Projeto de aprovação Pibic Bobina de Tesla

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BRUNO DUCATI CASTILHO
TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA SEM FIO
Projeto de pesquisa para submeter ao prêmio Mercosul de ciência e tecnologia.
São José do Rio Preto / SP
Março / 2015
RESUMO
O presente trabalho sugere a construção de uma Bobina de Tesla. Equipamento que torna possível lançar faíscas através do ar, pois os componentes que compõem seu circuito causam transformações na corrente elétrica e amplificam a tensão da mesma. Este projeto tem como escopo, estudar, se familiarizar e compreender o fenômeno do eletromagnetismo, o funcionamento e a compreensão de todos os componentes eletrônicos do equipamento proposto, além de entender como ocorrem as transformações de correntes elétricas, na pratica, além da teoria. 
OBJETIVO
A bobina de Tesla pode proporcionar o fenômeno de manipular o som por meio de faíscas emitidas pelo aparelho, desta forma, tornando possível reproduzir diferentes notas musicais com ela, logo construir uma Bobina de Tesla capaz de lançar faíscas com uma tensão maior de cem mil Volts. Conseguir ligar aparelhos eletrônicos sem que haja nenhum tipo de contato com alguma fonte de alimentação de energia. Apenas com as descargas da Bobina de Tesla, através do ar. Reproduzir musica a partir da variação controlada da tensão elétrica das faíscas, atingindo frequências de vibração desejadas.
INTRODUÇÃO
Nikola Tesla foi um dos maiores inventores da história, na área de engenharia mecânica e eletrotécnica. Fez grandes descobertas referentes ao eletromagnetismo. Muitos de seus trabalhos foram pioneiros nos campos da eletrotécnica, e que hoje fazem parte da engenharia moderna. Suas invenções e descobertas foram indispensáveis para que houvesse a Segunda Revolução Industrial. Dentre as invenções de Nikola Tesla algumas são, o motor de indução, transmissão sem fio, luz neon e fluorescente e a bobina de tesla.
As descobertas feitas por Tesla foram de extrema importância para descobertas futuras de outros cientistas. Ele sonhou dar ao mundo um suprimento ilimitado de energia. Utilizou a força das Cataratas do Niágara para gerar energia e a armazenar. (1)
A pesar de sua grandeza e por ser um dos maiores visionários de todos os tempos, foi um homem ignorado pela história. Tesla descobriu a corrente alternada, que logo substituiu a corrente continua que era utilizada nas redes elétricas das cidades e tinha sido implantada por Thomas Edison quando descobriu a corrente continua.
O propósito da Bobina de Tesla quando foi construída pela primeira vez, era transmitir sinais de rádio pelo ar, mas para ele já não era grande desafio. Então futuramente Tesla tentou transmitir quantidades imensas de energia elétrica por vários quilômetros, sem que seu patrocinador soubesse, mas não obteve sucesso e ficou sem dinheiro e sem patrocínio, morreu aos 86 anos. (1)
Até certo limite, o ar funciona como um isolante elétrico, porém após estre limite, o ar passa a ser um condutor, e a eletricidade o atravessa. Isto se torna possível com uma Bobina de Tesla, com componentes como capacitores, centelhador, transformador e bobinas. Fazendo com que a corrente elétrica ultrapasse cem mil Volts, dessa forma lançando faíscas através do ar. Estas faíscas causam perturbações de diferentes frequências no ar, correspondentes à intensidade da corrente, desta forma, produzindo diferentes notas musicais. 
Como esta bobina pode lançar uma grande quantidade de eletricidade através do ar, seria possível “alimentar” aparelhos e componentes elétricos através do ar, como lâmpadas e recarregar celulares, já que o ar estaria conduzindo corrente elétrica.(2) 
A Bobina de Tesla é uma antena capaz de enviar ondas eletromagnéticas, estudos feitos por Tesla com o seu aparelho de raios, foram importantíssimas, pois foram pesquisas pioneiras no sistema de comunicação, dando a ele, a patente do rádio.
Embora a Bobina de Tesla seja capaz de lançar raios de centenas de milhares de Volts, o choque recebido por este aparelho, é quase imperceptível, pois a intensidade de sua corrente é muito baixa chegando a ordem de alguns miliampéres.
