Bobina de Tesla de Estado Sólido: Construção de Protótipo de

Bobina de Tesla de Estado Sólido: Construção de Protótipo de
Baixo Custo Para Aplicações no Ensino Médio
Hugo Jonhantan Donadon Paniago1, Lucas Kriesel Sperotto1
1
Curso de Ciência da Computação
Faculdade de Letras, Ciências Sociais e Tecnológicas (FALECT)
Universidade do Estado de Mato Grosso (UNEMAT) - Alto Araguaia - MT - Brasil
[email protected], [email protected]
Abstract. This work is an interesting proposal to make the teaching of physics
more attractive and dynamic. Thus, this work consists in design and build a
solid-state tesla coil to generate high-voltage sparks modulated by an audio
signal. This low-cost coil will be applied as a teaching tool in laboratory
practical activities of high school physics courses, and is expected to assist her
students understand abstract concepts of electricity.
Resumo. Este trabalho consiste em uma proposta interessante para tornar o
ensino de Física mais atrativo e dinâmico. Sendo assim, projetamos e
construímos uma bobina de tesla de estado sólido capaz de gerar faíscas de alta
tensão moduladas por um sinal de áudio. Esta bobina de baixo custo será
aplicada como recurso pedagógico em atividades práticas laboratoriais dos
cursos de Física do Ensino Médio, e, espera-se que ela auxilie os alunos a
compreender conceitos abstratos de eletricidade.
1. Introdução
Uma das principais dificuldades encontradas, não só pelos estudantes, mas também pelos
professores da disciplina de Física é quanto a alta abstração dos conceitos envolvidos,
principalmente por se tratar de fenômenos relacionados à eletricidade e o magnetismo
(SOUZA E SILVA, 2012).
Outra dificuldade encontrada pelos alunos é a linguagem matemática, que muitas
das vezes é utilizada na modelagem dos fenômenos físicos e na resolução de exercícios
quantitativos aplicados na sequência das explicações teóricas (SOUZA E SILVA, 2012).
A baixa compreensão dos conceitos teóricos acarreta um entendimento mais deficitário
sobre a matemática envolvida. Dessa forma, são necessárias maneiras de propiciar a
participação de uma maior parcela de estudantes por meio de abordagens que não
valorizem excessivamente a importância do formalismo matemático inerente à física
experimental.
A Bobina de Tesla (Tesla Coil em língua inglesa), a qual denominaremos,
doravante, de BT, foi criada por Nikola Tesla, engenheiro iugoslavo residente nos Estados
Unidos que nasceu em 9 de junho de 1856 e faleceu no dia 7 de janeiro de 1943. A BT
consiste em um transformador de núcleo de ar para altas frequências, contendo um
circuito ressonante LC, e, dessa forma, a BT é capaz de elevar a tensão elétrica a níveis
muito altos. Com sua bobina, Tesla realizou várias experiências utilizando altas
frequências (acima de 100KHz) buscando uma forma de transmitir energia elétrica a
longas distâncias, sem perdas, e via ar (BRITTAIN,2005).
Por causa de sua alta frequência de funcionamento, a BT provê um modo
relativamente seguro para demonstrar fenômenos que envolvem alta tensão. A BT é capaz
de criar grandes descargas elétricas semelhantes a relâmpagos. A BT proporciona um
efeito espetacular devido ao campo eletromagnético formado ao redor da bobina, podendo
acender lâmpadas fluorescentes e néon até uma distância considerável do aparelho.
A BT pode ser um recurso didático bastante interessante, seu princípio de
funcionamento envolve teorias físicas da eletrostática um tanto abstratas. Sendo assim,
além de ser um recurso para aulas experimentais, a bobina cativa quem a vê funcionando,
tendo em vista a beleza dos raios por ela produzido. O uso da bobina de tesla como recurso
didático permite aos alunos interagir mais com o conteúdo, além de nos dar a
oportunidade de visualizar certos efeitos elétricos interessantes, em virtude de ampliá-los
e simulá-los, estimulando, de certo modo, a curiosidade pelo estudo em pauta. Apesar de
os fenômenos eletromagnéticos ligados à bobina se basearem em princípios
eletrodinâmicos, analogias podem ser feitas à eletrostática, ampliando a aplicação
demonstrativa do aparelho, conforme leciona Laburú e Arruda (2004, p. 217-226).
Em razão da carência de equipamentos em laboratórios escolares, a construção da
BT pode ser uma boa opção para o processo didático, pois sua construção pode ser
realizada em ambiente domiciliar, com baixo custo e, em alguns casos pode-se utilizar
materiais que seriam descartados na natureza de forma equivocada pelo ser humano, e
dessa maneira, podem ser reaproveitados.
A BT já foi construída e está em fase de teste para maior aperfeiçoamento, a fim
de propiciar sua aplicação em sala de aula. A próxima etapa é preparar as aulas e aplicar
o conteúdo teórico em sala de aula; em seguida partir para a prática em si mesmo, quando
então será aplicado um questionário para a coleta de dados. Destaque-se que essa
modalidade de exposição de aula é uma forma mais atrativa para o aluno, pois saímos do
campo teórico diretamente para a prática e, em seguida, coletamos informações para
termos as percepções dos alunos.
Essa bobina terá suporte a modulação de sua frequência através de um sinal de
áudio. Dessa forma, a bobina de tesla de estado sólido será utilizada em aulas de Física
do Ensino Médio, acompanhada de material didático elaborado para melhorar a
aprendizagem dos alunos.
2. Metodologia e Resultados
Para a produção da BT, se fez necessária pesquisa por meio de leituras de livros, apostilas
e TCCs, em que se iniciaram os cálculos da bobina secundária. O cálculo do valor da
indutância da bobina secundária foi efetuado com base na capacitância da esfera utilizada
no topo da bobina, de forma que ambos os componentes estejam sintonizados de uma
frequência de ressonância pré-estabelecida no projeto.
