Bobina de Tesla: história, como funciona, para que serve

A bobina de Tesla é um enrolamento que funciona como um gerador de alta tensão e alta frequência, inventado pelo físico Nikola Tesla (1856 – 1943), que a patenteou em 1891. A indução magnética fez Tesla pensar na possibilidade de transmitir energia Elétrico sem a intervenção dos motoristas.

A idéia do cientista e inventor era criar um aparelho que servisse para transferir eletricidade sem o uso de cabos. No entanto, o uso desta máquina é muito ineficiente, por isso acabou sendo abandonada em breve para esse fim.

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Figura 1. Demonstração com a bobina de Tesla. Fonte: Pixabay

Mesmo assim, as bobinas de Tesla ainda podem ser encontradas em algumas aplicações específicas, como torres de alta tensão ou experimentos de física.

História

A bobina foi criada por Tesla logo após o surgimento dos experimentos de Hertz. O próprio Tesla chamou de “aparelho para transmissão de energia elétrica”. Tesla queria provar que a eletricidade poderia ser transmitida sem fio.

Em seu laboratório em Colorado Springs, Tesla tinha à sua disposição uma enorme bobina de 16 metros conectada a uma antena. O dispositivo foi usado para realizar experimentos de transmissão de energia.

Em uma ocasião, houve um acidente causado por essa bobina em que queimamos dínamos de uma central localizada a 10 quilômetros de distância. Após a falha, arcos elétricos foram produzidos em torno dos enrolamentos dos dínamos.

Nada disso desencorajou Tesla, que continuou testando com vários designs de bobinas, hoje conhecidos pelo nome.

Como funciona?

A famosa bobina de Tesla é um dos muitos projetos feitos por Nikola Tesla para transmitir eletricidade sem fios. As versões originais eram grandes e usavam fontes de alta tensão e alta corrente.

Hoje, naturalmente, existem desenhos muito menores, compactos e caseiros que descreveremos e explicaremos na próxima seção.

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Figura 2. Esquema da bobina básica de Tesla. Fonte: elaboração própria.

Um design baseado nas versões originais da bobina de Tesla é o mostrado na figura anterior. O esquema elétrico da figura anterior pode ser dividido em três seções.

Fonte (F)

A fonte consiste em um gerador CA e um transformador de alto ganho. A saída da fonte geralmente está entre 10000 V e 30000 V.

Primeiro circuito ressonante LC 1

Consiste em um interruptor S conhecido como “Spark Gap” ou “Explosor”, que fecha o circuito quando uma faísca salta entre suas extremidades. O circuito LC 1 também possui um capacitor C1 e uma bobina L1 conectados em série.

Segundo circuito ressonante LC 2

O circuito LC2 consiste em uma bobina L2 que possui uma taxa de rotação de aproximadamente 100 para 1 em relação à bobina L1 e a um capacitor C2. O capacitor C2 é conectado à bobina L2 através do terra.

A bobina L2 é geralmente um enrolamento de fio com esmaltagem isolada em um tubo de material não condutor, como cerâmica, vidro ou plástico. A bobina L1, embora não mostrada no diagrama, é enrolada na bobina L2.

O capacitor C2, como todos os capacitores, consiste em duas placas de metal. Nas bobinas de Tesla, uma das placas C2 geralmente está na forma de uma cúpula esférica ou toroidal e é conectada em série à bobina L2.

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A outra placa C2 é o ambiente próximo, por exemplo, um pedestal de metal terminado em uma esfera e aterrado para fechar o circuito com a outra extremidade de L2, também aterrada.

Mecanismo de ação

Quando uma bobina de Tesla é colocada em operação, a fonte de alta tensão carrega o capacitor C1. Quando atinge uma voltagem suficientemente alta, sopra uma faísca no suiche S (fagulha ou explosor), fechando o circuito ressonante I.

Então o capacitor C1 é descarregado através da bobina L1, gerando um campo magnético variável. Este campo magnético variável também atravessa a bobina L2 e induz uma força eletromotriz na bobina L2.

Como L2 tem cerca de 100 voltas a mais que L1, a tensão elétrica em L2 é 100 vezes maior que em L1. E como em L1 a tensão é da ordem de 10 mil volts, em L2 será de 1 milhão de volts.

