Conclusão do projeto

Os primeiros componentes produzidos pela equipe foram o capacitor de placas paralelas e a bobina secundária, observada na figura 1. Apesar dos extensivos cálculos de dimensionamento de ambos, por muitas vezes alterações foram necessárias, principalmente por situações imprevistas, nas quais, uma solução imediata se tornava imprescindível.

Figura 1: Bobina secundária em desenvolvimento

Este blog foi criado para auxiliar o desenvolvimento da bobina de Tesla, e sem dúvidas auxiliou tanto na comunicação interna da equipe como também na definição de prazos para realização de diversas atividades. Por meio dos conceitos difundidos pelas postagens da equipe, a elaboração dos outros componentes do projeto foi facilitada.

O grupo pesquisou, visitou lojas, leu livros, procurou fontes, realizou reuniões e difundiu o conhecimento entre seus membros, atentando para prazos e necessidades com o total auxílio do docente orientador, que sempre se prontificou a avaliar o desenvolvimento do projeto com as devidas críticas.

O centelhador apresentou problemas de conexão em seus terminais e foi solucionado com sucesso. A bobina primária gerou dúvidas quanto a quantidade de voltas e o limite de espaço no carretel escolhido para conter o fio utilizado. Um estudo aprimorado da relação entre os dimensionamentos do capacitor e da bobina permitiu adaptar a bobina, de acordo com a figura 2, para as necessidades da equipe.

Figura 2:  Bobina primária no carretel

O capacitor de placas paralelas necessitou de uma série de ajustes, variando tanto área de suas placas quanto sua configuração externa. Sem dúvidas, foi o componente que mais demandou atenção da equipe, cuidados no manuseio e longas discussões e modificações até chegar no produto final.

Vale ressaltar que o transformador de neon utilizado nesse projeto, modelo Neon Ena da figura 3, apresentou dificuldades para ser encontrado, além de possuir preço elevado. O grupo cogitou outros modelos e até alugar o transformador para a apresentação do projeto, porém no fim foi adquirido e testado com sucesso.

Figura 3:  Transformador de neon visto de cima

Como último componente confeccionado pela equipe, o capacitor de topo foi adotado em formato esférico, com o diâmetro calculado diversas vezes de acordo com as alterações em outros componentes da bobina. Ao fim, foi construído artesanalmente.

Todos os componentes cuidadosamente elaborados permitiram a realização deste projeto, com uma montagem cuidadosa, monitorada constantemente e sem artifícios de ajustes temporários.

Depois de muito esforço, a bobina de Tesla está pronta. Acompanhada desde seus primórdios por este blog, após todo o suor e satisfação finalmente será apresentada dia 6 de maio de 2016, ou, de acordo com a ISO 8601, no dia 2016-05-06,  para o docente orientador e uma bancada de profissionais por ele escolhida. A figura 4 mostra alguns integrantes presentes no dia do primeiro teste e a figura 5 mostra todo o grupo junto com o orientador Prof. MSc. Targino Amorim Neto. O video demonstra a bobina em funcionamento.

Figura 4: A bobina de Tesla após o segundo teste prático

Figura 5: Bobina após apresentação a banca

Demonstração do funcionamento da bobina

A Bobina primária

A bobina primária, anteriormente discutida, teve de ser mensurada pela equipe, pois a quantidade de voltas, que deve ser a melhor relação de eficiência para o circuito, afeta diretamente o funcionamento da bobina secundária e do capacitor de topo.

Figura 1: A bobina primária em processo de construção

Em virtude das mudanças de dimensionamento do capacitor de placas paralelas e da esfera de topo, a quantidade de espiras requisitou a execução de novos cálculos. Na prática, a Bobina de Tesla funciona com diversas possíveis configurações de espiras na bobina primária, porém há uma quantidade ideal que pode ser diferente da estimada pela equipe. A fim de permitir um ajuste no sistema, o fio foi desencapado e moldado em pontos estratégicos, que permitirão uma nova configuração no número de espiras atuantes no sistema, conforme pode ser observado na figura 2.

