de poner en peligro la vida, pueden darse descargas eléctricas de cientos de volts que podrían resultar dolorosas o producir pequeñas quemaduras, por lo tanto se sugiere que el experimento se realice con cuidado y siguiendo fielmente todas las indicaciones.

El diagrama del sistema para crear un arco eléctrico está en la figura 5 y el material requerido para su fabricación es el siguiente:

• Una fuente de alimentación de DC de 12 volts.
  
• Una tablilla de pruebas o protoboard o una placa de baquelita de 5 x 5 cm.
  
• Dos metros de alambre de cobre aislado delgado para hacer las conexiones del circuito electrónico.
  
• Un circuito integrado timer LM555 ó NE555.
  
• Un transistor IRF 540.
  
• Un capacitor electrolítico de 0.47 µF.
  
• Un resistor de 1kΩ.
  
• Un potenciómetro de 10kΩ.
  
• Un clip.
  
• Dos diábolos de rifle de aire o dos tornillos.
  
• Cuatro cables con caimanes.
  
• Pinzas.
  
• Unos guantes de hule.

Text Box: Figura 5. Diagrama eléctrico de conexiones. (Fuente propia)

Paso 1. Arma en un protoboard el circuito mostrado en la figura 7. Para ello primero identifica una pequeña muesca en el integrado que designa al pin número 1 (figura 6), los pines del timer 555 se encuentran numerados de forma consecutiva del 1 al 8.

De una forma alternativa se puede fabricar y utilizar el circuito impreso de la figura 8, el cual tiene como dimensiones 5 x 5 cm, para armar la configuración del timer 555, para ello en la figura 10 se puede apreciar la colocación y ubicación en la tablilla de baquelita de todos y cada uno de los componentes electrónicos.

Text Box: (a) (b) Figura 6.Timer NE555 (a) y su distribución de pines (b). (Fuente: Fairchild Semicunductor Datasheet, LM555/NE555/SA555 Single Timer.

Text Box: Figura 7.Diagrama de configuración del timer 555 en modo astable. (Fuente: Fairchild Semicunductor Datasheet, LM555/NE555/SA555 Single Timer.

Text Box: Figura 8.Circuito impreso de la configuración del timer 555 para la creación del montaje en la tablilla de baquelita. (Fuente propia)

Asegúrate de colocar los componentes electrónicos en los lugares indicados en la figura 10. Antes de colocar el potenciómetro dobla solo una de sus terminales laterales, para que este embone en el circuito impreso, ten cuidado adicionalmente de colocarlo viendo hacia fuera de la tablilla impresa para una manipulación más sencilla, pues la variación de la frecuencia del arco eléctrico se produce al girar esta resistencia variable de un extremo a otro, se considera además necesario colocarle una perilla de plástico como la que se muestra en la figura 9 para disminuir el riesgo de contacto con la parte metálica que posee. Una vez que se encuentre armado y funcionando el circuito evita tocar cualquier parte metálica de cualquier componente electrónico (en especial del transistor IRF540), ya que podrías sufrir una descarga eléctrica, es conveniente utilizar los guantes de hule mencionados. Cuando coloques el transistor ten cuidado de que sea como se indica en la figura 10, de lo contrario no funcionará.

Text Box: Figura 9.Perilla de plástico del potenciómetro. (Fuente propia)

Es importante que se tomen en cuenta las siguientes consideraciones ya sea para armar el circuito en protoboard o en el circuito impreso:

Vcc Representa el borne positivo de la fuente de 12 volts de DC.

Este símbolo representa el voltaje de referencia de la fuente, es decir el borne negativo.

RA Es el resistor de 1kΩ.

RB Es el potenciómetro de 10kΩ.

C1 Es el capacitor de .47 µF.

IRF Es el transistor IRF540.

Paso 2. La salida del timer 555 se inyectará al transistor IRF540, por este motivo es importante que en este paso se identifiquen las tres terminales o pines con los que este último cuenta, para ello observa la figura 11, en donde se muestra su estructura. El pin 1 se conoce como Gate, el pin 2 se conoce como Dren y el pin 3 se conoce como Source. Si se optó por armar el circuito impreso y realizar el montaje de la figura 10 por favor omite este paso y solo procura colocar el transistor adecuadamente.

Text Box: Figura 10. Vista posterior de la tablilla de baquelita obtenida del circuito impreso de la figura 8. (Fuente propia)

