MINI BOBINA DE TESLA E UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE ATIVIDADES INVESTIGATIVAS

## MINI BOBINA DE TESLA E UMA PROPOSTA PARA O ENSINO DE ATIVIDADES INVESTIGATIVAS

Juscelino Campos de Carvalho Junior 1 , Jefferson Adriano Neves 2 , Marco Aurélio do Espírito Santo 3 , Gabriele Maria Baptista Cordeiro 4

¹Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Rio de Janeiro / Campus Volta Redonda, Juscelino\_campos@hotmail.com

²Universidade Federal de Lavras / Departamento de Ciências Exatas, jefferson.neves@dex.ufla.br

³Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Rio de Janeiro / Campus Volta Redonda, marco.espirito@ifrj.edu.br

4 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Rio de Janeiro / Campus Volta Redonda, gabimbc@hotmail.com

## Resumo

A importância de se trabalhar com atividades investigativas, é proporcionar contextos relevantes aos alunos de maneira a contribuir de modo significativo para sua aprendizagem. Portanto fazer o uso de atividades investigativas é colocar o aluno frente a problemas contextualizados de modo que ele possa desenvolver suas habilidades. Ao passo que as atividades investigativas proporcionam características peculiares no ensino de física, acreditarmos que é através do ensino por investigação que o aluno tenha a compreensão de que a Ciência não é construída de maneira linear, mas sim pela contribuição de grandes cientistas e pelos erros que a ciência cometeu. Portanto para concretizar e ofertar subsídios para a manipulação como também construir um objeto prático de baixo custo, para tanto o problema de pesquisa foi de como construir um oscilador de alta frequência, também conhecida como Bobina de Tesla, que permita aos alunos do Ensino Médio explorar atividades experimentais investigativas. Para a inserção da atividade investigativa no ensino de eletromagnetismo, foi utilizado o documentário 'Nikola Tesla: O pai da Eletricidade Moderna', para que o problema de investigação fosse motivador, propomos se é possível acender uma lâmpada sem fio, o interesse pelo problema está justamente no fato da possibilidade de se acender ou não uma lâmpada sem a necessidade de fios. Espera-se que este trabalho possa contribuir não só de forma significativa para o ensino de eletromagnetismo tomando como base as atividades investigativas, como também seja objeto de estudo para outras pesquisas que venham utilizar a 'mini' bobina a partir de outras metodologias de ensino.

Palavras-chave: Bobina de Tesla, Eletromagnetismo, Ensino de Física.

## Abstract

The importance of working with research activities is to provide relevant contexts to students in order to contribute significantly to their learning. So making use of investigative activities is putting the student in front of contextualized problems so that he can develop his skills. While research activities provide peculiar characteristics in physics teaching, we believe that it is through research teaching that the student has the understanding that Science is not constructed in a linear fashion, but rather by the contribution of great scientists and the errors that science has committed. Therefore, in order to materialize and offer subsidies for

manipulation, as well as to construct a practical object of low cost, the research problem was how to construct a high frequency oscillator, also known as Tesla Coil, that allows the students of the High School to explore experimental investigative activities. For the insertion of the investigative activity in the teaching of electromagnetism, we used the documentary "Nikola Tesla: The father of Modern Electricity", so that the research problem was motivating, we propose if it is possible to light a wireless lamp, the interest in the problem lies precisely in the fact that it is possible to light a lamp without the need for wires. It is hoped that this work may not only contribute significantly to the teaching of electromagnetism based on investigative activities, but also be the object of study for other researches that will use the "mini" coil from other teaching methodologies.

Keywords: Excited Slayer, Electromagnetism, Teaching Physics.

