Máquina Eletrostática
de Bonetti
(Bonetti electrostatic machine)
Em dezembro de 2007,
após ler sobre a construção e
restauraçaõ de uma máquina de bonetti no site do
Professor Antonio Carlos Queiroz, da UFRJ, e discutir sua
possível construção com ele ( www.coe.ufrj.br/~acmq/bonetti.html )
decidi aventurar-me na construção de uma. A
máquina de Bonetti é uma versão sem setores da
máquina de Wimshurst, sendo capaz de gerar corrente e
tensões muito mais elevadas que esta, conforme pude constatar.
Uma comparação é apresentada abaixo. Observe que
apesar de que os discos tem tamanhos um pouco diferentes e a sua
rotação também não ser a mesma (340 RPM foi
o máximo que consegui girar na máquina de Wimshurst pois minha máquina
é acionada com manivela enquanto a de bonetti é movida
por motores elétricos, tudo medido com um tacômetro sem
contato) a diferença de corrente de saída é muito
expressiva, confirmando a expectativa de que ela possa ser da ordem de
2 vezes a da máquina de Wimshurst.
| Tipo de máquina | Diametro dos discos | Numero de setores | Rotação aproximada dos discos (RPM) | Corrente de saída medida |
Tamanho máximo da faísca gerada (62% RH) sem garrafas de Leyden e esferas de 4,5 cm |
| Máquina de Wimshurst | 45 cm | 18 | 340 | 22 µA | 7 cm |
| Máquina de Bonetti | 55 cm | 0 | 400 | 87 µA | 23 cm |
No final desta página apresento algumas fotos
com o processo de construção da máquina e os
resultados obtidos (fotos com longo tempo de exposição
tomadas com máquina Sony de 4.2 MP e tempo de
aquisição de 10 segundos). Decidi construir minha
máquina com motores, ao invés de manivelas, pois assim
ficaria mais fácil fazer experimentos e medições.
Como ela é uma máquina sem a pretenção de
se parecer com as máquinas antigas, mas sim uma tentativa de
obter grandes correntes e faíscas, não me importei de
usar materiais mais nobres, como o acrílico, na montagem das
torres de fixação dos motores - meu objetivo aqui foi o
de obter a mais alta tensão e corrente possível.
Os discos foram cortados em acrílico de 4 mm de espessura e com
55 cm de diâmetro. O centro tem um furo de 6 mm. Há
vários problemas relacionados com os discos. O primeiro é
conseguir cortar o disco perfeitamente circular. Optei por cortar o
disco com formato aproximado e depois desbastar as bordas usando uma
lixadeira e fixando o disco a um eixo. Girando-se assim o disco sua
borda é desgastada por igual até que o mesmo seja
perfeitamente circular.
Descobri então que o
acrílico tem a particularidade de
apresentar grandes diferenças de espessura! No meu caso os
discos chegavam a ter mais de 1 mm de difereça de espessura de
um lado do disco para o outro!
Isto torna praticamente impossível faze-los girar em
rotações elevadas, como era meu plano, pois os mesmos
vão vibrar muito. Precisei
então balancea-los, e a melhor forma de fazer este balanceamento
que encontrei foi a seguinte: Os discos são fixados a um eixo em
seu centro (no meu caso o eixo dos próprios motores) e
são
colocados em posição vertical, sendo girados levemente.
Observei facilmente que eles tendem a parar sempre com um lado para
baixo, obviamente o lado com mais massa (espesso). Passei a fazer
rebaixos (buracos) com uma broca de 10 mm (os rebaixos não
atravessam os
discos, tem pouco mais de 1 mm de profundidade) neste lado mais pesado
de tal forma a equilibra-los, de modo que eles parem em qualquer
posição, sem tendência a parar com um lado em
particular para baixo. Consegui desta maneira que a massa dos discos
ficassem mais regulares e os mesmos deixassem de vibrar quando em
movimento. Outra alternativa será colar pesos nos discos (a
exemplo de como se balanceiam rodas de automóveis), mas achei
mais interessante que este balanceamento fosse o mais "limpo"
possível. Note que dependendo da diferença de massa
é necessário fazer um grande numero de rebaixos nos
discos.
