Estudo-do-Campo-Elétrico-e-acúmulo-de-cargas-elétricas-usando-o-Gerador-de-Van-der-Graaff[12]

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Figura 1: Esquema do Gerador de Van 
der Graaff. As cargas transportadas pela 
correia para o interior da esfera metálica 
são totalmente transferidas para ela 
acumulando-se em sua superfície 
externa. 
UNIVERISADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI 
 
Laboratório de Fenômenos Eletromagnéticos 
 
Prática 1 Engenharia de telecomunicações 
24/03/2015 Subturma B 
Amanda Simões Abreu – 134550064 
Andrêza Mara dos Santos – 124550036 
Gabriela Silveira dos Santos Carletti – 094250043 
Heloisa Carolina de Oliveira Bruno - 124550053 
Laís Velame Silva – 134550040 
ESTUDO DO CAMPO ELÉTRICO E ACÚMULO DE CARGAS ELÉTRICAS 
USANDO O GERADOR DE VAN DER GRAAFF 
 
1. INTRODUÇÃO 
A eletricidade é uma área da física que se dedica ao estudo das cargas 
elétricas. Por meio das descobertas nessa área cientistas e engenheiros 
desenvolveram e aperfeiçoaram tecnologias que se relacionam a eletricidade, 
garantindo uma melhor eficiência e desempenho das mesmas. Em alguns desses 
trabalhos de pesquisa torna-se necessário a utilização de voltagens muito elevadas. 
 
 
 
Nesse sentido, o gerador de Van der Graaff tornou-se, então, um importante 
dispositivo para compreensão desses fenômenos eletroestático. O gerador de Van 
de Graaff é um dispositivo que armazena grande quantidade de cargas elétricas na 
parte externa de uma esfera que o compõe. Um gerador didático é formado 
basicamente por uma correia, polias, uma esfera metálica oca e um motor. A carga 
elétrica é gerada pelo atrito entre a correia e as polias movidas pelo motor. Essas 
cargas são levadas pela correia até a parte interior da esfera oca onde são 
capturadas e lhes são transmitidas (devido a diferença de potencial), tornando-a 
carregada. Assim, utilizando o gerador de Van der Graaff fenômenos como 
condutividade elétrica, distribuição das cargas, poder das pontas, efeitos do campo 
elétrico, linhas de campo elétrico e rompimento da rigidez dielétrica podem ser 
observados e analisados em laboratório devido ao acúmulo de cargas elétricas na 
superfície da esfera [1]. 
 
2. OBJETIVO 
O objetivo do experimento consiste em entender como se dá a distribuição de 
cargas elétricas na superfície de um objeto metálico oco e analisar os efeitos do 
campo elétrico originados pelo acúmulo de cargas elétricas na superfície do mesmo 
objeto. 
 
3. MATERIAL 
 Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera; 
 Tiras de papel alumínio; 
 Fita adesiva; 
 Eletroscópio de folha; 
 Lâmpada fluorescente; 
 Algodão; 
 Dois cabos de ligação; 
 Torniquete eletrostático; 
 Eletrodos; 
 Cuba de vidro e base acrílica com dois isolantes de nylon com bornes; 
 Frasco com sementes de grama 
 Frasco com óleo de rícino. 
 
