Lúcio Neri Borges Rogério Horácio Ferreira. A sua Bobina de Tesla Manual explicativo de como construir sua própria Bobina de Tesla

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1 1 Lúcio Neri Borges Rogério Horácio Ferreira A sua Bobina de Tesla Manual explicativo de como construir sua própria Bobina de Tesla 2014

2 2 A alegria que se tem em pensar e aprender faz-nos pensar e aprender ainda mais. E é fazendo que se aprende a fazer aquilo que se deve aprender a fazer. Aristóteles Agradecimentos Agradecemos à Deus por estar sempre conosco e ter nos possibilitado criar este manual, ao nosso professor Dr. Luís Fernando Delboni pelos ensinamentos e pelo apoio, nosso colega Woile Ramos pela força que sempre nos deu, à PROBIC-PUC Minas, à nossas famílias e a Nikola Tesla pelas magníficas ideias que revolucionaram o mundo da eletricidade. Poços de Caldas, 2014

3 3 Sumário O Manual... 4 A Bobina de tesla... 5 Método de projeto básico... 6 Método de projeto avançado... 7 Montagem... 9 Segurança Experimentos Referências Bibliográficas... 17

4 4 1- O Manual A elaboração deste manual tem como objetivo trazer a todos o conhecimento mínimo necessário para a construção de uma bobina de Tesla. A preocupação de espalhar o conhecimento adquirido nos motivou a construção deste guia. Acreditamos que a elaboração de um manual passo a passo sobre o projeto e construção de uma bobina de Tesla é algo relevante nesta divulgação do saber. No manual, todo o processo de planejamento de uma bobina é descrito, inclusive todos os cálculos necessários para que se obtenha o melhor aproveitamento do modelo físico em seu planejamento. Está presente também neste manual sugestões de montagem que demonstra através de imagens e explicações como se pode realizar a montagem da bobina, com um baixo custo para que seja acessível a um número maior de interessados. Dicas também são dadas referentes aos materiais necessários, bem como onde encontrá-los. E pensando nas pessoas que não possuam certo conhecimento específico, ou que, não desejam projetar através de cálculos o seu modelo, o manual dispõe de um dimensionamento pré-estipulado pelos autores, Este dimensionamento é descrito de uma maneira simples e de forma a ser facilmente entendido por todos. Então o manual é exposto em dois níveis diferentes de forma a atender diferentes níveis de instrução daqueles que pretendem montar seu próprio equipamento, sendo que cada um pode criar seu modelo baseando-se ou não nos cálculos já expostos no manual, tornando esse guia acessível para alunos de ensinos fundamentais e médios, bem como professores, alunos de graduação e de cursos técnicos. Também presente no manual estão alguns conceitos físicos de funcionamento, algumas apresentações e experimentos que são possíveis de se realizar com a bobina e apresenta também a maneira correta de se manusear. Neste guia também estão expostos de maneira clara e persuasiva noções de segurança em eletricidade, e principalmente segurança na operação do experimento, sendo sempre salientado os riscos presentes no manuseio e montagem da bobina. Desejamos um bom trabalho e mãos à obra.

5 5 2- A Bobina de Tesla A Bobina de Tesla foi criada por Nikola Tesla ( ), um grande cientista croata erradicado nos Estados Unidos. Tesla foi um homem a frente de seu tempo que mostrou ao mundo os grandes benefícios da utilização da corrente alternada. Tesla foi um grande inventor detentor de mais de 700 patentes, dentre elas o motor de indução e os alternadores. Em 1899, Tesla foi para Colorado Springs, onde montou um grande laboratório com o intuito de experimentar algumas de suas ideias. Foi então que construiu uma de suas invenções mais populares, que seria um transformador com núcleo de ar, que trabalha com altas frequências e altas tensões em circuitos ressonantes, conhecida como a bobina de Tesla A bobina de Tesla é capaz de criar elevadas tensões em altíssimas frequências que são capazes de romper o dielétrico do ar, formando descargas que variam de acordo com a configuração da bobina. Seu funcionamento baseia na elevação da tensão através de fenômeno da ressonância de um circuito composto por indutores e capacitores. Possui uma bobina primária de poucas espiras, na faixa de 2 a 35 e uma secundária podendo passar de alguns milhares de espiras. FIGURA 1-Nikola Tesla, sentado próximo a uma de suas bobinas em funcionamento, em seu laboratório em Colorado Springs. Então, uma bobina de Tesla clássica é composta basicamente por duas etapas de aumento de tensão. A primeira etapa se trata de um transformador de núcleo de ferro convencional com impedância elevada que tem a função de intensificar a tensão de linha disponível a uma tensão no intervalo de 5 a 50 kv, em 60 Hz. A segunda etapa funciona como um circuito ressonante que se torna um

