Relatorio 1 - Eletrostatica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO
PAULO ENGENHARIA QUÍMICA
FÍSICA III
LABORATÓRIO 1: ELETROSTÁTICA – PROCESSOS DE
ELETRIZAÇÃO
DOCENTE: Profa. Rose Clivia Santos
Grupo:
Giovana Lee Abdala - 165847
Jady Caroline Dias da Silva - 163521
Kaue Lacanna Martins -163596
Sabrina Ji Su Kim - 163878
Sabrina Vaz Marques da Silva -
163881
Diadema - SP
2023
1 INTRODUÇÃO
Eletrização trata-se de um processo no qual um corpo eletricamente
neutro transforma-se em um corpo eletricamente carregado, ou seja, passa de
um estado onde o número de prótons é igual ao número de elétrons para outro
onde perde ou ganha elétrons [1]. Não há adição ou retirada de prótons, pois
estes estão presos no núcleo do átomo [2].
Quando um corpo está eletrizado positivamente significa que ele perdeu
elétrons, logo possui uma carga positiva maior; e quando está eletrizado
negativamente, significa que ganhou elétrons e então, possui carga negativa
maior.
Há três formas de eletrizar um corpo: por atrito, por contato e por
indução. A eletrização por atrito acontece quando dois corpos neutros são
atritados (esfregados um contra o outro), fazendo com que um deles fique com
carga positiva e o outro com carga negativa, porém de mesmo módulo. Isso
acontece porque esse processo fornece energia aos elétrons, os quais
geralmente encontram-se atraídos fortemente pelo núcleo do próprio átomo,
logo, necessitam de uma energia externa para que consigam se mover entre os
corpos [3].
Para saber quais materiais serão eletrizados quando atritados, é preciso
consultar a tabela conhecida com série triboelétrica (Figura 1), desenvolvida
empiricamente [3], ela conta com a afinidade eletrônica dos materiais, ou seja,
quais são aqueles que tendem a ganhar (presentes no fim da tabela) e quais
que tendem a perder elétrons (presentes no topo da tabela). Assim, para saber
quais eletrizações serão mais eficientes, basta selecionar materiais que estão
mais distantes uns dos outros.
A eletrização por contato difere da por atrito por dois motivos, o primeiro
porque inicialmente, um dos corpos já está eletrizado enquanto o outro
permanece neutro, e, segundo porque não há necessidade de energia externa
para que se movimentem [3]. Ao se tocarem, o corpo neutro fica com a mesma
carga que o eletrizado, como mostrado na Figura 2 [5].
Figura 1 – Série Triboelétrica
Fonte: Prepara Enem
[4].
Figura 2 – Eletrização por contato
Fonte: Aprova Total.
A eletrização por indução é semelhante a eletrização por contato, porém,
há apenas uma aproximação entre os corpos, sem o contato físico. O corpo
neutro precisa estar conectado a Terra, ou a um corpo que lhe forneça elétrons
[1], assim, tem seus elétrons se movendo em seu interior, ao se aproximar do
corpo carregado, ocorrendo uma polarização assim como mostrado na Figura 3
[2].
Figura 3 – Eletrização por indução
Fonte: Mundo Educação.
O Princípio de Conservação de Carga Elétrica está presente nos três
processos, ele refere-se ao fato de que os elétrons se conservam, ou seja, a
quantidade perdida por um corpo, é a mesma ganhada por outro [6].
O gerador de Van Graaff foi inventado em 1931 pelo engenheiro Robert
Jemison van de Graaff, tal equipamento tem como objetivo transformar energia
mecânica em energia eletrostática a altas voltagens, com base nos três
princípios explicados anteriormente. Seu funcionamento consiste em um motor
elétrico que movimenta uma corrente isolante; a corrente, que recebe carga
positiva de um gerador, transporta a carga até o interior da esfera metálica, a
qual conta com um coletor, sendo capaz de ionizar o ar atmosférico, o qual era
isolante antes. Assim, são produzidas descargas elétricas, deixando-a positiva,
de modo que, como trata-se de um processo contínuo, seja possível atingir um
potencial eletrostático da ordem de milhares de volts. As descargas elétricas
produzem barulho característico da expansão do ar provocando um choque
que se propaga no ar. O gerador está ilustrado na Figura 4 [3].
Desta maneira, o experimento teve como objetivo avaliar as interações
elétricas, conhecer o princípio de funcionamento do gerador de Van de Graaff,
averiguar a eletrização por atrito, analisar a influência do campo elétrico em
diferentes situações, observar o efeito do “vento elétrico” por meio de um
torniquete, simular a descarga em gases sob pressão atmosférica, conhecer o
funcionamento do eletroscópio de folhas e a distribuição de cargas em um
condutor e simular um para-raios.