Figura 2: A bobina primária finalizada com aberturas para reajuste

Reajuste no capacitor

O capacitor de placas paralelas apresentou um grave problema na apresentação do protótipo na sexta feira, 29 de abril de 2016. As placas metálicas estavam muito próximas da borda delimitada pelo dielétrico, rompendo a rigidez dielétrica do ar nas extremidade do capacitor e conduzindo corrente, o que inviabilizou o funcionamento do capacitor como um todo. O centelhador sequer estava sendo acionado. A equipe resolveu remover parte do alumínio para fornecer um bom espaçamento entre as placas de polaridades opostas, com uma grande perda na capacitância como resultado. Prevendo esta perda, os discentes decidiram adicionar mais um capacitor em paralelo à estrutura, calculando a capacitância desejada. Porém, por se tratar de um dielétrico de vidro temperado, sua constante dielétrica fornecia valores acima do esperado como demonstrado na figura 1.

Figura 1: O capacitor de placas paralelas em processo de medição e ajuste

A capacitância necessária é de 5,3nF, enquanto a capacitância deste novo capacitor, de acordo com o capacímetro digital CP-400 observado na figura 1, era de aproximadamente 6,37nF. Uma capacitância muito maior que a prevista nos cálculos comprometeria o funcionamento da bobina de Tesla, então foi decidido que um valor mais próximo, como por exemplo 5,5nF, deveria ser ajustado como capacitância do capacitor de placas paralelas. Para tal fim, o grupo utilizou dos conceitos de capacitância e da grande discrepância entre a margem do dielétrico e as placas de alumínio de polaridades opostas para reduzir a área efetiva de cada capacitor e reajustá-lo para 5,47nF. No mesmo dia, com o auxílio do professor, todos os componentes da bobina foram rapidamente organizados para um breve teste, e o capacitor, bem como os outros componentes da bobina de Tesla funcionaram com sucesso.

O protótipo

Na sexta feira, 29 de abril de 2016, a equipe apresentou o protótipo da bobina de Tesla ao docente orientador. Com o transformador em mãos, porém na falta de alguns conectores para os fios e cabos do circuito, como o observado na figura 1, ajustes temporários foram necessários.

Figura 1: Conector argola utilizado no transformador

Uma breve discussão sobre o dimensionamento dos fios aconteceu na equipe e pesquisas foram feitas para tirar as dúvidas de todos. Com instruções do professor orientador e os conectores já em mãos, algumas conexões foram acopladas, em especial as do transformador, observadas na figura 2, que necessitam de um isolamento cuidadoso. A continuidade dos terminais foi testada com a função diodo de um multímetro MD -720.

Figura 2: Terminais de entrada do transformador

A equipe permanecia sem o capacitor de topo, não encontrando nenhum exemplar com um dimensionamento ideal nas lojas de Salvador. Para fim de testes, uma esfera de outro equipamento do laboratório foi temporariamente utilizada.

Figura 3: Protótipo da bobina de Tesla pronto para ser testado

Com todas as conexões checadas e ajustes temporários realizados, o teste do protótipo foi conduzido com o auxílio do docente orientador. Sua configuração pode ser brevemente analisada na figura 3. Constatou-se uma nova problemática no capacitor, em que as bordas da placa de alumínio estavam ligeiramente maiores que as placas de vidro, rompendo a rigidez dielétrica do ar e conduzindo corrente pelos lados da estrutura. Inevitavelmente, o protótipo não funciona na presença desta problemática, o que implicou que a bobina, de fato, necessitava de ajustes. O grupo decidiu reduzir o tamanho das placas metálicas e adicionar mais um capacitor em paralelo com os anteriores.

Com todas as observações sobre o que deveria ser aprimorado discutidas pela equipe, a entrega do protótipo foi encarada como um sucesso, ainda precisando de melhorias pela equipe, que iniciou o processo de ajustes imediatamente.

O capacitor do topo da bobina Secundária.

