RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA DE FÍSICA BOBINA DE TESLA
Alice Fernandes Pires, Irvin Willian Da Silva Canuto e Miriana Lucia Pimenta Spalenza*. *E-mail:
[email protected]
INTRODUÇÃO
História: Construída por Nikola Tesla, cientista sérvio sér vio americano, por volta de 1890, a bobina de Tesla é um transformador ressoante com uma construção pouco complexa que é capaz de ger ar altíssimas tensões [2, 3].
Entendendo o experimento: experimento: O objetivo do projeto era para a transmissão de energia elétrica ao invés da comunicação, embora a bobina fosse basicamente um rádio sem antena, dessa forma Tesla teve grande importância na invenção do rádio. Sendo assim este experimento é um meio de demonstrar o seu funcionamento e o estudo sobre o eletromagnetismo. A Bobina de Tesla envolve conceitos como, campo eletromagnético, a indução eletromagnética, a rigidez dielétrica do ar, altas tensões com as altas frequências, circuitos ressonantes e ionizações de gases [2, 4]. Com o intuito de compreender as propriedades físicas do sistema será apresentado, em dimensões menores, a mini bobina de Tesla, sendo esta capaz de acender lâmpada fluorescent e sem que esteja conectada a qualquer circuito, mas pelo o fato de estar próxima a uma bobina ou próximo de um campo elétrico [1]. Dois conceitos são de extrema importância para a compreensão deste projeto: O primeiro, é que a bobina de Tesla gera um campo elétrico em torno de si. O segundo é que apenas lâmpadas fluorescentes ascenderão nas proximidades da bobina, pois nesta há uma atmosfera de baixa pressão com vapor de mercúrio, um metal condutor. Os elétrons livres 1
no interior da lâmpada são estimulados a se movimentarem sob a regência da Lei de Coulomb quando esta é aproximada da bobina. Ao se movimentarem, os elétrons se chocam com a parada da lâmpada, que é revestida por uma fina camada branca de fósforo. Quando o fósforo absorve esse elétron em sua camada, ele libera um fóton de energia, responsável pela luz que é vista no experimento [2]. O sistema funciona da seguinte maneira: um transformador primário eleva a tensão da rede de 110 volts para algo em torno de 5000 volts. Esta tensão é fornecida a um centelhador, que está ligado em paralelo com um capacitor e a bobina primária do transformador secundário, estes em série. Quando o capacitor carrega, a tensão no centelhador eleva-se até o ponto onde há a quebra da rigidez dielétrica do ar, fazendo com que um "pico" de corrente elé trica elevada atravesse o circuito. Isto ocorre 120 vezes a cada segundo [2, 3]. Esta corrente, por sua vez, passa pela bobina primária do transformador secundário, gerando um campo magnético variável. Este campo magnético induz uma corrente elétrica na bobina secundária. Como o número de espiras na bobina secundária é bem maior, a corrente elétrica induzida nela é pequena, mas a tensão obtida nos seus terminais é de cerca de 100.000 volts [2]. Ao se aproximar uma lâmpada fluorescente do terminal da bobina secundária, como mostrado na foto a seguir pode observar que ela se acende [2].
F igura 1. Circuito
2
OBJETIVOS Este experimento tem como objetivo explicar como funciona uma mini bobina de tesla, analisando como é feito a transmissão de energia eletromagnética capaz de acender uma lâmpada através de um campo elétrico gerado pela a bobina ao seu redor.
PARTE EXPERIMENTAL Materiais utilizados:
1 Base de madeira;
1 Cano ¾ com 8.4 cm de altura;
1 Conector/Clip de bateria 9V;
Lâmpada Fluorescente para teste;
1 Fita adesiva;
Fio de cobre esmaltado;
1 Transistor 2N2222;
1 Resistor de 22k (vermelho, vermelho, laranja, dourado) ;
1 Fio de 30cm de comprimento.
Lista de ferramentas:
Ferro de solda;
Estanho;
Alicate de corte;
Pistola de cola quente.
