APRENDA COMO FUNCIONA E COMO FAZER UMA BOBINA DE TESLA

Quem nunca se encantou e ao mesmo tempo ficou com medo ao observar um raio no céu durante uma tempestade? Pois bem, esse fenômeno natural intriga o ser humano desde  o seus primórdios, mas seria possível controlar essa devastadora força da natureza? controlar um raio ainda não é possível, pelo menos não para aproveitar a sua energia, o que da para fazer é direcionar e dissipar essa energia para que ela não cause danos (para-raios), ou... reproduzir esse fenômeno de maneira mais segura...
A bobina de Tesla (BT) é um exemplo de maquina que nos possibilita reproduzir as altas tensões encontradas  nos raios. Nesse artigo iremos explicar o seu funcionamento, mostrando os principais componentes, os cálculos necessários e a montagem. Veja a seguir dois vídeos com exemplos de bobinas de Tesla:

 

A bobina de Tesla nada mais é do que um transformador, mas o seu funcionamento não é igual a um transformador desses normais como os que encontramos em postes ou dentro do estabilizador do computador, é diferente pois funciona por ressonância (explicado mais a frente) sendo capaz de gerar altíssimas frequências e tensões com simplicidade de construção . Foi inventada em 1890 por Nikola Tesla (veja a biografia dele).

A bobina em sua forma mais usual é é basicamente um transformador com núcleo de ar composta por um enrolamento primário, um capacitor primário, uma fonte de alta tensão, um faiscador, uma bobina secundária e uma cúpula de descarga. o esquema elétrico de uma bobina simples é:

 

 O circuito elétrico da bobina é dividido em duas partes: O circuito primário é formado pelos componentes primários (enrolamento, transformador, faiscador e capacitor), o circuito secundário é formado pelo enrolamento secundário e a cúpula de descarga. A bobina secundária é posta sobre a primária em seu centro e o acoplamento magnético entre elas permite a transferência de energia entre os dois circuitos que são osciladores LC (não existe uma conexão por fios).

Transformador de alta tensão

Esse transformador é crucial para o funcionamento da bobina é ele que fornecerá a potência e a alta tensão necessária para o funcionamento dos componentes que vem depois dele. A tensão de saída recomendada para esse transformador é de no mínimo 6.000 V e a corrente mínima é de 20 mA. Em meu projeto de bobina utilizei um transformador usado em tubos de neon com tensão de saída de 15.000 V e 30 mA de corrente. Em postagens futuras iremos mostrar como construir algumas fontes de alta tensão, mas CUIDADO esse tipo de transformador é extremamente perigoso!

transformador de 15 kV e 30 mA

Capacitor de alta tensão

Também chamado de condensador, ele é um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar cargas elétricas e consequentemente energia eletrostática, ou elétrica. Ele é constituído de duas peças condutoras que são chamadas de armaduras. Entre essas armaduras existe um material que é chamado de dielétrico. Dielétrico é uma substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de corrente elétrica. Acesse esse artigo da wikipédia para enter melhor os capacitores.
No caso, os capacitores usados em BT's devem suportar a elevada tensão vinda do transformador e ao mesmo tempo ter uma boa capacitância para armazenar uma boa carga, porem, não será qualquer capacitor que irá servir, esses capacitores devem ser calculados de acordo ao projeto de sua BT, pois ele influenciará diretamente na frequência de funcionamento da maquina (explicado mais a frente). No meu projeto o capacitor usado foi de fabricação caseira, com dielétrico de vidro:

 

Capacitor de vidro terminado

O capacitor construído conta com 4 células capacitivas, cada célula age como se fosse um capacitor individual, mas quando juntas suas capacitâncias se somam, isso, é claro,  se estiverem ligadas em paralelo. Cada célula possui aproximadamente 1.86 nF de capacitância, a quantidade de células será definida de acordo ao seu projeto.

Para a montagem de uma única célula foi usada uma placa de vidro liso comum (desses usados em janelas) de 40x40 cm e 3mm de espessura, cola forte de sapateiro, papel alumínio e material de apoio: primeiro deve-se definir, no centro do vidro, onde será colado o papel alumínio, usei folhas de 30x30 cm pois deve-se deixar um espaço entre as bordas do alumínio e as bordas do vidro. Cola-se duas folhas, uma de cada lado e o mais alinhadas possível. Veja a seguir um desenho de como fica uma única célula:

 

Para formar a totalidade do capacitor necessário é feita a sobreposição das células, ou seja, elas são colocadas uma sobre as outras, porém os seus terminais (folhas de alumínio) ficariam escondidos impossibilitando a ligação dos fios, para resolver esse problema é adicionado entre as células alguns quadrados feitos de fios de cobre rígido desencapado, ao juntar todas as células não tem problema que um quadrado toque em duas folhas de alumínio ao mesmo tempo, veja o desenho a seguir e observe a imagem real do capacitor apresentada anteriormente: 

                          

 Na imagem a seguir é apresentado um esquema da posição dos quadrados de cobre (vermelho) entre as células capacitivas (cinza) e a ligação feita com fio normal (preto). Observe que para um capacitor de 4 células ficam 5 terminais:

Para fixar as células e lacrar o capacitor pode-se enrola-lo em filme de PVC. A capacitância total ficou em torno de 7.44 nF.