 O capacitor age como um grande armazenador de cargas no sistema, o que faz com que o mesmo produza um campo elétrico que será ordenado a partir do formato da superfície externa do capacitor no topo da bobina secundária, que, nesse caso, é esférico. Tal fato faz com que os raios emitidos pela bobina possam se espalhar em todas as direções. É importante notar, também, que o capacitor no topo da bobina secundária tem a função de ajudar a maximizar a tensão do sistema, "casando" a impedância das bobinas primária e secundária com a frequência de ressonância do sistema. Para que isto ocorra, é necessário que a equação abaixo seja satisfeita:

                                                   
                                                      C1*L1=C2*L2

         
                                            C1: Capacitância no circuito primário;      

                                            L1 :Indutância da bobina primária;
                                                     
                                           C2: Capacitância no capacitor do topo;
   
                                           L2: Indutância na bobina secundária

    Frequentemente, os formatos mais escolhidos para o capacitor no topo da bobina secundária são os toroidais e os esféricos. Devido a maior facilidade de obtenção ou até mesmo confecção de tal capacitor, o formato do capacitor do topo da bobina da equipe foi o esférico. Por consequência de  dificuldades da equipe encontrar uma esfera metálica em diversas lojas da cidade, o grupo optou por confeccionar uma. O capacitor esférico foi criado com arames de aço, onde primeiramente se montou a estrutura da esfera com arames de certa espessura e, posteriormente, enrolou-se arames de uma espessura menor que a da estrutura em volta da esfera, para, desta forma, modelar a superfície do capacitor. A imagem a seguir ilustra o processo de confecção do capacitor:

Figura 1: Processo de confecção do capacitor esférico.

     
    Apesar do capacitor ter sido modelado como uma esfera perfeita, devido a imperfeições no processo de confecção do mesmo, o capacitor adquiriu uma forma que se aproxima da esférica, mas possui imperfeições. Como ilustra a imagem a seguir:

Figura 2: Capacitor esférico pronto.

    Tal fato associado a "espaços vazios" na superfície da esfera, devido ao uso de arames de aço para a confecção da esfera, faz com que a capacitância da esfera obtida seja sutilmente diferente da capacitância previamente calculada para uma esfera perfeita. É importante ressaltar que um capacímetro mede apenas a capacitância para capacitores de placas paralelas, como os capacitores  do circuito primário da Bobina de Tesla feitos pela equipe, o que torna difícil a aferição da capacitância do capacitor esférico obtido. 

    Isso não causa mal funcionamento algum na Bobina de Tesla, pois mesmo que a capacitância do capacitor esférico fosse diferente da calculada, o fato da bobina primária ser ajustável compensaria a perda ou o ganho de capacitância em tal capacitor.

Refrências Bibliográficas:

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de física, volume 3. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 398 p.

TIPLER, PAUL A.; MOSCA, GENE. Física, volume 2: Eletricidade e Magnetismo, Ótica. 5ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 550 p.

Cálculos Indutores (Bobinas)

No projeto, cada bobina funcionará como um indutor, e para dimensionar esses indutores foi necessário pesquisar como é calculada cada indutância, para a partir desse cálculo, o grupo poder dimensionar o tamanho das bobinas primária e secundária

Uma bobina é um indutor que apresenta-se no formato helicoidal. A indutância para esta forma é dada pela seguinte equação:

Sendo:

L = Altura da bobina

n = Número de espiras por comprimento

µ₀ = Permeabilidade Magnética (4*π*10 ^-7)

A = Área da secção transversal

A partir dos seguintes valores aproximados, temos:  

Bobina	1	2
Altura	11,2 cm	95 cm
Área da secção transversal	0,08 m²	0,008m²
Número de espiras	31	2017

Os valores obtidos, utilizando os dados de área sem aproximações, foram os seguintes:

L1 = 128,205 µH

L2 = 41595,493 µH

Os valores de L1 podem ser ajustados, pois a primeira bobina foi feita de uma maneira que permite que sejam usadas menos, ou mais espiras, já que a capacitância de C2 terá um valor bastante aproximado, algo que influencia diretamente no valor ideal para L1.


Refrências Bibliográficas:

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de física, volume 3. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 398 p.