## Introdução

O eletromagnetismo é um conteúdo abstrato no ensino de físico, apesar de estar difundido na vida cotidiana, seja para ligar um computador, acessar internet via WIFI, ouvir uma música no rádio, assistir televisão, esquentar comida através de um fogão de indução, carregar celular sem a utilização de fios e até a própria luz que nos ilumina. As aplicações e os conceitos estudados no eletromagnetismo são sem dúvida um pilar fundamental para a formação de um cidadão cientificamente letrado. Não somente a resolução de problemas é determinante para que o aluno possa desenvolver a sua capacidade cognitiva de compreender determinados conceitos físicos. É necessário que se estabeleça condições para que os alunos possam desenvolver suas próprias habilidades.

As atividades experimentais no ensino de física permite ilustrar fenômenos e auxiliar os alunos a desenvolverem as suas próprias habilidades. Uma possibilidade para a inserção das atividades experimentais em sala de aula é através de atividades experimentais investigativas, para esta possibilidade, apoiou-se nos trabalhos de Azevedo (2013), Carvalho (2011). A essência do trabalho investigativo, passa pela compreensão do problema, nesse caso, o problema experimental, que consiste em uma situação para a qual não há uma solução imediata obtida pela aplicação de uma fórmula ou algoritmo para resolvê-la, tendo-se que fazer idealizações e aproximações. Corroborando também para a quebra do paradigma de que a ciência é algo imutável não passível de questionamento.

A Bobina de Tesla, como ressalta Silva (2012), é um aparelho ideal para explorar conceitos e fenômenos eletromagnéticos. Nos trabalhos de Laburú e Arruda (1991, 2004) também é dada a ênfase de que este equipamento possa ser utilizado pelo professor como instrumento para apresentar conceitos de eletromagnetismo. Tais trabalhos apresentam propostas para a construção de uma Bobina de Tesla e alertam para os riscos aos estudantes.

## Construção do Recurso Didático

A mini Bobina de Tesla conhecida como Slayer Exciter , é um circuito 1 oscilador de alta frequência que utiliza um transistor tipo NPN, sendo responsável

pelo circuito oscilar, além de ser um amplificador de ganho de sinal. A mini bobina funciona a partir de uma fonte de tensão contínua, que neste caso foi utilizado uma fonte de 9V que alimenta o circuito elétrico conforme a fig. 1, em que apresenta a distribuição dos dispositivos eletrônicos.

Figura 1 -Circuito elétrico da mini bobina de tesla

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Fonte: Próprio autor

Na confecção deste circuito foram utilizados os materiais conforme a tab.1, sendo que os materiais podem variar conforme a montagem do circuito e o modelo de transistor também podem mudar.

Tabela 1 - Relação dos materiais utilizados para a construção

Fonte: Próprio autor

Para o indutor secundário deste projeto, foi necessário calcular a quantidade de fio gasto tendo em vista que ele é formado por centenas de voltas utilizando o fio esmaltado. As expressões a seguir foram obtidas através do trabalho de Chiquito e Lanciotti Junior (2000) e Silva (2012). Sendo assim, foi utilizada a expressão (1), obtendo a quantidade mínima de fio gasta no projeto;

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onde k representa a quantidade de voltas por centímetro e D representa o diâmetro do tudo de PVC utilizado. Sendo encontrado o valor de aproximadamente 45 voltas por centímetro.

Da relação entre a quantidade de voltas por centímetros, podemos determinar a quantidade de fio gasto no projeto através da expressão (2)

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neste caso l S representado a quantidade de fio, d o diâmetro externo da bobina, H altura do indutor, k a quantidade de voltas por centímetros, sendo 100 a unidade de conversão de unidade. Chegando a um valor de aproximadamente 45 metros de fio esmaltado para enrolar aproximadamente 12,5 cm do tubo de PVC.

A quantidade de voltas necessária para recobrir o indutor pode ser determinada pela expressão (3);

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onde N s é o número total de voltas a serem dadas de acordo com a altura do indutor construído, chegando a um valor próximo à 550 voltas.

