A "garrafa de Leyden" e um tipo de capacitor de alta tensão de uso comum
em eletrostática. Na forma usual atualmente (últimos 200 anos...),
Consiste em
um pote cilíndrico de material altamente isolante, com uma folha metálica
fixada por for fora e outra fixada por dentro. Um terminal atravessando a
tampa do pote faz contato com a folha interior, e um anel metálico faz
contato com a folha exterior, constituindo assim os dois terminais do
capacitor.
O dispositivo foi inventado independentemente, em 1745, por Von Musschenbroek,
em Leiden (ou Leyden), Holanda, a partir de uma experiência de seu amigo
Cunaeus, e por Von Kleist na Pomerânia. Na forma
original era apenas uma garrafa com água dentro e um fio servindo de
terminal interior, com a mão do experimentador servindo de terminal
exterior. Logo foi aperfeiçoada até a forma que ainda é usada.
Foi a primeira forma prática encontrada para o acúmulo de significantes
quantidades de carga elétrica. Antes eram usados grandes condutores
metálicos, que armazenavam carga em suas "capacitâncias de corpo",
mas sempre em pequena quantidade. Com a garrafa de Leyden, quantidades
suficientes para produzir fortes faíscas elétricas podiam ser
armazenadas, o que logo levou a melhor entendimento das propriedades da
eletricidade. Serviam também para impressionantes demonstrações,
como dar choques elétricos em cadeias de centenas de voluntários
(?) de mãos dadas.
A forma, em que o terminal de alta tensão é bem
isolado no interior, ainda é conveniente para um capacitor de alta
tensão.
Para construir uma garrafa de Leyden, pode-se usar um pote, garrafa
ou copo alto de plástico ou vidro, com tampa. Plásticos isolam
bem melhor que vidro. O material deve ter expessura adequada, e não deve
ter rachaduras ou juntas, que podem romper com a tensão. Vidro,
se for usado, deve ser envernizado ou encerado, para melhorar a
isolação superficial. Particularmente adequados para
este uso são caixas de comprimidos efervescentes (vitamina C).
A tampa com sílica gel contribúi para deixar o interior seco,
e assim altamente isolante. As folhas que formam as
placas do capacitor podem ser de folha de alumínio, não muito fina
para maior solidez de construção e bem alisada. A placa externa
deve ser colada ao pote, ou ao menos fixada com fita adesiva. A placa
interna pode ser deixada solta, já que tenderá a assumir a forma
correta. O terminal central deve ser de arame grosso (alumínio ou
latão, mais fáceis de dobrar e com boa aparência), terminado
em um gancho e uma bola.
O ideal é uma bola metálica, mas uma bola
de outro material qualquer também serve, já que o propósito
principal é o de evitar escape de eletricidade por "efeito corona" na
ponta do terminal. Fazer um anel na ponta do fio do terminal também
é efetivo. O terminal central deve tocar a placa interna. Isto pode
ser facilmente conseguido enrolando um arame mais fino no fio do terminal,
dentro da caixa, e dobrando-o de
forma que ele faça pressão contra a placa externa em dois pontos
opostos.
O terminal externo pode ser feito com um fio de latão enrolado como
na figura. Faz-se um anel em uma das pontas, e passa-se o fio em volta da
garrafa e por dentro do anel (como em um cinto). Ao dobrar a ponta para fora
o anel fica firmemente preso à garrafa. Um outro anel dá o acabamento.
Construções mais elaboradas são possíveis, como neste par de
garrafas de Leyden feito por um antigo
construtor de instrumentos francês, montadas assim,
ou esta, de uma máquina eletrostática antiga.
Com caixas de comprimidos se consegue capacitâncias de uns
50 pF, mais ou menos dependendo da altura das placas metálicas, com
isolação suficiente para uns 60 kV. Com
potes maiores, capacitâncias de centenas de pF podem ser conseguidas,
e isolações suficientes para poucas centenas de kV.
