BOBINA DE TESLA: HISTÓRIA, COMO FUNCIONA, PARA QUE SERVE - FISICA - 2024

A bobina Tesla é um enrolamento que funciona como um gerador de alta tensão e alta frequência. Foi inventado pelo físico Nikola Tesla (1856 - 1943), que o patenteou em 1891.

A indução magnética fez Tesla pensar na possibilidade de transmitir energia elétrica sem a intervenção de condutores. Portanto, a ideia do cientista e inventor era criar um dispositivo que servisse para transferir eletricidade sem o uso de cabos. Porém, o uso dessa máquina é muito ineficiente, por isso acabou sendo abandonada em breve para esse fim.

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

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

História

A bobina foi criada por Tesla logo após os experimentos de Hertz virem à tona. O próprio Tesla o chamou de "aparelho para transmitir energia elétrica". Tesla queria provar que a eletricidade pode ser transmitida sem fios.

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

Faça experiências com bobinas de Tesla.

Em uma ocasião, houve um acidente causado por esta bobina em que dínamos de uma usina localizada a 10 quilômetros de distância foram queimados. Como resultado da falha, arcos elétricos foram produzidos em torno dos enrolamentos dos dínamos.

Nada disso desanimou Tesla, que continuou a fazer experiências com vários designs de bobinas, que agora são conhecidos por seu nome.

Como funciona?

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

Naturalmente, hoje existem designs muito menores, compactos e caseiros que descreveremos e explicaremos na próxima seção.

Figura 2. Esquema da bobina Tesla básica. Fonte: self made.

Um projeto baseado nas versões originais da bobina Tesla é o mostrado na figura acima. O diagrama elétrico da figura anterior pode ser dividido em três seções.

Fonte (F)

A fonte consiste em um gerador de corrente alternada e um transformador de alto ganho. A saída da fonte é normalmente entre 10.000 V e 30.000 V.

Primeiro circuito ressonante LC 1

Consiste em um switch S conhecido como "Spark Gap" ou "Explosor", que fecha o circuito quando uma faísca salta entre suas pontas. O circuito LC 1 também tem um capacitor C1 e uma bobina L1 conectados em série.

Segundo circuito ressonante LC 2

O circuito LC 2 consiste em uma bobina L2 com uma razão de espiras de aproximadamente 100 para 1 em relação à bobina L1 e um capacitor C2. O capacitor C2 conecta-se à bobina L2 através do aterramento.

A bobina L2 é geralmente um fio enrolado com um esmalte isolante em um tubo de material não condutor, como cerâmica, vidro ou plástico. A bobina L1, embora não mostrada desta forma no diagrama, é enrolada na bobina L2.

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

A outra placa de C2 é o ambiente próximo, por exemplo, um pedestal metálico acabado em esfera e conectado ao terra para fechar o circuito com a outra extremidade de L2, também conectada ao terra.

Mecanismo de ação

Quando uma bobina de Tesla é ligada, a fonte de alta tensão carrega o capacitor C1. Quando esta atinge uma tensão suficientemente alta, ele faz uma faísca saltar na chave S (centelha ou explosor), fechando o circuito ressonante I.

Em seguida, o capacitor C1 descarrega através da bobina L1 gerando um campo magnético variável. Este campo magnético variável também passa pela bobina L2 e induz uma força eletromotriz na bobina L2.

Como L2 é cerca de 100 voltas a mais do que L1, a tensão elétrica em L2 é 100 vezes maior do que em L1. E como em L1 a voltagem é da ordem de 10.000 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 ao atingir valores máximos de tensão da ordem de um milhão de volts ioniza o ar, produz uma faísca e é descarregado bruscamente pelo solo. As descargas ocorrem entre 100 e 150 vezes por segundo.

O circuito LC1 é denominado ressonante porque a energia acumulada no capacitor C1 passa para a bobina L1 e vice-versa; ou seja, ocorre uma oscilação.

O mesmo ocorre 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 uma corrente de ida e volta é produzida alternadamente.

A frequência de oscilação natural em um circuito LC é

Ressonância e indução mútua

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

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

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

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

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

Quando a tensão elétrica em C2 é alta o suficiente, a energia é liberada na forma de relâmpagos, descarregando C2 para o solo.

Bobina Tesla usa

A ideia original de Tesla em seus experimentos com essas bobinas sempre foi encontrar uma maneira de transmitir energia elétrica por longas distâncias sem fiação.

Porém, a baixa eficiência desse método devido às perdas de energia por dispersão no meio ambiente tornou necessária a busca por outros meios de transmissão de energia elétrica. Hoje a fiação ainda é usada.

Lâmpada de plasma, que ajudou a desenvolver o experimento de Tesla.

