Construcción de una campana de vacío casera paso a paso

La construcción de una pequeña campana de vacío para realizar experimentos es relativamente fácil, ya que los componentes que se necesitan son pocos y de "andar por casa".

Aunque la campana que se construye es pequeña, en realidad puede ser tan grande como el bote de cristal que consigamos, siempre y cuando la tapa sea metálica.

Estos son los elementos que vamos a necesitar:

- Bote de cristal con tapa metálica.

- Tubo de cobre de unos 5 a 10 mm de diámetro.

- Alambre de cobre rígido de unos 3 mm de diámetro.

CONSTRUCCIÓN.

Lo primero es marcar la posición donde se van a realizar los taladros, siendo estos lo más ajustados al diámetro del tubo y del alambre, y procurando que estén alejados del borde donde está la junta de goma que hace de sello al bote de cristal, (más adelante se explica el porqué).

 

Después una vez taladrados los orificios se lija bien por ambas caras de la tapa hasta quitar la pintura y dejar al descubierto el metal de la tapa para poder soldar correctamente y que agarre el estaño. Hacemos lo mismo con el tubo de cobre y el alambre.

A continuación insertamos el tubo de cobre en la tapa y con ayuda de un soldador y estaño se soldará a la tapa tanto el tubo como el alambre.

Pero antes para evitar deteriorar la junta de goma que traen las tapas con el calor al soldar, es importante colocar un poco de papel de cocina empapado en agua alrededor de la rosca y por encima de la junta, de este modo evitamos que esta zona se caliente en exceso.

Un vez que se enfríe ya tendremos la campana terminada.

 

 

 

En cuanto a cómo poder realizar el "vacío" en el bote eso es más complicado ya que será necesario que consigamos una bomba de vacío (que no son baratas), o como en este caso usando un compresor de frigorífico.

A continuación hay algunas imágenes de los experiementos realizados al aplicar alta tensión.

Aquí encontrarás cómo construir un generador de alta tensión --> Enlace

¿Qué pasa si aplicamos alta tensión a una gota de agua?

El experimento consiste en observar cómo se comporta un fluido, en este caso agua, cuando se le aplica alto voltaje, en el siguiente vídeo podemos ver lo que ocurre.

En el vídeo se puede ver como en el momento en el que se conecta la fuente de alta tensión, la forma de la gota que se encuentra en el lado del electrodo de bola cambia de redondeada a una forma puntiaguda.

Esto se produce debido a la diferencia de potencial entre la gota de agua y la superficie del deposito de agua, ya que cada una está conectada a un extremo del polo de un generador de alta tensión, y como ambas poseen cargas de diferente signo, debido a esto, se genera una atracción entre ellas, por eso la gota de agua se alarga atraída por el agua de abajo.

Además se aprecia otro fenómeno, el efecto punta, por ello cuando la gota adquiere forma de punta aparece un halo azulado alrededor de esta y cuando ambas están lo suficientemente juntas salta un arco eléctrico.

Fabricar un condensador casero para realizar experimentos con alta tensión

En ocasiones a la hora de hacer experimentos con alta tensión se hace necesario a veces el uso de condensadores para almacenar energía, pero los condensadores que soporten altas tensiones no son fáciles de conseguir, por lo que se puede optar por construirlos de forma casera. No son lo mismo pero menos da una piedra.

Las capacidades de estos condensadores no son tan elevadas como los modelos comerciales pero pueden ser un buen sustituto para nuestros experimentos.

Antes de ponernos manos a la obra es interesante saber cuáles son las partes de las que está compuesto un condensador.

Las partes principales son las armaduras y el dieléctrico.

Partes de un condensador

Las armaduras son las partes metálicas conductoras que se encuentran montadas una en frente de la otra pero sin contacto entre ellas y separadas entre si por el dieléctrico que es un material aislante.

Una vez visto las partes de las que consta un condensador, otra de las cosas que hay que tener en cuenta a la hora de construirlo es como afecta al valor de la capacidad el tamaño de las armaduras o el tipo de dieléctrico.

Existen distintos tipos de condensadores en función de la disposición de las armaduras, pudiendo ser los más típicos los condensadores planos y los cilíndricos, y en función de su forma se emplean distintas fórmulas para calcular su capacidad.