Lúcio Borges, Rogério  Ferreira. A sua “Bobina de Tesla”: Manual explicativo de como construir sua própria “Bobina de Tesla”. Poços de Caldas: 2014, 17 p.

Modelo 3D Planejado

Como critério de avaliação é exigido a confecção de um modelo 3D planejado do projeto. A equipe optou por utilizar um programa de fácil acesso e utilização, o SketchUp. Contradizendo o que foi exposto no cronograma, o modelo vai ser postado com um certo atraso. A demora teve como causa o atraso da compra do transformador e demora para a confecção do capacitor de topo. A equipe já tinha começado o modelo 3D da bobina, faltando apenas as medidas do transformador e do capacitor de topo para que coubessem com precisão dentro das medidas estabelecidas para o protótipo e sua base. As figuras 1 e 2 demonstram o modelo finalizado sob diferentes pontos de vista, enquanto a 3 e 4 os modelos de "teste", sem as medidas do transformador e do capacitor de topo.

Fig 1: Vista frontal do modelo 3D

Fig 2: Vista posterior do modelo 3D

Fig 3: Modelo teste

Fig 4: Modelo teste

Cálculos Capacitor Secundário

Após o cálculo da indutância de ambas boninas e da capacitância do capacitor primário, a equipe pôde calcular a capacitância da bobina secundária, a partir da Frequência de Ressonância. Em uma bobina de tesla, é ideal que a frequência de ressonância de seu circuito C1L1 (circuito Capacitivo Indutivo primário) seja a mais próxima de C2L2 (circuito Capacitivo Indutivo secundário) para que a transferência de energia seja a melhor possível.

A frequência de ressonância de um circuito Capacitivo e Indutivo é dada pela seguinte equação:

Logo é possível perceber , que para que as frequências de ressonância serem as mais próximas possíveis é necessário que :

Logo o valor de C2 tem que ser igual a ;

Sendo:

C1 (Capcitância primária) = 5,47 nF

L1 = 128 µH


Frequência de ressonância obtida: 190,2195 Hz

L2 = 1595,493 µH

Calculamos C2 :

C2 = 16,83 ρF

Para atingir essa capacitância, a equipe pensou em utilizar um capacitor esférico, no qual  o raio pode ser calculado a partir da seguinte equação :

Onde:

C = É a capacitância da esfera permissividade elétrica no vácuo 

ε₀ = Permissividade elétrica no vácuo 

R = Raio da esfera.

Para a capacitância calculada o raio necessário é aproximadamente 15 cm.

Refrências Bibliográficas:

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de física, volume 3. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 398 p.

Lúcio Borges, Rogério  Ferreira. A sua “Bobina de Tesla”: Manual explicativo de como construir sua própria “Bobina de Tesla”. Poços de Caldas: 2014, 17 p.

Erros e Acertos durante a confecção da Bobina

Com a entrega do protótipo aproximando-se, algumas considerações acerca do que foi construído devem ser evidenciadas.

Capacitor

O capacitor apresentou, de início, uma dificuldade com o manuseio de seu dielétrico, o vidro. O material adquirido era de vidro temperado e, portanto, não poderia ser cortado em pedaços menores. Isso gerou um problema nos cálculos de capacitância realizados o que obrigou a equipe a redimensionar o capacitor com os dielétricos disponíveis. A partir desses novos cálculos foi possível determinar as dimensões da placa condutora de alumínio que a equipe escolheu utilizar.

Um novo problema com o capacitor foi evidenciado: a organização das placas. Desejava-se dispor as placas metálicas numa configuração em paralelo, e a configuração criada inicialmente estava, de fato, em paralelo, mas não foi possível deduzir conclusivamente, por meio de análises teóricas, se o esquemático produzido funcionava. O problema somente foi solucionado testando o capacitor em laboratório com um capacímetro digital CP-400, obtendo um valor superior ao encontrado em teoria, devido à constante dielétrica do vidro, que era desconhecida e foi estimada abaixo da real. A equipe ficou satisfeita com o resultado.