- O indutor secundário construído pode ser visto na fig. 2, na qual foi construída uma toroíde com uma bola de isopor recoberta com papel alumínio, sua finalidade neste circuito é distribuir as cargas no topo da bobina aumentando a capacitância C1 que surgirá entre a superfície esférica e o ar, que neste caso é o terra do circuito.

a)

b)

Figura 2 a) Indutor construído a partir dos materiais b) mini bobina montada sobre a plataforma de madeira. Fonte: Próprio autor

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Sendo utilizando um suporte de madeira para a fixação dos componentes eletrônicos para melhor manusear o dispositivo durante as apresentações. Neste circuito utilizamos um dissipador de calor acoplado ao transistor. Salientamos que este dispositivo diferente da BT não produz centelha na parte superior do indutor secundário, sendo essa causa devida a baixa potência de operação do dispositivo.

## Análise e Discussão

Como discutido na apresentação da mini Bobina de Tesla a mesma utiliza uma fonte de tensão contínua para seu funcionamento, sendo o transistor o responsável por fazer o circuito oscilar além dos demais componentes da bobina. Porém na literatura científica um indutor funciona quando há uma variação da corrente no circuito, neste caso a tensão de entrada é contínua e que o circuito só funcionaria nos instantes em que se liga e desliga, pois nesses dois instantes a corrente no circuito irá variar no tempo. Porém no circuito há um dispositivo essencial para seu funcionamento, que no caso o transistor, tal dispositivo eletrônico é responsável por comutar e amplificar a corrente de um circuito. Os transistores em

geral possuem três estágios de operação, sendo a zona de corte, zona de ativa e a saturação, no caso da mini Bobina o transistor trabalha na zona de corte, ou seja, quando o transistor liga e desliga (conhecido como chaveamento) o circuito através de uma determinada corrente que entra pela base, sendo a corrente um sinal positivo, pois o transistor é do tipo NPN.

Para analisarmos os efeitos gerados pela mini Bobina, foi utilizado um osciloscópio da instituição, na qual foi verificado conforme a fig. 3 os pulsos gerados em cada instante de tempo em L1 à medida em que o transistor liga e desliga o circuito.

Figura 3 -Comportamento da tensão elétrica no indutor primárioFonte: Imagem obtida através do osciloscópio

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Através da figura 3 é possível visualizar os picos de tensão durante o acionamento da corrente de L1 através da base e ascendência da tensão a medida que o indutor começa a descarregar. Como a uma interrupção eminente da corrente no circuito primário, surge no indutor secundário uma corrente pulsada, descrita pela Lei de Indução de Faraday, na equação (1);

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tendo em vista que ambos indutores L1 e L2 estão acoplados e estão sujeitos a indução mútua entre diferentes indutores. O circuito da mini Bobina, se auto regula, diferente da Bobina de Tesla Tradicional na qual se deve ajustar a frequência de ressonância entre os indutores primários e secundários. Neste circuito, não há a necessidade deste tipo de ajuste, pois o mesmo é ajustado pelo próprio transistor.

O indutor L1 está acoplado mutuamente à L2, de modo que a energia seja transferida nos instantes em o fluxo magnético do circuito primário varie nos instantes iniciais, neste momento a transferência de energia para o indutor L2 que tende a aumentar a sua energia, porém como notado no diagrama da fig. 1, no circuito secundário há um capacitor C1, sendo este formado pela parte superior do indutor L2, formando um capacitor esférico, de modo que L2 começa a carregar, surge na parte superior uma carga positiva, acumulando-se à medida que L1 transfere energia para L2.

Há de se notar que L2 está ligado na base do transistor, na medida em que a energia de L2 cresce devido a indutância mútua e da capacitância parasita C1, a corrente da base começa a diminuir, de modo que a corrente da base atinja a corrente mínima em que o transistor comece a atuar (neste caso em corte), nos

instantes em que a corrente da base diminui o transistor desliga. E novamente todo o ciclo se repete quando a corrente na base atingi o mínimo para o acionamento do transistor, liberando a junção do coletor para a o emissor.