6 6 transformador de núcleo de ar que trabalha com ressonância oriunda do acoplamento entre capacitores e indutores. Nesta etapa a tensão é intensificada para valores entre 200 kv a 1 MV. Estes níveis elevados de tensão rompem o dielétrico do ar fazendo com que se criem descargas espalhadas pelo ar, tornando-o condutor de eletricidade. FIGURA 2- Circuito simplificado da Bobina de Tesla 3- Método de projeto básico Este método é dedicado a qualquer pessoa que queira montar seu modelo de uma bobina de Tesla, mas que ainda não possui conhecimento avançado sobre conceitos físicos ou mesmo quem não queira utilizar de cálculos para o projeto de seu modelo. Todos os dimensionamentos estipulados neste método devem ser seguidos, pois foram pré-calculados visando o melhor funcionamento da bobina. Para construção deste protótipo devemos começar conhecendo melhor os componentes da bobina de Tesla. Ela pode ser dividida em duas partes conhecidas como: circuito primário e secundário. O circuito primário é composto por um transformador, um capacitor, um centelhador e uma bobina que chamaremos de bobina primária. O transformador eleva a tensão da rede elétrica residencial de 127 V ou 220 V, para uma tensão de V. Em paralelo com o transformador existe o capacitor que neste manual será montado por placas de vidro e alumínio. Para o capacitor foram necessárias 8 placas de vidro comum de aproximadamente 4 mm de espessura de dimensões 225 mm x 225 mm e 9 placas de alumínio bem finas que foram com dimensões de 190 mm x 190 mm. A bobina primária deverá possuir um raio de 140 mm, altura de 200 mm e

7 7 número de espiras (voltas) igual a 9. No circuito secundário haverá apenas uma bobina com um grande número de espiras, a bobina secundária. Esta bobina possuirá em torno de 1500 espiras, que serão enroladas de maneira que não sobreponham umas nas outras, em um tubo de PVC com raio de 50 mm e 1 m de comprimento. 4- Método de projeto avançado Este capítulo do manual descreve todos os cálculos necessários para projeto de uma bobina de Tesla. O conhecimento necessário para completa compreensão das informações deste método é avançado, pois são utilizados alguns termos físicos e técnicos. Com a compreensão dos processos descritos nesse método o leitor poderá criar seu próprio modelo, com suas dimensões de acordo com a disponibilidade e vontade do mesmo. Como no método básico iniciamos a fase de projeto conhecendo todos os componentes da bobina e seus respectivos circuitos, no método avançado não poderia ser diferente, passamos a divisão dos circuitos. Podemos dividir também a bobina em dois circuitos: o primário e secundário. O primário é composto por um transformador elevador de tensão, um centelhador ou spark gap, um capacitor de placas paralelas e a bobina primária. T1 é um transformador convencional que eleva a tensão da rede 127 V/220 V, para um nível de tensão superior na faixa de 5 a 50 kv, recomenda-se a utilização de um transformador de lâmpadas de neon que elevam a tensão entre 5 e 15 kv. Para que se evite a queima do transformador é necessária uma reatância mínima do capacitor, onde se é encontrada a impedância do transformador T1, por: Sendo V é a tensão de saída de T1 e I sua corrente nominal. Encontrada a impedância Z, calcula-se o valor mínimo do capacitor a ser utilizado pela seguinte equação: C1 é um capacitor montado com placas de vidro e folhas de alumínio. O vidro servirá como dielétrico entre as placas de alumínio que serão as faces condutoras