Por ejemplo, para un condensador plano la fórmula para calcular la capacidad es:

Condensador plano parcialmente desmontado

εr es la constante dieléctrica del dieléctrico que se coloque entre las armaduras, y es un valor que depende únicamente del tipo de material del que esté compuesto el dieléctrico, por ejemplo, para el aire la constante es 1, para la mica (un material usado en condensadores comerciales) es de entre 5 y 8 o el agua que es de 81.

De esto se deduce que cuanto más alta sea la constante dieléctrica más alto será el valor de la capacidad del condensador.

Capacidad con la botella vacía (dieléctrico de aire)

Capacidad con la botella llena de agua

Capacidad del condensador con agua y sal

Otro factor importante es la superficie de las armaduras (S),  que al igual que en el caso anterior, cuanto más grandes sean mayor será la capacidad.

Por último tenemos la distancia entre las armaduras (d) que, cuanto menor sea, mayor será la capacidad resultante.

En cuanto a los condensadores cilíndricos la fórmula es:

Condensador cilíndrico

De donde la capacidad depende de (l) que es la longitud del condensador, cuanto más grande sea en este aspecto mayor será la capacidad.

Los otros dos factores son el radio de la armadura exterior (R) y de la interior (r), de los que se deduce a partir de la fórmula que cuanto mayor sea el radio exterior mayor capacidad, y por el contrario cuanto más pequeño sea el radio interior mayor será la capacidad.

Así que, una vez visto un poco de teoría ya podemos empezar a construir nuestro condensador teniendo una idea aproximada de que factores tenemos que tener en cuenta para conseguir la mayor capacidad posible.

El condensador más rápido de construir es un condensador cilíndrico usando una botella de plástico.

Para empezar, los materiales que tenemos que reunir son:

1º. Una botella de plástico.

2º. Papel de aluminio.

3º. Pegamento.

4º. Sal de cocina.

5º. Cable eléctrico.

Y de herramientas solo necesitaremos unas tijeras y un punzón o cualquier herramienta similar para realizar un agujero.

Una vez que tengamos seleccionada una botella de plástico preferiblemente lisa, cortaremos una lámina de papel de aluminio del tamaño de la superficie de la botella para después, aplicar una capa de pegamento por la parte exterior de la botella y pegar la lámina de papel de plata que hemos recortado, de este modo ya tendremos lista una de las armaduras del condensador.

Para el dieléctrico del condensador llenamos la botella con agua y echamos la sal, lo que hace que aumente la constante dieléctrica del agua y a su vez la capacidad del condensador.

Por último realizaremos un agujero en el tapón para pasar un cable con el extremo pelado que introduciremos hasta hacer contacto con el agua. Este cable será la otra armadura.

Ahora que ya tenemos completo el condensador solo queda probarlo. 

Debido a que el condensador es casero se producen pérdidas que ocasionan que la tensión entre sus armaduras sea algo más bajo que si no estuviera conectado, por eso en la imagen de la izquierda el arco es algo más corto, pero por el contrario se consigue una descarga más intensa con mayor energía, por eso se puede apreciar que el arco tiene un mayor diámetro. 

El efecto termoiónico (I)

En anteriores ocasiones ya hablamos sobre la ionización mediante campos eléctricos muy intensos e incluso mediante la aplicación de calor con una llama, a este último fenómeno se le conoce como efecto termoiónico y vamos a ver más en profundidad cómo es ese proceso de ionización y en qué consiste. 

Los metales están compuestos por átomos en los que a su alrededor circulan sus electrones describiendo órbitas entorno a su núcleo. 

La distancia que separa las diferentes órbitas que recorren los electrones alrededor del núcleo del átomo van en función de la propia energía que poseen dichos electrones, de tal manera que cuanta mayor energía tienen, mayor capacidad albergan para alejarse del núcleo, esto es porque los electrones tienen carga negativa y los protones que forman parte del núcleo tiene carga positiva, así que como cargas de distinto signo se atraen, el núcleo ejerce una fuerte atracción sobre el electrón, de este modo para que pueda alejarse, tendrá que poseer más energía y así podrá distanciarse aún más. 

