Bobina de Tesla

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

Abobina de Teslaé umtransformadorressonante capaz de gerar uma tensão altíssima com grande simplicidade de construção, inventado porNikola Teslapor volta de 1890.

Descrição

Na forma mais usual, é formada por um transformador com núcleo de ar, com umcapacitorprimário carregado a umatensãode alguns (5-30) kV se descarregando sobre a bobina primária através de umcentelhador.A bobina primária possui poucasespirasde fio grosso (1-20), podendo ser cilíndrica, plana ou cônica, e é montada próxima à base da bobina secundária. Ocircuitosecundário 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 acapacitânciasecundária. 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 frequência, usualmente na faixa de 50 a 500kHz.O sistema opera de forma similar a doispêndulosacoplados commassasdiferentes, onde asoscilaçõesa baixa tensão e alta corrente no circuito primário são gradualmente transferidas para o circuito secundário, onde aparecem como oscilações com baixa corrente ealta tensão.Quando se esgota aenergiano circuito primário, o centelhador deixa de conduzir, e a energia fica oscilando no circuito secundário apenas, alimentando faíscas ecoronade alta frequência.^{[carece de fontes]}

Uma bobina de Tesla caseira.

A alta tensão em alta frequência no secundário pode gerar umcampo elétricoalto o suficiente para ionizar o ar (30 kV/cm), e uma vez que a ionização se inicie, ela se propaga na forma de faíscas elétricas (se existir algum condutor próximo) ou corona.A energia disponível é o fator mais importante, e ela depende da capacitância do terminal. A energia que fica armazenada na capacitância distribuída da bobina secundária não é disponível imediatamente, e pouco contribui para os “streamers”.

Desempenho

Bobinas de Tesla alcançam 250 kV com relativa facilidade, e algumas chegam a 1,5 MV ou mais.^{[carece de fontes]}

Usos

Bobinas de Tesla já foram usadas emtransmissoresde rádio primitivos, dispositivos deeletroterapiae geradores de alta tensão para aplicações emfísica de altas energias.A aplicação mais comum atualmente é para demonstrações sobre eletricidade em alta tensão, gerando faíscas elétricas que podem ter vários metros de comprimento.^{[carece de fontes]}

Física do mecanismo

Sendo L₁,C₁a indutância e a capacitância do circuito primário e L₂,C₂o 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 frequência implica L₁C₁= L₂C₂.

Ocoeficientede 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 deoscilação.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 220Vpara algo em torno de 6 a 10 kV. O circuito ressonante formado por L₁e C₁eleva 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 frequências, capazes de sintonizar as altas frequências da bobina de Tesla em T₂que nada mais é que outro transformador elevador de tensão atrelado a um circuito ressonante imaginário, formado pelas capacitâncias parasitas de T₂e pela capacitância própria esfera de irradiação em Term₁.O ajuste fino da frequência deressonânciaé feito através de umtapna bobina primária do transformador T₂.

Esquema Elétrico de uma Bobina de Tesla

No exemplo acima:

• Sw₁= interruptor simples;
• R₁= 33 k${\Omega }$;
• 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 frequência;
• 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.

Ligações externas

• Universidade de São Carlos - "Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 22, no. 1. São Paulo, março de 2000. (Acesso em 7 de abril de 2012)