A base de fixação da máquina foi construída de acrilico com 10 mm de espessura conforme o desenho acima. As peças foram coladas com SuperBonder (que dissolve o acrílico e solda as peças perfeitamente). Depois esta base foi parafusada em uma táboa com 35 cmm x 60 cm, que serve de sustentação para toda a máquina. Quatro pés de borracha foram parafusados sob esta táboa, desta forma o conjunto não sai "andando" por sobre a mesa quando altas rotações são aplicadas aos discos.
Vista do suporte da máquina já colado, ao lado da minha máquina de Wimshurst.
Resultados obtidos até agora ( 25/02/2008)Fabriquei no
torno duas peças de teflon circulares com diâmetro
externo de 100 mm e interno de 50 mm, mesmo diâmetro dos motores
que usei em minha máquina, e com 10 mm de espessura (ela fica
com o fiormato de uma grande arruela de teflon). Fiz então 3
furos na sua borda, dois para
fixar os neutralizadores e um para fixar um parafuso de ajuste de
posição. Internamente nestes furos de 4 mm fiz rosca M4,
e nas extremidades das barras neutralizadoras fiz rosca M4
também. Unindo eletricamente as barras neutralizadoras coloquei
uma cinta de latão de mesma largura que a borda da peça
de teflon. Esta montagem ficou interessante pois permite que se ajuste
a
posição (ângulo) entre os neutralizadores, e uma
vez ajustadas as peças podem ser mantidas presas através
do aperto do parafuso de fixação.
As peças de teflon foram então colocadas nos motores e estes fixados nas torres de
fixação através de 4 parafusos com
cabeça allen, conforme pode ser visto na foto acima. Observe que
a peça de teflon pode girar em torno do motor.
Bosses de teflon
foram torneados e fixados aos discos de
acrílico por 3 parafusos e cola. Estes bosses são
peças cônicas com 80 mm de comprimento, e cuja extremidade
mais fina é perfurada para encaixar justa no eixo do
motor. Fiz furos de 5 mm e rosca M5 nestes bosses, de forma a poder
colocar aí um parafuso que aperta o eixo do motor, fixando
firmemente a peça. Isto é necessário porque o
momento dos discos girando a altas rotações é
elevado, e temo pelo risco de se soltarem. No eixo dos motores fiz
rebaixos na posição correspondente ao parafuso de
fixação, de tal forma que ao apertar os parafusos nos
bosses estes penetrem um puco dentro do eixo do motor, impedindo assim
que um eixo gire em relação ao outro.
Nas pontas das barras
neutralizadoras coloquei uma lâmina de
latão com um lado serrilhado com uma pequena esfera de
plástico no extremo externo. Esta esfera reduziu bastante a fuga
por corona de um disco ao outro, fenômeno que constatei ao ligar
a máquina pela primeira vez. As lâminas de latão
tiveram o corte serrilhado feito com uma tesoura de artesanato
adquirida em uma loja de tecidos e foi soldada em uma pequena barra de
cobre perfurada para encaixar na barra neutralizadora e que tem 2
pequenos parafusos para aperto. Esta barra de cobre com parafusos foi
retirada de uma barra sindal (barrinha de conexão usada na
ligação de chuveiros elétricos) e tem a vantagem
de permitir ajustar a posição dos pentes neutralizadores.
Esferas de metal de 4,5 cm de diâmetro foram usadas como
terminais de alta tensão. Estas esferas são usadas para
massagem das mãos (bolas chinesas) e são de
aço e ocas, e perfeitamente polidas. Fiz um furo de 4 mm com
rosca M4 em cada uma e fixei uma tampa de PVC para cano de água
quente nelas com um terminal de latão para conexão.
