Gerador de Raios (ART1686)

Nicola Tesla gostava de produzir enormes descargas de alta tensão em seu laboratório assustando vizinhos e visitantes. Ele “fabricava” raios em seu laboratório, com tensões de milhões de volts. Não pretendemos chegar a tanto com nosso aparelho, mas sim produzir raios em miniatura que podem ser utilizados numa boa quantidade de experimentos.

Tensões Muito Altas ou Muito Alta Tensões, abreviadamente MAT, podem ser geradas de maneira relativamente simples com as chamadas bobinas de Tesla e circuitos com transformadores de alta tensão de televisores e até mesmo bobinas de ignição de automóveis.

Os efeitos das altas tensões são muito interessantes, chegando a ionizar o gás de uma lâmpada fluorescente que acende por simples aproximação, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – Acendendo uma lâmpada com um campo de alta tensão

O efeito de se acender uma lâmpada na mão, sem encostar em nenhum lugar é algo que impressiona muitos e que pode ser usado para ilustrar aulas de física.

O projeto que descrevemos gera tensões de 10 000 a 50 000 volts, usando uma bobina de ignição de automóvel, componente que pode ser encontrado com facilidade até mesmo em desmanches ou casas de peças usadas.

É claro que será preciso ter cuidado no manuseio do aparelho, não que ele possa causar a morte pelo simples toque, mas seus choques são muito desagradáveis.

Como Funciona

Uma bobina de ignição de automóvel é um auto-transformador com a estrutura mostrada na figura 2.

Figura 2- Uma bobina de ignição de automóvel

Um dos enrolamentos (primário) tem poucas espiras de fio grosso enquanto que o outro enrolamento (secundário) tem milhares de espiras de fio muito fino.

Desta forma, se aplicarmos uma tensão relativamente baixo no enrolamento primário, ela se multiplica por um fator dado pela relação entre as espiras dos dois enrolamentos.

Por exemplo, se o primário tiver 100 espiras e o secundário 50 000 espiras a tensão ficará multiplicada por 500.

Isso significa que 12 volts aplicados ao primário, resultarão em 5 000 volts no secundário.

Nos veículos com motor à combustão, os 5 000 V (ou mais) são aplicados à vela para produzir a faísca no sistema de ignição.

Na figura 3 temos o sistema típico de ignição de um carro com platinado.

Figura 3 – Ignição convencional com platinado

No nosso caso, vamos aplicar mais na bobina, como ocorre nos sistemas de ignição eletrônica em que bobinas recebem até 600 V para produzir faíscas de até 40 000 V.

Assim, no nosso circuito o que temos é um oscilador de relaxação com uma lâmpada neon que produz pulsos rápidos para disparar um SCR.

No circuito existe então um capacitor que se carrega com uma tensão elevada entre 80 e 140 V e que, quando o SCR dispara, ele se descarrega através da bobina de ignição.

O resultado é a produção de um pulso de muito alta tensão que pode chegar aos 30 000 ou 40 000 Volts.

O potenciômetro ajusta a frequência dos pulsos em função do valor do capacitor e com isso a alta tensão gerada.

Observamos que o circuito não é isolado da rede de energia e que o máximo de cuidado deve ser tomado, tanto pela possibilidade de choques da rede(que são mais perigosos) como pela alta tensão.

Montagem

Na figura 4 temos o diagrama completo do gerador.

Figura 4 – Diagrama do gerador

Na figura 5 temos a versão montada em ponte de terminais, que deve ficar fechada em caixa de madeira ou plástico.

Figura 5 – Montagem em ponte de terminais

Para uma montagem em placa de circuito impresso temos uma sugestão na figura 6.

Figura 6 – Placa de circuito impresso para a montagem

Os SCRs podem ser os TIC106B ou D se a rede for de 110 V e TIC106D se a rede for de 220 V.

Como o circuito opera num regime de pulsos de curta duração, o SCR não precisará de um grande dissipador de calor.

R1 é um resistor de fio de 220 Ω x 10 W se a rede for de 110 V e de 470 Ω x 20 W se a rede for de 220 V.

