TESLAPET   ... e seus 80 000 V

Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Pincelada teórica
Uma clássica Bobina de Tesla consiste de dois osciladores indutivo/capacitivo (LC), fracamente acoplados um ao outro. Um oscilador LC tem dois componentes elétricos principais, um indutor (que tem indutância, L, medida em henrys, H) e um capacitor (que tem capacitância, C, medida em farads, F).
Indutores são formados a partir de condutores elétricos (fios) enrolados em carretéis (com ou sem núcleos), também conhecidos como bobinas.
Capacitores consistem em dois ou mais condutores separados por um isolante (dielétrico).
Um indutor converte uma corrente elétrica (que tem intensidade, i, medida em amperes, A) em um campo de indução magnética (símbolo, B, medido em tesla, T) --- sim, em homenagem a Nikola Tesla, e vice versa, um campo de indução magnética em uma corrente elétrica.
Um capacitor converte corrente elétrica em campo elétrico (símbolo, E, medido em volts por metro, V/m), e vice versa, um campo elétrico em corrente elétrica.

Ambos os campo, magnético e elétrico, são formas de energia armazenadas (símbolos, E_mag.e E_elet., medidas em joule, J). Quando um capacitor ´carregado´ (E_elet.= U.C²/2) é conectado a um indutor, uma corrente elétrica começará a fluir de uma placa do capacitor para a outra, através do indutor, originando ao redor deste um campo magnético crescente. Quando o campo elétrico no capacitor se esgota, a corrente para de circular e o campo magnético do indutor atinge seu valor máximo (E_mag.= L.i²/2). Agora inicia-se o colapso do campo magnético, que induz um fluxo de corrente no indutor, no sentido contrário à corrente inicial. Esta nova corrente (agora de sentido oposto), origina no capacitor novo armazenamento de cargas e, portanto, um novo campo elétrico de sentido oposto ao primitivo.
Enquanto o indutor e o capacitor permanecem conectados, a energia do sistema (E_elet.= E_mag.) irá oscilar entre o campo elétrico e o campo magnético, com a corrente invertendo seu sentido periodicamente. A taxa de oscilação, ou mais precisamente a frequência de oscilação (símbolo, f, medida em hertz, Hz), na qual o sistema oscila vem expressa por: f = 2.p.(LC)^½ . (feiradeciências.com.br)
Um ciclo completo de oscilação é ilustrado abaixo. Nos circuitos reais, a oscilação via de regra será amortecida, devido a perdas nos condutores passivos, onde a energia será dissipada em forma de calor; por isso, para manter a oscilação de modo contínuo, o circuito LC deve ser alimentado por uma fonte externa (que é nosso transformador de 3 kV).

Em uma bobina de Tesla, os dois indutores (L1 e L2) compartilham o mesmo eixo, sendo L1 externo a L2. Deste modo, o campo magnético produzido por um indutor pode gerar uma corrente elétrica no outro. O esquema a seguir mostra os componentes básicos de um bobina de Tesla:

O oscilador primário (L1C1) nos circuitos acima, consiste em: (a) um indutor (L1) em forma de espiral plana ou cilíndrica, com apenas algumas espiras espaçadas; (b) um capacitor (C1), não polarizado e que suporta altas tensões; (c) uma fonte de alta tensão para carregar o capacitor e (d) um interruptor (ou faiscador) para ligar o capacitor no indutor.
O oscilador secundário (L2C2) contém: (e) um indutor L2, longo, com muitas espiras de fio fino e (f) um capacitor C2, que não comparece explícito nas ilustrações, por tratar-se de capacitâncias distribuídas (entre fios das espiras e entre terminal do topo de L2 -- esfera, ponta metálica ou toróide -- e terra).
Nota: No protótipo que lhes apresento, optei por bobina primária cilíndrica com 8 espiras de fio # 14 com espaçamento especial -- ver ilustrações). Para evitar faiscamento (falta de isolamento) entre L1 e L2 tive que colocar um tubo de PVC entre elas.

Enquanto o interruptor/faiscador está aberto (sem faísca), uma corrente de baixa intensidade (limitada pela fonte) carrega o capacitor C1; este capacitor, não polarizado, deve suportar tensão alternada pelo menos uma vez e meia daquela fornecida pela fonte. Com o aumento da carga de C1, o espaço entre os terminais do faiscador F é ionizado e uma faísca faz fluir uma corrente elétrica pelo indutor L1. É aqui que entra o ciclo de descarga e carga do capacitor (primeira ilustração do artigo), originando uma oscilação entre os campos E e B, com frequência de centenas de milhares de vezes por segundo.
O campo magnético variável de L1 induz uma corrente correspondente no secundário L2. Como o indutor secundário L2 contém muito mais espiras que o indutor primário L1, a tensão elétrica induzida será também muitas vezes maior e consequentemente o campo elétrico variável estabelecido no capacitor secundário C2 será muito maior que em C1.
Exemplificando: se o transformador fornece 3 000 VAC nominais, a tensão de pico estabelecida no capacitor será cerca de 4 250 VAC; se o indutor primário tem 8 espiras e o secundário 1 000 espiras, a razão de amplificação será de 1 000/8 = 125 e a tensão de saída será, portanto de 125 x 4 250 VAC =~ 531 000 VAC.
Este é o intenso campo elétrico variável, de altíssima frequência, que se forma entre o topo da bobina de Tesla e o terra. Este campo elétrico pode ionizar o ar envolvente e evidenciar descargas elétricas através de eflúvios e/ou faíscas. Lâmpadas fluorescentes, de néon, etc., nas proximidades, são ionizadas e 'acendem'.

