Gerador de Van de Graaff

RESUMO

O gerador é composto basicamente de um motor, uma correia e uma cúpula metálica. Ao entrar em funcionamento o gerador de Van de Graaff se carrega positivamente. O motor faz a correia girar, a qual é atritada com um pente metálico, por contato a correia se carrega positivamente. A correia estando em contato também com a cúpula retira elétrons dela, deixando a cúpula carregada positivamente, gerando assim um campo de elétrico de alta intensidade em torno da cúpula.

OBJETIVOS

Com esse experimento procuramos entender os processos de eletrização (os quais são: atrito, contato e indução) na prática.

Verificarmos o funcionamento do gerador de Van de Graaff.

Constatar a presença de carga nos corpos eletrizados.

Observar a presença de campo em torno de corpos eletrizados.

Verificar a presença da blindagem elétrica e da rigidez dielétrica.

TEORIA

Todos os corpos são formados por átomos. Cada átomo é formado pela eletrosfera e pelo núcleo. O núcleo é constituído de prótons e nêutrons. A eletrosfera fica em torno do núcleo e é composta pelos elétrons.

Após pesquisas foi constatado que os prótons tem carga elétrica positiva, o elétron tem carga elétrica negativa e os neutros não tem carga. Pelo principio de atração e repulsão sabemos que cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem.

A eletrização por atrito ocorre quando dois corpos inicialmente neutros se atritam fazendo com que cargas elétricas passem de um corpo para o outro, deixando assim um corpo carregado positivamente e outro negativamente.

A eletrização por contato acontece tendo um corpo carregado eletricamente e o outro sendo neutro e condutor. O corpo que está carregado entra em contato com o neutro, passando assim parte de sua carga para o corpo neutro, ficando assim os dois corpos carregados com o mesmo sinal de carga elétrica.

A eletrização por indução acontece quando um corpo está carregado e o outro estando neutro e sendo condutor. O corpo carregado quando aproximado do corpo neutro, o deixa com as cargas polarizadas, as quais se normalizam depois que o corpo é distanciado.

A rigidez dielétrica é a maior diferença de potencial que um meio ou um corpo pode suportar sem deixar de ser isolante, a partir desse ponto o corpo deixa de ser isolante e passa a ser condutor.

Blindagem elétrica é uma experiência de Michael Faraday, a qual mostra que condutores carregados eletrizam-se apenas em sua superfície externa, deixando a parte interna neutra.

MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

• Gerador de Van de Graaff (Fig. 1)
• Bastão de teste (Fig. 2)
• Fios e o ser humano (Fig. 3)
• Torniquete (Fig. 4.1 e Fig. 4.2)

Esse é o gerador de Van de Graaff, que tem como finalidade induzir um campo elétrico em torno da cúpula. Ele é composto basicamente de um motor, eixos, correia, escovas, coluna e uma cúpula. O motor da força para a correia se movimentar. Os eixos proporcionam um melhor movimento da correia. A correia é atritada com as escovas, ficando carregada positivamente, e retira elétrons da cúpula. As escovas são de metal e servem para retirar elétrons da correia. A coluna serve para sustentar o aparelho, ela é de material isolante para impedir que as cargas escapem. A cúpula é de metal e é ela que perde elétrons para o sistema, ficando carregada e formando um campo elétrico em torno de si. (Fig. 1)

(Fig. 2)

O bastão de teste é usado para testar a existência de carga na cúpula do gerador, o bastão é composto basicamente de uma cúpula e uma coluna. A cúpula é de metal tal como a do gerador. A coluna é de material isolante, para impedir que a pessoa que estiver segurando o bastão tome alguma descarga elétrica.

(Fig. 3)

Os fios são utilizados para comprovar a força de repulsão das cargas. O ser humano é utilizado para o mesmo fim. Ao tocar a cúpula em pouco tempo o cabelo da pessoa começa a se arrepiar devido ao cabelo estar todo com o mesmo sinal de carga.

(Fig. 4.1)

O torniquete é utilizado nessas duas formas. Ele é feito de metal, para poder conduzir as cargas, suas pontas servem para escoar as cargas em excesso, mesmo principio utilizado nos aviões.

(Fig. 4.2)

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

- Ligue o aparelho por alguns instantes e em seguida toque com o bastão de teste na esfera do gerador e justifique o observado.