Para capacitâncias maiores, várias garrafas podem ser ligadas em paralelo,
formando uma bateria de capacitores. Para maiores tensões, várias
garrafas podem ser ligadas em série. Deve-se notar que capacitores de
valor elevado em alta tensão são perigosos, devido à alta energia
dos choques que podem causar. Para o uso com máquinas eletrostáticas,
50 a 100 pF é mais que o suficiente para a produção de brilhantes
faíscas, sem maiores riscos. Note que a forma usual de conectar garrafas
de Leyden a máquinas eletrostáticas bipolares é usar duas garrafas,
uma com o terminal interno ligado a cada terminal da máquina, com os
terminais externos interligados por um fio, como visto
aqui e aqui. A capacitância efetiva é a
metade da capacitância de uma garrafa, mas a isolação é dobrada.
Costrução do experimento
Após montada, a garrafa de Leyden deverá ter essas características
Para construir uma
garrafa de Leyden, você precisa de uma caixinha de plástico de filme
fotográfico ou de remédio, um pedaço de papel alumínio, dois grampos latonados
(aqueles que são usados para prender folhas de papel em pastas) e um chumaço de
palha de aço.
Revista as paredes
laterais da caixinha por dentro e por fora com uma faixa de papel alumínio e
prenda-o com cola ou fita adesiva. Abra um dos grampos e prenda-o por uma perna
à face lateral, como mostra a ilustração acima.
Faça um pequeno corte
na tampa passando por ela outro grampo latonado. Abra as pernas do grampo de
maneira que elas estabeleçam contato com o chumaço de palha de aço que estará
dentro da caixinha, em seguida feche a caixinha com a tampa. É importante que
não haja contato entre o revestimento interno e o externo da caixinha.
Para carregar
eletricamente a garrafa de Leyden, atrite um canudo de refresco e encoste-o na
cabeça do grampo da tampa da garrafa. É importante também que a parte externa
da garrafa esteja em contato com a terra, em todas as vezes que você for
carregar a garrafa com o canudo. Para isso basta você segurar a garrafa pelo
revestimento externo e tocar com uma parte de ser corpo uma parede ou o chão.
Após ter repetido diversas
vezes o procedimento de carga com o canudo de refrigerante, aproxime a perna
solta do grampo latonado lateral à cabeça do grampo latonado da tampa. Se você
conseguir transferir à garrafa a quantidade suficiente de carga, verá uma
faísca e ouvirá um estalo.
Tendo conseguido êxito,
explique o que aconteceu. Identifique todos os elementos do seu capacitor e do
processo de carga e descarga.
Bobina de Tesla
Nikola Tesla nascido em 10 de julho de 1856 em Smiljan na Croácia
, mas viveu grande parte de sua vida nos Estados Unidos. Tesla foi um
grande inventor e um futurista, trabalhando principalmente na área
relacionado a corrente alternada (AC) e sistema de fornecimento de
energia elétrica.
O que é a Bobina de Tesla
Primeiro, esqueça tudo que te ensinaram sobre transformadores e
bobina, vamos falar de Tesla, “o cara”! A bobina de Tesla é um
transformador ressonante inventado por Nikola Tesla por volta de 1890.
Ela é capaz de gerar alta tensão de baixa corrente, em alta
freqüência de corrente alternada, de maneira simples e de fácil
construção. Tesla experimentou centenas de bobinas, com milhares de
configurações diferentes, por esse motivo não existe “uma” bobina de Tesla e sim milhares.
Para quem é entusiasta da alta-voltagem e eletrônica a bobina de
Tesla é a montagem imperdível e com certeza uma experiencia
inesquecível.
Rádio sparkgap – tinfoil.com
Tesla usava estas bobinas para realizar experiências em equipamentos
de iluminação, fosforescência, geração de raios-X, eletroterapia, e a transmissão de energia elétrica sem fios que era o sonho de Tesla.
Inicialmente as bobinas de Tesla foram usadas comercialmente em transmissores de rádio sparkgap
para telegrafia sem fio. As bobinas também foram usadas em equipamentos
médicos, tais como eletroterapia e equipamento de raios violeta.
Um transformador de bobina de Tesla opera de uma forma
significativamente diferente de um transformador convencional, ou seja,
com núcleo de ferro.