Desplazamiento de electrones libres en un metal

De tal modo que se puede afirmar que el electrón más alejado del núcleo es el que tiene mayor energía propia, de hecho estos electrones están tan alejados que la fuerza de atracción con respecto al núcleo es tan débil que a veces pueden escaparse del átomo convirtiéndose en un electrón libre, cuando esto ocurre, el átomo que se ha quedado con un electrón de menos pasa a convertirse en un ion positivo ya que ahora posee más protones que electrones, y la carga resultante del átomo será entonces positiva. 

Pero ahora este ion positivo al tener una carga total positiva va a tratar de volver a un estado neutro y para ello tiene que obtener como sea otro electrón, y como resulta que los átomos que tiene a su alrededor también poseen electrones muy alejados del núcleo y ahora nuestro ion positivo tiene una carga positiva, va a ejercer una fuerte atracción sobre cualquier otro electrón que se acerque, y se lo quitará del átomo más próximo, (o de cualquier otro electrón libre que se acerque demasiado), ahora este nuevo átomo que se ha quedado sin un electrón intentará volverse neutro como el anterior, repitiéndose así una y otra vez el mismo proceso. 

Dicho de otra manera, dentro del metal tendremos un movimiento continuo de electrones libres circulando y chocando de un lado a otro, pero siempre se mantienen dentro del metal porque aunque un electrón libre posee más energía que cuando está ligado a un átomo no es lo suficientemente fuerte, y siempre se verá atraído por esos iones positivos que otros electrones han creado al abandonar los átomos. 

Emisión de electrones por calentamiento del metal

Todo esto sucede a temperatura ambiente, pero si aportamos calor al metal estamos aplicando una energía extra a esos electrones, por lo que estos electrones libres aumentarán su velocidad de desplazamiento, y ocurre que, cuando se calienta lo suficiente, estos electrones libres pueden alcanzar tal energía que su velocidad sea tan elevada como para contrarrestar la fuerza de atracción de esos iones positivos y escapar por completo de la estructura metálica. 

Esto quiere decir que cuando un electrón consigue escaparse fuera del átomo obtenemos un ion positivo y si además también consigue escapar de la estructura metálica, como resultado obtendremos un metal cargado positivamente. 

Pero como no vamos a creernos esto porque si, vamos a demostrarlo con el siguiente experimento, que consiste en una bombilla recubierta con una malla metálica, en este caso el metal que vamos a calentar va a ser el filamento haciendo circular una corriente eléctrica a través de él para que se ponga incandescente, esto producirá una emisión de electrones por parte de este, por lo que el filamento se quedará cargado positivamente al tener un defecto de electrones, y esos electrones los recogeremos con la malla metálica que recubre la bombilla.

Vista del montaje para el experimento

Para demostrarlo conectaremos la punta de prueba de un polímetro a un extremo de la conexión del filamento y la otra punta a la malla, comprobando que en el lado del filamento al emitir este electrones quedará cargado positivamente (punta de prueba roja) y se convertirá en este caso en el polo positivo.

A su vez, como el filamento está conectado a la malla exteriormente a través del polímetro, el propio filamento al quedar cargado positivamente va comenzar a coger electrones de todo aquello a lo que esté unido eléctricamente, en este caso la malla, por lo que esta se volverá positiva precisamente por carecer ahora de electrones y que también tratará de recuperar esos electrones que le faltan.

De este modo, algunos de los electrones emitidos al vacío por el filamento, se verán atraídos por esta malla que es positiva y en la que parte de los electrones tenderán a acumularse ya que no todos pueden volver al filamento a través del cable exterior debido a la alta resistencia que ofrece el polímetro, y por tanto, tendrá  poco a poco un exceso de electrones y la malla se convertirá en el polo negativo (punta de prueba negra). 

Como se observa en la siguiente imagen se produce una diferencia de potencial, entre filamento y malla, y el polímetro registra esa tensión.

Esquema del montaje

También podemos ver que si invertimos la conexión de las puntas de prueba la lectura aparece con un valor negativo, por lo que, aunque el filamento está alimentado con una corriente alterna, se está generando una tensión continua entre filamento y malla, es decir una tensión que posee polaridad. 

