Relatório de PI 4 - Bobina de Tesla

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS ARAPIRACA
DAVI CIPRIANO DA SILVA
JADIELSON FLORENTINO DA SILVA
JOSÉ VALTER SANTOS COSTA
MAXIMINE SOARES DA SILVA
MANOEL BISPO DOS SANTOS NETO
PAULO VICTOR DOS SANTOS LIMA
BOBINA DE TESLA
ARAPIRACA-AL
2019
Resumo: Três invenções foram escolhidas pelos alunos da Universidade Federal de
Alagoas e uma delas foi a Bobina de Tesla Musical. Este artigo mostrará uma breve
introdução sobre o cientista Nikola Tesla; toda a física e programação por trás de sua
principal invenção: A Bobina de Tesla; sua intenção com a bobina; quais são as
aplicações hoje; os dados analisados com a réplica feita e curiosidades sobre o seu
funcionamento.
Palavras-chaves: Invenções, física e programação.
Abstract: Three inventions were chosen by the students of the Federal University of
Alagoas and one of them was the Tesla Musical Coil. This article will show a brief
introduction about the scientist Nikola Tesla; all the physics and programming behind
his main invention: The Tesla Coil; your intention with the coil; what the applications
today are; the data analyzed with the replica made and curiosities about its operation.
Keywords: Inventions, physics and programming.
Introdução
Nascido no finado Império Austro-Húngaro, onde hoje seria a Croácia, em 1856
durante uma tempestade de raios, segundo a lenda, Nikola Tesla teve seu primeiro
contato com a eletricidade na Universidade de Praga onde estudou engenharia elétrica
até o terceiro ano, desistindo depois de assistir às aulas. Solteiro pela vida toda, pois
dizia que isso era proveitoso às suas ambições e capacidades científicas, acredita-se que
ele tinha uma memória fotográfica e podia decorar livros inteiros ao lê-los apenas uma
vez; além disso, tinha uma condição que fazia com que enxergasse clarões de luz que o
cegavam, alucinações, e que lhe traziam inspiração e ideias. Além disso, ele era capaz
de enxergar uma invenção completamente pronta em sua mente antes de começar a
esboça-la em um papel.
Acredita-se também que ele tivesse transtorno obsessivo compulsivo, insônia (dizia
dormir apenas 2 horas por noite, embora fossem apenas cochilos), além de outras
manias e fobias, por exemplo: Não tocava em cabelos; não gosta de pérolas -
despedindo uma secretária por ir trabalhar com um colar, uma vez -, fazia as coisas de
acordo com o numeral 3 e nunca ficava em um quarto de hotel divisível pelo número.
Atualmente, através dos relatos, seus biógrafos acreditam que ele era misofóbico, ou
seja, tinha completo pavor em entrar em contato com sujeira ou qualquer coisa que não
julgasse estar higienicamente seguro. Antes de cada refeição ele polia cada utensílio até
chegar à perfeição, utilizando 18 guardanapos (múltiplo de 3).
Chama a atenção, também, sua obsessão por pombos, alimentando-os regularmente no
Central Park, em Nova Iorque, com sementes especiais que encomendava. Ele
costumava, inclusive, levá-los ao seu quarto e os cuidar. Além da memória eidética e
talento para a física, Tesla também era poliglota. Falava 8 idiomas com fluência: sérvio,
checo, latim, italiano, alemão, húngaro, francês e inglês.
Um de seus primeiros trabalhos foi na Companhia Nacional de Telefones, sendo o
eletricista-chefe da empresa e engenheiro do primeiro sistema telefônico do país. Nesta
época desenvolveu um aparelho que pode ser taxado como um repetidor ou
amplificador de telefone, ou ainda, pode ser considerado o primeiro alto-falante do
mundo. No entanto ele não divulgou ou publicou esse invento.
Nos anos de 1880, trabalhou na França e depois nos Estados Unidos, onde foi assistente
do famoso Thomas Edison. Thomas Edison contratou Tesla para resolver problemas
que ele estava tendo com corrente contínua em geradores e motores. Se Tesla resolvesse
o problema ganharia cerca de 50 mil dólares - o que corresponderia a 1 milhão de
dólares em valores atuais -, essa era a promessa. Quando Tesla consertou os problemas
de Edison e perguntou sobre seu dinheiro, recebeu a seguinte resposta: "Tesla, você não
entende o humor americano". Para ele a promessa era uma piada e nunca foi paga. Tesla
não se abateu, continuou suas pesquisas, e hoje, podemos ter luz elétrica em nossa casa
graça à invenção e aplicação da corrente alternada desenvolvida por ele quando fora
contratado pela Westinghouse para criar a linha de transmissão e viabilizar o primeiro
sistema hidrelétrico do mundo. Na ocasião recebeu 1 milhão de dólares pela venda de
suas patentes a George Westinghouse.
O seu sistema de corrente alternada recebeu críticas duríssimas de Edison que
dizia que ele era ineficiente e não devia ser levado a sério. O sistema de corrente
contínua tinha sido criado por Edison e era o padrão adotado nos Estados Unidos, com a
mudança do padrão ele perderia muito dinheiro. Assim começava a famosa Guerra das
Correntes. Segundo o sistema de Thomas Edison de corrente contínua, precisaríamos de
uma usina de energia elétrica a cada quilômetro quadrado. Já o sistema de corrente
alternada de Tesla usava cabos menores, alcançava maiores voltagens e podia transmitir
energia elétrica a distâncias muito maiores. Frente a essa perda de dinheiro, nome e
prestígio, Thomas Edison resolveu se mexer e tomou uma atitude: Começou a pagar 25
centavos por cada cachorro ou gato que garotos trouxessem vivo para ele. Depois, em
uma exibição pública, eletrocutou todos usando a corrente alternada de Tesla, além de
cavalos e até elefantes. Ele queria mostrar como era perigoso sistema de corrente
alternada e convencer a opinião pública de que não era segura para se ter em uma casa.
A propaganda negativa foi tão forte que, na época, o estado de Nova Iorque passou a
utilizar a eletrocussão por corrente alternada como método de execução de condenados.