Figura 4 – Gerador de Van Graaff
Fonte: Roteiro [3].
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais Utilizados
- Pequenos pedaços de papel picado;
- Toalha de papel;
- Canudinhos de plástico;
- Barbante;
- Papel alumínio;
- Lâmpada fluorescente comum;
- Copinho descartável (50ml);
- Confete;
- Fita adesiva;
- Tiras de papel com 1,5cm x 15cm aproximadamente;
- Percevejo;
- Torniquete elétrico com pivô;
- Pino banana com agulha;
- Conexões elétricas com pinos de pressão;
- Eletroscópio de folhas;
- Gerador de Van de Graaff;
2.2 Procedimentos Experimentais
2.2.1 Funcionamento do Gerador de Van der Graaff
2.2.1.1 Experimento
Com o gerador de Van der Graaff em funcionamento, aproximou-se uma
lâmpada fluorescente do gerador, apontando uma das extremidades para a
esfera do aparelho e segurando com a mão na outra extremidade há 20 cm de
distância. Após o procedimento experimental, todas as observações foram
anotadas, o aparelho desligado e descarregado encostando a esfera menor na
maior.
2.2.1.1Experimento 2
Com o equipamento desligado, um copo descartável, cheio de confete,
foi colado com fita adesiva no topo da esfera do gerador de Van der Graaff. Em
seguida, o aparelho foi ligado. Após o procedimento experimental, todas as
observações foram anotadas, o aparelho desligado e descarregado encostando
a esfera menor na maior
2.2.1.2 Experimento 3
Com o equipamento desligado, tiras de papel foram coladas com fita
adesiva na parte externa da esfera do gerador de Van der Graaff na altura
central. Em seguida, o aparelho foi ligado. Após o procedimento experimental,
todas as observações foram anotadas, o aparelho desligado e descarregado
encostando a esfera menor na maior
2.2.1.3 Experimento 4
Furou-se um pedaço de fita adesiva com um percevejo e, logo após o
conjunto foi colado na esfera menor do equipamento. Com o gerador de Van
der Graaff em funcionamento, a esfera menor foi aproximada da esfera maior,
sem realização do contato. Ambos os lados da esfera menor, com e sem
percevejo, foram aproximados do gerador. Após o procedimento experimental,
todas as observações foram anotadas, o aparelho desligado e descarregado
encostando a esfera menor na maior.
2.2.1.4 Experimento 5
Com o equipamento desligado, o pino banana com agulha foi colocado
no orifício presente no topo da esfera do gerador de Van der Graaff, logo após,
a agulha foi encaixada no apoio do torniquete de modo que este ficasse na
horizontal. Em seguida, o aparelho foi ligado. Após o procedimento
experimental, todas as observações foram anotadas, o aparelho desligado e
descarregado encostando a esfera menor na maior
2.2.1.5 Experimento 6
Foram colocados sobre a bancada um punhado de papel picado, em
seguida, aproximou-se os canudos plásticos o que fora, previamente,
esfregado em papel toalha várias vezes no mesmo sentido.
2.2.1.6 Experimento 7
Com o equipamento desligado, um cabo de conexão elétrica com pino de
pressão foi colocado no orifício presente no topo da esfera maior do gerador de
Van der Graaff e a outra extremidade foi conectada na parte superior do
eletroscópio sem o disco coletor de cargas. Posteriormente, o aparelho foi
ligado por alguns instantes e desligado. Tornou-se a ligar o aparelho
novamente e, desta vez, o bastão de teste conectado à esfera menor foi
encostado na esfera maior do gerador. Depois, foi fixada uma tira de alumínio
internamente e externamente à esfera maior. Tornou-se a ligar o aparelho.
Após o procedimento experimental, todasas observações foram anotadas, o
aparelho desligado e descarregado encostando a esfera menor na maior.
2.2.1.7 Experimento 8
Com o gerador de Van der Graaff em funcionamento, a esfera menor foi
aproximada da esfera maior, sem realização do contato. Após o procedimento
experimental, todas as observações foram anotadas, o aparelho desligado e
descarregado encostando a esfera menor na maior.
2.2.1.8 Experimento 9 (extra)
Com o equipamento desligado, um voluntário do grupo colocou as duas
mãos em contato com a esfera maior do gerador e manteve-as apoiadas
durante todo o procedimento. Posteriormente, o aparelho foi ligado. Após o
procedimento experimental e anotadas todas as observações, o equipamento
foi desligado, a pessoa retirou as duas mãos da esfera a qual fora
descarregada fazendo o contato com a esfera menor.