O conjunto esfera-tampa foi fixado em um cano de
PVC para água
quente de 450mm, ligado a um "T" e a mais um pedaço de cano de
250 mm, e terminado por uma tampa fechada. Na extremidade livre do "T"
colei um pedaço de cano de 50 mm de comprimento. Soldei um fio
em um terminal que fica firmemente conectado à esfera por um
parafuso e passei por dentro do cano, saíndo pelo
tubo curto fixado ao centro do "T" conforme a foto. Depois de tudo
ajustado
apliquei cola para canos de PVC nas peças para assegurar sua
rigidez.
No pequeno cano que sai do centro do "T" fiz um pequeno recorte conforme a foto.
Esta peça recortada é introduzida em uma outra tampa de
cano que por sua vez é parafusada na peça de
acrílico que dá suporte aos coletores de carga. A
idéia é a de que estes terminais de descarga possam ser
girados (um pouco apertados por causa do atrito) em
relação à tampa fixa, que também é
furada e tem um pequeno parafuso de plástico que a atravessa e
entra na fenda feita e mostrada acima. Desta forma o terminal pode ser
girado o mesmo ângulo definido pelo corte feito. Isto permite
delimitar a faixa de giro (ângulo) que podem ser movidos os
terminais e impedir que os mesmos saiam de sua posição,
encaixados na tampa fixa.
Duas peças de acrilico formando um "V" foram fixadas à
torre do motor para servir de suporte aos pentes coletores de carga, e
foram cortadas em acrílico de 6 mm que depois teve internamente
colado um reforço para evitar que se movessem com a
máquina em operação ou quando se movimentassem os
terminais de descarga. Em cada extremidade foi fixado um tampão
de cano de PVC de 100 mm que serve como blindagem anti-corona. Dentro
destes tampões foram fixadas barras de latão com
serrilhado iguais aos neutralizadores. Atravessando as tampas de 100 mm
estão parafusos de 6 mm que prendem de um lado estes
tampões e de outro um tampão de 25mm de cano de
água quente aonde vão presos os terminais de descarga, e
neles estão terminais de latão que são soldados
aos fios que saem dos terminais de descarga. Na foto pode-se ver a
máquina pronta, mas ainda sem as garrafas de Leyden,
além da fonte de alimentação usada para acionar os
motores. esta fonte, artesanal, tem capacidade para gerar de 0
a 30 volts (ajustáveis) CC e 5 ampéres, e por meio
dela posso variar a velocidade de rotação. O consumo da
máquina, quando exitada, a 1000 RPM, é da ordem de 3,2
ampéres @ 20 volts.
Os motores usados foram retirados de uma máquina leitora de fitas da IBM, usada em antigos computadores /370 que encontrei na sucata. Dois terminais (bornes) banana foram fixados na base para a conexão dos motores à fonte de alimentação. Não coloquei terminais coletores de carga do outro lado da máquina. A razão disto foi a pouca diferença na corrente gerada que medi coletando carga em um ou nos dois discos, e o fato de que fica muito mais bonito se observar a descarga nos discos no escuro se os mesmos estão livres, e as tensões obtidas foram suficientemente elevadas desta maneira.
Montei duas garrafas de Leyden (capacitores) usando cano de água de 75mm (cano de PVC marrom). Escolhi este material porque ele é mais espesso que o PVC branco (usado em esgotos) já que a tensão estimada em minha máquina ultrapassa os 250 kV. Usei tampas para fechar ambos os lados. O contato entre a placa interna e o terminal da máquina é feito inserindo o arame de latão que sai do capacitor em um pequeno furo que fiz no suporte do coletor de cargas, conforme pode se ver na foto abaixo.
Os motores usados foram retirados de uma máquina leitora de fitas da IBM, usada em antigos computadores /370 que encontrei na sucata. Dois terminais (bornes) banana foram fixados na base para a conexão dos motores à fonte de alimentação. Não coloquei terminais coletores de carga do outro lado da máquina. A razão disto foi a pouca diferença na corrente gerada que medi coletando carga em um ou nos dois discos, e o fato de que fica muito mais bonito se observar a descarga nos discos no escuro se os mesmos estão livres, e as tensões obtidas foram suficientemente elevadas desta maneira.