O sistema de Tesla era mais barato e funcional e foi adotado não só nos EUA, como em
diversos países, caminhando para ser o padrão global. Por isso, Tesla é o verdadeiro pai
da era da eletricidade. Ainda na época da Guerra das Correntes, época de muita
criatividade para ele, Tesla desenvolveria diversas aplicações para seu uso de corrente
alternada, como: motor elétrico; o princípio da criação de energia elétrica através de um
campo magnético rotativo; ignição elétrica de motores à gasolina; o motor assíncrono
giratório; comutadores elétricos; bobina de Tesla; entre outras.
Após a briga contra Edison, em 1895, seu laboratório pegou fogo
misteriosamente, junto de todas as suas pesquisas. Suspeitasse até hoje que fora causado
por alguma grande companhia do ramo da eletricidade, já que após o incêndio, o que
sobrou foi "sem querer" atropelado por tratores. A motivação seria a pesquisa dele em
energia gratuita a todos.
Em seus estudos Nikola Tesla descobriu, em um de seus momentos de genialidade, uma
forma de conceder energia elétrica wireless grátis para todo o planeta através de uma
torre que seria construída perto de Nova Iorque. O projeto saiu do papel e chegou a ter a
torre e o prédio prontos, porém empacou em um detalhe: O empresário que estava
financiando a construção da torre decidiu encerrar o projeto quando se deu por conta de
que não teria como regular essa energia, e, portanto, como cobrar por ela e lucrar com
isso. Hoje, cientistas, físicos e engenheiros elétricos dizem que aquilo seria impossível,
que por não fazer cálculos no papel, ele não conseguiu ver um detalhe banal: ao passar
para o ar, a energia rapidamente se esvaneceria.
O italiano Guilherme Marconi pegou o trabalho desenvolvido por Tesla e
patenteou em 1896. Continha todos os diagramas esquemáticos descrevendo todos os
elementos básicos do transmissor de rádio, porém fez algumas pequenas modificações.
Ficou mundialmente famoso ao mandar a primeira mensagem transatlântica da história.
Ao ser perguntado sobre o que sentia, Tesla disse: "Marconi é um bom amigo. Deixem-
no continuar. Ele está usando 17 das minhas patentes".Porém, Marconi recebeu um
prêmio Nobel por isso. Prêmio que deveria ser de Tesla (e essa não foi a primeira vez
que ele perdeu um Nobel, já que a discussão e os avanços decorrentes da questão
corrente alternada/contínua gerou o prêmio para ele e Edison. O prêmio não foi
entregue, pois a Academia de Ciências não concordou em dividir o Nobel e ele foi
repassado a um terceiro pesquisador - Willian Bragg). Ao perder a honraria para
Marconi - e a grande soma em dinheiro - ele teria dito: "Marconi é um asno".
Embora hoje ele não tenha o reconhecimento que lhe foi devido, na sua época, foi uma
celebridade, morando por diversos anos no Waldorf Astoria, onde organizava jantares
com pessoas famosas que seriam as testemunhas de suas descobertas. Certa feita,
perguntaram a Albert Einstein como era se sentir o homem vivo mais inteligente, a
resposta foi: "Eu não sei, você vai ter que perguntar a Nikola Tesla".
E mesmo com toda essa história de vida surpreendente, Tesla não tem o
reconhecimento que merece. Vivendo em uma época que somente invenções rentáveis e
vendáveis eram "legais". Suas invenções não eram aquelas que poderiam aperfeiçoar
um produto e vender mais e mais, elas eram revolucionárias. Por toda sua vida ele foi
leal e compreensivo com aqueles que o tentaram passar para trás, e mais, não via o lucro
como principal motivação das suas pesquisas. Em seus últimos anos de vida ele passava
dias e noites sozinho em seu laboratório, que era o único modo de ele estar realmente
feliz. Tesla morreu alucinado, pobre, considerado louco por muitos, sozinho em um
quarto de hotel em Nova Iorque. Pagando o preço por ser um humanitário durante toda a
sua vida, por tentar levar tudo de graça às pessoas, chegou ao fim de seus dias vivendo
apenas de leite e bolachas. E assim, em 7 de janeiro de 1943, acabou a vida de um dos
maiores gênios da humanidade: Vivendo na pobreza e conversando com pombos
imaginários.
Ainda hoje existem diversas invenções que são classificadas como sigilosas pelo
governo americano e que não foram entregues à família após sua morte, gerando muitas
especulações sobre invenções fantásticas. Invenções essas que seriam mantidas no
escuro devido à pressão das grandes petroleiras ou por outros assuntos tão sensíveis
quanto. Outro episódio ligado a Guerra Fria foi o sumiço de algumas de suas pesquisas.
Os EUA temiam que a União Soviética tivesse ficado com suas ideias e estivesse as
desenvolvendo.
Hoje ele tem um museu fundado em seu nome, com suas invenções e memória. No
museu são realizadas diversas experiências e demonstrações. Em 2006 o terreno em que
foi levantada a torre de eletricidade gratuita de Tesla, foi posto à venda. A internet, foi a
novidade que só foi possível pelas criações de Nikola Tesla. Atualmente, muitos sites
estão em busca de 10 milhões de dólares para criar "um centro de ensino de ciência e
um museu digno de Tesla e seu legado." E parece que a ideia vai sair do papel, já que
Elon Musk, fundador da Tesla Motors - maior e mais promissora montadora de carro
elétricos do mundo - doou 1 milhão de dólares em troca de uma estação de
abastecimento de carros no local.
A Bobina de Tesla, que foi criada por Nikola Tesla por volta de 1890, é um
transformador ressonante capaz de produzir tensões altíssimas a uma elevada
frequência. É mais comumente composto por um transformador com núcleo de ar, um
capacitor primário, um centelhador, uma bobina primária e uma bobina secundária. O
funcionamento se dá da seguinte maneira: o transformador carrega o capacitor e
aumenta a tensão da rede, que é transferida para um centelhador que descarrega sobre a
bobina primária. Esta bobina é montada próxima à base da bobina secundária que é
ligada a terra. Os dois circuitos precisam ser ajustados para ressonar na mesma
frequência.
Aos poucos a energia que está oscilando com baixa tensão e alta corrente na
bobina primária é transferida à bobina secundária, que apresenta oscilação de baixa
corrente e alta tensão. Quando a energia se extingue no circuito primário a sua
oscilação, que está apenas no secundo circuito, alimenta faísca e corona de alta
frequência. Esta combinação de alta frequência e alta tensão pode gerar um campo
elétrico alto, capaz de ionizar o ar e se propagar como faíscas.
