RELATORIO GERADOR DE VAN DE GRAAFF E EQUIPOTENCIAIS

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

GERADOR DE VAN DE GRAAFF E EQUIPOTENCIAIS
David Edson Dantas filho 1, Daniel Santos Bezerra 2
Bacharelado em Ciência e Tecnologia
Laboratório de Eletricidade e Magnetismo – Turma III
Universidade Federal Rural do Semi-Árido – Campus Caraúbas
Rio Grande do Norte – Brasil
Experimento realizado em 10 de março de 2022.
Resumo: Neste relatório podemos observar como foi a aula pratica realizada presencialmente no laboratório de eletricidade e magnetismo ministrada pelo professor Jose Junior Alves da Silva que nos apresentou o Gerador de Van Graff e nos ensinou sobre equipotenciais. No decorrer da aula fizemos experimentos com o gerador até obtermos os resultados satisfatórios, em seguida realizamos um novo experimento em um sistema com carga elétrica para medirmos a intensidade de um campo elétrico e sua equipolência. 
Palavras chave: Relatório, gerador, experimento
1. Introdução
1.1. Gerador de Van de Graaff.
Em pesquisas relacionadas ao campo da física moderna, são utilizadas tensões muito altas, que podem chegar a milhões de volts. Essas voltagens são usadas para impulsionar partículas carregadas, como elétrons, a velocidades muito altas. Após atingir tais velocidades, as partículas são disparadas contra o núcleo, causando uma reação nuclear, que é então estudada pelos físicos. Em 1929, o físico americano Robert Jemison Van de Graaff, que estava pensando em realizar a alta tensão, fez o primeiro modelo de um gerador, que acabou sendo batizado em sua homenagem. Este dispositivo tinha e ainda tem amplas aplicações na física atômica, bem como na medicina e na indústria. Em laboratórios de ensino médio e superior, modelos simplificados desse gerador são usados ​​para demonstrações de potência.
Um gerador de Van de Graaff (figura 1) funciona movendo uma correia que é eletricamente carregada por seu movimento, gerando atrito na parte inferior do dispositivo. Após atingir a parte superior, a carga elétrica gerada com o processo de carregamento é transferida para a superfície interna do metal e, em seguida, distribuída por toda a superfície da esfera metálica, transportando a carga elétrica onde se é criado um campo elétrico equipotencial. Se aproximarmos os dedos ou objetos de metal enquanto o gerador estiver funcionando, notamos uma leve descarga devido à diferença de potencial (ddp).
(figura 1: Gerador de Van de Graaff)
1.2. Partes do gerado
- Esfera de alumínio polido
- Polias
- Conexão na esfera
-Escova superior
- Correia de borracha
- Escova metálica intermediária
- Polia de acrílico
- Conexão de fio terra (interior)
- Escova metálica interior
1.3. Potencial Elétrico
Cargas pontuais isoladas no espaço geram o campo elétrico ao seu redor. Para uma área com um conjunto de pontos à mesma distância desta carga terá o mesmo potencial V. Esta região é chamada de superfície equipotencial e é sempre perpendicular ao campo elétrico. Neste caso, as superfícies equipotenciais são perpendiculares às linhas de força (a mesma distância do referencial). 