Montei duas garrafas de Leyden (capacitores) usando cano de água de 75mm (cano de PVC marrom). Escolhi este material porque ele é mais espesso que o PVC branco (usado em esgotos) já que a tensão estimada em minha máquina ultrapassa os 250 kV. Usei tampas para fechar ambos os lados. O contato entre a placa interna e o terminal da máquina é feito inserindo o arame de latão que sai do capacitor em um pequeno furo que fiz no suporte do coletor de cargas, conforme pode se ver na foto abaixo.
A máquina construida desta maneira é sem dúvida a máquina mais potente que já experimentei. Ela não parte sozinha. Após ligar sua alimentação e deixar os motores atingirem cerca de 400 RPM, basta colocar o dedo em contato com um dos discos , atritando-o brevemente e já se ouve o ruído característico e sente-se um forte cheiro de ozônio. Não tive dificuldade em faze-la iniciar mesmo com umidade de mais de 70%. Impressiona o ruído causado pela alta tensão e o aumento significativo de corrente necessária para fazer a máquina seguir girando à mesma rotação. Pos sugestão do Prof. Antonio Carlos afastei os discos, mantendo-os a mais ou menos 15 mm um do outro, obtendo então uma operação mais suave, requerendo menos potência dos motores, sem redução observável na corrente de saída, que foi medida entre um dos terminais e os neutralizadores (que são interligados e aterrados). Os terminais de descarga (esferas) podem ser afastados um do outro a até cerca de 23 cm e ainda se observam descargas entre eles e com distâncias inferiores a 10 cm as descargas são quase contínuas, conforme foto abaixo.
O que mais impresiona nesta máquina é observá-la em operação no escuro. Embora as fotos abaixo deem uma idéia, devido à baixa intensidade luminosa perde-se muito dos eflúvios que emanam do terminal positivo para o ar, além de pequenas e longas descargas de curta duração que ocorrem o tempo todo.
Pode-se na foto ver a luminosidade ocasionada pelos portadores de cargas na superfície do disco e a fuga causada pela presença do parafuso de fixação dos neutralizadores no meio do disco (já eliminei este problema cortando o parafuso e embutindo-o dentro da peça de teflon), além da luz mais intensa nas pontas dos pentes neutralizadores.
A foto acima foi tomada com mais proximidade do neutralizador, que tem cerca de 80 mm de comprimento. Como pode-se ver a descarga tem mais de 150 mm de comprimento na superfície do disco!
Faíscas muito intensas são obtidas entre as duas esferas quando coloco 40 pf (80 pf cada garrafa de Leyden) entre os terminais de saída da máquina, obtendo assim descargas com comprimentos que chegam a mais de 13 cm com 70% de umidade do ar.
Grandes
faíscas, com 23 cm ou mais são obtidas facilmente quando
adiciono garrafas de Leyden à minha máquina e com uma
pequena esfera sobre o terminal positivo. Estes
capacitores foram implementados em tubos de PVC de água
(marrons, mais grossos que os de esgoto, que são brancos) com
cerca de 45 cm de comprimento, e com tampas em ambos os lados. Em seu
lado externo colei uma faixa de 5 cm de largura de alumínio
(terminal externo) e do lado de dentro introduzi uma lata enrolada que
é ligada a um eixo de latão. Este eixo passa por um furo
no terminal superior de forma a dar acesso à placa interna do
capacitor. Ficaram com 80 pf cada um, e não
demonstraram tender a furar nos testes que fiiz com minha
máquina. No terminal positivo (esfera) colei um parafuso de
nylon (colado com a cabeça encostada na esfera, de forma que sua
ponta fique livre apontando para fora do raio dela) e nele parafusei um
pequena esferinha de metal previamente furada e na qual fiz a mesma
rosca do parafuso de nylon (M3). Com isto posso ajustar a
distância entre as esferas grande e pequena. Isto possibilitou
aumentar o comprimento das faíscas obtidas de maneira
expressiva. É interessante observar que a faísca é
sempre mais grossa próxima ao terminal negativo, afinando
à medida que se aproxima do terminal positivo (o que tem a
bolinha pequena) como pode-se ver na foto.
Última atualização: 09/4/2008
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