II. CONSTRUYO DA BOBINA

A construgao proposta aqui (figura 1) pode ser caracterizada como uma SSTC com centelhador, ou Spark Gap. Este equipamento é bem tradicional e foi elaborado de forma geral por um conjunto composto por um circuito oscilador, um elevador de tensao, um capacitor, um centelhador, uma bobina primária e uma bobina secundária (figura 2).

FIGURA 1. Modelo proposto para a construgao da bobina.

FIGURA 2. Esbogo da primeira parte do circuito.

A. Lista de materiais

• A Transformador Flyback de TVs de tubo;

• 2 Transistor NPN 2N3055;

• 2 Resistores de 15 Ohm 1/4 Watt;

• 1 Resistor de 1 K Ohm 1/4 Watt;

• 450 mm de fio rígido encapado de 1.5 mm de diámetro (bobina primária);

• 20 cm de fio com 0.5 mm de diámetro (enrolamento do núcleo de ferrite do flyback);

• 20 cm de fio com 1.5 mm de diámetro (enrolamento do núcleo de ferrite do flyback);

• Fio esmaltado de 21 Awg ou similar (bobina secundária);

• 1000 mm de fio flexível encapado 1.5 mm de diámetro (terminais capacitor);

• 550 mm de cano PVC de 40 mm de diámetro (bobina secundária);

• 400 mm de cano PVC de 20 mm de diámetro (suporte do capacitor);

• 2 Tampoes de cano 40 mm (bobina secundária);

• Placa de vidro (capacitor);

• Placa de vidro ou acrílico (janela para observar o circuito interno em funcionamento);

• Papel aluminio (capacitor);

• Fita dupla face;

• Parafuso de 20 mm de comprimento e diámetro de (bobina secundária);

• Parafusos para madeira;

• Base e caixote de MDF (circuito bobina);

• Pregos;

• 2 Plugs banana macho e fémea (Capacitor);

• Pedagos de cabo de vassoura de 15 cm e um anel de MDF de 22 cm de diámetro externo para a construgao da base para o enrolamento primário.

B. Ferramentas necessárias

• Multímetro;

• Ferro de solda;

• Estanho;

• Alicate de Corte;

• Alicate de Bico;

• Chave de fenda;

• Serra;

• Martelo;

• Prego. bobina secundária.

C. Dimensionamento dos componentes da bobina

Uma forma simples de se dimensionar a bobina primária, bobina secundária e capacitor de placas paralelas pode ser feita por meio do software online JAVATC1. Primeiramente constrói-se as bobinas primaria e secundária. De posse dos dados das dimensoes, substituem-se os valores no software que dará como resultado uma frequéncia no circuito pri-mário. Os valores usados foram obtidos após a construyo da base, mostrada na figura 1, de forma intuitiva com os materiais listados.

O valor do capacitor é obtido após rodar o programa com os valores dos raios, comprimentos e número de voltas das bobinas primária e secundária. Ao acionar o programa é dado o valor da frequéncia de oscilado do secundário. Tenta-se chegar a esse valor aproximado para o primário, ajustando o número de enrolamentos, para que os dois circuitos entrem em ressonancia e o experimento funcione com maior eficiéncia.

Os valores obtidos foram 1399,31 kHz para o secundário e 1401,11 kHz para o primário com um valor 1,30 pF para o capacitor. Depois de obtidos esses valores, basta ajustar o tamanho das folhas de aluminio ao valor do capacitor realizando medidas com um multímetro. Os cálculos podem ser encontrados de forma completa em Chiquito e Lanci-otti Jr. (2000) e ^{Tilbury (2008}). Nao é objetivo deste trabalho reproduzi-los e discuti-los novamente, mas dar sugestoes de construyo e aplicado da bobina para atividades de física na educado básica.

D. Produ;ao do capacitor de placas paralelas

A solugao proposta aqui para o capacitor torna os custos da bobina de Tesla reduzidos. Neste projeto, o capacitor foi feito utilizando-se de uma placa de vidro como material dielétrico e duas folhas de papel aluminio como armaduras.

Inicialmente é necessária uma limpeza das placas de vidro. Após esta etapa, deverá ser fixada a fita dupla face nos dois lados da placa de vidro nas dimensoes das folhas de aluminio, de modo que a área ocupada seja 90% da placa, sendo estas do tamanho citado na lista de materiais. Depois de fixadas as duas folhas de aluminio na placa de vidro o resultado deverá ser conforme o modelo apresentado na figura 3.