Os demais resistores são de 1/8 W com qualquer tolerância e a lâmpada neon é comum.

O capacitor C1 deve ter uma tensão de trabalho de 200 V se a rede for de 110 V e pelo menos 400 V se a rede for de 220 V.

O valor deste componente determinará a potência do circuito.

Na figura 7 damos o aspecto final da montagem.

Figura 7 – Aspecto final da montagem

Na versão em placa será interessante montar R1 um pouco afastado da placa, já que este componente tende a trabalhar quente.

Na figura 8 mostramos como R1 deve ser montado, se não for do tipo com dissipador de calor que é mostrado no desenho original.

Figura 8 – Montando R1 afastado da placa

Prova e Uso

Podemos montar um pequeno faiscador com dois fios isolados, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 – Montando um faiscador

Ligando o aparelho, e ajustando P1 deveremos obter faíscas entre as pontas dos fios.

Se isso não ocorrer, aproxime as pontas dos fios até que seja possível obter faíscas.

Podemos ter uma idéia da tensão produzida pelo comprimento máximo de faísca que obtemos.

Levando em conta que a rigidez dielétrica típica do ar é de 10 000 /cm, isso significa que uma faísca de 1 cm significa que a tensão produzida é da ordem de 10 000 volts, conforme mostra a figura 10.

Figura 10 – Avaliando a tensão pelo tamanho da faísca

Comprovado o funcionamento, podemos programar algumas experiências interessantes, dadas a seguir.

Experiências

a) Escada de Jacó

Um experimento tradicional com geradores de muito alta tensão é a chamada de Jacó, em homenagem ao personagem bíblico que subiu aos céus.

Este experimento consiste em se colocar dois fios paralelos na vertical, separados com uma distância que começa em 1 cm e vai se separando até chegar a uns 2 cm, conforme mostra a figura 11.

Figura 11 – A escada de Jacó

Quando ligamos o gerador e ajustamos P1, as faíscas começam em baixo e vão subindo num efeito que pode ser visto em diversos filmes do Youtube.

b) Acendendo uma Fluorescente

Na figura 12 mostramos que a simples aproximação de uma lâmpada fluorescente, mesmo as que já estejam esgotadas para funcionar na rede de energia, faz com que elas acendam.

Figura 12 – Acendendo uma fluorescente

Movimentando a mão da forma indicada, a parte que fica entre as mãos vai apagando enquanto que a parte restante permanece acesa.

c) Acendendo uma lâmpada neon

Aproximando uma pequena lâmpada neon, segura por um dos terminais, dos terminais de alta tensão do aparelho, a lâmpada acende.

Figura 13- Acendendo uma lâmpada neon

d) Produzindo Íons Negativos

Para gerar íons negativos precisaremos de um diodo de alta tensão (MAT), do tipo que até pode ser aproveitado de um velho televisor analógico fora de uso e de um capacitor feito com uma placa de vidro e duas de alumínio, conforme mostra a figura 14.

Figura 14 – Gerando íons negativos

No diodo, soldamos um alfinete conforme mostra a figura para que, através de sua ponta sejam emitidos os íons negativos.

Esta mesma configuração pode ser usada no laboratório de biologia para experimentos com plantas, por exemplo.

Usando um eletrodo, conforme mostra a figura 15, podemos criar campos intensos e estudar sua influência no crescimento das plantas.

Figura 15 – Estudando a influência de campos elétricos em plantas

É claro que o experimento também pode ser feito com insetos para se estudar seu comportamento.

e) Motor iônico

Nosso último experimento é o chamado “torniquete elétrico”.

Este experimento aproveita a expulsão de cargas pelos objetos com pontas ou o “efeito das pontas”.

Apoiando-se uma pequena hélice de metal num alfinete de modo que ela gire, a expulsão das cargas vai propulsioná-la, conforme mostra a figura 16.

Figura 16 – O motor iônico

No escuro será possível ver o fluxo de íons que causa uma luminescência azulada na ponta da hélice e também do alfinete no gerador de íons.