Física Experimental III - Gerador de Van de Graff

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Física – Gerador de Van de Graaff (G.D.V.G.)
 
Campus:Santa Cruz
Disciplina:Física Experimental III
Turma:
Professor: 
Gerador de Van de Graaff
Maria Cristina 
Santa Cruz, Rio de Janeiro
31de agosto de 2015
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Objetivo
Induzir o transporte de cargas através de um Gerador de Van de Graaff e analisar suas interações com alguns materiais.
Introdução
	Um gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática que foi inventada pelo engenheiro  Robert Jemison van de Graaff por volta de 1929. A máquina foi logo empregada em física nuclear para produzir as tensões muito elevadas necessárias em aceleradores de partículas.
 O gerador básico com excitação por atrito é composto por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio. Os materiais mais usados para coluna são o acrílico ou o PVC. Os roletes são de materiais diferentes, ao menos um deles isolante (como Teflon e alumínio), para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia. O motor gira os roletes, que ficam eletrizados e atraem cargas opostas para a superfície externa da correia através das escovas. A correia transporta essas cargas entre a terra e a cúpula. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior; Assim cargas continuem a ser extraídas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.
 O terminal pode atingir um potencial de vários milhões de Volts, no caso dos grandes geradores utilizados para experiências de física atômica, ou até centenas de milhares de Volts nos pequenos geradores utilizados para demonstrações nos laboratórios de ensino, que é o nosso caso.
	Alguns materiais, quando atritados aos pares (um contra o outro), geram mais cargas elétricas 'livres' do que outros pares. Uma vez que a eletrização de um corpo nada mais é que a quantidade de partículas carregadas 'em excesso' na superfície do material desse corpo, oriundas do processo do atrito, é de se entender que existem certos materiais que têm maior tendência de 'fornecer' elétrons (e assim tornarem-se positivamente eletrizados) ou de 'receber' elétrons (e assim tornarem-se negativamente eletrizados) do que outros.
A série triboelétrica é nada mais que uma lista de materiais, que mostra quais são aqueles que têm uma maior tendência de se tornarem positivamente eletrizados (+) e quais os que apresentam maior tendência de se tornarem negativamente eletrizados (-). Essa lista torna-se, assim, uma ferramenta indispensável para se determinar que combinação de materiais (que pares de substâncias devem ser atritadas) podemos usar para um eficiente processo de eletrização por atrito. 
	
Material utilizado 
Papel Picado
Esferas de Isopor
Papel Laminado
Fita Crep
Óleo Rícino
Amido de Milho
Procedimento.
	Um motor elétrico movimentará uma correia de borracha que irá girar entre dois roletes isolantes. O rolete inferior é revestido com feltro que, ao se atritar contra a correia, irá adquirir a carga negativa enquanto a correia irá adquirir carga positiva. Durante o seu movimento a correia irá levar essas cargas para cima; ao chegar ao rolete superior as cargas saltam para um arranjo de pontas metálicas e desse são transferidas para uma grande esfera oca metálica. A esfera está eletricamente isolada do conjunto. À medida que mais cargas são levadas para cima, a esfera fica altamente carregada (positiva ou negativamente) isso dependerá dos materiais utilizados da série triboétrica.
	