4. PROCEDIMENTO 
As tiras de papel alumínio foram cortadas e fixadas pela ponta com fita adesiva 
na superfície externa da esfera. O gerador eletrostático foi ligado e regulado para 
uma velocidade alta de rotação do motor. Feito o experimento, o gerador 
eletrostático foi desligado e descarregado com a esfera auxiliar. As tiras foram 
retiradas e o eletroscópio de folha foi conectado na esfera. O gerador foi ligado 
novamente para que fosse possível observar o comportamento das lâminas de 
alumínio. Findo o procedimento, o gerador foi desligado, o eletroscópio foi retirado e 
a esfera maior foi descarregada pela esfera auxiliadora. Pegou-se o algodão 
disponibilizado, retirados alguns “fiapos”, que foram colocamos bem próximos à 
esfera do gerador, que foi novamente ligado. Observado o resultado, o gerador foi 
desligado e descarregado. 
Na segunda parte do procedimento, uma lâmpada fluorescente foi aproximada do 
gerador ligado. A lâmpada foi testada em várias posições em relação à esfera e, 
além disso, segurada em diferentes partes de seu comprimento. Os resultados 
foram observados e o gerador foi desligado e descarregado com a esfera 
auxiliadora. Em seguida o gerador foi religado. Uma aluna (Andreza), com os 
cabelos secos e soltos, colocou as mãos na esfera do gerador. Enquanto isso, 
segundo as orientações do professor, outras alunas aproximaram as mãos do 
cabelo da primeira aluna, sem tocá-los, para explicitar o efeito causado no 
experimento. O gerador foi desligado e descarregado. 
Na parte final do experimento, uma cuba de vidro com óleo de rícino e sementes 
de grama foi colocada sobre uma base acrílica com dois isolantes de nylon com 
bornes. Dois eletrodos foram colocados no frasco. Um cabo de ligação unia um 
eletrodo à esfera do gerador, enquanto outro cabo fazia uma conexão de fio terra 
inferior com o outro eletrodo. O gerador foi ligado e observou-se os resultados do 
campo elétrico. O experimento foi realizado mais duas vezes com eletrodos de 
formatos diferentes. 
 
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS 
A parte 1 do experimento consiste em ver a distribuição das cargas elétricas. 
Dessa forma, tiras de papel alumínio foram cortadas e, suas pontas foram fixadas na 
superfície da esfera com uma fita adesiva, que, após ligar o gerador, se afastaram 
da superfície da esfera em sentido radial. Isso ocorreu porque, ao ligar o gerador, 
cargas positivas foram geradas na correia em virtude do atrito com as polias, 
eletrizando a superfície da esfera, que, por sua vez, eletrizou as tiras de papel 
alumínio que estavam em contato com a superfície (eletrização por contato). Uma 
vez que a esfera e as tiras estão carregadas com cargas de mesmo sinal, tem-se a 
repulsão. A direção do campo elétrico é perpendicular à superfície da esfera, radial, 
apontando para fora do centro da mesma, pois, as cargas ali concentradas são 
positivas, e cargas positivas geram campo de afastamento. Um eletroscópio de 
gerador, teve suas folhas afastadas, indicando presença de cargas de mesmo sinal. 
Novamente, observou-se a repulsão das cargas de mesmo sinal. Em seguida fiapos 
de algodão foram aproximados da esfera. Quando o fiapo de algodão neutro foi 
aproximado da esfera que está eletrizada positivamente, os elétrons de condução 
fluíram do algodão em direção da superfície da esfera carregada. Isso deixou a 
extremidade do algodão mais próximo da superfície positiva carregado 
negativamente e a extremidade mais distante carregado positivamente, ou seja, 
ocorreu a polarização do algodão. 
A parte 2 do experimento trata do poder das pontas em acumular carga 
cargas elétricas. Esse fenômeno foi observado quando o torniquete que foi colocado 
no topo da esfera começou a girar após ligar o gerador. Assim, o torniquete foi 
eletrizado, acumulando cargas nas pontas o que possibilitou a formação de campos 
elétricos nas pontas do torniquete capazes de ionizar moléculas do ar próximas. 
Como as forças de repulsão entre as cargas positivas do ar e das pontas do 
torniquete são maiores do que as forças de atração entre as cargas negativas do ar 
e as cargas positivas das pontas do torniquete, isso fez com que o torniquete gire 
em torno do seu eixo no sentido oposto ao indicado pelas pontas. A próxima etapa 
do experimento consiste em visualizar o rompimento da rigidez dielétrica do ar. Uma 
lâmpada florescente foi aproximada da esfera metálica o que provocou novamente 
uma descarga elétrica transmitida pelo ar da esfera para a lâmpada, devido à 
diferença de potencial. A descarga aquece e vaporiza o mercúrio presente na 
lâmpada, além de aquecerem os eletrodos das extremidades das lâmpadas, os 
quais emitem elétrons. Esses elétrons se chocam com moléculas de gás de mercúrio 
contidas no tubo da lâmpada produzindo excitação e ionização dos átomos. 
Ionizados, os átomos do gás são acelerados pela diferença de potencial entre os 
terminais do tubo, e ao se chocarem com outrosátomos provocam outras 
excitações. O retorno desses átomos ao estado fundamental ocorre com emissão de 
fótons de energia correspondente a radiações visíveis e ultravioleta. A radiação 
ultravioleta ao se chocar com o revestimento fluorescente do tubo (fósforo) produz 
luz visível, o que fez com que a lâmpada fluorescente acendesse. Na última etapa, 
uma pessoa com os cabelos secos, ficou em pé sobre uma base isolada com as 
mãos em contato com a esfera do gerador. Ao ligar o gerador, pôde-se analisar que 
por condução eletrostática, os cabelos ficaram carregados positivamente, uma vez 
que a esfera possuía esse tipo de carga. As cargas positivas se deslocam para as 
extremidades do corpo, nesse caso, os cabelos e especialmente suas pontas. Dessa 
maneira, ocorre a repulsão eletrostática entre os fios, uma vez que eles estão 
carregados com cargas da mesma polaridade. Quando outra pessoa aproxima a 
mão, que está eletricamente neutra, do cabelo, ele é atraído pelo processo de 
indução. Por isso o cabelo arrepia ainda mais. 
A parte 3 do experimento trata da compreensão das linhas de campo elétrico. 
Dessa forma, as sementes de gramas formaram diversos desenhos de linhas de 
campo elétrico sobre o óleo de rícino conforme mudaram as formas dos eletrodos. 
Na figura 2 as linhas campo elétrico são semelhantes aos de um dipolo. 
Figura 4: Linhas de campo elétrico formadas a partir de 
sementes de grama sobre óleo de rícino similares as 
linhas de campo elétrico de um dipolo. 
Figura 3: Linhas de campo elétrico formadas a 
partir de sementes de grama sobre óleo de 
rícino similares as linhas de uma única carga 
puntiforme. 
Figura 3: Linhas de campo elétrico formadas a 
partir de sementes de grama sobre óleo de 
rícino similares as linhas de campo elétrico 
entre placas paralelas de sinais opostos. 
Na figura 3, são semelhantes a de uma única carga pontual. Na figura 4, observa-se 
a linha de campo elétrico entre duas placas de cargas postas. 
 