2. Procedimento Experimental
2.1. Experimento 1
3.1.1. Experimento 1 (A) Gerador de Van de Graaff
Com o Gerador desligado conectar o bastão com a esfera auxiliar ao gerador através de um cabo (conectar o cabo no polo positivo (+) do gerador) como mostra a figura 2. Após conectado deve-se ligar o gerador e aproximar a esfera auxiliar a cúpula do gerador de Van de Graaff e observar o que acontece, após observar deve-se aferir qual a medida do plasma elétrico criado entre a cúpula do gerador de Van de Graaff e da esfera auxiliar com ajuda de uma régua de material acrílico. Deve-se usar luvas durante todo o procedimento. (Material utilizado: Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar, cabo conector, par de luvas)
 
(figura 2: Gerador de Van de Graaff com esfera auxiliar conectada) 
 3.1.2. Experimento 1 (B) Eletroscópio de folhas
Com o Gerador de Van de Graaff desligado deve-se descarrega-lo, para isso é necessário tocar a esfera auxiliar na cúpula do Gerador de Van de Graaff, após isso ele já estará descarregado e pronto para iniciar o experimento (B) Eletroscópio de folhas, prepara-se o gancho em L para ser colocado no topo da cúpula do Gerador de Van de Graaff, o gancho em L devera conter uma folha fina de papel alumínio dobrada ao meio em sua extremidade, após conectado o gancho L na cúpula do gerador como mostra a Figura 3, deve-se ligar o gerador e observar o que acontece. Deve-se usar luvas durante todo o procedimento. (Material utilizado: Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar, gancho L, papel alumínio, par de luvas)
(figura 3: Gerador de Van de Graaff com gancho L conectado)
 3.1.3. experimento 1 (C) Torniquete eletrostático 
Com o Gerador de Van de Graaff desligado deve-se descarrega-lo, para isso é necessário tocar a esfera auxiliar na cúpula do Gerador de Van de Graaff, após isso ele já estará descarregado e pronto para iniciar o experimento (C) Torniquete eletrostático. Conectar o torniquete (conector com agulha + estrela metálica com encaixe central para agulha) ao todo da cúpula do gerador de Van de Graaff como mostra a figura 4, ligar o gerador e observar o que acontece. Deve-se usar luvas durante todo o procedimento. (Material utilizado: Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar, cabo conector, conector agulha, estrela metálica, par de luvas)
(Figura 4: torniquete eletrostático)
3.1.4. Experimento 1 (D) Para-raios
Com o Gerador de Van de Graaff desligado deve-se descarrega-lo, para isso é necessário tocar a esfera auxiliar na cúpula do Gerador de Van de Graaff, após isso ele já estará descarregado e pronto para iniciar o experimento (D) Para-raios. Deve-se conectar no topo da cúpula do gerador um conector agulha como mostra a figura 5. Com o gerador ligado usar a esfera auxiliar para testar o experimento, aproxime a esfera auxiliar da cúpula e veja o que acontece, sem seguida aproxime a esfera auxiliar da região onde o conectar agulha esta como mostra a figura 5 e observe o que acontece. Deve-se usar luvas durante todo o procedimento. (Material utilizado: Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar, cabo conector, conector agulha, par de luvas). 
(Figura 5: gerador de Van de Graaff para-raios)
3.1.5. Experimento 1 (E) Carga no interior de um Gerador de Van de Graaff
Com o Gerador de Van de Graaff desligado deve-se descarrega-lo, para isso é necessário tocar a esfera auxiliar na cúpula do Gerador de Van de Graaff, após isso ele já estará descarregado e pronto para iniciar o experimento (D) Carga no interior de um Gerador de Van de Graaff. Deve-se fazer a retirada da cúpula metálica do topo do gerador e colocá-la sobre uma cuba, após isso colocar 2 (dois) pedaços de papel alumínio na cúpula com auxilio de uma fita adesiva em uma de suas extremidades, onde um papel irá na parte inferior de dentro da cúpula e o outro irá na parte superior de fora da cúpula como mostra a figura 6, após os papeis alumínios fixados na cuba deve-se conectar o cabo conector no gerador de Van de Graaff e na cúpula como mostrado na figura 6. Ligar o gerador e observar o que acontece. Deve-se usar luvas durante todo o procedimento. (Material utilizado: Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar, cabo conector, fita adesiva, papel alumínio, cuba, par de luvas).
(figura 6: Gerador de Van de Graaff carga no interior)
2.2. Experimento 2 
A) Siga o esquema abaixo para para determinar a intensidade do campo elétrico:
1. Monte o sistema conforme a figura 7. Coloque a cuba em cima do papel milimetrado, posicione os eletrodos retangulares a +100mm e -100mm de forma paralela na cuba tomando a folha milimetrada como referência.
2. Encha a cuba com água ate cobrir parcialmente os eletrodos retangulares.
3. Ligar a fonte e fazer o pré-ajuste em 8,0 VCC e conectar os cabos na fonte e em seguida prender os jacarés nos eletrodos retangulares.
(Figura 7. Esquema de montagem experimental.) 
