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Iury Körting

Transformador Tesla

A Bobina de Tesla é um transformador ressonante capaz de gerar uma tensão altíssima com grande simplicidade de construção, inventado por Nikola Tesla por volta de 1890. O experimento de Nikola Tesla sempre apresentou uma grande variação de bobinas e configurações, por isto é difícil de descrever um modelo especifico de construção. As bobinas de Tesla são geralmente mecanismos muito populares entre os entusiastas das alta tensões.

Bobina de Tesla em Questacon, na Austrália, no National Science and Technology Centre museum.

Descrição

Na forma mais usual, é formada por um transformador com núcleo de ar, com um capacitor primário carregado a uma tensão de alguns (5-30) kV se descarregando sobre a bobina primária através de um centelhador. A bobina primária possui poucas espiras de fio grosso (1-20), podendo ser cilíndrica, plana ou cônica, e é montada próxima à base da bobina secundária. O circuito secundário é formado por uma bobina secundária cilíndrica com por volta de mil espiras, montada centrada sobre a bobina primária, que ressona com sua própria capacitância distribuída e com a capacitância de um terminal montado no topo da bobina. Estas capacitâncias distribuídas dependem apenas da geometria do sistema, e formam a capacitância secundária. A base da bobina secundária é ligada à terra, ou a um condutor com grande capacitância distribuída, que serve como "contrapeso". Os circuitos primário e secundário são ajustados para ressonar na mesma freqüência, usualmente na faixa de 50 a 500 kHz. O sistema opera de forma similar a dois pêndulos acoplados com massas diferentes, onde as oscilações a baixa tensão e alta corrente no circuito primário são gradualmente transferidas para o circuito secundário, onde aparecem como oscilações com baixa corrente e alta tensão. Quando se esgota a energia no circuito primário, o centelhador deixa de conduzir, e a energia fica oscilando no circuito secundário apenas, alimentando faíscas e corona de alta freqüência.

Desempenho

Bobinas de Tesla alcançam 250 kV com relativa facilidade, e algumas chegam a 1,5 MV ou mais.

Usos

Bobinas de Tesla já foram usadas em transmissores de rádio primitivos, dispositivos de eletroterapia e geradores de alta tensão para aplicações em física de alta energia. A aplicação mais comum atualmente é para demonstrações sobre eletricidade em alta tensão, gerando faíscas elétricas que podem ter vários metros de comprimento.

Física do mecanismo

Sendo L₁, C₁ a indutância e a capacitância do circuito primário e L₂, C₂ o mesmo do circuito secundário, a máxima tensão de saída (ignorando perdas) pode ser obtida, pela conservação da energia, como:
V_saida = V_inicial √(C₁/C₂) = V_inicial √(L₂/L₁)
A sintonia na mesma freqüência implica L₁C₁ = L₂C₂.
O coeficiente de acoplamento entre as bobinas primária e secundária tem valores ideais, ignorando perdas, que são da forma k = (b²-a²)/(b²+a²), onde a e b são inteiros com diferença ímpar, como a:b = 1:2, 2:3, 5:8, etc., que definem o modo de operação. Esses valores resultam em transferência completa de energia em b semiciclos de oscilação. Isto é crítico apenas em bobinas construídas para transferência rápida de energia, como no modo 1:2, que resulta em k = 0.6 e transferência em um ciclo. Em bobinas feitas para demonstrações, coeficientes de acoplamento por volta de 0,1 são o usual, modo 9:10, com transferência em cinco ciclos.
Uma representação da Bobina de Tesla é representada abaixo:

Ilustração de uma Bobina de Tesla

Esquema Elétrico

O esquema elétrico de uma bobina de Tesla é bastante simples e funciona da seguinte forma: a tensão de alimentação é elevada de 110 ou 220 V para algo em torno de 6 a 10 kV. O circuito ressonante formado por L₁ e C₁ eleva ainda mais essa tensão, sendo capaz de gerar uma tensão de faiscamento em Sg₁. O princípio do faiscamento é importante pois sendo ele um impulso de energia, ele é rico em altas freqüências, capazes de sintonizar as altas freqüencias da bobina de Tesla em T₂ que nada mais é que outro transformador elevador de tensão atrelado a um circuito ressonante imaginário, formado pelas capacitâncias parasitas de T₂ e pela capacitância própria esfera de irradiação em Term₁. O ajuste fino da freqüência de ressonãncia é feito através de um tap na bobina primária do transformador T₂.

Esquema Elétrico de uma Bobina de Tesla

No exemplo acima:

• Sw₁ = interruptor simples
• R₁ = 33 kΩ
• Ne₁ = Lâmpada de Neon
• T₁ = Transformador de 6 kV, utilizado para iluminação de fachadas Neon
• L₁ = Indutor de 2,5 mH de alta tensão e alta freqüência
• C₁ = Capacitor de alta tensão, formado por lâminas de metal isoladas por placas de vidro
• Sg₁ = Faiscador ajustável
• T₂ = Bobina de Tesla
• Term₁ = Esfera de Irradiação de Alta Tensão

Máquina a vapor

Máquina a vapor 

      "Máquina a vapor transparente para a demonstração do modo de funcionamento de uma máquina a vapor oscilante, na qual o cilindro se move em torno de um eixo central e durante o seu movimento ele abre e fecha os canais de evacuação do vapor.
Placa base e roda feitas de acrílico transparente, tambor e cilindro de trabalho de quartzo a prova de calor, pelo que se pode observar muito claramente todos os movimentos. Com eixo de tração de latão com rolamentos e válvulas de segurança integradas no tambor para impedir a sobrepressão."