- Ligue o aparelho por alguns instantes e torne a desligá-lo. Comente o observado nas tiras e tente justificá-lo em termos de distribuição de cargas.

- Remova a esfera do gerador. Encaixe-a sobre a cuba acrílica. Faça as conexões elétricas e fixe as tiras conforme a figura-2. Ligue o gerador. Carregando a esfera e torno a desligá-lo. Comente e justifique o observado. Tanto internamente como externamente em termos de cargas elétricas.

- Introduza o torniquete na esfera do gerador conforme figura-3. Ligue o aparelho e comente o observado. Justifique em função da ionização das moléculas do ar e da 3ª Lei de Newton.

- Se uma pessoa isolada da Terra. Estiver em contato com a esfera do gerador e este for colocado em funcionamento. Seus cabelos serão repelidos. Explique o fenômeno.

- Se uma pessoa aproximar o braço. Quando o gerador estiver em funcionamento. Sentirá seus pelos atraídos pela esfera eletrizada do gerador de Van de Graaff. Explique o fenômeno.

RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÕES

- Quando o bastão de teste é aproximado da cúpula do gerador em funcionamento, vemos que a diferença de potencial entre os dois corpos aumenta conforme a distancia entre eles diminui, tal observação é possível, pois com certa distância entre os corpos, a rigidez dielétrica do ar é rompida, e o ar deixa de ser isolante e passa a ser condutor. A partir do momento em que o ar passa a ser condutor, as cargas positivas da esfera são atraídas pelas negativas do bastão, sendo visível um “raio” e é possível escutar pequenos estalos, causado pelo rápido movimento de massa de ar, semelhante ao trovão.

- Ao colocarmos as tiras em contato com a cúpula do gerador em funcionamento, observamos que as tiras repelem a esfera, ficando arrepiadas. Tal fenômeno acontece, pois estando as tiras em contato com a esfera, as tiras ficam carregadas com o mesmo sinal de carga da cúpula, e pelo principio de atração e repulsão de cargas, ambas se repelem.

- Nesse experimento observamos que a tira que está fixa na parte externa do gerador em funcionamento, se arrepia conforme a experiência passada, já a tira que está fixa a parte interna da cúpula nada acontece, ficando assim em repouso. Devido a propriedade de blindagem eletrostática a cúpula se eletriza apenas na parte externa, deixando seu interior neutro, sem carga.

- A colocarmos o primeiro tornique (fig. 4.1) na cúpula, e ligarmos o aparelho, vemos que com o tempo ele começa a girar. Isso acontece pois as cargas em excesso são escoadas para o ar mais facilmente pelas ponta, principio utilizados em aviões. A partir do momento em que as cargas vão para o ar, o mesmo é ionizado pelas cargas ficando assim com carga de mesmo sinal, e repelindo as pontas. Devido ao formato do torniquete, essa força de repulsão é somada, e o corpo ganha aceleração. Ao colocarmos o segundo torniquete (fig. 4.2) e ligarmos o aparelho, vemos que nada acontece, pois devido ao seu novo formato, as forças se repulsão se anulam, ficando assim parado.

- Ao colocarmos uma pessoa em contato com a cúpula do gerador, e em seguida ligarmos o aparelho, vemos que com o tempo, os cabelos vão arrepiando. Esse fenômeno é acontece, pois os cabelos da pessoa ficam ligados a cúpula através de seu próprio corpo, e ficam assim carregados com o mesmo sinal de carga, estando todo o cabelo carregado com o mesmo sinal, estes se repelem uns aos outros, ficando assim todo arrepiado.

- Estando o gerador em funcionamento, observamos que se a pessoa aproximar o braço da cúpula, seus pelos ficam arrepiados, no sentido da cúpula. Isso acontece, pois as cargas positivas da cúpula puxam por indução os elétrons do braço, que por sua vez puxa da terra, atraindo assim os pelos que tentam ficar o mais próximo possível da cúpula.

CONCLUSÃO

Após diversos experimentos realizados pude comprovar na prática conhecimentos teóricos. Como os tipos de eletrização. O principio de atração e repulsão das cargas. Que corpos só conduzem carga pela parte externa de sua estrutura. Que a rigidez dielétrica é quebrado com o aumento da D.D.P. e a diminuição da distância entre os corpos.

REFERÊNCIAS

RAMALHO.NICOLAU.TOLEDO. Os fundamentos da física3- 7ª edição. São Paulo, Editora Moderna, 1999, p. 2-110.