Inversión de la polaridad de las puntas de prueba

Emisión de electrones desde el filamento

Y otra cosa muy importante, los electrones solo pueden circular del filamento a la malla y no en sentido contrario. Más adelante veremos la importancia que tiene este fenómeno. 

En el siguiente vídeo podemos ver cómo se desarrolló el experimento y ver que la diferencia de potencial es proporcional a la intensidad luminosa de la bombilla, es decir, que cuanto más caliente esté el filamento, la emisión de electrones será mayor y mayor será la diferencia de potencial.

Al desconectar una punta, la tensión es nula aún cunado la otra punta está conectada a la fase

Detalle de la separación total de la malla a cualquier otro elemento conductor

Construcción de un generador de alta tensión casero con un Flyback de TV

El último proyecto de este tipo que construí fue un altavoz de plasma con el que con muy pocos elementos obtuve unos resultados muy interesantes, pero claro, me quedé con ganas de algo más, así que nuevamente investigué que más se puede hacer con un flyback de televisión y casualmente me volvió a aparecer esta misma página web kaizerpowerelectronics.dk en el que se muestra de forma clara cómo construir un convertidor resonante de tipo ZVS.

Vista del montaje

Bueno, antes de todo como la seguridad es lo primero, tengo que decir que si el anterior proyecto (altavoz de plasma) era peligroso, este lo es aún más ya que las tensiones generadas son mayores, y lo que es más importante, la intensidad con la que se trabajará también lo es, por lo tanto, si se produce una descarga accidental hace que el riesgo de generar lesiones por electrocución y quemaduras tanto internas como externas sea mayor debido a que la temperatura y el calor que se establece entorno al arco es muy elevado, así que antes de empezar, recomiendo leer este artículo sobre las NORMAS DE SEGURIDAD en alta tensión. 

COMPONENTES NECESARIOS:

*Dos transistores MOSFET IRFP250N. 

Circuito del generador de alta tensión

*Dos diodos Zener 1N5349B. 

*Dos diodos rápidos MUR1560. 

*Dos resistencias de 470 ohmios y 5 W. 

*Dos resistencias 10 K. 

*Varios condensadores cuya capacidad total sea aproximadamente de 0,66 microfaradios, mínimo 250 voltios. 

*Una inductancia toroidal (anillo) de 170 microhenrios. 

*Disipador de calor. 

*Pasta térmica. 

En cuanto a los componentes he de decir que tanto los diodos rápidos como los diodos Zener no tienen por que ser los que se especifican arriba ya que el circuito original solo se indica que los primeros diodos tienes que se rápidos y que los Zener soporten por lo menos 12 voltios y en base a esto se puede eligir cualquier modelo que cumpla estas especificaciones, sin embargo, también quiero añadir que estos dos últimos componentes por lo menos donde vivo me fue imposible conseguirlos ya que en las tiendas de electrónica o me decían que nunca los habían tenido o me daban simplemente largas, a así que no tuve más remedio que comprarlos por Internet, los MOSFET los conseguí en eBay, y los diodos y el resto de componentes los compré en futurlec.com que como se puede pagar mediante Paypal la compra fue muy cómoda y en cosa de dos semanas ya tenía todo en casa. 

CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO

Esquema de montaje

Ahora que ya tenemos los componentes, lo primero es montar el circuito, se puede hacer soldando los componentes directamente entre ellos o hacer lo mismo que construí para el anterior proyecto, una base de cartón a modo de circuito “impreso” y construir las pistas con alambre de cobre que también queda con una acabado elegante, pero eso a gusto de cada uno. 

MOSFET montado en el disipador

El siguiente paso es montar los MOSFET en su correspondiente disipador, yo los saqué en su día de un viejo televisor, sin embargo puede servir un trozo de aluminio o metal, y aquí una cosa importante, ambos transistores tienen que estar eléctricamente aislados así que he utilizando dos disipadores por separado aunque también se pueden montar ambos transistores sobre un mismo disipador pero interponiendo entre estos y el disipador una alfombrilla térmica la cual transmite el calor pero no la electricidad. 

En el primer caso hay que usar pasta térmica, si se usa estas alfombrillas ya no es necesario. 