Protótipo do capacitor

Centelhador

O centelhador foi produzido numa base de madeira de modo que a distância entre os parafusos fosse ajustável.

Centelhador

Bobina Primária

A bobina primária foi produzida em um carretel de 16 cm de diâmetro, com 43 espiras. Inicialmente, o grupo planejava utilizar um segmento de tubo de PVC, no entanto o carretel demonstrou ser mais conveniente do ponto de vista estético e prático.

Bobina Secundária

O primeiro componente da bobina de Tesla a ser produzido pela equipe foi a bobina secundária. Uma tarde inteira foi necessária para enrolar o fio, que é de cobre esmaltado AWG 26. A equipe começou o processo de forma lenta, com uma pessoa enrolando a bobina e alternando esta pessoa em um certo tempo. O processo produtivo foi aprimorado ao decorrer do dia, adicionando mais pessoas ao sistema de montagem, designadas funções específicas para cada um e adicionando verniz na estrutura periodicamente, para isolar os fios como medida de segurança. Ao final do dia, a bobina secundária foi finalizada com 2017 voltas.

Transformador

O transformador de neon foi o componente mais recentemente adquirido pelo grupo. De acordo com o cronograma, o transformador deveria ser comprado mais cedo, permitindo que seus terminais fossem trabalhados com mais paciência. Porém, como evidenciado em publicações anteriores, ocorreram problemas na compra. A opção de aluguel do transformador foi descartada, optando por comprá-lo. Acoplar os fios do circuito ao transformador demandou certa atenção do grupo, uma vez que a alta tensão envolvida demanda rigor de segurança.

Transformador

Com estes componentes, a bobina de tesla foi montada, o circuito elétrico acoplado com o fio de 2,5 mm e será apresentado para o professor orientador no dia desta publicação.

Preocupações com o transformador

Um limitador que tem gerado preocupações dentro da equipe é o transformador. Possui um preço elevado e, portanto, não deve ser comprado em grande quantidade para revenda, além de apresentar o risco de ser danificado facilmente, caso exista alguma falha nos cálculos para a bobina de tesla. O grupo pesquisou e constatou alguns modelos de transformadores pelo Brasil, com preferência aos modelos de neon (NST, do inglês neon-sign transformers), porém foram constatados detalhes em cada um dos produtos que deixou o grupo desconfiado da sua qualidade.

Mensagens eletrônicas foram enviadas para várias empresas, obtendo como resposta a falta do produto ou uma informalidade exacerbada, o que deixou a equipe receosa em adquirir o produto. Outros sites de vendas online apresentavam, em sua descrição do produto, que para a finalidade de construção da Bobina de Tesla, ajustes no transformador seriam necessários, além de não oferecerem garantia. Desconfiados que o tipo de ajuste, que não foi explicitado na descrição, seja executado de forma incorreta, impossibilitando o funcionamento da bobina ou gerando algum dano físico através de uma descarga não prevista, optou-se por não utilizá-lo.

Porém, uma possível solução já foi encontrada. A possibilidade de alugar o transformador ao invés de comprá-lo, com uma empresa de Salvador. Na data desta postagem, a instituição encontra-se fechada, e, portanto, o acordo ainda não foi finalizado, porém, os integrantes da equipe encontram-se esperançosos. Os detalhes do transformador serão fornecidos quando o mesmo estiver em mãos da equipe.

Avaliação do Cronograma Semanal

2ª Semana (11/04 à 18/04/2016)

Das seis atividades planejadas para esta semana, quatro foram cumpridas: 

• Reintegração de informações posteriormente mencionadas no blog ✓
• Apresentação dos objetivos ✓
• Postagens com fundamentação teórica sobre Nikolas Tesla, Indutores, Capacitores, Centelhadores e Transformadores ✓
• Compra do transformador ✖
• Cálculo das dimensões do capacitor, indutor primário e secundário ✖
• Postagem com a elaboração e contextualização da Bobina de Tesla com sua relevância explicitada ✓

Os atividades não cumpridas na 2ª Semana se deram pelos seguintes motivos:

Os cálculos para os indutores primários e secundários estão em processo de ajustes, devido a mudança na altura da bobina que irá interferir no cálculo do valor da auto capacitância e da indutância .

