Bobina de indução - Induction coil

Bobina de indução antiga usada em escolas, por volta de 1900, Bremerhaven, Alemanha
Bobina de indução mostrando construção, de 1920.

Uma bobina de indução ou "bobina de ignição" ( arcaicamente conhecido como um inductorium ou bobina Ruhmkorff após Heinrich Ruhmkorff ) é um tipo de equipamento eléctrico transformador utilizado para produzir pulsos de alta voltagem de uma baixa tensão de corrente contínua de alimentação (DC). Para criar as mudanças de fluxo necessárias para induzir a tensão na bobina secundária, a corrente contínua na bobina primária é interrompida repetidamente por um contato mecânico vibratório chamado interruptor . Inventado em 1836 por Nicholas Callan , com pesquisas adicionais de Charles Grafton Page e outros, a bobina de indução foi o primeiro tipo de transformador. Foi amplamente utilizado em máquinas de raio-x , transmissores de rádio de centelha , iluminação de arco e dispositivos de eletroterapia médica charlatão de 1880 a 1920. Hoje, seu único uso comum é como bobinas de ignição em motores de combustão interna e em educação física para demonstrar indução .

Construção e função

Diagrama esquemático

Uma bobina de indução consiste em duas bobinas de fio isolado enrolado em torno de um núcleo de ferro comum (M) . Uma bobina, chamada de enrolamento primário (P) , é feita de relativamente poucas (dezenas ou centenas) voltas de fio grosso. A outra bobina, o enrolamento secundário , (S) normalmente consiste em até um milhão de voltas de fio fino (até 40 gauge).

Uma corrente elétrica é passada através do primário, criando um campo magnético . Por causa do núcleo comum, a maior parte do campo magnético do primário se acopla ao enrolamento secundário. O primário se comporta como um indutor , armazenando energia no campo magnético associado. Quando a corrente primária é interrompida repentinamente, o campo magnético entra em colapso rapidamente. Isso faz com que um pulso de alta tensão seja desenvolvido através dos terminais secundários por meio de indução eletromagnética . Devido ao grande número de voltas na bobina secundária, o pulso de tensão secundária é normalmente de muitos milhares de volts . Esta tensão é freqüentemente suficiente para causar uma faísca elétrica , para saltar através de um entreferro (G) que separa os terminais de saída do secundário. Por esta razão, as bobinas de indução foram chamadas de bobinas de ignição.

Uma bobina de indução é tradicionalmente caracterizada pelo comprimento da centelha que pode produzir; uma bobina de indução de '4 polegadas' (10 cm) pode produzir uma faísca de 4 polegadas. Até o desenvolvimento do osciloscópio de raios catódicos , esta era a medição mais confiável da tensão de pico de tais formas de onda assimétricas. A relação entre o comprimento da centelha e a tensão é linear dentro de uma ampla faixa:

4 polegadas (10 cm) = 110 kV; 8 polegadas (20 cm) = 150 kV; 12 polegadas (30 cm) = 190kV; 16 polegadas (41 cm) = 230 kV

As curvas fornecidas por uma referência moderna concordam intimamente com esses valores.

Interruptor

Sem capacitor
Com capacitor
Formas de onda em uma bobina de indução com saída aberta (sem faísca). i 1 ( azul  ) é a corrente no enrolamento primário da bobina, v 2 ( vermelho  ) é a tensão no secundário. Escala não comum; v 2 é muito maior no desenho inferior.

Para operar a bobina continuamente, a corrente de alimentação DC deve ser repetidamente conectada e desconectada para criar as mudanças de campo magnético necessárias para a indução. Para fazer isso, as bobinas de indução usam um braço vibratório magneticamente ativado denominado interruptor ou interruptor ( A ) para conectar e interromper rapidamente a corrente que flui para a bobina primária. O interruptor é montado na extremidade da bobina próximo ao núcleo de ferro. Quando a energia é ligada, a corrente crescente na bobina primária produz um campo magnético crescente, o campo magnético atrai a armadura de ferro do interruptor ( A ). Depois de um tempo, a atração magnética supera a força da mola da armadura e a armadura começa a se mover. Quando a armadura se move para longe o suficiente, o par de contatos ( K ) no circuito primário abre e desconecta a corrente primária. Desconectar a corrente faz com que o campo magnético entre em colapso e crie a centelha. Além disso, o campo colapsado não atrai mais a armadura, de modo que a força da mola acelera a armadura em direção à sua posição inicial. Pouco tempo depois, os contatos se reconectam e a corrente começa a construir o campo magnético novamente. Todo o processo recomeça e se repete muitas vezes por segundo. A tensão secundária v 2 ( vermelho , à esquerda) é aproximadamente proporcional à taxa de variação da corrente primária i 1 ( azul ).