3 RESULTADO E DISCUSSÃO
2.3 Funcionamento do Gerador de Van der Graaff
2.3.1 Experimento 1
Ao aproximar-se a lâmpada fluorescente do Gerador de Van der Graaff
ela acendeu por breves segundos. Isso ocorre porque a lâmpada fluorescente
é composta de dois eletrodos em cada uma de suas extremidades (um cátodo
e um anodo) e um gás ionizado em seu interior. A esfera maior do gerador, a
qual está positivamente carregada, gera um campo elétrico e, ao aproximar a
lâmpada, isso faz com que seja criada uma diferença de potencial entre suas
extremidades, gerando uma pequena corrente dentro da lâmpada que
consequentemente a faz acender.
2.3.2 Experimento 2
Ao ligar o Gerador de Van der Graaff os confetes que estavam na
camada mais superficial dentro do copo de plástico passaram a “saltar” para
fora. Isso ocorre estando os confetes em contato entre si e com o copo, e o
copo em contato com a esfera positivamente carregada, acontece uma
eletrização por contato nesse sistema, onde todos os seus componentes
passam a adquirir carga positiva. A repulsão entre a polaridade positiva dos
próprios confetes entre si faz com que eles “saltem” para fora do copo.
2.3.3 Experimento 3
Ao ligar o Gerador de Van der Graaff as extremidades das tiras de papel
que não estavam coladas com fita adesiva ao gerador passaram a se afastar
da esfera, como se houvesse um ventilador sob elas. Isso acontece porque,
estando uma das extremidades das tiras de papel grudadas na cúpula maior do
gerador,
a qual encontra-se positivamente carregada, as tiras de papel passam a
adquirir através da eletrização por contato cargas positivas também. Dessa
forma, estando ambas a esfera do gerador e as tiras de papel carregadas
positivamente, ocorre uma repulsão eletrostática entre elas, fazendo com que
as extremidades soltas das tiras de papel se afastem da esfera.
2.3.4 Experimento 4
Ao ligar o gerador de Van der Graaff e aproximar a parte lisa da esfera
menor da esfera maior houve uma descarga elétrica visível na forma de um feixe
de luz. No entanto, ao aproximar a outra face da esfera menor, com o percevejo,
da esfera maior, o mesmo fenômeno não era observado visto que a ponta do
percevejo acumulou as cargas elétricas geradas entre as duas esferas, fenômeno
denominado “poder das pontas”. O poder das pontas refere-se à capacidade das
pontas de objetos condutores gerarem descargas elétricas. Isso ocorre porque,
quando a carga elétrica se acumula em um objeto pontiagudo, como um
percevejo, a densidade da carga elétrica aumenta na ponta, tornando-a mais
intensa [10]. Essa intensidade da carga elétrica na ponta do objeto cria um
campo elétrico mais forte ao seu redor, comparado a outras partes do objeto. Se
a carga elétrica na ponta atingir um nível crítico, pode ocorrer uma descarga
elétrica, conhecida como faísca [11].
O poder das pontas é fundamental para o funcionamento dos para-raios.
Isso ocorre porque a ponta afiada do para-raios é projetada para concentrar as
cargas elétricas, tornando-as mais intensas na ponta do que em outras partes do
objeto. Desta forma, a ponta afiada é colocada no topo de um prédio ou torre
para atrair as cargas elétricas das nuvens. Quando a carga elétrica acumulada na
ponta atinge um nível crítico, ocorre uma descarga elétrica, que é conduzida pela
haste do para-raios até o solo, protegendo a estrutura da construção. O poder
das pontas também é essencial para o funcionamento do gerador de Van de
Graaff, as pontas afiadas dos pentes concentram as cargas elétricas para,
posteriormente, transferi-las à esfera.
2.3.5 Experimento 5
Ao ligar o gerador de Van der Graaff o torniquete localizado na região
superior da esfera começou a girar. Isso ocorre porque, ao entrar em contato com
a esfera positivamente carregada, o torniquete passa a admitir a mesma carga e,
pelo alto potencial elétrico e pelo formato do torniquete, o campo elétrico em suas
extremidades fica elevado. Isso faz com que ocorra uma ionização das moléculas
de ar mais próximas das pontas do torniquete, as quais passam a ficar
igualmente carregadas com cargas positivas também. Por estarem ambas as
pontas do torniquete e as moléculas de ar ao redor delas positivamente
carregadas, esses íons provenientes do ar passam a ser repulsos e lançados no
“sentido contrário” das pontas do torniquete.