Esquema experimental.
1⁰ Experimento : Lâminas de alumínio
Para realizar este experimento, foram utilizados os seguintes materiais:
Gerador de Van de Graaf e bastão de testes;
Fita adesiva;
Lâmina de alumínio; 
1⁰ Parte:, Foi fixado na superfície externa da esfera com fita adesiva as lâminas de alumínio e após o gerador ser ligado, observou-se que as lâminas eram repelidas. Com esse experimento foi possível compreender que ao ligar o gerador, as cargas produzidas através de atrito pelo conjunto após alguns segundos energizaram as lâminas com a mesma carga. Fazendo com que gerasse uma força de repulsão.Essa força tinha a mesma direção e sentido do campo elétrico. A posição da lâmina de alumínio confirmou que a força é perpendicular ao campo elétrico.
2⁰ Parte: aproximou-se (sem encostar) o bastão de testes na lâmina de alumínio. A lâmina tendeu a seguir o bastão de testes. Isso ocorreu porque quando o campo elétrico gerado pelo (G.D.V.G.) interagiu com o campo elétrico do bastão ocorreu uma força de atração entre as lâminas e o bastão.
2⁰ Experimento : Papel picado 
	Para realizar este experimento, foram 	utilizados os seguintes materiais:
Gerador de Van de Graaf;
Papel picado;
 Com o gerador desligado foi colocado pedaço de papel na parte superior da esfera e após o gerador ser ligado, observou-se que os papeis foram repelidos. Isso pode ser explicado porque a esfera carrega-se positivamente e como os papeis também possuem cargas elétricas positivas, ocorrendo repulsão de cargas. 
3⁰ Experimento : Bolinhas de Isopor
	Para realizar este experimento, foram 	utilizados os seguintes materiais:
Gerador de Van de Graaf;
Copo PVC peq.;
Bolinhas de isopor;
 2 ⁰ Parte:Com as bolinhas de isopor:
 Com o gerador desligado foi colocado um copo com bolinhas de isopor dentro na parte superior da esfera e após o gerador ser ligado, observou-se que as bolinhas subiam e desciam rapidamente. Isso pode ser explicado porque a esfera carregada consegue carregar as bolinhas de isopor com a mesma carga, porém as bolinhas de isopor descarregam muito rápido ao subirem.Isto faz com que as bolinhas de isopor caiam novamente dentro do copo. Provocando um processo de atração e repulsão continuo. 
 
Poder das Pontas / Vento elétrico
Uma ponta é uma região muito curva. E como a eletricidade se acumula mais nas regiões mais curvas, quando um corpo eletrizado tem uma ponta, nela há grande acúmulo de carga elétrica. 
Numa ponta a densidade elétrica é sempre maior do que nas regiões não pontudas.
 Como as pontas se dão :
Uma ponta sempre se eletriza mais facilmente do que uma região não pontuda;
Se um corpo já está eletrizado, uma ponta perde carga elétrica mais facilmente do que as regiões não pontudas; por este motivo é difícil manter-se eletrizado um corpo que possua pontas;
Se um corpo está eletrizado, uma ponta tem sobre os outros corpos uma ação muito mais forte do que as regiões não pontudas. 
Procedimento
 Acoplar a haste metálica do torniquete na esfera e acionar o GDVG.
4⁰ Experimento : Poder das Pontas /
 Vento elétrico
Com o gerador desligado foi conectado a haste metálica do torniquete na esfera e após o gerador ser ligado, o torniquete girou ao redor de seu eixo no sentido oposto ao indicado pelas pontas. 
Resultado e Discussão
Esse experimento demonstrou que as pontas por terem carga negativa repelem os elétrons das moléculas do ar que as rodeiam e, em função disso, elétrons de muitas dessas moléculas de ar escapam delas.A molécula com menos elétrons passa a ter carga resultante positiva e ser atraída na direção da ponta. Quando essas moléculas se tornam íons positivos passam a ser atraídos para as pontas e geram uma diferença de temperatura que faz com que haja um deslocamento de ar. Como as moléculas de ar se deslocam em direção as pontas, surge uma corrente de ar que é chamada de vento elétrico. 
O gerador de Van de Graaff forma um campo elétrico que faz com que as moléculas de ar próximas do gerador se polarizem. Com o aumento da intensidade desse campo elétrico os elétrons acabam sendo arrancados das moléculas de ar. Nessa forma ionizada o ar passa a ser um condutor gasoso. O nome dado ao valor do campo elétricoque provoca a ionização do meio é Rigidez dielétrica e varia de acordo com o meio. Como a esfera está conectada a um fio terra a energia se dissipa, pois a terra tem capacidade para absorver grande quantidade de cargas.
5⁰ Experimento :
Ao ligar o gerador ocorreu o atrito entre o pente e a correia ocasionando carregamento elétrico em ambos os materiais. Essas cargas contidas numa parte da correia foram levadas até o pente superior de metal que coletou as cargas e as distribuiu pela superfície externa da esfera.
 