No entanto, muitas das ideias originais de Nikola Tesla ainda estão presentes nos sistemas de transmissão com fio de hoje. Por exemplo, transformadores elevadores em subestações elétricas para transmissão por cabos com menos perdas e transformadores elevadores para distribuição em residências foram desenvolvidos pela Tesla.

Apesar de não ter uso em larga escala, as bobinas Tesla continuam a ser úteis na indústria elétrica de alta tensão para testar sistemas de isolamento, torres e outros dispositivos elétricos que devem funcionar com segurança. Eles também são usados ​​em vários shows para gerar relâmpagos e faíscas, bem como em alguns experimentos de física.

É importante tomar medidas de segurança em experimentos de alta tensão com grandes bobinas de Tesla. Um exemplo é o uso de gaiolas de Faraday para proteção de observadores e macacões de malha metálica para os performers que participam de shows com esses carretéis.

Como fazer uma bobina Tesla caseira?

Componentes

Nenhuma fonte CA de alta tensão será usada nesta versão em miniatura da bobina de Tesla. Ao contrário, a fonte de alimentação será uma bateria de 9 V, conforme mostra o diagrama da figura 3.

Figura 3. Esquema para construir uma mini bobina Tesla. Fonte: self made.

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

O circuito também possui uma chave S, uma bobina primária de 3 voltas L1 e uma bobina secundária L2 de no mínimo 275 voltas, mas também pode ter entre 300 e 400 voltas.

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

Usando o transistor

Deve ser lembrado que na época de Nikola Tesla não havia transistores. Neste caso, o transistor substitui o "centelhador" ou "explosor" da versão original. O transistor será usado como uma porta que permite ou não a passagem de corrente. Para isso, o transistor é polarizado da seguinte forma: o coletor c para o terminal positivo e o emissor e para o terminal negativo da bateria.

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

Em nosso esquema, a base é conectada ao positivo da bateria, mas um resistor de 22 kilo ohm é inserido, para limitar o excesso de corrente que pode queimar o transistor.

O circuito também mostra um diodo LED que pode ser vermelho. Sua função será explicada posteriormente.

Na extremidade livre da bobina secundária L2 é colocada uma pequena bola de metal, que pode ser feita cobrindo uma bola de poliestireno ou uma bola de pino-pong com folha de alumínio.

Essa esfera é a placa de um capacitor C, a outra placa sendo o ambiente. Isso é conhecido como capacidade parasitária.

Como funciona a bobina Mini Tesla

Quando a chave S está fechada, a base do transistor é polarizada positivamente e a extremidade superior da bobina primária também é polarizada positivamente. Assim, surge abruptamente uma corrente que passa pela bobina primária, continua pelo coletor, sai do emissor e retorna para a bateria.

Esta corrente sobe 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 da parte inferior da bobina L2 até a base do transistor. Esta corrente cessa abruptamente a polarização positiva da base para que o fluxo de corrente através do primário seja interrompido.

Em algumas versões, o diodo 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 circula?

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

Pelo exposto, um intenso campo elétrico é produzido na esfera do capacitor C capaz de ionizar o gás a baixa pressão em um tubo de néon ou lâmpada fluorescente que se aproxima da esfera C e acelera os elétrons livres dentro do tubo. como para excitar os átomos que produzem a emissão de luz.

Como a corrente cessou abruptamente através da bobina L1 e a bobina L2 descarregada através do ar ao redor de C em direção ao solo, o ciclo é reiniciado.

O importante nesse tipo de circuito é que tudo acontece em um tempo curtíssimo, de modo que você tem um oscilador de alta frequência. Nesse tipo de circuito, o sibilar ou oscilação rápida produzida pelo transistor é mais importante do que o fenômeno de ressonância descrito na seção anterior e se referindo à versão original da bobina de Tesla.

Experimentos propostos com bobinas mini Tesla

Depois que a mini bobina Tesla é construída, é possível fazer experiências com ela. Obviamente, os raios e faíscas das versões originais não serão produzidos.

Porém, com o auxílio de uma lâmpada fluorescente ou de um tubo de néon, podemos observar como o efeito combinado do intenso campo elétrico gerado no capacitor na extremidade da bobina e a alta frequência de oscilação desse campo, fazem com que a lâmpada acender apenas se aproximando da esfera do condensador.

O forte campo elétrico ioniza o gás de 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 que adere à parede interna do tubo, fazendo com que ele emita luz.

Você também pode aproximar um LED luminoso 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. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. MacGraw Hill. 626-628.
4. Universidade de Wisconsin-Madison. Bobina de Tesla. Recuperado de: wonderers.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Bobina de Tesla. Recuperado de: wikiwand.com.