Tesla pensava em usar sua bobina para transmitir energia a longas distâncias, sem
utilizar, para isso, fios. Chegou a pensar em utilizá-la em comunicações também sem o
uso de fios, embora isso não fosse seu principal interesse. Na verdade, as primeiras
tentativas de transmissão se sinais por ondas eletromagnéticas, valeram-se da bobina de
testa, entretanto, a relação sinal/ruído era muito alta.
Atualmente, ela é utilizada na abordagem de conceitos como a quebra da rigidez
dielétrica do ar, circuitos ressonantes, transmissão de energia pelo ar, ionização de
gases, relâmpagos artificiais, e a geração, transmissão e recepção de ondas
eletromagnéticas.
Protótipo Mark I
A réplica simplificada da bobina de tesla começou a ser montada no dia 15 de
julho de 2019, numa tarde de segunda-feira e foi parcialmente concluída em com seus
últimos ajustes no dia 16 de agosto de 2019. O projeto completo em si demorou cerca
de 2 meses e 1 dia, desde seu planejamento até o estudo do conteúdo do funcionamento
físico da bobina.
Materiais, ferramentas e EPIs
Para a construção da Mark I foi utilizados os seguintes materiais:
 Aproximadamente 10 metros de fio rígido de 4 mm;
 11 capacitores: 10 multi mini poliéster (capacitores eletroestáticos) de 7,5 μF
/1600 V e 1 eletrolítico de 1000μF/25 V;
 3 garras jacaré pequenas;
 3 resistores: 1 de 220Ω/
1
4W, 1 de 33
Ω/ 2W e 1 de 1200Ω/ 
1
4W;
 3 tampões para cano pvc de 75 mm diâmetro;
 2 canos: 1 de pvc de 50 cm de altura por 75 mm de diâmetro e 1 soldável de 15
cm de altura por 25 mm de diâmetro;
 23 parafusos: 10 para madeira de cabeça estrelada Nº 5, 9 para madeira de
cabeça estrelada Nº4 e 4 pequenos para chave de fenda;
 2 transistores: 1 modelo bc 548 e 1 modelo npn 2n3055;
 Aproximadamente 450 m de fio de cobre esmaltado AWG 30;
 9 pedaços de madeira: 2 quadrados de compensado de 25x25 cm por 10 mm de
espessura; 2 retangulares de compensado de 25x5 cm por 10 mm de espessura; 4
rígidas de 15 cm de altura por 2,5 cm de espessura e 1 em formato de trapézio de
3 cm de altura por 19 cm de espessura; 
 2,5 m de estanho;
 1 arduíno mega com um cabo usb e dois pinos de encaixe;
 1 interruptor;
 4 diodos modelo 1n 4007;
 Aproximadamente 60 cm de eletrodulto corrugado de 
1
4
' ';
 Aproximadamente 2 m de folha de papel alumínio;
 1 transformador AC de entrada 110 ou 220 V/1 A e saída 15 V/800 mA;
 Fios de cobre encapados não rígidos;
 1 flayback modelo JF 0501-19277;
 1 fita isolante;
 Pasta térmica;
 1 dissipador de calor;
 1 prendedor de fio;
 Tinta branca a base de água;
 1 tomada macho de 1 m;
 1 m de arame galvanizado;
 1 tampa de plástico.
As ferramentas utilizadas para a construção da replica da Bobina de Tesla foram:
 1 serra;
 1 lixa Nº 50 para madeira;
 1 Ferro de solda;
 1 makita com disco de serra;
 1 furadeira com brocas de ferro Nº 4 e Nº 5;
 2 Chaves para parafusos: 1 de fenda e 1 de estrelada;
 1 Régua de 30 cm;
 1 trena de 1 m;
 1 caneta;
 1 estilete.
Além dos materiais e ferramentas, foram também utilizados alguns EPIs (Equipamentos
de proteção Individual):
 1 par de luvas;
 1 óculos de proteção;
 1 par de botas.
Montagem
A montagem foi constituída ao longo de vários dias com muitos testes,
imprevistos, entre outros fatores que dificultou a montagem do projeto. Os circuitos
foram os primeiros a serem montados. Para o teste do faiscador a princípio, foi utilizado
uma fonte de corrente contínua de uma bateria de 9 V, mas por não se obter um bom
desempenho, a bateria foi substituída porum transformador AC de entrada 110 ou 220
V/1 A e saída 8,5 V/300 mA. Pelo fato do transformador ter esquentado muito e não se
ter um resultado agradável durante os testes, foi optado pela troca por outro
transformador melhor já citado. O processo da montagem do circuito completo durou
desde o seu início até a montagem final da bobina (sem o arduíno), incluindo nesse
processo reparos e atualizações para um melhor desempenho.
A base de madeira foi projetada com algumas modificações em relação ao vídeo
que serviu como embasamento do projeto, tendo uma altura maior a fim de comportar
todos os componentes do circuito com folga.
As bobinas primária (de 18 espiras) e secundária (de 1540 espiras) foram unidas
não só pelo campo eletromagnético gerado por elas quando estão em funcionamento,
mas também pelos fios não rígidos, afim de que elas ficassem com uma frequência
sincronizada. Encaixando ambas na base e no circuito, a Bobina de Tesla fica
praticamente pronta faltando-lhe apenas um toróide no topo da bobina secundária.
O toróide feito com o eletroduto, papel alumínio, fita isolante, arame galvanizado,
tampão, parafuso e a tampa de plástico, conduziu a centelha a um único terminal: ao
arame galvanizado deixado propositalmente com um comprimento de 9 cm
(funcionando como um agulha de corona), como era previsto, a fim de que evitasse
acidentes com as descargas geradas.
Com a Mark I praticamente pronta, podendo ainda ficar melhor, se fez necessário
copiar, modificar e organizar alguns códigos de linguagem de programação C, a fim de
que esses códigos fossem enviados para a placa de comando (arduíno) e transformados
em uma frequência sonora para que ela se modele na mesma frequência da centelha da
bobina, fazendo assim com a bobina toque músicas.