Ventilación forzada

Después habrá que construir la inductancia ya que como en la mayor parte de estas cosas no se suelen encontrar a medida en las tiendas de electrónica, así que para hacerlo habrá que buscar un núcleo de ferrita con forma de anillo (toroidal), este se puede encontrar por ejemplo en las fuentes de alimentación conmutadas como las de los ordenadores, cuando ya lo tengamos habrá que dar unas 14 vueltas, vuelta arriba, vuelta abajo, y el cable a utilizar tendrá que soportar como poco 10 amperios. 

Salida de alta tensión

Bobina primaria

Por último habrá que arrollar la bobina primaria sobre el flyback, en principio cualquier modelo funcionará bien (preferiblemente de TV a color), solo hace falta que su núcleo de ferrita esté al descubierto, y en cuanto al número de vueltas habrá que dar 5 y 5, es decir, 10 en total y en el medio de estas habrá que sacar una toma media, y que todas ellas que estén en el mismo sentido, después habrá que buscar los terminales de la salida de alta tensión del flyback, para ello con un polímetro en posición de medir resistencia se toma un terminal de este y se pone en contacto con el cable que se dirige hacia la ventosa que va al tubo de imagen y ahora con el otro terminal se va probando uno a uno los pines de la base del mismo hasta encontrar la que menos resistencia tenga, entonces ese será el segundo terminal, ahora una vez localizado la salida de alta tensión a ambos extremos se suelda un par de cables con alambre pelado al final de estos, ya que si el arco se establece junto al flyback el calor literalmente lo derretiría por dentro al igual que si usamos solo cable sin quitar el aislante ya que este se quemaría (ya sabrás porqué en el vídeo)

Condesadores que forman parte del circuito tanque

Un apunte más, en cuanto a la elección de los condensadores una buena idea es usar varios acoplándolos en serie-paralelo para reducir al calor que en ellos se pudiera generar ya que al tener que trabajar con altas frecuencias estos están sometidos a mucho estrés lo que puede hacer que duren poco, así que usando varios en vez de uno solo con la capacidad exacta nos ahorrá problemas. 

Para hacer los cálculos de cómo hallar la capacidad total del conjunto de condensadores se usan las siguientes fórmulas. 

Fórmulas para la asociación de condensadores

A la hora de ponerlo en marcha habrá que tener una serie de consideraciones previas, la primera es que el consumo de este circuito es considerable y me quedo corto, ya que aplicándole una tensión de 12 voltios la intensidad llega fácilmente a los 5 amperios, con 24 voltios la intensidad se triplica llegando a los 15 amperios, y teniendo en cuenta que este circuito se puede alimentar con una tensión de hasta 40 voltios, la intensidad puede llegar a los 35 amperios de pico, aunque no recomiendo forzarlo tanto ya que con toda seguridad nuestro flyback se achicharraría, por no decir lo que ocurriría con los MOSFET, así que habrá que disponer de una fuente de alimentación muy potente, no tanto como para llegar a los 35 amperios pero si a 12 A mínimo y una tensión que ronde los 15-24 voltios si se quiere hacer un poco de espectáculo, o como es mi caso un simple transformador que nos de esa potencia y un puente rectificador que también soporte dicha intensidad, si no se dispone de esto mejor ni te plantees su construcción porque simplemente no funcionará o peor aún, nos carguemos la fuente. 

FABRICACIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA EL GENERADOR

Si dispones de una fuente de alimentación que de esa potencia de salida, perfecto, si solo dispones de un transformador sin nada más como es mi caso (yo lo conseguí de un viejo cuadro de mando de un ascensor) y quieres construirte una fuente de corriente continua para este proyecto, con el siguiente esquema lo tendrás fácil.

Esquema fuente de alimentacion (puente de Graetz + condensador)

Puente rectificador montado sobre un dispador

Por último antes de ponerlo en marcha lo mejor es ir probando de menos a más tensión empezando por 15 voltios y de ahí en adelante, yo solo he probado hasta 24 voltios ya que me pareció suficiente para la experiencia y por otro lado no quería cargarme ningún componente ya que no los he conseguido a la vuelta de la esquina.

Disclaimer: Este experimento trabaja con altas tensiones por lo que una manipulación incorrecta puede entrañar riesgos que deriven en lesiones personales o materiales, y que en cualquier caso, si decides construirlo será bajo tu propia responsabilidad. -tp-