Essa baixa intensidade da corrente elétrica, se deve as transformações que os componentes elétricos dentro do equipamento ocasionam, aumentando a tensão da corrente e consequentemente acaba diminuindo a intensidade da corrente, para que haja este aumento da tensão. (3)
A intensidade de uma corrente elétrica (i) é dada pela quantidade de cargas (dq) que passa em um corpo por um intervalo de tempo (dt), ou seja, (i = dq / dt). (4) 
A tensão elétrica ou diferença de potencial elétrico (ddp) é a diferença de potencial que existe entre dois corpos. Se um corpo está carregado positivamente e outro negativamente, esta diferença de cargas é a tensão da corrente. (5)
A teoria para a reprodução de músicas a partir das faíscas produzidas pela Bobina de Tesla é alimentar a bobina com tensões variadas providas de um aparelho reprodutor de áudio, como um MP3 ou um computador, e em seguida seria a tensão seria amplificada, para então entrar no circuito da bobina. Para que haja a reprodução de notas musicais a partir das faíscas, a tensão deve ser controlada para que a frequência da vibração das faíscas que serão lançadas, sejam correspondentes às notas musicais desejadas conforme a Figura 1.
Figura 1 - Tabela das frequências correspondentes a algumas notas musicais.
Fonte: Google imagens, 2015.
Cada nota musical corresponde a uma Frequência de áudio, a unidade de medida destas frequências é o Hertz (hz). O Hertz é a quantidade de sequencias, ciclos, ondas ou acontecimentos por segundo.
A fórmula da frequência é dada por: 	(6)
A figura abaixo ilustra o circuito elétrico do projeto: 
Figura 2 - Esquema do circuito elétrico que será utilizado para a montagem do projeto.
Fonte: Google imagens, 2015. 
Abaixo segue uma lista dos componentes utilizados para obtenção de uma Bobina de Tesla.
Transformador(T): Os transformadores de tensão, chamados normalmente de transformadores, são dispositivos capazes de aumentar ou reduzir valores de tensão.
Um transformador é constituído por um núcleo, feito de um material altamente irmanável, e duas bobinas com número diferente de espiras isoladas entre si, chamadas primário (bobina que recebe a tensão da rede) e secundário (bobina em que sai a tensão transformada). (7)
Figura 3 - Transformador neon 110V/5kV – 30 mA – 60Htz. O mesmo modelo que será utilizado no projeto.
 
Fonte: Google imagens, 2015
Capacitor(C): Este equipamento é capaz de armazenar energia potencial elétrica durante um intervalo de tempo, ele é construído utilizando um campo elétrico uniforme. Um capacitor é composto por duas peças condutoras, chamadas armaduras e um material isolante, ilustrado na Figura 4. (8)
Figura 4 - Modelo de capacitor simples, que será construído da mesma forma para o projeto.
PLACAS CONDUTORAS
MATERIAL ISOLANTE
Fonte: Google imagens, 2015. 
Centelhador(F): O centelhador é um componente que torna possível a passagem de altas intensidades de corrente, para que isto aconteça, ele ioniza o espaço entre os dois eletrodos, desta forma estabiliza um canal entre eles, permitindo a passagem principal, da corrente.(4) 
Figura 5 - Modelo de centelhador, semelhante ao que será montado para o projeto.
Fonte: Google imagens, 2015. 
Bobina(B1)(B2): A bobina é um conjunto de fios enrolados em espiras que produz um campo magnético e também tem a capacidade de alterar a tensão elétrica da corrente tanto para mais, quanto para menos. (9) 
Figura 6 - Modelo de bobina.
Fonte: Google imagens, 2015. 
Terminal Secundário (S): O terminal secundário é a parte do aparelho, onde se acumulará toda a carga que será descarregada através do ar para outros corpos em forma de faíscas. Um terminal condutor é capaz de ionizar o ar em media com um campo de 30 kV/cm.
Como este terminal secundário armazena carga, ele funciona comoum capacitor. 
A capacitância de um terminal esférico é dada por:
 (4) 
Figura 7 - Modelo de terminal secundário, chamado tiroide.
Fonte: Google imagens, 2015. 