Potenciais opostos são induzidos no secundário quando o interruptor 'quebra' o circuito e 'fecha' o circuito. No entanto, a mudança atual no primário é muito mais abrupta quando o interruptor 'quebra'. Quando os contatos fecham, a corrente aumenta lentamente no primário porque a tensão de alimentação tem uma capacidade limitada de forçar a corrente através da indutância da bobina. Em contraste, quando os contatos do interruptor abrem, a corrente cai para zero repentinamente. Portanto, o pulso de tensão induzido no secundário na 'ruptura' é muito maior do que o pulso induzido no 'fechamento', é a 'ruptura' que gera a saída de alta tensão da bobina.

Capacitor

Um arco se forma nos contatos da ampola na ruptura que tem efeitos indesejáveis: o arco consome a energia armazenada no campo magnético, reduz a tensão de saída e danifica os contatos. Para evitar isso, um capacitor de extinção (C) de 0,5 a 15 μF é conectado à bobina primária para diminuir o aumento da tensão após uma interrupção. O capacitor e o enrolamento primário juntos formam um circuito sintonizado , portanto, ao quebrar, uma onda amortecida flui no primário e da mesma forma induz uma onda amortecida no secundário. Como resultado, a saída de alta tensão consiste em uma série de ondas amortecidas (esquerda) .

Detalhes de construção

Para evitar que as altas tensões geradas na bobina quebrem o fino isolamento e formem arcos entre os fios secundários, a bobina secundária usa uma construção especial para evitar que fios com grandes diferenças de voltagem fiquem próximos uns dos outros. Em uma técnica amplamente utilizada, a bobina secundária é enrolada em muitas seções planas e finas em forma de panqueca (chamadas de "tortas"), conectadas em série .

A bobina primária é primeiro enrolada no núcleo de ferro e isolada da secundária com um papel grosso ou revestimento de borracha. Em seguida, cada sub-bobina secundária é conectada à bobina próxima a ela e deslizada para o núcleo de ferro, isolada das bobinas adjacentes com discos de papelão encerado. A tensão desenvolvida em cada sub-bobina não é grande o suficiente para pular entre os fios da sub-bobina. Grandes tensões são desenvolvidas apenas em muitas sub-bobinas em série, que são amplamente separadas para serem curvadas. Para dar a toda a bobina um revestimento isolante final, ela é imersa em cera de parafina derretida ou colofônia ; o ar é evacuado para garantir que não haja bolhas de ar no interior e que a parafina se solidifique, de modo que toda a bobina é envolta em cera.

Para evitar correntes parasitas , que causam perdas de energia, o núcleo de ferro é feito de um feixe de fios de ferro paralelos, revestidos individualmente com goma laca para isolá-los eletricamente. As correntes parasitas, que fluem em loops no núcleo perpendiculares ao eixo magnético, são bloqueadas pelas camadas de isolamento. As extremidades da bobina primária isolada freqüentemente se projetam vários centímetros de cada extremidade da bobina secundária, para evitar arcos do secundário para o primário ou o núcleo.

Mercúrio e interruptores eletrolíticos

(esquerda) Interruptor Wehnelt de 3 eletrodos usado em bobinas de alta potência. (direita) Interruptor de turbina de mercúrio. O motor gira a roda dentada enquanto um jato de mercúrio é pulverizado sobre os dentes. Ajustando a roda para cima e para baixo, o ciclo de trabalho da corrente primária pode ser alterado.

Embora as bobinas de indução modernas usadas para fins educacionais usem o interruptor do tipo 'martelo' de braço vibratório descrito acima, elas eram inadequadas para alimentar as grandes bobinas de indução usadas em transmissores de rádio e máquinas de raio-x por volta da virada do século XX. Em bobinas poderosas, a alta corrente primária criava arcos nos contatos do interruptor que rapidamente destruíam os contatos. Além disso, como cada "quebra" produz um pulso de tensão da bobina, quanto mais interrupções por segundo, maior será a potência de saída. Os interruptores de martelo não eram capazes de taxas de interrupção acima de 200 interrupções por segundo e os usados ​​em bobinas potentes eram limitados a 20 - 40 interrupções por segundo.

Portanto, muitas pesquisas foram feitas para melhorar os interruptores e projetos aprimorados foram usados ​​em bobinas de alta potência, com os interruptores de martelo usados ​​apenas em pequenas bobinas com faíscas de 8 ". Léon Foucault e outros desenvolveram interruptores que consistem em uma agulha oscilante mergulhando para dentro e para fora de um recipiente de mercúrio . O mercúrio estava coberto com uma camada de álcool que extinguiu o arco rapidamente, causando uma comutação mais rápida. Muitas vezes, eram acionados por um eletroímã ou motor separado, que permitia que a taxa de interrupção e o tempo de "permanência" fossem ajustados separadamente da corrente primária .

As maiores bobinas usavam interruptores eletrolíticos ou de turbina de mercúrio. O interruptor eletrolítico ou Wehnelt, inventado por Arthur Wehnelt em 1899, consistia em um ânodo de agulha curta de platina imerso em um eletrólito de ácido sulfúrico diluído , com o outro lado do circuito conectado a um cátodo de placa de chumbo . Quando a corrente primária passava por ele, bolhas de gás hidrogênio se formavam na agulha, que interrompiam repetidamente o circuito. Isso resultou em uma corrente primária interrompida aleatoriamente em taxas de até 2.000 interrupções por segundo. Eles foram preferidos para alimentar tubos de raios-X. Eles produziram muito calor e devido ao hidrogênio podem explodir. Os interruptores de turbina de mercúrio tinham uma bomba centrífuga que pulverizava uma corrente de mercúrio líquido em contatos metálicos rotativos. Eles podiam atingir taxas de interrupção de até 10.000 pausas por segundo e eram o tipo de interruptor mais amplamente usado em estações sem fio comerciais.

