Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
1. Auto-indução
ajustável
As faíscas produzidas na abertura
do circuito primado, como dissemos, são originadas pela auto-indução
desenvolvida no próprio enrolamento primário. O colapso do
campo magnético age no próprio enrolamento que o produziu,
dando nascimento a uma contracorrente de indução, cuja tensão
é muito maior que a d.d.p. aplicada pela bateria. Aprimore-se nesse
conceito de auto-indução.
Um modo de ajustar o funcionamento
da bobina de Ruhmkorff para o máximo desempenho é tomar essa
auto-indução adequada com o tipo de interrupção
adotado. Isso se consegue dividindo-se o enrolamento primário em
quatro setores (enrolamento quadrifilar). Segure as extremidades de 4 fios
magnéticos e proceda ao enrolamento como se fosse um só,
em duas camadas. Feito isso corte adequadamente as extremidades dos quatros
fios e terá 4 enrolamentos primários independentes. Essas
8 pontas de fios podem ser usadas externamente e convenientemente para
se obter a auto-indução mais adequada ao bom funcionamento.
Interligando-se os quatros
enrolamentos em paralelo, a auto-indução chega ao mínimo;
todos em série e concordância teremos um máximo. Todas
as outras demais possibilidades paralelo/série terão auto-indução
com valor entre esses dois extremos. Escolha a mais adequada ao tipo de
interruptor e desempenho.
2. Interruptor
eletrolítico (Wehnelt)
Nos terminais da bobina secundária
há duas varetas metálicas (com cabos isolantes), uma das
quais termina em ponta e a outra em disco metálico de uns 4 cm de
diâmetro. Entre a ponta e disco salta a faísca. A distância
máxima que os separa, com faísca ainda saltando, dá-se
o nome de comprimento de faísca ou
distância explosiva.
Essa distância é
utilizada para classificar as bobinas. Serão consideradas pequenas
(porém não menos didáticas) aquelas com 5, 10, 15
ou 20cm de distância explosiva. Medianas serão as bobinas
com distância explosiva de 25 a 50cm e grandes aquelas com mais de
40 cm.
Algumas faculdades têm
bobinas com faíscas de mais de 120cm. A f.e.m. induzida entre os
pólos de uma bobina com 20cm de distância explosiva é
de uns 160 000 volts, para 50cm, da ordem de 270 000 volts.
Essa f.e.m. induzida (tensão
elétrica), pela lei de Faraday, está totalmente condicionada
(para um dado número de espiras do secundário) à rapidez
com que varia o fluxo magnético que abraça o enrolamento,
na unidade de tempo.
Para aumentar essa rapidez de
variação de fluxo, temos que aumentar o número de
interrupções por segundo na corrente elétrica que
circula pela bobina primária. Todos os interruptores mecânicos
só conseguem de 20 a umas 150 interrupções por segundo,
dependendo da auto-indução do primário.
Uma técnica para obter-se
um número bem maior de interrupções por segundo, com
recursos simples, é utilizar no lugar do interruptor mecânico
de Wagner, o interruptor eletrolítico de Wehnelt, que apresenta
enorme eficiência.
Baseia-se no efeito Joule e na
ação eletrolítica da corrente elétrica, oferecendo,
entre outras, a vantagem de permitir emprego de correntes muito mais intensas
(valor médio) do que aquelas permitidas com baterias de pilhas.
Esse interruptor, o Wehnelt, como era conhecido, tem o aspecto indicado
na ilustração abaixo, onde comparece, também, o circuito
elétrico para a montagem.
O interruptor propriamente
dito consta de um béquer, com10% de ácido sulfúrico
em água, dentro do qual se mergulham, parcialmente, uma lâmina
de chumbo e um tubo de vidro (tubo de ensaio, pirex, preenchido com areia
fina), de cuja extremidade selada a fogo sobressai uma ponta de platina
de 1 ou 1,5 mm.
Esse interruptor é ligado
em série com a fonte de tensão (que pode ser de 110 VDC -
tensão da própria rede, retificada ou não), uma lâmpada
de 150 a 200 W/110 V (pode ser utilizado, em substituição,
um resistor de cerca de 50 ohms, 20 W) e com o primário da bobina
de indução (parte inferior da ilustração acima).
A corrente vai do positivo (se
adotar a retificação) da etapa retificadora para o fio de
platina e dai passa, através da solução, para lâmina
de chumbo, continuando pelo enrolamento primário da bobina e termina
no pólo negativo da fonte de tensão. O uso da corrente alternada
aumenta um pouco o rendimento do processo.
A teoria: A corrente decompõe
o ácido (há toda uma teoria da eletrólise em torno
disso) e na ponta de platina desprende-se certa quantidade de oxigênio/hidrogênio.
Como essa ponta tem reduzida superfície, desenvolve-se aí
considerável quantidade de calor (por efeito Joule ), além
de produzir um barulhinho bastante atrativo). Isso vaporiza energicamente
a água na ponta, a ponto de, decompô-la em oxigênio
e hidrogênio.
Em conseqüência disso,
forma-se ao redor da ponta urna cobertura gasosa (vapor d'água,
hidrogênio e oxigênio) em tal proporção que isola
a ponta, interrompendo a corrente elétrica. Ao mesmo tempo, ocorrendo
a interrupção e em virtude da auto-indução
no primário, produz-se uma extra-corrente, que produz uma faísca
no local da interrupção. Essa faísca produz a combinação
do hidrogênio e oxigênio para formar a água, desaparecendo
com isso a cobertura gasosa e assim o líquido restabelece contato
com a ponta.
O ciclo se repete em brevíssimo
intervalo de tempo e assim a interrupção da corrente se sucede
com grande rapidez.
Com esse interruptor de Wehnelt
consegue-se facilmente de 1000 a 2000 interrupções por segundo,
obtendo-se com isso faíscas generosas em forma de penachos.
Esse número de interrupções
depende da auto-indução da bobina, das dimensões do
fio de platina e da tensão de alimentação; podendo
chegar às 3 000 por segundo em pequenas bobinas.
Vale a pena a construção
desse Wehnelt pois, permite, também, alimentação através
da rede elétrica domiciliar e, por outro lado, apresenta uma corrente
média bem superior aos demais tipos de interruptores que serão
apresentados. A idéia básica desse interruptor nasceu da
eletrólise da água (eletrodo de platina em solução
ácida).
Sugerimos um exercício
mental: o que acontecerá se os eletrodos fossem, pouco a pouco,
diminuindo de comprimento?
Nota
Para explicação
mais sucinta para o fenômeno das interrupções pode-se
recorrer ao fenômeno da calefação que ocorre ao redor
da diminuta ponta. A ponta de platina torna-se incandescente devido à
passagem da corrente em reduzida área; o contato é suprimido
pelo efeito da calefação que se origina.
Modernamente, como veremos em
outras montagens, pode-se obter interrupções com SCR, TRIACs
e circuitos integrados, em apresentações bem mais compactas
Porém, como a intenção é puramente didática
e querermos transmitir princípios básicos de ciências,
com explicações e funcionamento compatíveis ao nível
de ensino médio, preferimos sem dúvida, um interruptor eletrolítico
de Wehnelt a um triac tipo TIC-216B e todo o 'penduricalho' eletrônico
que o acompanha para produzir sinais periódicos na porta (gate)
de controle. Isso não exclui, obviamente, a inclusão de tal
circuito na bobina de Ruhmkorff, acoplando o ano de 1851 com o nosso 2001
--- 150 anos de evolução científica.
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