FIGURA 3. Capacitor de placas paralelas. Adaptado de http://oengenhosoeu.blogspot.com/2015/07/bobina-de-tesla.html

Depois de fixadas as folhas de aluminio, o procedimiento é fixar os dois fios1, um para cada armadura, correspon-dendo aos dois terminais do capacitor. Em seguida se deve passar uma camada de fita adesiva ou isolante, para proteger as folhas de alumínio e fixar os terminais do capacitor feitos com os fios de cobre.

O próximo passo será fazer os suportes do capacitor com o cano PVC de 20 mm de diámetro e 400 mm de compri-mento. Divide-se o cano em duas partes de igual comprimento e faz-se sulcos de 5 mm para o encaixe do capacitor de vidro, este suporte será fixado na base de madeira como é apresentado na figura 1. Na própria base, junto ao suporte do capacitor, os plugs banana fémea podem ser dispostos para completar a instalado dos capacitores depois que o circuito da bobina estiver pronto.

E. Construyo da bobina secundária

A bobina secundária é feita com o enrolamento do fio esmaltado 21 AWG em torno do cano de PVC de 40 mm de diámetro, sem espatos entre uma volta e outra. O enrolamento construido pela equipe do Caminhao com Ciéncia tem comprimento de 453 mm com 633 voltas no total.

Nas proximidades das extremidades do enrolamento o cano pode ser furado para as pontas do fio passarem por dentro e serem fixadas, depois de raspado o esmalte, ao parafuso de em uma das tampas do cano (inferior), e a algum acabamento que se queira fazer na parte superior. A sugestao é prender a tampa superior do cano PVC em um puxador de móvel metálico pequeno e arredondado. Pode-se fazer a oppao de um toróide, que também pode ser obtido as dimensoes no Software apresentado, como em muitos projetos desenvolvidos na Internet. Nesse caso, se as dimensoes das bobinas forem mantidas, um novo valor de capacitor deve ser calculado com a ajuda do JAVATC.

F. Construyo da bobina primária

O enrolamento do primário da bobina de Tesla será feito numa espécie de gaiolinha feita com os pedapos de cabo de vassoura e um disco de MDF ou plástica (figura 1), usando fio rígido de 1.5 mm ou equivalente. Na construpao testada para este artigo o enrolamento tem 10 voltas, com aproximadamente 59 mm de raio e 86 mm de comprimento (figura 4).

FIGURA 4. Bobina primaria.

É importante que, para um bom funcionamento, a circunferéncia das espiras da bobina primária nao fique mais que 2 centímetros de distancia da bobina secundária.

G. Enrolamento no núcleo de ferrite do flyback

Para que o circuito oscilador funcione bem, será necessário fazer dois enrolamentos, com fios de bitolas diferentes no núcleo de ferrite do flyback, funcionando como mecanismos de indupao. Com o fio de 1.5 mm (fio amarelo) deverá ser feito 5 (cinco) voltas no sentido horário, da esquerda para a direita, em torno do ferrite. Com o fio preto de 0.5mm de diámetro serao 3 voltas no sentido anti-horário, também da esquerda para a direita, conforme figura 5.

FIGURA 5. Enrolamentos no flyback. Inspirado em: https://youtu.be/tosK9r2StQk

Os outros dois fios do flyback, responsáveis pelo Foco e pelo Screem, nas cores vermelho e laranja (figura 6), de-verao ser cortados para evitar possíveis problemas de curto, pois nao serao utilizados, restando apenas o fio vermelho da "chupeta" do flyback.

FIGURA 6. Eliminado de fios do flyback. Inspirado em: https://youtu.be/tosK9 r2StQk

H. Construyo do circuito oscilador

Para a construyo do circuito que alimenta o flyback, foi feita uma adaptado de outro circuito usado em um traba-lhado apresentado por Marlon Nardi3. A adaptado foi com o objetivo de obter um oscilador Hartley de alta frequencia (figura 7). De acordo com Branca (2018):

O oscilador Hartley tem como principal característica um circuito LC no coletor, nesse tipo de oscilador a base do transistor é mantida em tensao constante e uma pequena quantidade de sinal é retirada a partir de uma derivando no indutor. Essa pequena quantidade de sinal tem como finalidade manter a alimentando do emissor, e assim, manter o transistor de potencia em constante oscilando. (BRANCA, 2018)

Devido a possibilidade de utilizado do experimento por uma quantidade significativa de horas durante a apresen-ta^ao em determinados eventos, foi-se acrescentado um segundo transistor de potencia 2N3055 em paralelo com o transistor já existente no circuito original.