Figura 1. Protótipo Mark I montada sem arduino.
Funcionamento
A fonte de corrente alternada AC chega pela tomada com 220 V, passando pelo
transformador, saindo 15 V. O potencial é aumentado para 20 V quando a corrente
passa pela associação de diodos juntos com o capacitor eletrolítico, indo assim ou não
(dependendo da posição do interruptor) para o transistor npn 2n3055 e para a associação
de resistores em série de 253 Ω. A corrente irá percorrer as 5 espiras enroladas no
núcleo de ferrite do flyback, chegando assim no coletor do mesmo transistor. A parte da
corrente elétrica que passou pelos primeiros 220 Ω, foi para as outras 2 espiras
conectadas também ao núcleo de ferrite que está ligada a base do transistor. A outra
parte da corrente que passou pelos 33 Ω restantes foi para emissor do transistor
conectado junto com o fio negativo, conectado ao terminal negativo do interruptor. O
terminal positivo do flyback se conecta com uma ponta do faiscador, enquanto o
terminal negativo do flyback se conecta na outra ponta. O transistor bc 548 é conectado
no transistor npn da seguinte forma: O emissores de ambos transistores são conectados,
também são conectados o coletor do transistor bc 548 e a base do transistor npn 2n3055.
A base do transistor bc 548 é associada em série com o resistor de 1200 Ω conectado
com a porta analógica 8 do arduíno (saída de áudio). A porta GND do arduíno é
conectada com o emissor do transistor npn 2n3055, junto com o terminal negativo e a
associação de resistores de 253 Ω. O arduíno será alimentado pela usb da fonte de um
notebook (podendo ser qualquer fonte que conecte usb, mas para o upload dos códigos,
alimentação pelo notebook se torna mais viável). A associação de capacitores
eletroestáticos (três associações em paralelo, com duas delas com 3 capacitores em série
e uma com 4 capacitores também em série), está conectada na ponta positiva do
faiscador. Dos capacitores, a corrente elétrica segue para o espiral no sentido horário da
bobina primária que está com 10° de inclinação em relação a horizontal. Depois a
corrente segue para dois caminhos: um para o terminal negativo do flybck que está
conectado com o terminal negativo do interruptor, fechando assim o circuito; e o outro
para as espiras orientadas no sentido anti-horário da bobina secundária, subindo até o
toróide que se ioniza e libera a descarga elétrica, modulada pela mesma frequência do
código musical, pelo arame galvanizado (agulha de corona).
Figura 2. Malha de circuito completo Mark I
A física por trás
Corrente alternada AC: É um tipo de corrente elétrica em que o fluxo de elétrons
que atravessa um condutor tem sentido variante possuindo a característica de ser
variante no tempo, ou seja, não segue um sentido único. A corrente que chega em
domicílios, por exemplo, é do tipo alternada. Isso porque a corrente precisa percorrer
longas distancias, da usina de geração de energia até chegar à tomada. Quando essa
energia é transmitida por uma corrente alternada, ela não perde muita força no meio
caminho. Ao contrário da corrente contínua, em que ocorre um grande desperdício de
energia devido ao fato da pequena variação no caminho percorrido. Quanto maior a
voltagem da corrente, maior será a capacidade de percorrer maiores distancias. Na
corrente alternada, os elétrons se movimentam para frente e para trás podendo alterar de
sentido 120 vezes por segundo. Essa variação é essencial, pois os transformadores que
existem numa linha de transmissão só funcionam recebendo esse fluxo de elétrons
alternado. Dentro do transformador, a voltagem da energia transmitida é aumentada,
permitindo que ela viaje longe, desde uma usina até os domicílios, fabricas,
estabelecimentos, entre outros.
Corrente contínua: Uma corrente é considerada contínua quando não altera seu
sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa. A maior parte dos circuitos
eletrônicos trabalha com corrente contínua. Diz-se que uma corrente contínua é
constante, se seu gráfico for dado por um segmento de reta constante, ou seja, não
variável. Este tipo de corrente é comumente encontrado em pilhas e baterias. Embora
não altere seu sentido as correntes contínuas pulsantes passam periodicamente por
variações, não sendo necessariamente constantes entre duas medidas em diferentes
intervalos de tempo.
Transformador: São equipamentos utilizados na transformação de valores de
tensão e corrente, além de serem usados na modificação de impedâncias em circuitos
elétricos. O principio de funcionamento de um transformador é baseado nas leis de
Faraday e Lenz, as leis do eletromagnetismo e da indução eletromagnética,
respectivamente. Estes equipamentos possuem mais de um enrolamento, sendo que
estas partes são chamadas de primário e secundário em casos de transformadores com
dois enrolamentos ainda havendo transformadores que possuem três enrolamentos.
Existem diversos tipos de transformadores: os monofásicos, que operam no máximo em
duas fases (127V -220V ); os trifásicos (ou de potência), que funcionam em três fases
(220V-380V-440V) e são aplicados na transformação de tensão e corrente, em que
eleva-se a tensão e diminui-se a corrente, assim diminuindo a perda por Efeito Joule
(perdas por sobreaquecimento nos enrolamentos); os autotransformadores, que tem o
seu enrolamento secundário ligado eletricamente ao enrolamento primário e os de baixa
potência, que são utilizados unicamente para diminuir impedâncias de circuitos
eletrônicos. Além de serem classificados de acordo com o fim a ser usado, ainda existe
a classificação de acordo com o núcleo. Os tipos de transformadores de acordo com o
núcleo são: os de núcleo de ar, cujos enrolamentos ficam em contato com a própria
atmosfera e os de núcleo ferromagnético, onde são usadas chapas de aço laminadas.
Diodo: Um diodo é um componente eletrônico que permite a passagem da
corrente elétrica somente em um sentido. Um diodo é análogo a uma válvula que só
deixa a água fluir em um sentido, ou seja, o diodo faz amesma coisa com a corrente
elétrica. O diodo é um componente com 2 terminais, onde o próprio símbolo
esquemático indica qual é a polaridade. Observando o símbolo do diodo, será possível
visualizar um triângulo que forma uma pequena seta, indicando em que sentido a
corrente elétrica é permitida. Nos diodos a corrente flui do anodo para o catodo. O
diodo tem diversas aplicações e uma delas é atuar como um retificador, convertendo
tensão alternada em contínua, ele gasta um pouco de energia para trabalhar e quando a
corrente flui através do diodo, alguma potência sempre é dissipada em forma de calor.