De acordo com a altura pré-estabelecida da bobina de 50 cm, pode-se determinar o diâmetro ideal da bobina secundária.
O diâmetro ideal da bobina secundária é dado pela razão:
 4,8 cm de comprimento : 1 cm de diâmetro.
Logo, se a altura da bobina terá 50 cm, o diâmetro devera ser de aproximadamente 10,5 cm = 4 polegadas.
O fio de AWG 24 tem 0,57054 mm de espessura, ou seja, serão precisos = 17,52 Espiras para cada cm.
Logo serão 876 Espiras ao redor do tubo de PVC, compondo a bobina secundária.
O comprimento do fio que será utilizado na bobina é de aproximadamente 289 metros.
A capacitância do capacitor a ser utilizado deve ressonar na mesma indutância e na mesma frequência que o transformador neon para que o projeto tenha um melhor desempenho.(10)
Para isso é necessário calcular a Resistencia do transformador.
A resistência de um equipamento ou objeto é a forma que o corpo resiste à corrente elétrica, a forma como a corrente vai passar através do corpo que está recebendo a corrente. (11)
A Resistencia elétrica é dada pela formula 
Sendo : Resistencia elétrica (Ω / Ohm);
 : Tesão da corrente(Volts);
 : Intensidade da corrente(Ampere);
Logo:
(10)
Determinando a capacitância do capacitor:
A capacitância de um corpo é a quantidade máxima de energia que pode ser acumulada em uma tensão dentro de um corpo, sua unidade de medida é o Farad (F), porem esta é uma unidade de medida muito grande, então geralmente são utilizados seus submúltiplos, como o nanofarad, que equivale a Farad (nF). (12)
A capacitância do capacitor é dada por:
Sendo:
C = Capacitância.
f = frequência da corrente.
R = Resistencia elétrica.
Logo:
(10)
Calculando a indutância e a auto-capacitância da bobina secundaria:
A indutância de um corpo é o fluxo da corrente que passa por uma bobina, dependendo da quantidade de espiras e de sua geometria. Sua unidade de medida é dada em henry (H). (13)
A fórmula da Indutância é dada por: 
Sendo:
L = Indutância da bobina em microhenrys (µH). 
N = Número de espiras. 
R = Raio da bobina em polegadas.
H = Altura da bobina em polegadas.
Logo:
 (10)
O calculo da capacitância é dado por:
Logo:
 (10)
Para descobrir qual deve ser a capacitância a ser utilizada no terminal secundário, devesse calcular primeiramente a frequência da corrente que passa pela bobina secundária em ¼ de comprimento de onda.
Para calcular esta frequência utilizasse a formula:
Logo:
Calculando a capacitância do terminal secundário.
A fórmula a ser utilizada é:
Sendo:
C = Capacitância do terminal.
F = frequência da corrente.
L = Indutância elétrica da bobina secundária.
Logo:
 	(10)
Calculando o raio do terminal secundário pela sua capacitância:
A capacitância de um terminal esférico é dada por:
Logo:
Calculando a indutância necessária para a bobina primaria.
Sendo:
C = Capacitância do capacitor.
Logo:
(10)
Para calcular a altura perfeita da bobina primaria para este projeto é dada pela fórmula:
O raio utilizado será em media 4,75 pol.
O numero de aspiras será 15.
Logo:
(10)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O transformador aumenta a tensão da corrente de 110 Volts para milhares de Volts, que logo em seguida o capacitor é recarregado, a energia do capacitor é descarregada para o centelhador. Então uma tensão de alta intensidade passa por uma primeira bobina com o filamento grosso e poucas espiras, criando um campo magnético, que induz uma segunda bobina. Esta segunda bobina tem um filamento bem mais fino em relação à primeira, e com uma quantidade de espiras muito maior, fazendo com que a tensão final ultrapasse centenas de milhares de Volts. (14) 
Primeiramente é construída a bobina secundária feita de fio AWG 24 esmaltado 0,4 mm, enrolado envolta de um cano de PVC, 50 cm de altura. Em seguida a bobina deve ser esmaltada com verniz isolante. Este verniz isolante deve ser aplicado em duas mãos e deve ser borrifado para um melhor aproveitamento e para que o verniz tenha maior eficiência. (15)
Figura 8 - Bobina secundaria semelhante a que será utilizada no projeto.