História

Bobina inicial de William Sturgeon , 1837. A roda dentada de zinco em dente de serra (D) foi girada manualmente. A primeira bobina a usar um núcleo dividido de fios de ferro (F) para evitar correntes parasitas.
A bobina inicial de Charles G. Page, 1838, teve um dos primeiros interruptores automáticos. O copo estava cheio de mercúrio. O campo magnético atraiu a peça de ferro do braço (esquerda) , retirando o fio da capa, interrompendo o circuito primário.
Bobina de indução por Heinrich Ruhmkorff , 1850s. Além do interruptor de martelo (à direita) , possuía um interruptor de mercúrio Fizeau (à esquerda) que podia ser ajustado para alterar o tempo de permanência.
Uma das maiores bobinas já construídas, construída em 1877 por Alfred Apps para William Spottiswoode. Ferido com 280 milhas de fio, pode produzir uma faísca de 42 pol. (106 cm), correspondendo a cerca de um milhão de volts. Alimentado por baterias líquidas de 30 quartos e um interruptor separado (não mostrado) .
A primeira bobina de indução, construída por Nicholas Callan, 1836.

A bobina de indução foi o primeiro tipo de transformador elétrico . Durante seu desenvolvimento entre 1836 e 1860, principalmente por tentativa e erro, os pesquisadores descobriram muitos dos princípios que governavam todos os transformadores, como a proporcionalidade entre espiras e tensão de saída e o uso de um núcleo de ferro "dividido" para reduzir as perdas por correntes parasitas .

Michael Faraday descobriu o princípio da indução, a lei da indução de Faraday , em 1831 e fez os primeiros experimentos com indução entre bobinas de fio. A bobina de indução foi inventada pelo médico americano Charles Grafton Page em 1836 e independentemente pelo cientista irlandês e padre católico Nicholas Callan no mesmo ano no St. Patrick's College, Maynooth e aprimorada por William Sturgeon . George Henry Bachhoffner e Sturgeon (1837) descobriram independentemente que um núcleo de ferro "dividido" de fios de ferro reduzia as perdas de energia. As primeiras bobinas tinham interruptores de manivela, inventados por Callan e Antoine Philibert Masson (1837). O interruptor automático de 'martelo' foi inventado pelo Rev. Prof. James William MacGauley (1838) de Dublin, Irlanda, Johann Philipp Wagner (1839) e Christian Ernst Neeff (1847). Hippolyte Fizeau (1853) introduziu o uso do capacitor de têmpera. Heinrich Ruhmkorff gerou tensões mais altas aumentando muito o comprimento do secundário, em algumas bobinas usando 5 ou 6 milhas (10 km) de fio e produzindo faíscas de até 16 polegadas. No início da década de 1850, o inventor americano Edward Samuel Ritchie introduziu a construção secundária dividida para melhorar o isolamento. Jonathan Nash Hearder trabalhou em bobinas de indução. A bobina de indução de Callan foi nomeada um marco IEEE em 2006.

Bobinas de indução foram usadas para fornecer alta tensão para a descarga precoce de gás e tubos de Crookes e outras pesquisas de alta tensão. Eles também eram usados ​​para fornecer entretenimento (iluminação de tubos Geissler , por exemplo) e para acionar pequenas "bobinas de choque", bobinas de Tesla e dispositivos de raio violeta usados ​​na medicina charlatã . Eles foram usados ​​por Hertz para demonstrar a existência de ondas eletromagnéticas, conforme previsto por James Clerk Maxwell e por Lodge e Marconi na primeira pesquisa em ondas de rádio. Seu maior uso industrial foi provavelmente nos primeiros transmissores de rádio de telegrafia sem fio e para alimentar os primeiros tubos de raios-X catódicos frios da década de 1890 a 1920, após o que foram suplantados em ambas as aplicações por transformadores AC e tubos a vácuo . No entanto, seu maior uso era como bobina de ignição ou bobina de faísca no sistema de ignição de motores de combustão interna , onde ainda são usados, embora os contatos do interruptor sejam agora substituídos por interruptores de estado sólido . Uma versão menor é usada para acionar os tubos de flash usados ​​em câmeras e luzes estroboscópicas .

Bobina de indução (superior) alimentando a unidade de raios-X fixada na parede 1915, com interruptor eletrolítico (inferior) .
Bobina de ignição do vibrador usada nos primeiros automóveis, como o Ford Modelo T por volta de 1910
Bobina de ignição de automóvel moderno , o maior uso restante para bobinas de indução

Veja também

Notas de rodapé

Leitura adicional

links externos