6. CONCLUSÃO 
De acordo com o objetivo proposto e a partir dos resultados obtidos foi possível 
observar os efeitos do campo elétrico produzido pelo acúmulo de cargas em uma 
esfera metálica condutora. A distribuição da carga sobre uma superfície metálica 
condutora ocorre conforme o princípio de atração e repulsão das cargas, sendo que, 
uma vez que as cargas são de mesmo sinal, elas se repelem e se afastam o máximo 
possível, ocupando assim a maior superfície do corpo, o que permite as o maior 
distanciamento possível, como foi observado no caso do levantamento das folhas de 
papel alumínio e no afastamento das folhas do eletroscópio. Nas pontas há uma 
maior densidade de cargas do que no restante do corpo, motivo pelo qual fez o 
torniquete girar. Além disso, também pôde observar os desenhos de linha de campo 
elétrico de diferentes eletrodos com formados diferentes. Em todos constatou-se que 
as linhas de campo elétrico são perpendiculares a superfície, dando, assim, 
diferentes formatos de campo elétrico aos quais simulam um dipolo, uma carga 
puntiforme e entre placas paralelas de sinais opostos. Também observou-se o 
fenômeno da ruptura da rigidez dielétrica, que fez com que a lâmpada fosforescente 
ascendesse [2]. Portanto, a partir do dispositivo gerador de Van Der Graaff 
fenômenos importantes da eletricidade puderam ser observados e constatados. 
 
 
7. REFERÊNCIAS 
[1] TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: 
eletricidade e magnetismo. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v.2. 529 p. 
[2] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de 
física: eletromagnetismo. 9.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v.3. 375 p.