8 8 do capacitor. Serão montados intercalando-se polos e entre eles o dielétrico, lembrando que quando se quer somar a capacitância das placas deve-se colocá-las em paralelo. A equação que determina a capacitância no capacitor é a seguinte: Onde n é o número de capacitores colocados em paralelo, A é a área da placa de alumínio, d distância entre as placas de alumínio, ou seja, a espessura do vidro ou outro dielétrico, ε é a constante dielétrica do meio, ou seja, constante dielétrica do material dielétrico colocado entre as placas, neste caso o vidro (com uma constante de aproximadamente 6) e o εₒ é a constante dielétrica do vácuo que é 8,85x L1 é uma bobina no circuito primário, responsável por induzir uma tensão no circuito secundário. L1 é uma bobina de poucas espiras (geralmente de 2 a 20 espiras), de um fio rígido com uma maior bitola em torne de 4 mm². Para encontrar a indutância desta bobina usa-se a relação: Sendo r o raio da bobina, l o comprimento e N o número de espiras. Assim encontrados os valores de L1 e C1, passamos a calcular o valor da frequência de ressonância Fr. Para analisarmos o circuito secundário devemos calcular os valores da indutância L2 e de um efeito capacitivo gerado pela bobina do circuito secundário que denominamos de C2. L2 é uma bobina de alguns milhares de espiras, que são enroladas lado a lado tomando cuidado para que não se enrole sobrepondo umas as outras. A equação para encontrar o valor de L2 é a mesma utilizada para encontrar L1, porém utilizando os padrões de raio, comprimento e número de espiras relativas à L2. Devemos também calcular a capacitância C2 que é definida pela equação: O cálculo da frequência de ressonância do circuito secundário é realizado da mesma maneira do circuito primário, utilizando os valores de C2 e L2. Então os valores destas frequências do primário e secundário devem ser iguais ou próximas

9 9 para uma melhor transferência de energia do sistema. Então: Esta condição é realmente importante para um bom funcionamento da bobina, pois é a base de funcionamento da bobina de Tesla. Ajustes talvez devam ser feitos de maneira que esta condição seja satisfeita, podendo ser alterados alguns componentes para que se tenha melhor aproveitamento. Outro ponto importante é que o valor de C1 sempre deverá ser maior que o valor de C1min, para evitar a queima do transformador. O SG é um centelhador, que consiste em uma interrupção no circuito onde se coloca dois metais condutores distanciados, e quando o capacitor C1 é carregado rompe-se o dielétrico do ar entre os mesmos. É importante que o SG seja móvel, pois será necessário ajuste da distância entre os eletrodos para um melhor aproveitamento da energia transmitida. Cada centelhador se ajustará melhor em uma distância diferente, dependendo da frequência do circuito. Para que se consiga uma descarga em todas as direções e espalhada colocase um metal no topo da bobina L2 de forma circular. Assim a bobina já pode tomar sua forma final que deverá atender os passos seguidos acima. Existem alguns softwares que auxiliam na construção e simulação de seu protótipo. Dois programas que auxiliam neste processo são o WinTesla e o TeslaCoil Optimizer, ambos disponíveis gratuitamente para download. 5- Montagem No primeiro momento é necessária a verificação dos materiais a serem utilizados para a montagem de seu equipamento. O item que possui o maior valor para compra é o transformador de entrada, porém todos os outros materiais utilizados são de baixo custo e em alguns casos são materiais que seriam descartados e que podem ser reaproveitados. Primeiramente devemos ter uma base para fixação do modelo, podendo ser esta de madeira ou outro material isolante que forneça sustentação mecânica. O transformador elevador de tensão poderá ser um transformador utilizado em lâmpadas de neon, que possui alta elevação da tensão e é disponibilizado comercialmente nos valores desejados no projeto.

10 10 No capacitor de placas paralelas de alumínio e vidro, as placas podem ser dispostas de maneira intercalada, variando isolante e condutor, tendo cada condutor polaridade inversa ao condutor próximo e seu condutor anterior. Ambas as extremidades do conjunto devem ser encerradas por vidro visando melhor isolação entre os condutores e a madeira do suporte. Vale lembrar que polos opostos não podem ter contato para não causar curto-circuito. Assim, o conjunto pode ser fixado na horizontal de maneira que por prensagem dispensou-se o uso de colas ou adesivos, o que interferiria na rigidez dielétrica do meio isolante. A imagem ilustra a montagem do capacitor. FIGURA 3 Capacitor, sendo a parte interna a representação da placa de alumínio. Para colocar as placas em paralelo deixamos umas abas em cada placa a fim de unir os polos iguais e ligá-los ao restante do circuito. Assim podemos associar em paralelos os capacitores como ilustrado na figura 4. FIGURA 4 Capacitor, com os polos em paralelo

11 11 FIGURAS 5 e 6 Detalhes do capacitor montado pelos autores Para concretizar a ligação em paralelo devemos conectar os terminais de mesma polaridade, tomando-se o cuidado para que as conexões sejam bem feitas. O centelhador deverá ser de material condutor que tolere temperaturas elevadas sem sofrer deformações. Seus suportes, no entanto devem ser de material isolante, como madeira, plástico ou borracha. Um lado do centelhador poderá ser fixo, porém o outro lado deverá ser móvel para oferecer a possibilidade de ajustes da distância, visando a melhor eficiência do sistema. As pontas dos eletrodos devem ser afinadas para uma melhor quebra da rigidez dielétrica e depois de algum tempo de funcionamento devem ser lixadas para a remoção de material depositado que altera a condutividade. FIGURA 7 Centelhador Ainda no circuito primário haverá a bobina primária, que deverá ser feita de condutor com alta isolação, e de seção transversal de aproximadamente 2,5 mm², dependendo das características de cada modelo. Para fixação das espiras, podemos utilizar de fios rígidos, e se não forem disponíveis utilizaremos uma base de material isolante.