Fonte: Google imagens, 2015.
A bobina primaria ficará na base da bobina secundária deverá ser constituída de um fio AWG 2 esmaltado 6,3 mm, este fio deve ter em media 9 espiras, ao redor da base da segunda bobina.(15)
Figura 9 - Bobina primária que será montada de forma semelhante para o projeto.
Fonte: Google imagens, 2015.
Os capacitores serão montados a partir de, uma chapa de vidro ou acrílico, de espessura 3 mm, 45x45 cm. Esta chapa será revestida de papel alumínio dos dois lados. Este processo é repetido de forma análoga mais três vezes com mais três chapas iguais. Os capacitores serão ligados em uma associação em paralelo. (16)
O centelhador pode ser feito de dois eletrodos de solda fixados por um material não condutor, com distância regulável (ajustável). (Figura 5). O transformador a ser utilizado deverá conter entrada de 110V, com saída de pelo menos 4000V, 30mA, para que seja compatível com a o circuito da Figura 2. (16)
As duas Fases do transformador são encaixadas nas no capacitor, a saída do capacitor é encaixada na entrada do centelhador, a saída do centelhador encaixa na entrada da bobina primaria e a sua saída fecha o circuito na entrada do capacitor.(16) Como ilustra a figura abaixo:
Figura 10 – Estrutura e montagem do circuito e as peças da Bobina de Tesla.
Fonte: Google imagens, 2015. 
Figura 11 - Bobina de Tesla já construída, e em funcionamento. Em tamanho semelhante ao que será construído.
Fonte: Google imagens, 2015. 
CUSTEIO DO PROJETO
Para a elaboração do projeto, segue uma estimativa de orçamento para a construção da Bobina de Tesla.
ORÇAMENTO
Transformador Eletrônico 110V/ 4000V, 30ma – R$ 220,00
Placas de acrílico – R$ 60,00
Fio esmaltado 24 AWG – R$ 40,00
Fio esmaltado 2 AWG – R$ 40,00
Cano de PVC 4" – R$ 30,00
Eletrodo de solda – R$ 35,00
Verniz Isolante – R$ 55,00
Total: R$ 260,00
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
(1)<https://www.youtube.com/watch?v=KCYgCU6eJHM> Acesso em: 2. Mar. 2015
(2)< http://www.abenge.org.br/cobenge-2014/Artigos/128937.pdf> Acesso em: 2. Mar. 2015
(3)< http://pt.slideshare.net/grego100/bobina-de-tesla> Acesso em: 2. Mar. 2015
(4)<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/corrente.php> Acesso em: 3. Mar. 2015
(5)< http://www.infoescola.com/fisica/tensao-eletrica/> Acesso em: 3. Mar. 2015
(6)GUSSOW, M. Eletricidade Básica. 2ª edição. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. p. 282-284.
(7)<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/transformadores.php> Acesso em: 4. Mar. 2015
(8)<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/capacitores.php> Acesso em: 4. Mar. 2015
(9)<http://www.electronica-pt.com/bobina>Acesso em: 4. Mar. 2015
(10)<http://www.uece.br/fisica/index.php/arquivos/doc_view/138-a-versatilidade-da-bobina-de-tesla-na-pratica-docente-do-ensino-de-isica?tmpl=component&format=raw> Acesso em: 5. Mar. 2015
(11)< http://www.infoescola.com/eletricidade/impedancia-eletrica/> Acesso em: 6. Mar. 2015
(12) GUSSOW, M. Eletricidade Básica. 2ª edição. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. p. 346-347.
(13) GUSSOW, M. Eletricidade Básica. 2ª edição. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. p. 307-309.
(14)<http://manualdousuariodk.blogspot.com.br/2011/03/u-introducao-bobina-de-tesla-e-um.html> Acesso em: 7. Mar. 2015
(15)<https://www.youtube.com/watch?v=nNXMv2VL6S0> Acesso em: 7. Mar. 2015
(16)<https://www.youtube.com/watch?v=peSi6XWlTtY> Acesso em: 7. Mar. 2015