Capacitores: Capacitores são dispositivos utilizados para o armazenamento de
cargas elétricas. Existem capacitores de diversos formatos e capacitâncias. Não
obstante, todos compartilham algo em comum: são formados por dois terminais
separados por algum material dielétrico. Os capacitores são utilizados em diversas
aplicações tecnológicas. Quando ligados a uma diferença de potencial, um campo
elétrico forma-se entre suas placas, fazendo com que os capacitores acumulem cargas
em seus terminais, uma vez que o dielétrico em seu interior dificulta a passagem das
cargas elétricas através das placas. A função mais básica do capacitor é a de armazenar
cargas elétricas em seu interior. Durante as descargas, os capacitores podem fornecer
grandes quantidades de carga elétrica para um circuito. Os capacitores levam um
pequeno tempo para serem carregados completamente, entretanto, sua descarga
geralmente é rápida. Por isso, os capacitores são largamente usados em dispositivos
eletrônicos que demandam grandes intensidades de corrente elétrica, como aparelhos de
som de alta potência. Além de sua função mais fundamental, os capacitores podem ser
usados para implementar temporizadores, retificadores de corrente elétrica, filtros de
linha, estabilizadores entre outros. Os capacitores podem diferir em seu formato bem
como em seu dielétrico. O meio que é inserido entre as placas de um capacitor interfere
diretamente em sua capacidade de armazenar cargas elétricas. Meios que apresentam
altas constantes eletrostáticas. Estes são alguns tipos de capacitores:
 Capacitores eletrolíticos: contêm finas camadas de alumínio, envolvidas em
óxido de alumínio e embebidas em eletrólitos líquidos.
 Capacitores de poliéster: são um tipo de capacitor bastante compacto, formado
por folhas de poliéster e alumínio.
 Capacitores de tântalo: têm uma vida útil mais longa, usam como dielétrico o
óxido de Tântalo.
 Capacitores de óleo: foram os primeiros tipos de capacitores e, assim como os
capacitores de papel, deixaram de ser usados por serem pouco práticos ou
confiáveis.
 Capacitores variáveis: são os que possuem válvulas capazes de controlar a
distância entre as placas ou a sua área de contato, largamente utilizados em
aparelhos valvulados, como rádios e televisores antigos.
 Capacitores cerâmicos: feitos em formato de disco, são formados de placas
condutoras que envolvem um meio como papel, vidro ou ar. Capacitor de placas
paralelas
 Capacitor de placas paralelas: é o tipo de capacitor que apresenta geometria mais
simples. Esse tipo é formado por uma armadura, feito de material condutor e
envolto em um meio dielétrico, de alta resistência elétrica (como o vácuo, papel,
borracha, óleo, etc).
A propriedade que mede a eficiência de um capacitor em armazenar cargas é a
capacitância. A capacitância é uma grandeza física medida em unidades de Coulomb
por Volt (C/U), mais conhecida como Farad (F), em homenagem ao físico inglês
Michael Faraday.
Transistor: O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas, muito
utilizado na construção de chips eletrônicos para as mais variadas aplicações. Composto
principalmente de silício ou germânio, o transistor é empregado em processos de
amplificação e produção de sinais e em operações de chaveamento. Um transistor pode
ser criado pela união de três materiais semicondutores obtidos pela adição de impurezas,
alternando entre os do tipo P (que apresentam a polaridade positiva) e do tipo N (que
apresentam a polaridade negativa). Desta forma são originados os dois tipos principais
de transistores usados na eletrônica, que são o transistor PNP e o transistor NPN.
Transistor Bipolar de Junção – TBJ é a categoria de transistor que recebe essa
denominação por possuir duas junções PN combinadas e por envolver tanto cargas
positivas, quanto cargas negativas no processo de condução. Os dois tipos de TBJ mais
comuns são os NPN e os PNP. Nos transistores PNP, a corrente é composta
majoritariamente de cargas positivas (lacunas), enquanto que nos NPN a corrente é
composta majoritariamente de elétrons. Em ambos os casos há também um fluxo de
cargas minoritárias. Os três terminais do transistor bipolar de junção são denominados
base, coletor e emissor. O terminal da base é responsável por controlar o processo de
condução, enquanto que o emissor e o coletor são os terminais de entrada e saída da
corrente principal de condução. A ordem dos terminais em cada transistor pode alternar
entre modelos, tipos e fabricantes diferentes. Outro tipo de transistor muito utilizado é o
FET, que diferente do TBJ, é controlado de acordo com a tensão no seu terminal de
controle (gate). Esse dispositivo possui três terminais: o gate, que é análogo a base; o
source, que possui a mesma função do emissor; e o drain que possui a mesma função do
coletor. O Transistor de Efeito de Campo - FET é um dispositivo unipolar, ou seja, sua
condução envolve apenas um tipo de carga por vez. Não há junções PN definindo o tipo
de carga conduzida, apenas um canal semicondutor de ligação entre source e drain. Essa
característica origina os dois principais tipos de FET, os de canal N (conduzem elétrons)
e os de canal P (conduzem lacunas). Há dois tipos principais de transistores de efeito de
campo: o JFET (Junction Field Effect Transistor), que traduzindo é Transistor de Junção
de Efeito de Campo; e o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) que traduzindo é Transistor de Efeito de Campo de Metal Oxido
Semicondutor. Ambos os transistores são mais compactos que o TBJ e possuem como
característica predominante nas aplicações uma alta impedância de entrada, que é o
motivo pelo qual não atuam em função da corrente.
Resistor: Resistores são componentes de circuitos elétricos que possuem a função
de limitar os valores da corrente elétrica de acordo com necessidades específicas. A sua
função é resistir à passagem da corrente elétrica, por isso, a maior parte deles é feita
com carvão em pasta, componente que é isolante elétrico. A limitação da corrente
elétrica feita pelos resistores ocorre pela transformação de energia elétrica em calor.