Paso 3. Una vez que el circuito se encuentra armado ya en el protobard, la salida del timer 555 designada por el pin 3 se conectará a la terminal Gate del transistor IRF 540, la terminal Dren se conectara a una terminal de la bobina conocida como conexión del ruptor o borne negativo, esta se puede apreciar en la figura 4, seguido de esto la terminar de la bobina conocida como conexión a la batería o borne positivo se conectará a Vcc, por último se conectará la terminal Source del transistor al voltaje de referencia de la fuente, dicho de otra manera al borne negativo. La salida del timer 555 genera una señal cuadrada que tiene la forma de onda mostrada por la figura 13, esta señal también es conocida como pulso cuadrado y tiene la principal función de llevar a corte y saturación al transistor, lo que produce como consecuencia que este dispositivo electrónico conecte y desconecte a la frecuencia establecida por el potenciómetro su terminal Dren con el borne negativo de la fuente de alimentación, lo que originará que la bobina se cargue y descargue, para después generar el arco eléctrico exitosamente. Las conexiones anteriormente mencionadas se resumen en la figura 14. En caso de haber realizado el circuito impreso coloque un pedazo de cable en la terminal del conector de salida hacia la bobina referenciada con el símbolo (*) en la figura 10, y únalo por medio de un caimán al borne negativo de la bobina, la conexión del borne positivo de la bobina se efectúa como se ha descrito anteriormente para el caso en donde se armó el circuito en protoboard.

Text Box: Figura 11. Transistor IRF 540. (fuente: http://www.datasheetdir.com/LTO-DMS-IRF540+Power-MOSFETs).

Text Box: Figura 12. Ejemplo de una conexión tipica en el protoboard.

Text Box: Figura 13. Forma de onda cuadrada generada por el timer 555. (fuente: http://www.datasheetdir.com/LTO-DMS-IRF540+Power-MOSFETs).
Paso 4. En el presente trabajo se propone utilizar diferentes tipos de electrodos como pueden ser: tornillos, un clip o diábolos de rifle, por lo tanto la generación del arco eléctrico se resume en dos de las siguientes formas:

FORMA 1: Conecte un caimán directamente al borne negativo de la fuente (si usted fabricó el circuito impreso puede tomar esta conexión de la terminal del conector de salida hacia la bobina referenciada como (-) en la figura 10), y su extremo restante a una placa de baquelita, después identifique una parte metálica al centro de la manguera proveniente de la toma de alta tensión de la bobina y conecte a esta un caimán, el otro extremo del caimán se puede conectar al clip en forma de electrodo o a un tornillo (observe figura 15). Auxíliese de la figura 14 para realizar las conexiones mencionadas en este paso.

FORMA 2: Conecte un caimán directamente al borne negativo de la fuente (si usted fabricó el circuito impreso puede tomar esta conexión de la terminal del conector de salida hacia la bobina referenciada como (-) en la figura 10), y su extremo restante a un tornillo, después identifique una parte metálica al centro de la manguera proveniente de la toma de alta tensión de la bobina y conecte a esta un caimán, el otro extremo del caimán se conectara al tornillo restante.

Text Box: Figura 14. Conexiones eléctricas para generar el arco eléctrico.

Paso 5. Utilice los guantes de hule y cheque que todas las conexiones se encuentran correctamente realizadas, si es así energice la fuente.

Paso 6. Si decidió generar el arco eléctrico de la forma 1 mencionada en el paso 4, acerque el clip en forma de electrodo de la figura 15 a la placa de baquelita a aproximadamente 1 cm, si separa el electrodo de la tablilla de baquelita el arco eléctrico dejara de generarse. El arco producido tendrá la apariencia de la figura 16. En otro caso si se eligió la forma 2 del paso 4 para generar el arco eléctrico aproxime ambos tornillos hasta que casi se toquen entre sí, el arco obtenido tendrá la apariencia de la figura 17, tenga especial cuidado de evitar que se toquen de lo contrario el arco nunca se generará, se deja a criterio propio que se realicen experimentos con diferentes tipos de electrodos.

Text Box: Figura 15. Diferentes tipos de electrodos.

Text Box: Figura 16. Forma 1 para genera el arco eléctrico.

Text Box: Figura 17. Forma 2 para genera el arco eléctrico.

Resultados y pruebas

En el presente trabajo se realizaron diferentes experimentos utilizando para ello una variedad de electrodos fabricados, obteniendo como resultado que el haz de electrones generado a partir de algunos de estos fuesen más finos que en comparación con otros, por ejemplo el arco eléctrico de la figura 18 presenta un haz de apariencia delgada, en tanto que el arco eléctrico de la figura 19 pareciera que se propaga incluso a través de dos direcciones.

Un factor importante en la generación del haz de electrones es la frecuencia, la cual se ajusta manualmente desde el resistor variable o potenciómetro, de hecho influye tanto que si se utiliza una frecuencia muy alta o muy baja, el flujo de electrones de un electrodo a otro dejara de ocurrir y por tanto no se apreciará ningún arco eléctrico, aunque se podrá percibir un ligero zumbido debido a esta variación de frecuencia.

Text Box: Figura 19. Arco eléctrico de propagacion en dos direcciones. Text Box: Figura 18. Arco eléctrico de apariencia delgada.

Conclusiones

El presente artículo sirve de guía práctica para la construcción de un sistema que cree un arco eléctrico casero; se puede experimentar de una forma sencilla y segura con un arco eléctrico y con diferentes tipos de electrodos para generarlo. El montaje realizado además de ser una forma divertida de aprender, podría utilizarse como una maqueta de experimentación convirtiéndose en una herramienta didáctica para aprender.