1. Utilize um multímetro para medir a corrente elétrica do experimento, ficado o polo positivo no eletrodo retangular esquerdo e o polo negativo no eletrodo retangular direito.
2. Em seguida retire o a ponta positiva do multímetro do eletrodo e a coloque na agua e com ajuda do papel milimetrado mova ela perpendicularmente ao eletrodo de polo negativo como mostra a figura 8 e observe o que acontece com o multimetro
(Figura 8 movimento do multímetro perpendicular.)
3. Repita o processo do item acima porem desta vez movendo a ponta positiva do multímetro de forma paralela ao eletrodo retangular como mostra a figura 9 e observe o que acontece com o multímetro 
(Figura 8: movimento paralelo)
4. Com a ponta positiva do multímetro localize 3 ponto X, Y e preencha a tabela 1 com os resultados mostrado no multímetro. 
5. Com o Multímetro Colha a DDP nos pontos A = (–0,05m ; –0,03m) , B = (–0,04m ; –0,03m) e C = (-0,05m ; –0,04m). Utilize os valores encontrados para determinar o campo elétrico E⃗ no ponto A, com sua direção e modulo. Faça a representação do vetor em função dos vetores unitários ˆi e ˆj 
6. Insira o anel metálico entre os eletrodos retangulares como na figura 9, e em seguida (A) com o multímetro observe como varia a DDP dentro do anel metálico nos eixos X e Y (B) compara as variações de lado de fora do anel metálico afastado de distancias iguais.
(Figura 9: disco de metal.)
1. Qual magnitude do campo elétrico no interior do anel? O experimento corresponde a uma gaiola de Faraday?
2. Troque o eletrodo retangular esquerdo por um eletrodo circular, insira-o na coordenada (-85mm, 0), ajuste a fonte em 10CCV. 
I. Encontre experimentalmente a superfície equipotencial com + 7,0 V e comente sobre sua forma
II. Escreva dois pontos que fazem parte desta superfície e meça a ddp entre eles.
III. Desenhar os vetores campo elétrico relacionados com a superfície equipotencial.
IV. Te sobre: "A intensidade de corrente que circula por um condutor é, a cada instante, proporcional à diferença de potencial aplicada às extremidades da mesma".
V. Há componentes que não obedecem à lei de Ohm, os chamados componentes não ôhmicos, como por exemplo, as lâmpadas incandescentes. Comente sobre a curva de V versus i para este componente.
3. Resultados e discussão 
3.1. Experimento 3.1.1.
Neste experimento pode-se observar como funciona o gerador de van de Graaff na pratica, ao aproximar a esfera auxiliar da cúpula do gerador vê-se que é criada uma descarga elétrica produzindo uma centelha, nota-se que após a aferição com o auxílio da régua acrílica a maior distancia entre a esfera auxiliar e a cúpula do gerador contendo a centelha foi de: d= 7,5cm. Isso acontece porque a cuba que esta carregada negativamente e a esfera axiliar esta carregada positivamente. Sabendo-se que A rigidez dielétrica do ar tem valor RD = 3,0x10^6 V/m e sabendo a distancia D podemos estimar a tensão V produzida pelo gerador.
3.2. Experimento 3.1.2.
Nota-se que ao ligar o gerador o papel alumínio se desdobra, suas pontas que estavam apontadas para o solo após o desdobramento começam a apontar para o céu. Isso acontece devido a cuba, o gancho L e o papel alumínio serem condutores, quando gerador é ligado a cuba é carregada e como o gancho e o papel alumínio estão nela conectados são carregados com a carga igual a da cuba, então como cargas igual se repelem o papel alumínio tende a se repelir fazendo com que se desdobre e se abra.
3.3. Experimento 3.1.3.
Nota-se que o torniquete acoplado ao gerador começa a girar. Isso ocorre devido o poder das pontas, o torniquete acaba sendo ionizado adquirindo o mesmo potencial da cúpula, pelo alto potencial e pelo poder das pontas o campo elétrico nas extremidades do torniquete fica muito elevado, este campo elétrico elevado provoca ionização das molecas que compõem o ar ao redor das pontas, carregando-as com cargas de mesmo sinal das pontas dessa formas os íons são repelidos e lançados sentindo contrario das pontas, assim fazendo com que as pontas sejam empurradas. 