Em um transformador convencional, os enrolamentos estão muito
firmemente acoplados e o ganho de tensão é determinada pela relação
entre o número de espiras nos enrolamentos.
Enrolamento da bobina de Tesla O transformador comum funciona bem com tensões normais, mas, com
tensões elevadas, o isolamento entre os dois conjuntos de enrolamentos é
facilmente quebrada e isso impede que os transformadores com núcleo de
ferro possa funcionar em voltagens extremamente elevadas, sem danos.
Diferente do transformador comum que pode acoplar-se mais de
97% entre os campos dos enrolamentos, os enrolamentos de uma bobina de
Tesla são livremente acopladas, com um grande intervalo de ar, e assim
o primário e secundário, partilham apenas 10 a 20% de seus respectivos
campos magnéticos.
Em vez de um acoplamento pesado, as transferências de energia
(através de acoplamento flexível) é feita por um circuito oscilador
ressonante (no primário) para o outro (no secundário) ao longo de uma
frequência de ciclos. Os circuitos primário e secundário da
bobina são ajustados para ressonarem em uma mesma frequência,
geralmente na faixa de 50Khz a 500 kHz.
Como as transferências de energia do primário para a secundário, a
saída de tensão aumenta o secundário até que toda a energia primária
disponível for transferida para as secundário, isso tirando as perdas.
Mesmo com as perdas significativas de folga de faísca, uma bobina de
Tesla bem concebida podem transferir mais de 85% da energia armazenada
inicialmente no capacitor principal para o circuito secundário.
A tensão a partir de uma bobina de Tesla pode ser
significativamente maior do que de um transformador convencional, porque
o enrolamento secundário é um solenoide longa camada única e bem
isolada.
Além disso, a tensão por turno em qualquer bobina é maior, porque a taxa de variação do fluxo magnético é em altas frequências.
Circuito de uma Bobina de Tesla
Circuito básico da Bobina de Tesla. Ilustração: Jirah via: wikipedia.org
O circuito básico de uma bobina de Tesla é bastante
simples, funciona da seguinte forma, a tensão de alimentação, que no
caso é a da rede elétrica AC, 110 ou 220 Volts é elevada pelo primeiro
transformador (high voltage transformer) , chegando a 5 KVolts,
Em série com o transformador, no secundário, existe um capacitor de
alta tensão, que em cada semi-ciclo da tensão, ele se carrega, armazena
energia potencial até o valor dessa alta tensão, alcance a tensão
necessária para romper o ar da abertura do centelhador (spark gap).
Esse capacitor (ou banco de capacitores) é muito importante, já que
quanto maior for a capacitância deste capacitor, maior vai ser a
intensidade da corrente que vai passar pela bobina (primary).
A descarga do capacitor (high voltage capacitor) acontece em forma de
faísca no centelhador (spark gap), esse centelhador produz pulsos com
harmônicas de radio frequência, ou seja, descargas oscilantes, que
depende do capacitor usado, essa frequência pode ser de 50Khz a 500 kHz.
Bobina primaria de Tesla, foto: capturedlightning.org Então toda vez que isso acontece passa uma tensão elevada através do
primário da bobina (primary). Levando em conta a rede elétrica
domiciliar AC de 60 Hz, vamos ter 120 pulsos por segundo.
As bobinas primária (primary) e secundária (secondary) formam um
transformador que como falamos acima vai elevar a tensão de 5 KVolts,
que dependendo da bobina pode chegar a 100 KVolts facilmente. Mas os
resultados finais vão depender das bobinas, do capacitor e do
transformador.