Quando os elétrons em movimento (corrente elétrica) chocam-se com os átomos que
formam o material condutor, o atrito gera calor, e esse fenômeno é denominado de
Efeito Joule. Existem alguns resistores destinados exclusivamente para a geração de
calor por meio do Efeito Joule. Eles são denominados de resistências elétricas e podem
ser encontrados em chuveiros e ferros elétricos, por exemplo. A resistência de um
resistor é a grandeza que determina a sua capacidade de resistir à passagem da corrente
elétrica. Ela pode ser definida como a divisão entre a diferença de potencial (ddp) à qual
está submetida o resistor e a corrente elétrica que o atravessa. Para resistores muito
pequenos que compõem circuitos elétricos, por exemplo, existe um código de cores que
define o valor da resistência do resistor a partir de valores atribuídos a cores específicas.
Figura 3. Tabela de cores de resistores
Interruptor: Utilizado para ligar ou desligar aparelhos elétricos, o interruptor é um
elemento bastante comum. O dispositivo funcionaabrindo ou fechando circuitos
elétricos. Por esta razão, geralmente os interruptores que se utiliza para ligar ou desligar
aparelhos elétricos possuem duas posições: circuito aberto e circuito fechado. Na
posição aberta, a energia circula e é distribuída. Na posição fechada, este processo é
interrompido. Geralmente instalado em paredes das construções residenciais e
comerciais, o interruptor elétrico realiza sua função ao ser acionado pelo toque na tecla
que muda a posição da mesma. Desta forma, abre ou fecha o circuito, interferindo na
circulação e na distribuição de energia. Um interruptor simples possui dois terminais.
Os fios da caixa de distribuição de energia são ligados da seguinte maneira: um
diretamente a algum terminal negativo e o outro ao interruptor. Já os interruptores
paralelos possuem três terminais, em vez de dois. Assim, é possível que um aparelho
seja ligado ou desligado de dois locais diferentes.
Flyback: Um dispositivo de retorno é um aparelho eletrônico que facilita a
operação de um dispositivo CRT- display, como um aparelho de televisão ou um
monitor de computador CRT pelo fornecimento de energia para o circuito elétrico. Às
vezes, é também conhecido como um dispositivo transformador, flyback ou
transformador de linha de saída. Um dispositivo de retorno compreende um
transformador flyback e um recipiente metálico hermeticamente fechado dentro do qual
é um diodo de alta tensão. Um dispositivo de retorno extrai energia de um circuito
eléctrico, armazenando-o num campo magnético e devolvendo a energia para o circuito.
Parte da energia é perdida no processo, tanto no núcleo e na ação do enrolamento do
dispositivo.
Bobina: As bobinas elétricas, também conhecidas como indutores ou solenoides,
são dispositivos passivos capaz de armazenar energia elétrica criada em um campo
magnético, sendo que este campo é formado por uma corrente alternada, que passa por
um fio condutor enrolado em si mesmo, ou ainda em volta de uma superfície que
também é condutora. Quando a corrente elétrica passa por um determinado fio, é gerado
um campo magnético ao seu redor, e quando este mesmo fio é enrolado várias vezes são
formadas diversas espiras, de forma com que este campo magnético seja ampliado, ou
seja, quanto maior o número de voltas deste fio, maior será a bobina e a intensidade do
campo magnético. Os indutores e capacitores têm em comum a capacidade de
armazenar energia, assim como os capacitores, os indutores se opõem à corrente
alternada, oferecendo uma reatância indutiva, podemos destacar que só há tensão nos
terminais de um indutor ou uma bobina, se a corrente através dele variar no tempo, ou
seja, indutor é um curto circuito em corrente contínua, além disso, podemos relacionar
as bobinas e indutores à outra grandeza física, a indutância, representada pela letra L e
medida em Henry (H). As bobinas elétricas, na maioria das vezes, são feitas de um
material condutor, o cobre. As bobinas possuem um núcleo ferromagnético, que
aumenta a sua indutância, concentrando as linhas e força do campo magnético que
fluem pelo interior das espiras condutoras. Também existem as bobinas toroidais, onde
o núcleo toroidal geralmente é feito de ferrite, e tem um formato de rosca. Graças a este
formato, é criado um caminho pelo qual o campo magnético circula. Este tipo de núcleo
é usado em bobinas que tem formato de bastão. Neste caso o campo magnético sofre
perdas ao circular de uma extremidade a outra, devido o contato com o ar. Por isso este
núcleo foi projetado para fazer um caminho para este campo, evitando o número de
perdas. As bobinas também são consideradas indutores, possuindo diversas aplicações,
dentre elas, evitar variações de corrente elétrica, para formar um transformador,
construção de filtros passivos, constituídos de resistores e/ou capacitores, formando
filtros passa faixa, filtro rejeita faixa, filtro passa alta e filtro passa baixa, ou seja, este
filtro permitem a passagem de um sinal em função de frequências altas, baixas ou em
uma determinada faixa de frequência.
Indutância: A passagem de corrente elétrica em um condutor retilíneo, por
exemplo, o cabo elétrico de sua residência, é capaz de produzir um campo magnético ao
seu redor. Ao utilizar um condutor de cobre no formato de espiras é possível determinar
uma grandeza física existente nos dispositivos denominados de indutores, tal grandeza
recebe o nome de indutância. A variação da corrente elétrica no indutor provoca
mudanças no fluxo das linhas de campo magnético que atravessam as espiras, e
consequentemente, surge uma diferença de potencial entre os terminais da bobina.
Somente utilizando uma corrente alternada, ou abrindo e fechando uma chave em um
circuito elétrico é possível gerar essa diferença de potencial no indutor. Sendo assim,
em circuitos de corrente contínua pura, essa variação de corrente não ocorre, e o indutor
passa a se comportar como um curto-circuito no regime permanente. A indutância
depende do raio, do número de voltas, e da permeabilidade do material que preenche o
núcleo do indutor. É importante ressaltar que para se aumentar a intensidade da
indutância em uma bobina, pode-se optar por elevar o número de voltas das espiras, ou
mesmo aumentar a área do núcleo do indutor.
Toróide: O toróide é formado a partir de um solenoide curvado em forma de
círculo fechado. Pode ser descrito como um solenoide cilíndrico que pode ser utilizado
desde a composição de pequenos indutores até a formação de transformadores pesados
utilizados para altíssimas potências. Os toróides podem ser utilizados como indutores,
apresentando vantagens e desvantagens em relação a esse tipo de aplicação.