12 12 FIGURA 8 Detalhe das bobinas primária e secundária Na montagem do indutor secundário L2, poderá ser utilizado um cano de PVC, no qual deverá ser colocada uma demão de verniz isolante típico de isolamento de motores. Poderão ser utilizados fios de cobre com esmalte isolante de 31AWG, que deverão ser enrolados de maneira que não se sobreponham uns aos outros. É um trabalho que exige muita paciência, pois o fio de cobre é muito fino e de fácil ruptura. Após enrolar as espiras, mais duas demãos de verniz isolante devem ser aplicadas sobre o conjunto de espiras para auxiliar na isolação e principalmente na fixação das espiras de cobre. Foi colocado no topo desta bobina um módulo metálico de bronze, de forma arredondada com o intuito de distribuir as faíscas em todas as direções além de contribuir para a capacitância da bobina secundária. substituído por um toróide, que é utilizado na maioria das bobinas. Este módulo pode ser

13 13 FIGURA 9 Detalhe módulo colocado sobre bobina secundária Finalmente os componentes da bobina de Tesla poderão ser fixados no suporte, sendo que se faz necessário manter uma distância segura entre os componentes para evitar fugas ou centelhas em pontos específicos do circuito e que são indesejáveis. Nas figuras 10 e 11 está apresentada a bobina criada pelos autores deste manual: FIGURAS 10 e 11 Bobina montada pelos autores do manual. 6- Segurança Segurança em primeiro lugar, este será nosso tema durante toda a montagem da bobina e principalmente durante o funcionamento da mesma. Por isso essa parte do manual será dedicada exclusivamente para tratar da segurança de todos que operam ou estão próximos a bobina. Esta primeira parte do manual certamente é a parte mais importante para todos que pretendam projetar e montar seu protótipo da bobina de Tesla. A bobina

14 14 tem seus perigos que devemos respeitá-los, pois a eletricidade pode ser muito perigosa, ainda mais com níveis altíssimos de tensão. Apesar da maior tensão estar na saída da bobina secundária de onde sairá as descargas, o maior perigo da bobina está em seu circuito primário onde a potência é suficientemente alta para causar sérios acidentes e podendo levar à óbito. Prezamos muito pela segurança de todos, então aconselhamos que a operem em um local isolado, longe de crianças, e que sempre isole o local de testes, devendo também o operador não estar muito próximo do equipamento. NUNCA faça qualquer ajuste ou toque na bobina se o transformador estiver ligado, e também não se esqueça de que o capacitor mantém a sua carga se nenhum aterramento for realizado, e então para poder tocá-la descarregue o capacitor ligando ele ao terra por algum tempo, o necessário para que toda a carga do circuito seja descarregada. Certifique-se que ao religar a bobina foi retirado o aterramento que descarrega o capacitor para evitar qualquer dano ao transformador. Os principais riscos são: Alta tensão: a principal precaução que se deve ter é com a saída do transformador. Nessa parte, como em todo o circuito primário, existem corrente elétricas consideráveis que podem acarretar choques fatais. O transformador é especialmente perigoso, por fornece vários milhares de volts e, se ao operar uma bobina, se estiver trabalhando em estreita proximidade com ele. É fácil acidentalmente deixá-lo ligado, pois exceto por um zumbido quase imperceptível, não há nenhuma indicação de que está ligado. Em relação à tensão de saída em L2 os riscos são menores. A corrente é de alta frequência (MHz) e, embora da ordem de 100 a 1000 kv, não é mortal. Porém, dependendo da potência de saída (variável com a maior ou menor aproximação entre os terminais do faiscador) ela pode queimar a pele. Ozônio: Quando em operação, os terminais de L2 ionizam o ar circundante e, consequentemente, produzem ozônio; um gás que, em grande concentração, é altamente tóxico para seres humanos. A produção de ozônio é decorrência da alternância da liberação e captura de elétrons nos terminais de L2. É aconselhável se fazer as demonstrações em lugar ventilado e não deixar a bobina ligada mais que alguns minutos.