FIGURA 7. Circuito adaptado - Bobina de Tesla.

O circuito poderá ser feito numa placa de fenolite, ou simplesmente montado com cada componente soldado diretamente no outro. Como o circuito é razoavelmente simples e possui poucos componentes eletronicos, nao há problema se a montagem do circuito for rústica, com a ausencia de placa de circuito impresso, desde que sejam tomados os devidos cuidados para evitar curtos e riscos de choque elétrico.

I. Identificado dos termináis do Flyback

Para determinar os dois terminais do flyback que será utilizado como elevador de tensao basta usar o fio restante após o corte mostrado na figura 6. O fio restante geralmente é vermelho e está unido a uma ventosa, onde se prende no tubo das antigas TVs.

O segundo terminal pode ser localizado na barra de pinos da parte inferior do flyback. Será necessário fazer um teste para definir qual o exato pino correspondente. Para isso o circuito oscilador montado deverá ser ligado, tomando os devidos cuidados com a alta tensao. Deve-se buscar toda protejo com a devida ateneo para que nao haja em hipótese alguma uma descarga elétrica no corpo humano.

Deve-se aproximar o fio vermelho, anteriormente citado, em cada pino da parte inferior do flyback. O terminal que resultar em uma maior centelha (figura 8) é o polo negativo e deverá ser marcado, pois este é o segundo pino do transformador e será acoplado no circuito da bobina de Tesla. Os demais pinos podem ser isolados para evitar o efeito de fuga de corrente.

FIGURA 8. Detec?ao do terminal negativo do flyback.

J. Junfao do circuito oscilador com o circuito da Bobina de Tesla (SSTC)

Em seguida, após ter feito a montagem do circuito oscilador, se faz necessário a jun^ao do mesmo com o circuito da bobina de tesla de estado sólido. Como os componentes da bobina tradicional sao poucos, também poderá ser feito sem a necessidade de uma placa de circuito (figura 9)

FIGURA 9. Circuito oscilador acoplado ao circuito da Bobina de Tesla.

Com a jun^ao dos dois circuitos, basta montar a caixa para deixar o circuito resultante isolado e em seguranza. Toda essa montagem deverá operar na faixa de 10 a 12 V, corrente continua, com uma corrente de entrada de no mínimo 2 A. Essas configurares podem facilmente ser encontradas em fontes de alimentado disponíveis no mercado. Uma sugestao é aproveitar uma fonte ATX de computadores sucateados. Há muitos tutoriais na Internet ensi-nando como proceder4.

Se preferir usar capacitores de cerámica e deixar a montagem mais compacta, basta ligar em paralelo capacitores de alta tensao (30 kv) de 1 pF e de 0,1 pF, que podem ser encontrados pela Internet. O circuito ficaria como mostra a figura 10. Uma sugestao é medir o valor da capacitáncia do circuito com os capacitores cerámicos com um multímetro antes de usar. Isso mostra que os valores nominais nem sempre sao muito precisos. No circuito testado foram usados um capacitor de 1 pF e dois de 0,1 pF para se obter 1,3 pF.

FIGURA 10. Circuito bobina de Tesla com capacitores cerámicos.

Em relagao ao centelhador, como afirma ^{Laburú e Arruda (2004}), a tensao de saída poder ser variada regulando sua abertura. Nesta construgao a abertura é inferior 5 mm. A regulagem da distáncia entre as pontas do centelhador, que podem ser de grafite ou de metal (no metal o desgaste das pontas é mínimo), deve ser dar na medida em que se observa o tamanho do arco voltaico produzido pela bobina secundária até o comprimento desejável.

K. Montagem da caixa e fixagao dos componentes

Para terminar o projeto, basta somente fazer uma caixa para fixagao dos componentes, neste caso foi feito com ma-deira, mas pode ficar a critério do projetista.

FIGURA 11. Caixa de protegao dos componentes do dispositivo.