Vantagens da indutância de um toróide:
 Fácil montagem;
 Indutância elevada;
 Baixo custo;
 Baixa interação com os circuitos vizinhos.
Desvantagens da indutância de um toróide:
 Não possui indutância variável;
 Sofre variações de temperatura.
Oscilador Hartley: Este oscilador é bastante popular tanto em vista de sua
simplicidade como pelas suas características que permitem gerar sinais que vão desde a
faixa de áudio até algumas dezenas de megahertz, utilizando-se componentes comuns.
Neste oscilador, a frequência das oscilações é basicamente determinada pela bobina e
pelo capacitor em paralelo que formam um circuito ressonante. Um resistor tem por
finalidade fazer a polarização de base do transistor e um capacitor fornece o percurso
para o sinal de realimentação. O resistor juntamente com o capacitor possui certa
constante de tempo que "retarda" o sinal de realimentação e por isso esses componentes
têm certa influência na frequência do sinal gerado. Assim, nos circuitos de baixa
frequência é comum agregar-se um controle de frequência a este tipo de oscilador na
forma de um potenciômetro que atua sobre a polarização. A realimentação é obtida
fazendo-se com que o enrolamento de uma bobina forme um autotransformador. Metade
do enrolamento é a carga e a outra metade funciona como um secundário que inverte a
fase do sinal e o joga com a fase invertida à base do transistor de modo a manter as
oscilações. Nos circuitos de áudio, em que o oscilador Hartley deve gerar sinais de
frequências menores que 10 Hz, um transformador comum de saída para transistores ou
semelhante pode ser usado, pois se necessita de impedâncias elevadas.
Rigidez dielétrica do ar: Os condutores apresentam uma grande quantidade de
elétrons fracamente ligados aos núcleos atômicos, favorecendo a condução da corrente
elétrica. Os semicondutores, por sua vez, precisam de um estímulo externo (como altas
temperaturas) para que seus elétrons sejam excitados e possam ser conduzidos. Já os
materiais isolantes (também conhecidos como dielétricos) têm seus elétrons fortemente
ligados aos núcleos atômicos, tornandoparticularmente difícil a formação de correntes
elétricas nesses materiais. No entanto, há um valor máximo de campo elétrico no qual
os materiais isolantes passam a se comportar como condutores, permitindo, assim, a
formação de correntes elétricas. Esse valor é específico para cada material, depende da
sua espessura e recebe o nome de rigidez dielétrica. Para o ar, é necessário que haja uma
tensão elétrica de 3 milhões de volts por metro (cerca de 30 Kv/cm) para que ele se
torne um condutor. Quando isso acontece, os elétrons têm energia suficiente para se
mover entre as moléculas do meio. Quando o campo elétrico atmosférico entre as
nuvens e o solo atinge valores próximos, as moléculas do ar são ionizadas, o que torna o
ar um meio condutor. Por meio do Efeito Joule, a corrente elétrica formada no ar causa
um grande aquecimento, que é responsável pela dilatação do meio gasoso, produzindo
as ondas sonoras conhecidas como trovões. Mais moléculas têm seus elétrons
arrancados e eventualmente esses elétrons livres são capturados por outras moléculas
ionizadas. É nesse processo que ocorre a emissão de luz conhecida como relâmpago.
Material Rigidez dielétrica (V/m)
Ar 3.106
Borracha 12.106
Papel 16.106
Quartzo 8.106
Teflon 80.106
Tabela 1. Rigidez dielétrica de alguns materiais.
Efeito joule: Também chamado de efeito térmico, surge dos inúmeros choques
dos elétrons de um condutor quando ele é percorrido por uma corrente elétrica. Quando
os átomos recebem energia, eles passam a vibrar com mais intensidade e, quanto maior
a vibração, maior é a temperatura do condutor. O aumento de temperatura é observado
com o aquecimento do condutor. Esse efeito é aplicado nos aquecedores em geral, como
os chuveiros elétricos.
Efeito corona: Também conhecido como fogo de Santelmo, o efeito corona é um
fenômeno relativamente comum em linhas de transmissão com sobrecarga. Devido ao
campo elétrico muito intenso nas vizinhanças dos condutores, as partículas de ar que os
envolvem tornam-se ionizadas e, como consequência, emitem luz quando da
recombinação dos íons e dos elétrons. Tendo muita importância na definição do nível de
tensão de transmissão das linhas. Quanto maior o nível de tensão para uma determinada
configuração de linha, maiores serão as perdas devido ao efeito corona. Contrariamente,
quanto maior o nível de tensão, menores serão as perdas devido ao efeito Joule
(proporcional ao quadrado da corrente), pois, a corrente circulante será menor para uma
mesma potência transmitida. 
Com a ativação da bobina, após a corrente passar pelo transistor npn, as espiras
(indutores) enroladas no núcleo de ferrite do flyback induzem o núcleo fazendo com
que ele oscile na mesma frequência do transistor. Com essa indução, o flyback pode
gerar tensões que vão ficar na faixa de 6 000 a 30 000 volts dependendo de diversos
fatores como, por exemplo, o tipo de flyback usado. A bobina primária induz a bobina
secundária com o campo eletromagnético formado. A bobina primária foi enrolada no
sentido horário e a secundária no sentido anti-horário. Graças a essa configuração,
seguindo a regra da mão direita, o campo eletromagnético que as duas bobinas realizam
não se anulam. A direção das linhas de campo seguem entrando para a junção entre as
duas bobinas. A cada volta da bobina secundária o potencial elétrico aumenta enquanto
que a corrente diminui, funcionando como um transformador ressonante. No toróide,
esse potencial alto rompe a rigidez dielétrica do ar, saindo centelhas de descargas
elétricas, porém com a agulha de corona, essas descargas são direcionadas para ponta da
agulha.