15 15 7- Experimentos A bobina de Tesla traz a todos que presenciam suas apresentações experiências fantásticas, ilustrações interessantes de conceitos de eletromagnetismo, campos magnéticos, altas tensões, altas frequências, princípios de telecomunicações, ressonância entre circuitos com indutores e capacitores, rigidez dielétrica do ar, entre outros aspectos existentes no estudo da eletricidade. Outro fato que impressiona é a quantidade de experimentos que se é capaz de realizar com a bobina, e isto com muita facilidade. Demonstrações da eletrostática e eletrodinâmica podem ser realizados com o seu protótipo. Tais como: a) Ressonância Ao se montar outra bobina com as mesmas características da bobina secundária (diâmetro, altura, quantidade de espiras, diâmetro do fio), e colocarmos essa nova bobina nas proximidades de L2, ela, por ressonância, se comportará da mesma maneira que L2 lançando arcos elétricos e raios corona. Ambas terão o mesmo funcionamento mesmo que a cópia da bobina L2 esteja a alguma distância de L2 original. Este princípio é o mesmo de um enlace de telecomunicação, onde o sinal da antena transmissora será transmitido para a antena receptora. b) Ionização de gases Aproximando-se da bobina secundária, uma lâmpada fluorescente, que pode estar queimada, observa-se que a lâmpada se ilumina. Quanto maior a proximidade do secundário, maior é a intensidade da luminosidade do gás. Essa luminescência da lâmpada é decorrente da ionização do gás em seu interior, e por colisão entre as moléculas ocorrem transições eletrônicas que no retorno liberam o excesso de energia na forma de fótons, o que é provocada pelo campo eletromagnético de alta frequência emitido pelo secundário. c) A blindagem eletrostática ou eletromagnética Prenda, com fita adesiva, duas pequenas lâmpadas néon, uma dentro e outra fora, em uma pequena lata metálica ou rede metálica. Segure a lata com as mãos, formando o condutor terra, próximo ao terminal de saída da bobina. Constata-se que a lâmpada de néon interna, contrariamente à que está forada lata, não acende. Logo, a lata cria uma blindagem ao campo elétromagnético na parte interna da lata, não acendendo a lâmpada.

16 16 d) O efeito corona Só pelo fato da bobina estar ligada, já se pode observar o efeito nos terminais de saída na bobina secundária L2. Para demonstrar este fenômeno fixe uma lâmpada incandescente (mesmo queimada) a uma haste de vidro ou material isolante. Ao aproximar a lâmpada de L2 observa-se o efeito no interior da lâmpada. e) Descargas elétricas de alta tensão i. Para-raios Adaptar uma pequena plataforma de papelão duro, colocando-se um alfinete de pé no centro da plataforma. O alfinete deve estar aterrado. Na saída da bobina liga-se um fio de cobre rígido com ponta na extremidade livre. Esse fio representará a nuvem carregada que liberará a descarga. Vale observar que a tendência da descarga não é atingir a plataforma e, sim, o alfinete (para-raios). Observar que há uma região de proteção em torno do pararaios que é aproximadamente 2,5 vezes a altura do para-raios onde não há descargas quando realizamos um movimento com a plataforma em torno do fio de descarga. ii. Isolantes e altas tensões Acople um fio isolado na saída da bobina com o faiscador no mínimo de funcionamento. Aproxime a palma da mão do fio. Se, nesse momento, escurecer-se temporariamente a sala, observar-se-á que há fugas (descargas) do fio para a mão através do isolante do fio. iii. Descargas elétricas em água doce e salgada Usando um fio de cobre conectado a um dos terminais do secundário L2, como na experiência com o para-raios pode-se estudar as diferenças entre as descargas elétricas em água doce e água salgada contidas, por exemplo, em dois recipientes. Observa-se que as descargas em água doce espalham-se mais sobre a superfície do que as descargas em água salgada.

17 17 Referências Bibliográficas CHIQUITO, Adenilson J.; LANCIOTTI JR, Francesco. Bobina de Tesla: dos Circuitos Ressonantes LC aos Princípios das Telecomunicações. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 22, n. 1, BRITTAIN, James E. Electrical engineering hall of fame: Nikola Tesla. Proceedings of the IEEE, v. 93, n. 5, p , TESLA, Nikola; MARINČIĆ, Aleksandar. Colorado Springs Notes, Nolit, SILVA, D. S. S. E. A versatilidade da bobina de tesla na prática docente do ensino f. Monografia (Licenciatura em Física) - Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza, Ceará, 2012.