Tendo o valor da indutância da bobina, partimos para o dimensionamento do
indutor, ou seja, calcular o número de espiras com base nas dimensões físicas do indutor
e de sua indutância. Para esse cálculo comparamos três modelos encontrados na Literatura
especializada (TOMPSON, 1999), (NAGAOKA, 1909) e (WHEELER, 1928). Optamos
por escolher o modelo de NAGAOKA (1909), pois os resultados pareceram mais
condizentes com nossos experimentos práticos. Os dados expostos na Tabela abaixo são
parâmetros necessários para a construção das bobinas primária e secundária da BT.
Parâmetros Construtivos Calculados para as Bobinas
Primário
Propriedade
Número de voltas
Secundário
Valor Unidade Valor Unidade
8 #
1010 #
Raio da forma
5,45 Cm
3,75 cm
Comprimento do Indutor
8,88 Cm
50,06 cm
Diâmetro do fio (com espaçamento e isolação)
Indutância do Indutor
Capacitância do indutor
11 Mm
0,50 mm
0,005 mH
10,17 mH
5,19 pF
7,02 pF
Raio da Esfera do Secundário
NA Cm
7,50 cm
Capacitância da Esfera
NA pF
8,47 pF
1 uF
15,57 pF
Capacitância Total
No processo de construção da bobina secundária, o cano de PVC utilizado como
forma, isolado com cadarço e duas camadas de verniz isolante antes e após enrolar as
espiras fio de cobre esmaltado; logo em seguida foi feita a seleção dos componentes para
a compra; então foi iniciado a modelagem da placa de circuito impresso, com utilização
de software livre. Foram geradas três placas, utilizando método caseiro para a confecção
das placas, que consiste em utilizar o papel couchê, o ferro de passar e percloreto de ferro.
Foram feitos vários protótipos, até acertar o método perfeito da transferência das
trilhas, utilizando o ferro de passar. Para colocação dos componentes foram feitos furos
com uma micro retífica e broca de 0,8mm. As três placas consistem em: uma placa para
fonte de alimentação, outra para o circuito logico e uma placa para o circuito de potência.
O circuito de potência é apresentado na Figura abaixo. Nele a alimentação de
127VAC entra pelos terminais J1 e J2. Essa corrente é retificada pela ponte retificadora
BR1 e filtrada pelos capacitores C1 a C5. O resistor R1 é utilizado para descarregar os
capacitores quando a bobina for desligada. O sinal modulado (gerado na placa lógica)
para disparo das faíscas é ligado através do conector J3. Esse sinal é ligado nos gatilhos
dos MOSFETS Q1 e Q1. Esses MOSFETS irão chavear o sinal modulado a reenviado
para o primário da bobina. Os diodos D3 e D4 são utilizados para anular a corrente reversa
do primário da bobina. Os capacitores C6 e C7 são calculados juntamente com o primário
da bobina para entrar em ressonância na mesma frequência do circuito do secundário.
J1
1
1
1
1
C1
C2
C3
C4
C5
220uF
220uF
220uF
220uF
220uF
R1
220k
5w
2
2
10A
1000V
2
BR1
2
1
2
J2
~
Neutro
1
1
~
127VAC
R2
6R8
5W
D1
Q1
IRFP4868
1N4148
J3
D3
C6
MUR860
1uF
1N4744A
4
3
2
1
Entrada Placa Lógica
D5
R3
~
Primário 1
1N4744A
6R8
5W
J5
Q2
D2
IRFP4868
D7
1N4148
J4
1
D6
1
D4
MUR860
C7
1uF
~
Primário 2
1N4744A
D8
1N4744A
Circuito Eletrônico de Potência Projetado Para Esta BT.
Este trabalho se encontra na etapa final de testes da BT, toda a construção já foi
efetuada. Como próximas etapas, podemos citar a confecção do material didático para as
aulas e a aplicação da BT em sala de aula.
3. Conclusões
Com esse trabalho viabilizamos um recurso didático de baixo custo e com alto potencial
pedagógico. Os resultados de sua aplicação didática serão publicados. O grau de
dificuldade dessa experiência foi elevado por se tratar de conceitos de física, eletrônica e
eletrotécnica. São circuitos que envolvem alta tensão e necessitam de cuidados especiais.
Referencias
LABURÚ, Carlos Eduardo; ARRUDA, Sérgio de Mello. A Construção de uma bobina
de Tesla para o uso em demonstrações na sala de aula – Cad. Bras. Ens. Fís, v.21, n.
especial: p. 217-226, 2004.
SOUZA E SILVA, Domingos Sávio, A versatilidade da bobina de Tesla na prática
docente do ensino do eletromagnetismo - Universidade Estadual do Ceará, Centro de
Ciências e Tecnologia, Curso de Física, Fortaleza, 2012.
BARRETO, Jéssica Rayane Alves. Uma Nova Proposta de recurso didático: A bobina de
tesla para uso em temas do eletromagnetismo – Universidade de Brasília, Faculdade UNB
Planaltina, Licenciatura em Ciências Naturais, 2014.
BRITTAIN, James E. Electrical engineering hall of fame: Nikola Tesla. Proceedings of
the IEEE, v. 93, n. 5, p. 1057-1059, 2005.
TOMPSON: Indutance Calculation Techniques - Part I: Classical Methods Power Control
and Intelligent Motion, vol. 25, no. 12, December 1999, p. 40-45.
NAGAOKA, H. "The Inductance Coefficients of Solenoids," J. Coll. Sci., vol. 27, 1909.
WHEELER, H. A."Simple Inductance Formulas for Radio Coils," Proc. I.R.E.,1928.