A energia magnética acumulada em L2 é transferida como energia elétrica para o capacitor C2, que quando atinge valores máximos de tensão da ordem de um milhão de volts ioniza o ar, produz uma faísca e é descarregada abruptamente pelo solo. Os downloads ocorrem entre 100 e 150 vezes por segundo.

O circuito LC1 é chamado ressonante porque a energia acumulada no capacitor C1 passa para a bobina L1 e vice-versa; isto é, ocorre um balanço.

O mesmo acontece no circuito ressonante LC2, no qual a energia magnética da bobina L2 é transferida como energia elétrica para o capacitor C2 e vice-versa. Ou seja, no circuito há uma corrente de ida e volta alternadamente.

A frequência de oscilação natural em um circuito LC é

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Ressonância e indução mútua

Quando a energia fornecida aos circuitos LC ocorre na mesma frequência que a frequência de oscilação natural do circuito, a transferência de energia é ótima, produzindo amplificação máxima na corrente do circuito. Esse fenômeno comum a todos os sistemas oscilantes é conhecido como ressonância .

Os circuitos LC1 e LC2 são acoplados magneticamente, outro fenômeno chamado indução mútua .

Para que a transferência de energia do circuito LC1 para o LC2 e vice-versa seja ótima, as frequências de oscilação natural de ambos os circuitos devem coincidir e também com a frequência da fonte de alta tensão.

Isso é obtido ajustando os valores da capacidade e da indutância em ambos os circuitos, para que as frequências de oscilação coincidam com a frequência da fonte:

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Quando isso ocorre, a energia da fonte é eficientemente transferida para o circuito LC1 e de LC1 para LC2. Em cada ciclo de oscilação, a energia elétrica e magnética acumulada em cada circuito aumenta.

Quando a tensão elétrica em C2 é suficientemente alta, a energia é liberada na forma de um raio por meio da descarga de C2 no solo.

Usos da bobina de Tesla

A idéia original de Tesla em seus experimentos com essas bobinas era sempre encontrar uma maneira de transmitir energia elétrica a uma longa distância, sem fiação. No entanto, a baixa eficiência desse método devido às perdas de energia devido à dispersão no ambiente tornou necessário procurar outros meios para transmitir energia elétrica . Hoje continuamos usando a fiação.

No entanto, muitas das idéias originais de Nikola Tesla ainda estão presentes nos atuais sistemas de transmissão com fio. Por exemplo, transformadores de reforço de tensão em subestações elétricas para transmitir usando cabos com menos perdas e transformadores de redução de tensão para distribuição em residências, foram projetados pela Tesla.

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Apesar de não ter uso em larga escala, as bobinas de Tesla continuam sendo úteis na indústria elétrica de alta tensão para testar sistemas isolantes, torres e outros dispositivos elétricos que devem operar com segurança. Eles também são usados ​​em diferentes programas para gerar raios e faíscas, bem como em alguns experimentos de física.

Em experimentos de alta tensão com bobinas de Tesla de grande porte, é importante tomar medidas de segurança. Um exemplo é o uso de gaiolas de Faraday para a proteção de observadores e roupas de malha de arame para artistas que participam de shows com essas bobinas.

Como fazer uma bobina de Tesla caseira?

Componentes

Nesta versão em miniatura da bobina de Tesla, a fonte de corrente alternada de alta tensão não será usada. Pelo contrário, a fonte de energia será uma bateria de 9 V, conforme mostrado no esquema da Figura 3.

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Figura 3. Esquema para construir uma mini bobina de Tesla. Fonte: elaboração própria.

A outra diferença com a versão original do Tesla é o uso de um transistor. No nosso caso, será o 2222A, que é um transistor NPN de sinal baixo, mas de resposta rápida ou alta frequência.

O circuito também possui um comutador S, uma bobina primária L1 de 3 voltas e uma bobina secundária L2 de pelo menos 275 voltas, mas também pode estar entre 300 e 400 voltas.

A bobina primária pode ser construída com um cabo comum com isolamento plástico, mas a secundária requer um cabo fino coberto com verniz isolante, normalmente o usado em enrolamentos. O enrolamento pode ser feito em um tubo de papelão ou plástico com diâmetro entre 3 e 4 cm.