A compra do transformador ainda não foi possível pois, a equipe não ainda não encontrou uma loja em Salvador que o tenha em estoque.

Indutores e Indutância

Os indutores são uns dos principais componentes para a Bobina de Tesla, ter o conhecimento aprofundado do princípio de funcionamento deles é essencial para compreendê-la melhor. A figura 1 demonstra alguns exemplos de indutores:

                                                  Figura 1: Diferentes tipos de indutores

O indutor, bobina, ou solenoide, é um importante componente elétrico na atualidade, utilizado em diversos tipos de aplicações como em transformadores elétricos, fontes de alimentação de energia e transmissores e receptores de rádio e tv. O princípio de funcionamento do indutor está em sua capacidade de armazenar energia em um campo magnético gerado pela corrente que o circula, fenômeno este conhecido como indutância. Indutores geralmente são feitos por fios condutores enrolados no formato de espirais, onde cada volta é uma espira, a quantidade de espiras influencia no campo magnético gerado. Segundo HALLIDAY, 2009, a indutância de uma bobina pode ser calculada na formula observada na figura 2, onde l é o comprimento do indutor, n o número total de espiras, A a área da secção transversal do "cilindro" formado pelo indutor e µ₀ sendo a constante de permeabilidade do vácuo. A indutância é medida em Henry(H).

Figura 2: fórmula para cálculo da indutância de um solenoide

Em muitos casos os núcleos dos indutores são compostos de ar, mas podem ser substituídos por diversos materiais com diversos objetivos diferentes, sendo um dos mais comuns a utilização de um núcleo ferromagnético para aumentar a indutância graças à alta concentração de campo magnético gerada. 

Figura 3: Bobina de Tesla em funcionamento, em destaque para a bobina secundaria

Quando dois indutores são aproximados de maneira que o campo magnético de um deles entre em contato com as espiras do outro, é gerada uma diferença de potencial graças ao fluxo de indução magnética presente. Esta diferença de potencial, por sua vez, move as cargas presente no indutor secundário, gerando uma corrente elétrica. A bobina de tesla utiliza o mesmo principio para gerar as descargas elétricas observadas na figura 3. No projeto, serão construídas duas bobinas, uma primária, que irá receber a energia transmitida pelo centelhador, convertendo então esta energia em um campo magnético capaz de gerar diferença de potencial, na forma de alta tensão na bobina secundaria, e uma bobina secundaria, que por sua vez será capaz de armazenar a energia recebida até que a mesma seja forte o suficiente para vencer a rigidez dielétrica do ar, fazendo com que este passe a se comportar com um condutor, de maneira que a corrente atravesse o ar na forma de "raios".

Referências bibliográficas:

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de física, volume 3. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 398 p.

INDUÇÃO ELETROAGNÉTICA. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br> Acesso em 17 de abr. de 2016.

INDUTOR. Disponível em: <http://www.eletronicadidatica.com.br> Acesso em 17 de abr. de 2016

Figura 1: Disponível em: <http://www.egineersblogsite.com> Acesso em 16 de abr. de 2016

Figura 2: Autoria própria

Figura 3: Disponível em: <http://www.taringa.net> Acesso em 17 de abr. de 2016

Bobina de Tesla

Uma bobina de tesla é um transformador ressonante inventado por Nikola Tesla, como evidenciado em posts anteriores. Um circuito ressonante é um circuito que apresenta em sua esquematizaçao ao menos um capacitor e um indutor, de modo que os dois componentes em diferentes períodos de tempo gerem diferença de potêncial sob o outro, formando uma espécie de ciclo periódico no sentido da corrente. O tipo de bobina que será trabalhado neste blog é o SGTC, do inglês Spark Gap Tesla Coil, ou “Bobina de Tesla de centelhador”. Seu funcionamento necessita do conhecimento de itens discutidos anteriormente em nosso blog:

• Indutores
• Capacitores
• Centelhadores
• Transformadores

Figura 1: Circuito esquemático da Bobina de Tesla.

