Bobina de 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. A maior Bobina de Tesla brasileira se encontra em Porto Alegre, RS. Foi construída por Grégory Frizon Gusberti e é capaz de produzir faíscas te até 3,5m com possibilidade de modulação por áudio.

Bobina de tesla em Porto Alegre, Rio Grande do Sul com seu criador Grégory Frizon Gusberti na gaiola, testando-a junto com Giovane Irribarem de Mello

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 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 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