As cargas geraram um campo elétrico intenso e uma diferença de potencial muito elevadas. Ao se aproximar uma outra esfera de metal na esfera do G.D.V.G, aconteceu uma descarga elétrica (centelhamento) . Esse centelhamento demostra que a rigidez dielétrica do ar foi rompida, tal como acontece entre as nuvens e a terra ocasionando os raios.
Campo Elétrico
Podemos representar o campo elétrico traçando linhas que indicam a sua direção. As linhas de campo elétrico, são também conhecidas como linhas de força. Em qualquer ponto o campo elétrico, é tangente à linha de força. 
As linhas de campo elétrico começam nas cargas positivas (ou no infinito) e terminam nas cargas negativas (ou no infinito);
As linhas de campo são traçadas simetricamente entrando ou saindo de uma carga isolada;
O número de linhas de campo deixando uma carga positiva ou entrando em uma carga negativa é proporcionais à magnitude da carga;
Dizemos que um campo elétrico é uniforme em uma região quando suas linhas de força são paralelas e igualmente espaçadas umas das outras, o que implica que seu vetor campo elétrico nesta região têm, em todos os pontos, mesma intensidade, direção e sentido.
Procedimento
 Inicialmente dois eletrodos pontuais foram conectados aos cabos elétricos do gerador. Em seguida dois eletrodos retos metálicas foram montadas em contato com os condutores pontuais. Em seguida o recipiente de vidro, com certa quantidade de óleo de rícino foi apoiado sobre o conjunto metálico. Posteriormente foi adicionado, à superfície do óleo, farelo de milho.
6⁰ Experimento: Linhas de Campo
	Para realizar este experimento, foram 	utilizados os seguintes materiais:
Gerador de Van de Graaf;
Amido de milho.;
Óleo Rícino;
Mesa projetora de adesão magnética;
Cabos elétricos;
 Conjunto de eletrodos;:
Um recipiente de vidro;
Esse experimento infelizmente não foi possível observar, porém com este experimento seria possível observar que as linhas de campo elétrico que se formariam, entre as placas, ficariam paralelas e espaçadas igualmente uma da outra formando um campo elétrico uniforme.
Conclusão
Pode-se concluir que o experimento atingiu o objetivo proposto para o aprendizado, de forma que através de uma configuração simples conseguiu-se visualizar com clareza a formação dos campos elétricos pelas linhas equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado. Pôde-se notar o seu comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca de configuração e disposição dos materiais usados nos experimentos. Portanto pode-se comprovar que as linhas de força são sempre perpendiculares às superfícies metálicas dos eletrodos desta forma nunca podendo ser paralelas aos mesmos, pois as linhas demonstram o trajeto do campo elétrico de um eletrodo ao outro como que se formando uma ponte entre eles para a circulação da corrente elétrica, constatou-se assim, a existência do campo elétrico e fez-se o seu mapeamento com o auxilio do amido de milho sobre o óleo de rícino.
Somente com a aplicação de um campo elétrico é que as cargas positivas e negativas se deslocam buscando um alinhamento na direção das linhas de força do campo em uma formação, por esta razão é que as partículas de farinha de mandioca se alinham quando energizados os eletrodos.
Os experimentos foram muito satisfatório com aprendizado e como forma de se demonstrar como funciona o Gerador de Van de Graaff e colocar em prática a teoria para se entender melhor os fenômenos físicos.
Bibliografia
http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/experimento-com-gerador-de-van-der-graff acessado 25 de agosto 2015
http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_51.asp acessado 27 de agosto 2015
http://www.feiradeciencias.com.br/sala20/image20/5A5030.gif acessado 28 de agosto 2015
http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp
acessado 28 de agosto 2015
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