 

Apesar dessa ser a opção mais barata para o capacitor da BT não é a mais sugerida pois a depender do tempo de uso ele começa a se deteriorar sendo necessário vários reparos. O que mais se recomenda é que monte um banco de capacitor, mas isso é assunto para uma postagem futura...

Bobina primária 

A bobina primária é o componente que irá gerar o campo magnético variável ao interagir com o capacitor de alta voltagem (circuito LC). Ela é constituída de algumas voltas de fio grosso (especificações na seção de cálculos) e pode  ter formato, de cone, cilindro ou plano, veja os exemplos:

 

Uma boa sugestão para a confecção desse componente é utilizar tubo de cobre para resfriamento, o único problema é que a depender da bitola do tubo sua maleabilidade fica difícil. No meu caso preferi optar por fio de cobre flexível, por ter um custo mais acessível e um manuseio mais fácil, apesar de deixar a estética um pouco a desejar... O formato utilizado foi o plano, veja:

Observe que para fixar o fio eu utilizei pedaços de cano para água perfurados de um lado ao outro, sendo que esses canos foram parafusados no suporte da bobina. Veja também que uma das pontas do fio atravessa a madeira da base, isso facilita a montagem. A bobina secundária deve ficar centrada na primária, sendo que o inicio dos dois enrolamentos deve coincidir em altura.

 

Faiscador

O faiscador é muito importante, é ele quem irá cortar a ligação entre o enrolamento primário e o capacitor enquanto esse se carrega pelo transformador de alta tensão até atingir a carga suficiente para romper a rigidez dielétrica do ar que existe entre os dois terminais do faiscador, fazendo a ligação. Ao ajustar a distância entre os terminais vc ajusta a quantidade de carga que é mandada do capacitor para o enrolamento primário, pois, ao aproximar mais a carga necessária para haver a condução pelo ar será menor e ao distanciar tal carga aumentará. Esse liga e desliga do capacitor acontece na mesma frequência da rede elétrica utilizada.

Existem vários modelos de faiscador mas o mais simples, e que ao meu ver não tem nenhuma desvantagem em relação aos mais complexos, é o de dois terminais próximos, como mostra  o desenho a seguir:

O faiscador construido por mim foi feito de madeira, como se fosse uma caixinha mas sem estar totalmente fechada, foram fixados dois parafusos grandes com ponta, de modo que ficassem na mesma direção . É importante que seja usado parafusos pois isso possibilitará futuros ajustes na distância, cada parafuso corresponde a um terminal do faiscador. recomenda-se que a estrutura do faiscador seja feita de algun outro material isolante como acrílico ou PVC, pois se a madeira tiver umidade poderá conduzir corrente fechando um curto.

 

Bobina secundária

A bobina secundária será a responsável por elevar a tensão para os milhares de volts além da voltagem de entrada e reduzir a corrente. Ela é composta por um tubo oco de material isolante e não magnético que serve de suporte para o enrolamento de um fio muito mais fino do que o usado na primária. Sinceramente, construir essa bobina foi a parte mais difícil desse projeto pois requer tempo e paciência, já que a depender do tamanho terá que ser enroladas 900 ou mais voltas! (o dimensionamento desse componente está na seção de cálculos).
 Para a confecção de minha secundária os materiais utilizados foram: 

• 70 centímetros de tubo de PVC com 100 mm de diâmetro (tubo de 100);
• Dois tampões para essa bitola de cano;
• Fio esmaltado awg 24;
• Um parafuso pequeno com ponta;
• Um parafuso grande com porca;
• Fita isolante e verniz incolor;

Primeiramente deve-se fazer dois furos em um dos tampões, esses furos irão servir para fixar a bobina na base. Logo depois o tampão é totalmente encaixado no cano e recebe o parafuso pequeno como mostra a imagem:

Esse parafuso será um dos terminais da bobina, para melhor desempenho da máquina ele deverá ser ligado a um terra, mas como isso não trás muita praticidade esse terminal poderá ser ligado na junção (transformador de alta) + (capacitor) + (bobina primária). Outra importância desse parafuso é a de fixar o fio para começar a enrolar, raspe a ponta do fio esmaltado e enrole-o no parafuso (soldar é recomendado).
Ao começar a enrolar é de extrema importância que as voltas estejam uma ao lado da outra e que nenhuma passe por cima. Como esse trabalho manual é cansativo vc poderá usar a fita isolante para segurar o fio enquanto descansa:

 

 No final do enrolamento poderá usar fita isolante para segurar o fio enquanto vc passa o verniz, passe bastante em todo o enrolamento, isso o protegerá das descargas elétricas, arranhões e ainda impedirá que se desfaça. No outro tampão é preciso por o parafuso grande com porca, no meio, esse parafuso será ligado na ponta do enrolamento que ficou solta, para isso faça um pequeno buraco, suficiente para passar o fio e enrole-o na cabeça do parafuso (por dentro do cano). No parafuso será fixada a cúpula de descarga que será o topo da máquina:

Uma dica muito importante para a confecção da secundária é que a altura do enrolamento não pode exceder 5x o diâmetro. O número de espiras costuma ser de 600 à 1000 independente do porte, espiras demais atrapalha bastante o desempenho.