Procedimento: O procedimento adotado teve como base o vídeo indicado pelo professor Samir Lacerda “Como fazer uma Mini Bobina de Tesla Fácil Tutorial”, do professor Marlon Nardi, disponibilizado no Youtube. Primeiramente, enrolou-se o fio de cobre em um pedaço de cano com 8,4 cm de altura para construir a bobina secundária. Importante destacar que uma volta deve ser bem próxima 3
da outra, para que não sobre espaços vazios, dessa forma não interfira na densidade que é a razão do número de espiras pelo o comprimento. Em seguida, colou-se a bobina na base de madeira, deixando um pedaço de fio livre para servir como o terminal da bobina. Posteriormente, com um fio de aproximadamente 30 cm anexou-se a base de madeira e depois enlaçou com duas voltas em torno da bobina secundária colando-a novamente. Este fio corresponde à bobina primária. Descascou-se a ponta do fio de 30 cm e lixou-se a ponta do fio esmaltado do terminal da bobina secundária, para facilitar a soldagem posteriormente. Com um ferro solda, estanhou-se cada um dos conectores dos dispositivos que foram utilizados, assim como nas extremidades dos fios. Em seguida, emendou-se o terminal da bobina secundária com uma extremidade do resistor e soldou-se à base do transistor. Em seguida, soldou-se uma extremidade da bobina primária ao emissor do transistor (Transistor 2N2222) e ao coletor soldou-se o terminal negativo do conector da bateria de 9 V. O terminal positivo foi soldado à outra extremidade da bobina primária e ambos foram soldados à outra ponta do resistor (22k ohms). Por fim, conectou-se a bateria ao circuito. Para verificar o êxito no experimento, aproximou-se uma lâmpada fluorescente à bobina secundária. Dessa maneira, percebeu-se que esta acendia. O experimento montado conforme a descrição é mostrada na figura 2.
F igura 2. Experimento montado
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO Devido ao campo elétrico gerado pela bobina de tesla, quando aproximamos uma lâmpada fluorescente, os elétrons absorvem energia que ocasiona em saltos quânticos a orbitais de energia mais elevada que ao retornarem dissipam a energia absorvida em forma de fótons, neste momento fazendo com que se acenda a lâmpada. A diferença de potencial criada pela a bateria estimula à movimentação dos elétrons livres no condutor gerando uma corrente elétrica contínua. Abaixo na fórmula 1 está a corrente teórica do experimento:
i =
Fórmula 1: Lei de Ohm Em que: V: diferença de potencial; R: resistência; I: corrente.
ip = 9/22000 = 0,409 A Calculando a tensão na bobina secundária:
=
.
Sendo Ns: número de espiras na bobina secundária, igual a 225; Np: número de espiras na bobina primaria, igual a 2; Vp: tensão na bobina primária, igual a 9V. Temos que:
=
225 1,5
9
= 5
O nosso sistema possui duas bobinas de fio de cobre enroladas no mesmo núcleo. Vamos denomina-las de bobina primaria àquela ligada à tensão de entrada e a outra de bobina secundária. Quando aplicamos uma tensão, por exemplo, de 10 V na primária, e temos 10 voltas que a compõe, cada volta terá 1 V na mesma. Se quisermos 10 V de saída do enrolamento secundário, está bobina também será de 10 enrolamentos. (Neste caso temos uma razão de transformação de 1:1). Isto acontece porque a corrente que flui pela a bobina primária induz no núcleo um fluxo magnético. Se este fluxo está variando devido às variações na tensão na primária, consequentemente é induzida no enrolamento secundário uma corrente que varia na mesma frequência que as variações de tensões do primário. Sem tensão não pode haver corrente, então é induzido no secundário à mesma te nsão que no primário. Agora, se temos um secundário composto de 20 enrolamentos, teremos uma razão de 1:2. Portanto, teremos uma relação de tensão entre primário e secundário de 10 V para 20 V.
Calculando a corrente na bobina secundária:
=
=
225 1,5
.
0,000409
= , −
Adotando o solenoide (bobina secundária) do experimento como ideal, sendo o número de espiras igual a 225, o tamanho do solenoide (h) igual a 8,40 cm e μo uma constante definida por 4π x 10^(-7) Tm/A, temos que:
= . . = 4 10−7 1,89 10−6 (
225 8,4 10−
)
= ,
6
CONCLUSÃO
Através deste projeto, podemos observar que a bobina de Tesla em regime de trabalho funciona como um transformador elevador de tensão. Devido às configurações das bobinas, houve uma ampliação significativa da voltagem. Com essa elevação da tensão, permitiu gerar um campo elétrico variável suficiente para “acender” a lâmpada fluorescente.
REFERÊNCIAS [1] HALLIDAY, David; RESNICK, Jearl Walker. Fundamentos de físi ca: 3 eletromagnetismo. 8.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 3. 395 p. [2]
Instituto
de
Física
-
Universidade
de
Brasília
-
UnB
Campus Universitário Darcy Ribeiro - Asa Norte. [3] Blog – Azeheb – Laboratório de Física. [4] http://becn.ufabc.edu.br/guias/estrutura_materia/resumo/ES_F3_N_04.pdf. [5]
Bobina
de
Tesla,
URL:
http://www.fis.unb.br/gefis/index.php?option=com_content&view=article&id=201&Itemid= 320 [Junho 2016].
7