A utilização dos díodos retificadores no circuito é importante, pois há corrente alternada circulando pela base do transistor, sendo também responsável por impedir que a tensão abaixe, os diodos podem ser substituídos por Leds.

Quanto ao transistor, pode ser utilizado o BD135, 2N2222A, TIP 31C, salientando que ambos os transistores citados são de alta frequência, o transistor 2N2222A não teve um desempenho satisfatório no circuito da fig. 1, pois o mesmo se aquecia muito o levando a se desligar (medida protetiva do transistor).

## Possibilidade no Ensino por Investigação: Situação problematizadora:

Da possibilidade do circuito acender lâmpadas de gás e induzir em circuitos próximos a mini Bobina, fig. 4, a oportunidade de se evidenciar fenômenos que em muitos casos são vistos somente em livros didáticos ou em animações de vídeos, sendo recursos pouco exploratórios, quando queremos que os alunos possam discutir as situações presentes observando e construindo hipóteses sobre aquele fenômeno evidenciado por ele.

Figura 4 - Indução ocorrendo entre o secundário da bobina e uma lâmpada fluorescenteFonte: Próprio autor

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No contexto apresentado, trabalhar com atividades investigativas passa pela compreensão do problema, nesse caso, o problema experimental, que consiste em uma situação para a qual não há uma solução imediata obtida pela aplicação de uma fórmula ou algoritmo para resolvê-la, tendo-se que fazer idealizações e aproximações. Um conceito importante tratado no ensino por investigação é quanto ao nome 'problema', que segundo a Azevedo (2013), deve-se ter cuidado ao mencionar tal palavra, pois a mesma está embutida em livros com a ideia de operação mecânica para a resolução de exercícios e não a ação que busca aplicar o método científico na solução de determinados assuntos, que envolvam a sua utilização dentro do campo de ciências.

Frente ao desafio de inserir o aluno dentro de uma situação problematizadora, o caminho a percorrer para responder a um problema de investigação como também reconhecer a importância de Nikola Tesla para o desenvolvimento do eletromagnetismo, será utilizado um documentário, cujo nome

'Nikola Tesla: O pai da Eletricidade Moderna . Sendo este o embasamento teórico 2 necessário para que se estabeleça a condição necessária para que o aluno possa responder à questão do por que estou realizando esta atividade. Com o documentário objetiva-se apresentar o contexto histórico e a personalidade de Tesla. Neste aspecto de acordo com Azevedo (2013) compreender a necessidade de solucionar um problema é uma etapa primordial para o uso de atividades investigativas em sala de aula.

Após o documentário o professor poderá utilizar elementos pertinentes a ele para fundamentar uma situação problema de modo que o aluno possa responder as perguntas e levantar hipóteses utilizando o recurso experimental, no caso a mini bobina de Tesla. Assistido ao documentário por completo, as questões iniciais farão jus às características do uso da eletricidade, como: (a) pelo que se notou no documentário é possível transmitir energia?; (b) se for possível, porque não a usamos em vez de postes?; (c) se Tesla utilizasse outra lâmpada, seria possível vê-la acender?; (d) existe alguma 'coisa' que influência ela acender?; e, (e) em que condição uma acende e a outra não?

Para responder essas questões o professor poderá de antemão realizar com os alunos uma oficina com o objetivo de construir tal recurso experimental, ou na inviabilidade desta oficina levar para sala um dispositivo confeccionado por ele, neste caso algumas questões podem ser acrescidas ou não da proposta. Em um processo conflitante, o professor poderá questionar o aluno se há alguma diferença entre as lâmpadas utilizadas, pois uma existe o filamento de tungstênio e outra apenas um gás inerte. Espera-se que tal questionamento possa levar o aluno a investigar a estrutura física ambas, nesta etapa o professor poderá sistematizar, pedindo que os educandos façam uma pesquisa complementar sobre o funcionamento de cada uma das lâmpadas. (CARVALHO, 2011)

## Conclusão

Este trabalho apresentou a construção de um experimento de baixo custo e uma proposta de atividade investigativa. Durante o planejamento inicial viu-se a possibilidade de utilizar a Bobina de Tesla como instrumento pedagógico, tendo em vista os efeitos relevantes para o ensino de eletromagnetismo, porém durante a pesquisa constatou-se os empecilhos de sua utilização em sala, para tanto a min i Bobina foi construída para servir de alternativa à BT e que produzisse efeitos semelhantes à tradicional.