3.4. Experimento 3.1.4.
Como visto no experimento 3.1.1. ao aproximar a esfera auxiliar da cúpula é criado uma centelha, mas dessa vez foi adicionado ao topo da cúpula uma agulha e ao deslocarmos a esfera auxiliar para perto da agulha nota-se que visivelmente nada acontece, a centelha deixa de ser produzida. Isso acontece devido aponta que foi acoplada no topo da cuba, a carga elétrica distribuída na superfície de um corpo pontiagudo tem a tendência de acumular-se nas pontas, essas cargas ionizam o ar fazendo com que a região ao seu redor descarregue-se eletricamente para o solo. O para raio assim como este experimento distribui a carga no solo. 
3.5. Experimento 3.1.5.
Observa-se que o papel alumínio da parte superior se eleva quando o gerador é ligado, após aproximar a esfera auxiliar da cúpula o papel alumínio começa a oscilar. Isso acontece pois a cupula ioniza o papel alumínio com a mesma carga que esta recebendo do gerador, fazendo assim com o que o papel alumínio tente se repelir dela, ao aproximar a esfera auxiliar que tem carga oposta a cúpula as energias opostas se atraem assim oscilando a quantidade de carga que o papel alumínio recebe.
3.6. Experimento 3.2.1.
E = 
 
 
3.7. Experimento 3.2.2.
Nota-se conforme movemos o o ponto de prova + (positivo) do multímetro de forma perpendicular ele se aproxima da placa com o ponto – (negativo) vemos que o DDP diminui, isso acontece pois quanto mais próximos os pontos de prova menor o DDP
3.8. Experimento 3.2.3.
Ao movermos o ponto de prova do multímetro + (positivo) de forma paralela a placa retangular que contem o ponto de prova – (negativo) observa se que o DDP não se altera, isso acontece pois se movemos de forma paralela a distancia não muda e se a distancia não muda não há alteração no DDP.
3.9. Experimento 3.2.4.
Os resultados que encontrados foram os seguintes: 
	
	V=3,5V
	V=5,2 V
	V=7,4V
	1
	(45, 0)
	(0, 80)
	(-75 , 0)
	2
	(45, 30)
	(0, 20)
	(-75, -30)
	3
	(45,-50)
	(0, -15)
	(-75, 20)
	4
	(45, 10)
	(0, 50)
	(-75, 45)
3.10. Experimento 3.2.5.
A) Ponto A: 6,90
B) Ponto B: 6,50
C) Ponto C: 6,90
3.11. Experimento 3.2.6.
Observa-se que a DDP dentro do anel é menos doque a DDP fora do anel. 
3.12. Experimento 3.2.7.
Este exemplo de compara com uma gaiola de Faraday, pois a gaiola de Faraday em seu interior possui campo elétrico nulo, e no interior do anel foi diminuída o DDP, logo se assemelhando a gaiola.
3.13. Experimento 3.2.8.
A) (-65, -80)
B) (- 55, 60) a DDP foi de 6,1
C) 
4. Conclusão
Os experimentos foram muito satisfatórios com a aprendizagem e com o jeito de se mostrar o gerador de Van de Graaff e campos elétricos equipotenciais, colocando a teoria em pratica ajudando a entender melhor os fenômenos físicos. Com o conhecimento obtido sobre campo elétrico observando os experimentos executados vemos que sua ação pratica condiz com a ação teórica, podendo afirmar que cargas elétricas de sinais opostos se atraem e cargas elétricas de sinais iguais se repelem. 
Concluímos que os experimentos atingiram o objetivo que se foi proposto, de forma que simples variações pode-se observar com clareza os campos elétricos pelas linhas equipotenciais. Pode-se notar as variações de comportamentos através de cada mudança de configuração dos dispositivos. 
5. Referencias 
HALLIDAY, D., Resnick, R. Walker, J - Fundamentos de Física 3 – Tradução BIASI Ronaldo Sérgio de, - Rio de Janeiro: Livros técnicos e Científicos Editora, 7a Edição,2007.
Sears e Zemansky, Young e Freedman, “FísicaIII Eletromagnetismo”, Pearson - Addison e Wesley - 2008