A figura 1 demonstra um exemplo de configuração de um circuito para um SGTC genérico, porém,  nas relevâncias deste projeto, alguns componentes se diferem dos apresentados. uma bobina é composta de um transformador ligado a uma fonte de tensão AC em sua entrada. O transformador deverá elevar a tensão para valores altíssimos, de cerca de 15 kV, que na saída será ligado em paralelo com um capacitor, com um centelhador em uma das malhas, de forma análoga a figura 1. A tensão, já elevada pelo transformador, que será aplicada no capacitor deve ser completamente suprimida pelo mesmo. Uma tensão elevada não suportada pelo capacitor pode potencialmente reduzir a tensão alcançada na bobina secundária.

Uma vez que o capacitor se carregue, os terminais do centelhador passarão a possuir uma diferença de potencial que supera a rigidez elétrica do ar, atuando como um curto circuito. Essa corrente atuará no indutor primário, ou bobina primária. A bobina primára produzirá um campo magnético que por sua vez induz, por meio de sua linha de força, uma nova tensão na bobina secundária. A primária deixará de induzir depois de um certo tempo, e o capacitor volta a ser carregado pelo transformador, gerando um ciclo.

Durante o processo da bobina primária e o capacitor, a bobina secundária que estará aterrada em um de seus terminais e possuirá um toróide ou esfera em sua parte superior que irá se comportar como um capacitor pela indução da bobina secundária, cujo dielétrico se forna o próprio ar, causando os “raios” típicamente visualizados em bobinas de tesla.

O projeto é extremamente útil para a equipe pois, para sua realização, são necessários estudos aprimorados sobre todos os seus componentes por se tratar de um planejamento que requer uma certa precisão afim de evitar equívocos que se manifestem de forma catastrófica ou de prejuízo financeiro elevado. O grupo deverá discutir, pesquisar, planejar e debater sobre obstáculos que a bobina de tesla oferece desde a decisão do diâmetro dos fios a serem utilizados nos indutores até os cálculos das dimensões do capacitor, agregando estudos e disseminando conhecimento de forma eficiente e prática.

Transformadores

" A Terminologia Brasileira da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) define o transformador como: Um dispositivo que por meio da indução eletromagnética, transfere energia elétrica de um ou mais circuitos (primário) para outro ou outros circuitos (secundário), usando a mesma frequência, mas, geralmente, com tensões e intensidades de correntes diferentes."
Fonte: Transformador Ideal

Conceitos Importantes

Para entender o funcionamento de um transformador, primeiro é necessário compreender alguns conceitos da física. Anteriormente, alguns deles já foram explicados, como Indução e Campo Magnético, complementarmente, será introduzido rapidamente o conceito da Primeira Lei do Magnetismo (Lei de Faraday):

O físico inglês Michael Faraday descobriu que uma força eletromotriz (f.e.m.) pode ser induzida em um circuito pelo fluxo do campo magnético variável que o atravessa. Em um transformador, essa é a equação que irá relacionar a f.e.m. em cada bobina com o número de espiras de cada uma delas. A equação matemática que a representa é:

  

Sendo ε a força eletromotriz, △𝜙 o fluxo magnético e △t o tempo.

O transformador

A estrutura física de um transformador é basicamente um núcleo de ferro com fios enrolados em dois de seus lados, com um deles conectado à um gerador, sendo formadas duas bobinas, uma primária de um lado e uma secundária do outro.  

A imagem abaixo pode representar esquematicamente um transformador. Sendo as espiras vermelhas o primário, as verdes o secundário, a estrutura com formato de um paralelepípedo vazado o núcleo de ferro, o terminal verde o gerador e, por fim, o campo magnético as linhas pretas desenhadas no núcleo.

O funcionamento de um transformador é dado por uma indução mútua entre suas duas bobinas,  a corrente do primário gera um campo magnético que atinge o interior do secundário, induzindo assim uma corrente no mesmo. Essa corrente induzida é calculada através da Lei de Faraday, que mostra que o campo magnético gerado pelo primário irá atingir o secundário, gerando assim, uma corrente no mesmo. Se a quantidade de espiras for maior no primário, teremos maiores tensões e menores correntes na bobina do mesmo, já se tiverem mais espiras no secundário, acontecerá o oposto.