2.3.6 Experimento 6
Ao atritar-se os dois materiais há um fornecimento de energia para seus
elétrons, o qual resulta em uma transferência de cargas entre eles, onde o
canudo de plástico, que de acordo com a série triboelétrica possui uma maior
afinidade eletrônica que o papel, tende a receber elétrons provenientes do papel.
Dessa forma, ao final do processo o canudo fica negativamente carregado. Em
seguida, ao aproximar o papel do canudo, as cargas negativas presentes no
canudo passam a ser eletrostaticamente atraídas pelo papel, que contém cargas
positivas.
2.3.7 Experimento 7
Ao fixar a haste do eletroscópio com uma bola de papel alumínio na
cabeça do gerador e ligá-lo, é possível notar que a bolinha se repele à esfera do
gerador. Isso ocorre, pois a bola de alumínio é um material condutor, que, assim,
adquiriu carga igual a do gerador e resultou na repulsão do corpo pela forma de
eletrização por contato.
A segunda parte constatou em colocar fitas de papéis de alumínio dentro e
fora da esfera, realizando as conexões elétricas necessárias. Assim, é possível
notar que internamente não teve nenhum efeito, pois dentro de um condutor não
há campo elétrico, na qual diz na lei de Gauss (a carga se concentrará na
superfície quando introduzida uma carga em excesso em um condutor, sendo o
seu interior neutro). Externamente a fita ficou eletrizada (sendo um bom material
condutor), observando que saiu de sua condição normal devido a geração de
campo na superfície da esfera, assim movimentando-se na direção radial da
esfera. Sendo uma eletrização por contato, gera-se uma transferência parcial de
carga devido a diferença de potencial entre os polos.
2.3.8 Experimento 8
Ao aproximar a esfera menor do bastão de teste com a esfera maior do
gerador surgiram pequenas faíscas entre as esferas. Isso ocorre porque a esfera
menor está negativamente carregada enquanto a esfera maior está positivamente
carregada, gerando uma atração dos elétrons na direção do campo elétrico, os
quais de deslocam via ar atmosférico da esfera menor para a esfera maior. O ar
atmosférico entre as esferas, que antes era isolante, torna-se então um condutor
de eletricidade devido à alta voltagem entre as esferas, num processo chamado
de ionização do ar. Isso significa que o campo elétrico e a alta diferença de
potencial produzidos pelo Gerador de Van der Graaff fizeram com que ocorresse
uma ruptura da rigidez dielétrica do ar, a qual consiste no valor máximo de
intensidade de campo elétrico que um isolante pode suportar antes de ser
ionizado e tornar-se condutor [7]. Na natureza, o ruído que surge durante essas
descargas elétricas é chamado de trovão e a descarga elétrica, que pode ser
vista com um feixe de luz azulado, denomina-se relâmpago. Os raios têm cor
devido à emissão de luz causada pelo processode ionização do ar durante a
descarga elétrica. Quando um raio é formado, ele aquece o ar ao seu redor,
causando a ionização dos átomos e moléculas de ar criando uma região de
plasma altamente ionizado a qual emite luz azul. A luz é emitida quando os
elétrons ionizados retornam aos seus estados normais de energia. A cor do raio
depende de muitos fatores, incluindo a temperatura do ar, a composição do ar, a
presença de elementos químicos, a pressão atmosférica e outros fatores. Em
geral, os raios mais comuns são brancos ou azuis, mas eles também podem ter
cores diferentes, como laranja, amarelo, verde ou violeta, dependendo das
condições atmosféricas. Além disso, a cor do raio também pode ser afetada pela
maneira como a luz é espalhada à medida que se move através do ar. A luz do
raio é espalhada de maneira diferente em diferentes comprimentos de onda, o
que pode resultar em uma aparência de cor diferente [7]. Além do efeito
luminoso, quando um raio é formado, a descarga elétrica aquece o ar ao seu
redor, fazendo com que se expanda rapidamente e crie uma onda de choque
sonora que se propaga pelo ar, produzindo o som que conhecemos como trovão.