O projeto da mini Bobina atendeu as nossas expectativas de uso, tendo em vista que para o seu funcionamento, o transistor foi essencial, quando comparado aos componentes utilizados em uma BT. O projeto não só buscou a utilização para servir de suporte básico para o ensino, como também almejou a construção pelos alunos, desde que fossem seguidas as orientações de montagem pelo professor. Com a construção da mini Bobina, constatou-se a possibilidade do uso em atividades investigativas, para tanto propomos uma situação problema aliado ao fato de as lâmpadas acenderem quando próximas a estes dispositivos, para isso foi

elaborado uma situação problema partindo do documentário sobre Nikola Tesla, e que seria o ponto de partida para a situação problema.

Quanto às possibilidades, a mini Bobina permite abordar não só as questões ligadas à indução, mas também apresentar em um contexto social visto isso no desenvolvimento das telecomunicações, pois como se percebe o eletromagnetismo provocou nos últimos anos uma revolução nos equipamentos de telecomunicação. Outro ponto que merece ser considerado é o tempo de planejamento de uso como a execução da atividade, para que o tempo não seja um empecilho para a realização das atividades, talvez seja necessário montar uma oficina pedagógica de maneira que os alunos possam adquirir os materiais e a montarem grupos de pesquisa fora das aulas, de maneira que o professor de física possa orientá-los nesta prática.

Um aspecto que poderia ser abordado com uma maior profundidade é o uso para adquirir dados, como discutido no corpo do trabalho, a mini Bobina apresenta limitações de uso devido à estrutura do circuito montado, como o fato da alta frequência gerar interferência nos equipamentos de medição. Podendo servir de suporte para futuros projetos de pesquisa que venham a utilizá-la para o ensino de eletromagnetismo. A grande contribuição para o ensino de eletromagnetismo utilizando a mini Bobina está na possibilidade de construí-la com materiais de fácil aquisição como também o fato da mesma permitir explorar conceitos de natureza eletromagnética, no qual possam ser discutidas sem a necessidade de um laboratório sofisticado.

## Referências bibliográficas

AZEVEDO, Maria Cristina P. Stella. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, Anna Maria Pessoa de. Ensino de Ciências: Unindo a Pesquisa e a Prática , 1. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2013. p. 19-33.

CARVALHO, A. M. P.. Ensino e aprendizagem de Ciências: referenciais teóricos e dados empíricos das sequências de ensino investigativas- (SEI). In: Marcos Daniel Longhini. (Org.). O Uno e o Diverso na Educação . 1ed.Uberlândia: EDUFU, 2011, v. , p. 253-266.

CHIQUITO, Adenilson José; LANCIOTTI JUNIOR, Francesco. Bobina de Tesla: dos Circuitos Ressonantes LC aos Princípios das Telecomunicações. Revista Brasileira de Ensino de Física, [s. i.], v. 22, n. 1, p.69-77, 1 mar. 2000.

LABURÚ, C. E; ARRUDA, S. M. A construção de uma bobina de tesla para uso em demonstrações na sala de aula. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 21, p. 217-226, 2004.

LABURÚ, C. E.; ARRUDA, S. M. A construção de uma bobina de Tesla para uso em demonstrações na sala de aula. Caderno Catarinense de Ensino de Física , v. 8, n. 1, p. 64-75, Abril 1991.

SILVA, Domingos Sávio de Souza . A versatilidade da bobina de Tesla na prática docente do ensino de eletromagnetismo . 2012. 66f. TCC (Graduação) Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza, 2012.