Uso do transistor

Deve-se lembrar que na época de Nikola Tesla não havia transistores. Nesse caso, o transistor substitui o “gap gap” ou “explosor” da versão original. O transistor será usado como uma porta que permite a passagem de corrente ou não. Para isso, o transistor é polarizado assim: o coletor c no terminal positivo e o transmissor e no terminal negativo da bateria.

Quando a base b tem polarização positiva, ela permite a passagem de corrente do coletor para o emissor e a impede.

Em nosso esquema, a base está conectada ao positivo da bateria, mas uma resistência de 22 k ohms é intercalada, para limitar o excesso de corrente que pode queimar o transistor.

O circuito também mostra um LED que pode estar vermelho. Sua função será explicada mais adiante.

Na extremidade livre da bobina secundária, L2 é colocado um metal esférico, que pode ser construído revestindo uma bola de poliestireno ou uma bola de pinos pong com folha de alumínio.

Esta esférica é a placa de um capacitor C, sendo a outra placa o ambiente. É isso que é conhecido pelo nome de capacidade parasitária.

Operação da mini bobina de Tesla

Quando o interruptor S está fechado, a base do transistor é polarizada positivamente e a extremidade superior da bobina primária também é polarizada positivamente. Para que uma corrente que passe pela bobina primária apareça abruptamente, continue pelo coletor, saia pelo emissor e retorne à bateria.

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Essa corrente cresce de zero a um valor máximo em um tempo muito curto, razão pela qual induz uma força eletromotriz na bobina secundária. Isso produz uma corrente que vai do fundo da bobina L2 até a base do transistor. Essa corrente cessa abruptamente a polarização positiva da base, de modo que o fluxo de corrente através do primário cessa.

Em algumas versões, o LED é removido e o circuito funciona. No entanto, colocá-lo melhora a eficiência no corte da polarização da base do transistor.

O que acontece quando a corrente flui?

Durante o rápido ciclo de crescimento de corrente no circuito primário, uma força eletromotriz foi induzida na bobina secundária. Como a taxa de enrolamento entre primário e secundário é de 3 a 275, a extremidade livre da bobina L2 tem uma tensão de 825 V em relação ao terra.

Devido ao exposto, um intenso campo elétrico é produzido na esfera do capacitor C capaz de ionizar o gás de baixa pressão de um tubo de néon ou de uma lâmpada fluorescente que se aproxima da esfera C e acelerar os elétrons livres no interior do tubo para excitar os átomos que produzem a emissão de luz.

À medida que a corrente cessou abruptamente através da bobina L1 e a bobina L2 foi descarregada através do ar em torno de C para o solo, o ciclo é reiniciado.

O ponto importante nesse tipo de circuito é que tudo acontece em um tempo muito curto, para que você tenha um oscilador de alta frequência. Nesse tipo de circuito, a troca rápida ou oscilação produzida pelo transistor é mais importante que o fenômeno de ressonância descrito na seção anterior e referido à versão original da bobina de Tesla.

Experimentos propostos com mini bobinas de Tesla

Uma vez que a mini bobina Tesla é construída, é possível experimentar com ela. Obviamente, os raios e faíscas das versões originais não ocorrerão.

No entanto, com a ajuda de uma lâmpada fluorescente ou um tubo de neon, podemos ver como o efeito combinado do intenso campo elétrico gerado no capacitor no final da bobina e a alta frequência de oscilação desse campo fazem a lâmpada acender Quase não se aproxima da esfera do condensador.

O intenso campo elétrico ioniza o gás a baixa pressão dentro do tubo, deixando elétrons livres dentro do gás. Assim, a alta frequência do circuito faz com que os elétrons livres dentro do tubo fluorescente acelerem e excitem o pó fluorescente aderido à parede interna do tubo, fazendo com que ele emita luz.

Um LED luminoso também pode ser aproximado da esfera C, observando como ele acende mesmo quando os pinos do LED não estão conectados.

Referências

  1. Blake, teoria da bobina de T. Tesla. Recuperado de: tb3.com.
  2. Burnett, R. Operação da bobina de Tesla. Recuperado de: richieburnett.co.uk.
  3. Tippens, P. 2011. Física: Conceitos e Aplicações. 7ª Edição. MacGraw Hill. 626-628.
  4. Universidade de Wisconsin-Madison. Bobina de Tesla Recuperado de: wonders.physics.wisc.edu.
  5. Wikiwand Bobina de Tesla. Recuperado de: wikiwand.com.

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