O trovão é um fenômeno comum durante as tempestades e pode ser ouvido a
grandes distâncias do raio que o produziu, pois o som se propaga pelo ar mais
lentamente do que a luz. A velocidade do som depende da temperatura, da
pressão e da umidade do ar, por isso, a distância do trovão pode ser estimada
observando-se o intervalo de tempo entre o relâmpago e o trovão. Em geral, o
trovão é um som alto e assustador que pode variar de um estrondo alto e súbito a
um rosnado mais baixo e prolongado, dependendo da distância do raio e das
condições atmosféricas [8]. A geração de altas voltagens através do Gerador de
Van der Graaff dá-se através do fato de que ele é constituído de uma correia
isolante movimentada em duas polias, uma superior e outra inferior, e é atritada
em um pente na região inferior, do qual recebe carga elétrica positiva proveniente
de um gerador acoplado de alta tensão. Assim, essa correia passa a ser
eletrizada por atrito ficando positivamente carregada pelo lado externo e
negativamente carregada no seu interior. Já na região superior do gerador, há um
segundo pente acoplado à uma cúpula metálica que, estando próximo da correia
e devido à alta tensão, faz com que haja uma ionização do ar e consequente
produção de descargas elétricas provenientes da cúpula condutora, deixando-a
carregada positivamente. A aproximação da esfera menor negativamente
carregada da cúpula maior positivamente carregada é o que gera a alta tensão
[9].
2.3.9 Experimento 9
Ao ligar o Gerador de Van der Graaff a pessoa que estava com as duas
mãos encostadas na cúpula do gerador teve seus fios de cabelo levantados. Isso
ocorre porque a pessoa (devidamente isolada eletricamente da Terra) que entra
em contato com a esfera positivamente carregada do gerador sofre uma
eletrização por contato, ficando seu corpo todo positivamente carregado também,
inclusive seus cabelos. Estando todos os fios com a mesma carga, eles passam
a se repelir entre si e adquirem a aparência de estarem “arrepiados”.
4 CONCLUSÃO
O experimento foi muito satisfatório como forma demonstrar em prática a
teoria para se entender melhor os fenômenos físicos ligados à eletrização
utilizando utensílios do dia a dia e com o Gerador de Van de Graaff. Com o
conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido anteriormente, através dos
experimentos realizados foi possível ver sua ação prática que corresponde com
a ação teórica.
Por meio dos experimentos deste trabalho foi possível mostrar a
existência de cargas elétricas e suas propriedades de atração e repulsão. Com
isso podemos dizer que os fenômenos elétricos só podem ser observados em
determinadas condições, ou seja, para que haja repulsão ou atração entre dois
ou mais materiais é necessário que a somatória de suas cargas não seja nula,
sendo preciso que haja cargas positivas ou negativas em excesso no material.
Os experimentos realizados com o gerador de Van de Graaf, mostraram
a eletrização com uma maior intensidade isso foi devido à alta potência do
equipamento, que se mostrou eficiente em todas as etapas, atingindo os
resultados esperados, levando em consideração a teoria. Já os demais
experimentos apesar de serem bem simples, conseguiram mostrar os
conceitos de uma maneira mais dinâmica, atingindo também os resultados
esperados sendo desta forma igualmente importante para a compreensão dos
conceitos de eletrostática e processos de eletrização.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/processo-eletrizacao.htm>. Acesso em:
15 de abril de 2023.
[3] COURRIOL, Lilia Coronato. Experiência 1: Eletrostática – Processos de
Eletrização. Acesso em: 15 de abril de 2023.
[4] FOGAÇA, Jennifer R. V. Série Triboelétrica. Prepara Enem. Disponível em:
<https://www.preparaenem.com/quimica/serie-triboeletrica.htm>. Acesso em: 15
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[5] FIN, Denis. Processos de Eletrização. Aprova Total. Disponível em:
<https://aprovatotal.com.br/processos-de-eletrizacao/>. Acesso em: 15 de abril
de 2023.
[6] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de
física: eletromagnetismo. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. 391p.
[7] MAZUR, V. Associated lightning discharges. Geophysical Research
Letters, v. 9, n. 11, p. 1227–1230, nov. 1982.
[8] GRANEAU, P. The cause of thunder. Journal of Physics D: Applied
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http://www.preparaenem.com/quimica/serie-triboeletrica.htm
[9] VAN DE GRAAFF, R. J.; COMPTON, K. T.; VAN ATTA, L. C. The
Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations. Physical
Review, v. 43, n. 3, p. 149–157, 1 fev. 1933.
[10] TIPLER, Paul Allen; MOSCA, Gene. Física para cientistas e
engenheiros: eletricidade e magnetismo, óptica. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC,
2009. 530p.
[11] SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Princípios de física: vol. 3:
eletromagnetismo. São Paulo: Heinle Cengage Learning, 2004. 941p.