As dimensoes da caixa ficam a critério do reprodutor deste modelo. É importante deixar uma janela para que se possa visualizar o interior da caixa. Para tal, propomos a utilizagao do acrílico, pois, protege e permite a visualizagao do interior. É aconselhável, também, deixar entrada de ar para facilitar o processo de resfriamento dos componentes eletronicos.

Para facilitar, pode-se fazer um suporte para fixar o capacitor na própria caixa. Esse suporte constitui-se de dois pedagos de cano de 20 mm com um corte, feito a serra, para a entrada do capacitor de vidro, como mencionado anteriormente. Esses dois canos sao fixados na parte traseira da caixa com quatro parafusos, conforme figura 12 abaixo.

FIGURA 12: Suporte para fixagao do capacitor

ALGUMAS EXPERIENCIAS COM A BOBINA

Como proposto na introdujo, a bobina construida foi usada com sucesso em todas as experiencias sugeridas por ^{Laburú e Arruda (2004}). É possível observar o efeito corona, realizar a experiencia do para-raios, isolante e alta tensao, descargas elétricas em água doce e salgada, produjo de ondas eletromagnéticas, blindagem eletromagnética (Laburú e Arruda (2004).

A figura 14 mostra a medico do arco voltaico produzido pela bobina construida. Essa experiencia possibilita uma estimativa de medida indireta da tensao gerada no circuito secundário. Essa medico é segura, pois a corrente elétrica no circuito secundário é muito baixa e nao causa danos a saúde quando entra e contato com a pele, apenas se sente um pequeno efeito de queimadura, pois a centelha atua apenas na superficie da pele, de acordo com ^{Tilbury (2008}), para a frequencia da corrente de saída do secundário na construyo aqui proposta.

Chiquito e Lanciotti Jr. (2000) avaliam a tensao do secundário da bobina que construíram a partir de medifoes da descarga do transformador de alta tensao usado. Os autores comentam que estimativas teóricas da tensao necessária para vencer um centímetro do dielétrico do ar de 30 kV/cm (valor estimado também por ^{Tilbury, 2008}), nao é preciso, pois muitas variáveis sao desconhecidas, principalmente devido a instabilidade da atmosfera. Além disso, os cálculos teóricos se mostram imprecisos, pois as equa^oes sao deduzidas para condifoes ideais.

FIGURA 13: Comprimento do arco voltaico no flyback.

Sendo assim, o arco produzido no Flyback foi medido, como mostra a figura 13, com os devidos cuidados com a alta tensao. Pela medida realizada, a distancia do arco voltaico foi estimada em 1,9 cm para uma tensao média de 27 kV estimada para o Flyback, de acordo com ^{Kronjaeger (2004}).

Como a distancia do arco na bobina secundária é de 3,5 cm (figura 14), a tensao de saída é proporcionalmente 49,7 kV. A estimativa de aproximadamente 14 kV/cm é considerada nos locais das exposifoes realizadas pelo Cami-nhao com Ciencia como o valor experimental da tensao necessária para que a corrente elétrica supere o dielétrico do ar.

A validade dessa afirmativa, dadas as devidas aproximares, se dá pelo fato das condi^oes de temperatura, pressao, umidade e composi^ao do ar apresentadas onde as medidas originais foram feitas serem semelhantes aos locais onde a bobina é exposta, por se tratar de um projeto de abrangencia regional. A construyo da bobina em regioes com diferentes CNTP (condi^oes normais de temperatura e pressao), acrescentadas da umidade e composido do ar (necessária em locais com grande dispersao de poluentes ou grande altitude, por exemplo), requerem novas medi^oes pois os resultados serao diferentes.

FIGURA 14: Comprimento do arco voltaico na bobina secundaria.

Outro experimento interessante é o da descarga em lámpadas. No exemplo da figura 15 uma lámpada de vapor de sódio é aproximada da bobina. A descarga elétrica no tubo central produz uma cor amarela pálida. Nesse local há o vapor de sódio a baixa pressao aprisionado. Dentro do bulbo que envolve a lámpada, a cor é rosa com as bordas azuis, característica do vapor de mercúrio a baixa pressao que ocupa essa regiao. A depender da disponibilidade de lámpadas, pode-se fazer a investigado da composido de acordo com a cor produzida na descarga elétrica.

FIGURA 15: Descarga elétrica numa lámpada de vapor de sódio.