A tensão elétrica de saída de uma bobina de Tesla é maximizada quando várias condições forem atendidas, todavia, a principal delas é que o oscilador primário e o secundário devem oscilar na mesma frequência, ou seja, o secundário deve ser ressonante com o primário.

Projeto TeslaPet
Neste projeto procuramos utilizar de material bastante simples de ser adquirido, talvez, como exceção, o transformador de alta tensão com entrada de 117 VAC e saída de 3 000 VAC x 20 mA. O meu exemplar foi obtido via compra pela Internet. Vejamos o material completo:

1 garrafa Pet de 2 L, cilíndrica lisa
1 transformador com primário para a rede local e secundário 3 kV x 20 mA
3 m de fio de cobre encapado #14 (2 mm espessura)
1 base de madeira (MDF), "madeirada" (cobertura imitação cerejeira, etc.) de 25 x 30 cm
4 pés de borracha
1 pente de conectores Sindall
9 lâminas de vidro plano fino (1 a 2 mm) de 18 x 6 cm
8 folhas de alumínio (folha de offset de 16 x 4 cm e 0,25 mm de espessura)
8 tiras de alumínio (tiras de offset de 5 cm x 0,5 cm x 0,25 mm)
3 tubos de alumínio de 4 cm de comprimento x 1,5 de diâmetro
1 interruptor simples de alavanca
fio de cobre #30
2 dobradiças plásticas para armário
parafusos, verniz, fita gomada, cordão de força, etc.

Construção do capacitor C1
(1) Recorte a folha de offset de 0,25 mm de espessura (obtida em tipografias), retirando 8 retângulos de 16 x 4 cm e arredonde os 4 cantos de cada folha (tirar as quinas); recorte também 8 tiras de 5 cm por 0,5 cm que servirão de contatos para as lâminas do capacitor.
(2) Coloque uma lâmina de alumínio bem centrada sobre a placa de vidro plano e uma tira de contato (alumínio contra alumínio); fixe lâmina e tira com um pedacinho de fita gomada fina. Faça isto 8 vezes.
(3) Depois proceda cuidadosamente com o empilhamento das 9 placas (uma delas é só o fechamento do 'pacote' para não ficar lâminas de alumínio para o lado de fora). Aperte o conjunto sem exagero (para não quebrar placas de vidro) e fixe com fitas gomadas transversais e longitudinais.
(4) Junte as 4 tiras de cada lado ligando-as com um fio de cobre flexível (uns 20 cm de comprimento); serão os terminais do capacitor. O capacitor todo pode ser mergulhado em verniz bem fino ou em parafina derretida e, finalmente (após secagem), envolvido por papel encerrado ou Contact azul (que foi o que fiz).

Construção do faiscador
Foram utilizados 3 tubos de alumínio de 4 cm de comprimento e diâmetro de 1,5 cm, 2 dobradiças plásticas (usadas em portas de armários), 4 parafusos de 1,5 cm por 1/8" com porcas, 1 parafuso de 3 cm x 1/8" (com arruelas e porcas) e 4 pequenos parafusos soberbas para madeira. O tubo central do faiscador foi fixado na base entre os dois tubos móveis presos nas dobradiças. Com as dobradiças todas fechadas os 3 tubos se tocam longitudinalmente.

Construção da bobina primária L1
Esta bobina deve ter um diâmetro interno de cerca de 13 cm. Consiste de 8 espiras de fio de cobre encapado, tendo a alma de cobre com espessura de 2 mm. As 8 espiras foram distribuídas em subconjuntos de 3 + 3 + 2 espiras, cada subconjunto afastado do seguinte por cerca de 2 cm. Foi usada fita adesiva azul para a primeira fixação das espiras e, a seguir, algumas gotas de cola epoxi entre elas. O sistema fica suficientemente rígido se usar algumas laçadas de cordonee para amarrações. A ilustração abaixo pode ser útil:

Construção da bobina L2
Como 'carretel' para esta bobina foi usada a garrafa PET de 2 litros, cilíndrica, lisa, usando apenas a parte cilíndrica, ou seja, com cerca de 21,5 cm útil (uso garrafas da Acqua Fresh). Com agulha, faz-se dois furos próximos, na base e no ' topo' para fixar o início e final do enrolamento. Foi utilizado fio de cobre esmaltado #30 para preencher toda extensão dos 21,5 cm. Usei cabinho #22 flexível para terminais desta bobina; o terminal do topo entra dentro da garrafa e sai por um orifício no centro da tampa da garrafa. Todo o enrolamento foi recoberto com verniz; 3 camadas, cada qual após sua secagem.
Neste centro da tampa foi fixado um suporte de latão. Neste suporte podemos colocar vários componentes para ajustes e experimentos.

E, finalmente, juntando e fixando tudo na base de madeira, conforme o esquema ...

Bom sucesso a todos! Aguardo seus comentários -- luizferraz.netto@gmail.com

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