      A primeira idéia de máquina a vapor foi a chamada "aeolipile", feita por Heron de Alexandria. Consistia em uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, conforme mostra a figura, e que continha água em seu interior. Colocada sobre um tripé e sobre o fogo, a água fervia e o vapor que saia pelos caninhos fazia com que a esfera rodasse.
      A primeira verdadeira máquina térmica é legada ao físico francês Denis Papin que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho semelhante à panela de pressão e, para evitar que explodisse, concebeu a primeira válvula de segurança conhecida.
      Em 1698, mais de mil anos após a máquina de Heron, surgiu a primeira máquina a vapor de interesse industrial, elaborada por Thomas Savery, um engenheiro militar inglês. Essa máquina tinha por objetivo retirar água dos poços de minas de carvão, porém poderia explodir devido à utilização de vapor a alta pressão.
      Por volta de 1712, o inglês Thomas Newcomen, aperfeiçoando as máquinas de Savery e Papin, idealizou uma nova máquina térmica que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas. Sua máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII.
      Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível. Foi, então, que elaborou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, pois o movimento de rotação substituiu o de sobe e desce.

      A máquina de Watt que também servia à fundição e à minas de carvão, teve grande êxito e acabaram substituindo as máquinas de Newcomen, pois além da versatilidade, consumiam três vezes menos carvão que essas. Para alguns, foi a máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial.
      Foi James Watt que fixou o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina. Na época, considerou a carga que um cavalo poderia elevar. Hoje o cavalo-vapor é à potência necessária para elevar um metro de altura uma massa de 75 kg em um segundo.
      Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas fez uma locomativa de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão.

      O motor a vapor foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais ou menos 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945.

      O motor a vapor é uma máquina que transforma a energia térmica do vapor em energia mecânica utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt. O combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão externa o que diminui a poluição. O vapor é admitido por um lado do cilindro e expluso do outro por um sistema de válvulas enquanto o pistão se movimenta.

Hoje em dia os motores dos automóveis são de combustão interna.

Máquina de Wimshurst

   

 A Máquina de Wimshurst é um gerador eletrostático de alta voltagem, desenvolvido entre 1880 e 1883 pelo engenheiro britânico James Wimshurst. A máquina se tornou famosa em laboratórios de Física, onde é utilizada até os dias de hoje para demonstrações sobre os efeitos da Eletricidade estática.

      Esta máquina pertence à uma classe de Máquinas Eletrostáticas, que "geram" cargas elétricas através do fenômeno da indução eletrostática. Foi uma inovação diante de máquinas eletrostáticas anteriores como a Máquina de Holtz e a Máquina de Toepler que tinham tendência à inversão de polaridade em seus terminais, o que não ocorre na Máquina de Wimshurst.

      A máquina possui dois discos feitos com materiais isolantes que giram em sentidos opostos. Nesses discos são fixados diversos setores metálicos cujas bordas são arredondadas a fim de amenizar perdas de energia por efeito corona. Os setores são mais largos nas bordas que no seu interior, o que permite um espaçamento constante entre eles ao redor do disco.

Em frente a cada disco existe uma barra metálica, que são cruzadas uma em relação à outra num ângulo de aproximadamente 60°. Essas barras, chamadas de barras neutralizadoras, possuem em suas extremidades escovas feitas com fios metálicos que tocam os setores da máquina enquanto os discos giram. Quando um setor metálico passa por uma escova ocorre uma influência pelo disco oposto, e por indução eletrostática cargas elétricas opostas às do disco oposto são atraídas para ele. A estrutura gera cargas crescentes nos setores, e as tensões sobem até que ocorra faiscamento.

      As cargas elétricas induzidas são coletadas por barras metálicas em forma de "U", que rodeiam as partes laterais dos discos. Estas barras são os coletores de carga da máquina, e possuem algumas pontas ou dentes metálicos dispostos à frente dos setores da máquina. Pelo efeito do "poder das pontas" grande parte da carga nos setores é "puxada" para os coletores. As cargas são levadas aos terminais da máquina, que possuem um faiscador. Nas extremidades do faiscador são colocadas esferas metálicas, a fim de que a cargas elétricas se concentrem antes de atingir a tensão de faiscamento, formando descargas elétricas vísíveis.

      Uma Máquina de Wimshurst com discos de 30 cm de diâmetro produz até 100.000 volts, com uma corrente elétrica de aproximadamente 20 uA. É comum encontrar conectados aos terminais da máquina pares de capacitores do tipo garrafa de Leyden, com a intenção de se conseguir descargas elétricas maiores e mais intensas devido à carga acumulada neles.

      A Máquina de Wimshurst, assim como outros geradores eletrostáticos, requer toda a estrutura elétrica bem isolada eletricamente, a fim de amenizar perdas da energia elétrica produzida pela máquina. Para isso tanto os discos, como os suportes dos coletores de carga são feitos com materiais altamente isolantes como plástico ou vidro envernizado. Os condutores elétricos da máquina também recebem alguns cuidados especiais para amenizar as perdas de energia, isso é feito evitando-se qualquer ponta ou ângulo agudo da estrutura metálica, impedindo perdas pelo mesmo "poder das pontas" usado nos coletores.