Conhecendo as equações da Lei de Faraday é possível calcular a força eletromotriz em cada bobina, sendo a f.e.m. de cada bobina igual à f.e.m. em cada espira multiplicada pelo número de espiras dela. Matematicamente:

Como o fluxo magnético é igual em ambas as bobinas, e o tempo percorrido também:

Igualando as equações I e II, temos:

Assim encontramos a relação entre a força eletromotriz em cada bobina e o número de espiras da mesma.

É perceptível que um transformador pode ser utilizado tanto para abaixar, como para aumentar uma tensão, assim, a escolha da quantidade maior de espiras no primário e no secundário deve ser arbitrária, de acordo com cada necessidade.

No caso da Bobina de Tesla, é possível perceber a presença de dois transformadores, o primeiro é um transformador que elevará a tensão de 110V ou 220V para um valor da ordem de KV, dependendo da necessidade do projeto, aqui será considerado um valor próximo à 15KV. O segundo transformador será a própria Bobina de Tesla em funcionamento.

Referências Bibliográficas:

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de física, volume 3. 8ª. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 398 p.

Princípio do Funcionamento do Transformador. Disponível em:

<http://www.feis.unesp.br/> Acesso em: 16 de abr. de 2016

Lei dos transformadores e seu princípio de funcionamento. Disponível em:

< http://rle.dainf.ct.utfpr.edu.br/ > Acesso em: 16 de abr. de 2016

Transformador Ideal. Disponível em:

< http://www.webcitation.org/ > Acesso em: 16 de abr. de 2016

Todas as imagens nesta publicação são de autoria do próprio grupo.

Centelhador

Quando os capacitores do circuito estiverem carregados, o centelhador será o componente que permitirá a transmissão dessa energia para a bobina primária e, consequentemente, para a secundária.

No esquema da figura 1, fornecido pelo professor, o centelhador é representado com a sigla Sg1.

                                                    Figura  1: Circuito esquemático da Bobina de Tesla. 

O funcionamento deste componente consiste em dois condutores com um espaço entre eles geralmente preenchido por um gás, como o ar, que ao ser exposto a uma diferença de potencial que supere a rigidez elétrica do material permite a passagem de uma “centelha” elétrica. A rigidez dielétrica corresponde ao valor máximo de campo elétrico que o dielétrico suporta até seu ponto de ruptura, ou seja, até que se torne um condutor. Na tabela 1 alguns exemplos de materiais e sua rigidez dielétrica, juntamente com a constante dielétrica k, associada a capacitores, explicada em outro tópico.

Tabela 1: TIPLER

Utiliza-se centelhadores para não permitir a passagem de corrente até que a tensão desejada seja alcançada, levando em conta que pode-se ajustar a distância entre os dois condutores, assim aumentando ou diminuindo a tensão necessária pra ruptura do dielétrico.

Referências bibliográficas:

SPARK GAP. Disponível em <http://home.earthlink.net/~drestinblack/sparkgap.htm>. Acesso em 17 Abr. 2016

HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos de Física. 9ª Ed. LTC. 2012.

MOSCA, Gene; TIPLER, Paul A. Física para cientistas e engenheiros. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.v. 2.

Confecção da Bobina Secundária

No último sábado, dia 16 de abril de 2016, a equipe se reuniu e confeccionou, com sucesso, a bobina secundária do projeto.
Foram enroladas aproximadamente 2016 espiras, num período de 8 horas de trabalho.

Na foto, os integrantes Nélson e Allan, respectivamente, fazendo o enrolamento da bobina, mostrando a evolução da mesma. 

Os materiais utilizados foram: 1,5 km de fio de cobre esmaltado AWG 26, verniz para bobinamento, tubo PVC de 95 cm, com 4 polegadas de diâmetro e dois Caps para fechamento do tubo.

 Foto de parte dos materiais utilizados.