Circuito básico da bobina de Tesla. Imagem: Omegatron via: wikipedia.org
Componentes da Bobina de Tesla “Básica original”
High voltage transformer = Transformador com
primário da tensão da rede AC e secundário de no minimo 5 KVolts,
transformadores de letreiros de Neon ou outros transformadores de AT.
spark gap = centelhador ou faiscador, ele deve ter uma abertura ajustável de 2 a 5 cm.
high voltage capacitor = Um capacitor ou um banco
de capacitores, é muito ampla a gama para o valor do capacitor, podemos
dizer que varia de 1nF a 8nF, depende das bobinas.
primary e secondary = Bobinas primária e
secundária de Tesla, sua construção depende do projeto. A bobina
primária pode ser feita de fio rígido comum residencial de cobre
encapado com 12 AWG, ou mesmo esmaltado, seu enrolamento deve ter 15
espiras radiais com diâmetro de 14 cm sobre a base do secundário, o fio
deve ter um comprimento de 8 a 9 mts. O secundário pode ser feito com
1500 a 2000 espiras de fio esmaltado de 22 a 26 AWG, núcleo de ar com
forma com diâmetro de 10 cm com 1 metro de comprimento.
As Modernas Bobinas de Tesla
Atualmente a bobina de Tesla é em sua grande maioria em ” Estado
Sólido “, ou seja, transistorizada, na realidade a bobina (primário e
secundário) não mudou praticamente nada, o que mudou é a adição de um
oscilador que dá um melhor rendimento a bobina.
Chamado de SSTC, sigla de Solid State Tesla Coils
( Bobina de Tesla em Estado Sólido) estes dispositivos são drivers e
osciladores que são capazes de gerar e oscilar de maneira a aproveitar
plenamente a bobina de Tesla em sua grandiosidade.
Os transistores de potência modernos oferecem uma alternativa cada
vez mais viável para as bobinas de Tesla como um desempenho muito melhor
e baixo custo.
Pilha de Alessandro Volta
A pilha de Volta, que foi a primeira pilha elétrica,
era formada por discos de zinco e de prata intercalados e conectados por um fio
condutor, além de um disco umedecido em salmoura
Luigi Galvani
(1737-1798) publicou em 1791 uma pesquisa em que ele havia dissecado uma rã e
observado que quando dois metais diferentes entravam em contato com ela, os
músculos da coxa da rã sofriam contrações. Galvani acreditava que os músculos
da rã armazenavam a energia e os metais eram apenas condutores.
No entanto, o físico
italiano Alessandro Giuseppe Anastasio Volta (1745-1827) não
acreditava nisso. Ele realizou novamente essa experiência de Galvani e repetiu
uma série de experimentos, utilizando metais diferentes. A sua conclusão foi de
que a eletricidade não se originava dos músculos do animal, mas sim do contato
entre os metais distintos, e a rã apenas reagia a essa eletricidade externa.
Tanto que se fosse utilizado o mesmo metal, os músculos da rã não se contraíam.
Volta estava correto e,
para comprovar sua teoria, construiu a primeira pilha elétrica em 1800.
Uma pilha é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica,
ou seja, reações de oxirredução entre metais distintos que transferem elétrons
um para o outro, gerando um fluxo de corrente elétrica que pode ser
aproveitado.
A pilha de Volta,
também conhecida como pilha voltaica (ou ainda, pilha galvânica),
é formada por discos intercalados de dois metais diferentes. Por exemplo, são
colocados um disco de prata, um disco de zinco por cima e um disco de papelão
embebido em uma solução de salmoura. Continua realizando essa montagem
intercalada: disco de prata/ disco de zinco/disco umedecido até formar uma
coluna alta, mas que consegue se sustentar; por último, as extremidades da
pilha são ligadas com um fio condutor externo.
Assim, esse dispositivo
recebeu esse nome porque realmente era uma “pilha”, isto é, discos empilhados
formando uma coluna.
Assim, esse dispositivo
recebeu esse nome porque realmente era uma “pilha”, isto é, discos empilhados
formando uma coluna.
Os discos de metais
foram denominados por Volta de condutores secos ou de primeira
classe, enquanto o embebido em salmoura foi denominado de condutor úmido ou de
segunda classe.
Alessandro Volta jurou
fidelidade ao governo invasor da Itália, de Napoleão Bonaparte, e, em 1801,
realizou para ele uma demonstração de sua pilha na Academia de Ciências de
Paris.
Além de uma medalha de
ouro e de 2000 escudos de ouro, Alessandro Volta ainda foi nomeado senador do
Reino da Itália em 1810, com o título de conde.
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