Cúpula de descarga

A cúpula de descarga serve para acumular a carga de alta tensão agindo como se fosse um capacitor, ela é de estrema impotência para os cálculos, suas dimensões variam muito assim como o seu formato,os mais utilizados são os formatos de esfera ou toroide.

Utilizei como cúpula uma esfera metálica que encontrei na sucata, ela se encaixava perfeitamente no parafuso do topo. 

O que é ressonância?

É o fenômeno que acontece quando um sistema físico recebe energia por meio de excitações de freqüência igual a uma de suas frequências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores.

Cada sistema físico capaz de vibrar possui uma ou mais frequências naturais, isto é, que são características do sistema, mais precisamente da maneira como este é construído. Como por exemplo, um pêndulo ao ser afastado do ponto de equilíbrio, cordas de um violão ou uma ponte para a passagem de pedestres sobre uma rodovia movimentada. (Acesse aqui para saber mais sobre ressonância).

O que é um circuito LC?

 Uma  lâmina de metal pelas suas dimensões e tipo de material tende a vibrar  sempre numa única frequência quando batida. Este efeito denominado “ressonância”  é aproveitado em dispositivos denominados diapasões que servem para produzir uma nota musical padrão ( lá= 440 Hz) para afinação de instrumentos. Em eletrônica determinados circuitos também manifestam o fenômeno da ressonância. Uma bobina ( indutor) e um capacitor quando ligados em conjunto apresentam propriedades bastante interessantes em relação aos sinais de corrente alternada. A bobina e o capacitor formam o que denominamos “circuito ressonante”, ou seja, um circuito que emite e responde a sinais de determinadas frequências. (Saiba mais clicando aqui)

A física por trás do funcionamento de uma Bobina de Tesla

A Bobina de tesla nada mais é do que dois circuitos LC com mesma frequência de ressonância e que trocam energia entre si por conta disso. O primeiro circuito é composto pela bobina primária e o capacitor de alta tensão, o segundo circuito é composto pela bobina secundária e pela capacitância que existe distribuída na superficie do enrolamento e da cúpula de descarga.
Ao ligar a bobina o transformador primário eleva a tensão da rede elétrica para alguns milhares de volts e carrega o capacitor de alta tensão, esse capacitor se descarrega no enrolamento primário através do faiscador, essa descarga gera uma frequência de oscilação. O campo magnético oscilante em alta frequência induz uma tensão ainda mais elevada no enrolamento secundário. Um dos terminais da bobina secundária é ligada à terra, ou a um condutor com grande capacitância distribuída, que serve como "contrapeso". Os circuitos primário e secundário são ajustados para ressonar na mesma frequência, usualmente na faixa de 50 a 500 kHz.
O sistema opera de forma similar ao sistema mecânico de dois pêndulos acoplados com massas diferentes, onde as oscilações a baixa tensão e alta corrente no circuito primário são gradualmente transferidas para o circuito secundário, onde aparecem como oscilações com baixa corrente e alta tensão. Quando se esgota a energia no circuito primário, o faiscador deixa de conduzir e a energia fica oscilando apenas no circuito secundário, alimentando faíscas e corona de alta frequência, as regras da mecânica para a conservação de energia, são as mesmas que determinam a forma como transcorrem os fenômenos eletromagnéticos.
Devido ao elevado potencial elétrico que supera o valor da rigidez dielétrica do ar, temos como efeito um belo espetáculo de centelhas elétricas. Nikola Tesla tinha como objetivo a transmissão de eletricidade sem fios. Na imagem a seguir pode-se ver a Wardenclyffe Tower que é uma imensa bobina de Tesla construída para esse fim:

Cálculos para a Bobina de tesla

Talvez você esteja se perguntando o que é preciso calcular em uma bobina de Tesla, bom, com já foi dito essas máquinas são sistemas ressonantes compostos por dois circuitos que por sua vez são constituídos de indutâncias e capacitâncias que determinam a frequência natural da bobina, então, para termos um projeto que seja viável de se construir precisamos calcular as dimensões dos componentes, de forma  que os dois circuitos (primário e secundário) tenham a mesma frequência e a "conversão da energia em raios" seja máxima...

Para fazer download (gratuito) do arquivo que explica como fazer esses cálculos clique aqui, espere 5 segundos e depois clique em fechar a propaganda no canto superior direito da página...

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