Programação do arduíno
A linguagem básica usada em arduínos (placa de comando) é a C. Dependendo do
comando que é enviado para o arduíno, ele ativará mecanismos para que componentes
conectados a ele realizem o que se deseja de acordo com a programação específica. Para
realizar a programação com músicas se fez necessário enviar um código de comando
para saída de áudio do arduíno em 8 bits disponibilizado pelo professor Marlon Nardi e
Joey Badcock, ambos referenciados. Foram disponibilizadas: O tema musical Marcha
Imperial composto por John Williams; A trilha sonora de Super Mario Bros. composta
por Koji Kondo; A música Sweet Child O' Mine composta por Axl Rose, Saul Hudson,
Duff McKagan, Izzy Stradlin e Steven Adler; e a música Secrets composta por Ryan
Tedder. Foi utilizado o programa Arduíno IDE para enviar os códigos das músicas para
o arduíno mega. Após o upload completo, automaticamente a frequência de cada música
se modula na frequência da corrente que passa pelo transistor npn, passando assim pelo
resto do circuito e sendo reproduzida pela centelha liberada na ponta da agulha de
corona.
Dados analisados pela Mark I
Com o protótipo em funcionamento, notou-se que houve uma relação entre
frequência e comprimento da centelha, quando se regulava o centelhador: quanto mais
próximos os parafusos do centelhador ficavam, maior era a frequência e menor era o
comprimento do das descargas elétricas. O inverso aconteceu quando os parafusos
foram afastados.
Com apenas 30 segundos a 1 minuto em funcionamento, o transformador, o capacitor
eletrolítico e o transistor npn aqueciam muito, porém esse aquecimento foi amenizado
em todos esses componentes quando foi adicionado pasta térmica e um dissipador de
calor somente no transistor npn.
Considerando que a cada centímetro é preciso 30000 V para romper a rigidez
dielétrica do ar, foi observado que no faiscador os parafusos precisaram estar a uma
distância de 1 cm para que houvesse a descarga elétrica, indicando afirmar que o
flyback gerou aproximadamente 30000 V. Parte da energia gerada pelo flyback foi
dissipada, pela própria estrutura das bobinas devido a algumas irregularidades na
montagem, deixando assim a tensão final, liberada pela agulha, com 100000 a 150000
V.
Considerando que os átomos de gás argônio e vapor de mercúrio dentro de uma
lâmpada florescente se excitam facilmente com uma diferença de potencial, liberando
energia luminosa, foi usada algumas lâmpadas florescentes para medir o raio da
distância do campo eletromagnético da bobina. Com a tensão máxima o campo
eletromagnético excitou a lâmpada que começou a acender a uma distância de 1,5 m,
com uma centelha de 5 cm de comprimento a uma frequência de 96 Hz. Na tensão
mínima, a centelha alcançou 0,5 cm com uma frequência de 10,5 KHz, ainda com um
campo eletromagnético de 0,5 m.
Figura 4. Frequência mínima da centelha do protótipo Mark I.
1. Figura 5. Frequência máxima da centelha do protótipo Mark I.
Figura 6. Centelha da bobina em contato com uma lâmpada florescente.
Curiosidades
 A maior bobina de Tesla do mundo hoje está em uma fazenda de Auckland,
Nova Zelândia. O proeminente mecenas Alan Gibbs pediu que Eric Orr e Greg
Leyh construíssem a bobina em 1998. A torre de quatro andares de altura,
chamada de “Electrum” (abaixo), produz 3.000.000V e arcos de descarga
elétrica de 15 m de comprimento. No entanto, ela não será a maior por muito
tempo. A maior bobina de Tesla tinha o equivalente a 18 andares de altura e foi
construída em 1903 pelo próprio Nikola Tesla nos EUA, mas foi derrubada antes
de entrar em operação. Agora, Leyh quer recriar essa grande bobina – e duplicá-
la. As duas bobinas de 36m de altura, chamadas de “Lightning on Demand”
(raio sob demanda), estão sendo construídas em um terreno de 300.000m² no
deserto de Nevada, nos EUA. Quando estiverem completas, as duas torres
produzirão arcos de 10 milhões de volts com quase 100m de comprimento.
 O jovem Grégory Gusberti, de apenas 18 anos, é responsável pela criação da
maior bobina de Tesla do Brasil e, talvez, a maior da América Latina.
Aficionado pelo assunto desde os 14 anos, ele criou um dispositivo capaz de
gerar descargas de mais de 700 mil volts. Autodidata, o jovem de PortoAlegre,
que cursou Engenharia Eletrônica, criou uma estrutura para exibições e
experiências. Aproximar-se do equipamento em funcionamento pode ser fatal,
mas é possível ficar completamente isolado diante das descargas elétricas graças
a uma gaiola de Faraday, resultado de uma experiência do físico Michael
Faraday e que demonstra que as cargas elétricas podem se distribuir de forma
homogênea sobre uma superfície de campo elétrico nulo.
Agradecimentos
Em agradecimento a Osvaldo da Silva, João da Silva, Eduardo da Silva e Cézar
dos Santos, pelo empréstimo da maioria das ferramentas utilizadas; a Herbet Deriquer
"Sininho" por todas as dicas de eletrônica e pela ajuda na montagem da associação dos
diodos, interruptor e capacitor eletrolítico; ao Professor Thiago Bruno por ajudar a
identificar e corrigir os erros ocorridos nos códigos de programação das músicas; aos
membros da própria equipe que contribuiu financeiramente para a confecção das peças
da Mark I; a todos os vendedores e contribuintes das peças do circuito; e a todos que
apoiaram a realização desse projeto.
Referências
https://azeheb.com.br/blog/bobina-de-tesla-como-funciona/
http://minf.ufpa.br/index.php/bobina-de-tesla
https://www.fis.unb.br/gefis/index.php?
option=com_content&view=article&id=201&Itemid=320
https://www.oficinadanet.com.br/post/14537-nikola-tesla-o-genio-mais-injusticado-da-
historia
https://www.youtube.com/watch?v=tosK9r2StQk&t=1144s
https://www.youtube.com/watch?v=jafNBxY23rw&t=927s
https://www.youtube.com/watch?v=7Mr71z2LqPA&t=1s
https://www.escolaengenharia.com.br/corrente-alternada/
https://www.infoescola.com/eletricidade/transformadores/
https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-diodo/
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/caecc.php
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https://www.oficinadanet.com.br/post/14537-nikola-tesla-o-genio-mais-injusticado-da-historia
https://www.oficinadanet.com.br/post/14537-nikola-tesla-o-genio-mais-injusticado-da-historia
https://www.fis.unb.br/gefis/index.php?option=com_content&view=article&id=201&Itemid=320
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