Eletroscopio de e Gerador de Van de Graaff

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
CAMPUS PRAÇA XI
 CURSO DE ENGENHARIA
Disciplina: Física Experimental III
Titulo da experiência:
O Princípio do Funcionamento do Eletroscópio de Folhas e a Distribuição de Cargas em um Condutor
Professor: Luiz Carlos de Lima
Equipe: 
Anderson Pereira da Rosa
Anízio Costa
Jonathan Lopes
José Ricardo dos Santos Silva
 
RESUMO
	Nesse Experimento será apresentado o funcionamento de um Eletroscópio de folhas pelo princípio da distribuição de cargas em um condutor, onde será utilizado um gerador de Van der Graaff como fonte de carga, com intuito de facilitar o entendimento referente à Eletrostática.
	Esta experiência fundamenta-se em compreender o comportamento das cargas elétricas e do corpo eletrizado associando as Leis da eletricidade
2. INTRODUÇÃO
	
	A Eletrostática é a parte da eletricidade que estuda as propriedades e o comportamento de cargas elétricas em repouso. Alguns Corpos apresentam uma propriedade física chamada cargas elétricas. Dentre elas as mais conhecidas são o próton (carga positiva ou falta de elétrons), o elétron (carga negativa ou excesso de elétrons) e o nêutron (carga nula). O aparelho que tem como função indicar a existência de cargas elétricas é o Eletroscópio. A eletrostática é basicamente descrita por dois princípios, o da atração e repulsão de cargas conforme seu sinal (sinais iguais se repelem e sinais contrários se atraem) e a conservação de cargas elétricas, a qual assegura que em um sistema isolado, a soma de todas as cargas existentes será sempre constante, ou seja, não há perdas.
Podemos definir a carga elétrica de um corpo (Q) pela relação:
Onde:
Q= Carga elétrica, medida em Coulomb no SI
n= quantidade de cargas elementares, que é uma grandeza adimensional e têm sempre valor inteiro (n=1, 2, 3, 4 ...)
e= carga elétrica elementar ()
A eletrostática é basicamente descrita por dois princípios, o da atração e repulsão de cargas conforme seu sinal (sinais iguais se repelem e sinais contrários se atraem) e a conservação de cargas elétricas, a qual assegura que em um sistema isolado, a soma de todas
A lei de Gauss é a lei que estabelece a relação entre o fluxo de campo elétrico que passa através de uma superfície fechada com a carga elétrica que existe dentro do volume limitado por esta superfície. Todavia, para ser operacionalmente útil ela deve ser usada apenas em determinadas circunstâncias. 
A lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas. Foi formulada e publicada pela primeira vez em 1783 pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb e foi essencial para o desenvolvimento do estudo da Eletricidade. Ela  refere-se às forças de interação (atração e repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes, ou seja, com dimensão e massa desprezível.
Lembrando que, pelo princípio de atração e repulsão, cargas com sinais opostos são atraídas e com sinais iguais são repelidas, mas estas forças de interação têm intensidade igual, independente do sentido para onde o vetor que as descreve aponta.
O que a Lei de Coulomb enuncia é que a intensidade da força elétrica de interação entre cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos módulos de cada carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. 
Ou seja:
Onde a equação pode ser expressa por uma igualdade se considerarmos uma constante k, que depende do meio onde as cargas são encontradas. O valor mais usual de k é considerado quando esta interação acontece no vácuo, e seu valor é igual a:
Então podemos escrever a equação da lei de Coulomb como:
Para se determinar se estas forças são de atração ou de repulsão utiliza-se o produto de suas cargas, ou seja:
Um campo elétrico é o campo de força provocado pela ação de cargas elétricas, (elétrons, prótons ou íons) ou por sistemas delas. Cargas elétricas colocadas num campo elétrico estão sujeitas à ação de forças elétricas, de atração e repulsão.
Em termos físicos, o conceito de campo elétrico é um pouco complexo, mas a fim de compreendê-lo mais facilmente podemos dizer que ele é análogo ao conceito de campo gravitacional. Embora não consigamos vê-lo e nem tocá-lo, podemos constatar sua existência usando um corpo de prova.
Assim como a Terra tem um campo gravitacional, uma carga Q também tem um campo que pode influenciar as cargas de prova q nele colocadas. E usando esta analogia, podemos encontrar:
Desta forma, assim como para a intensidade do campo gravitacional, a intensidade do campo elétrico (E) é definida como o quociente entre as forças de interação das cargas geradora do campo (Q) e de prova (q) e a própria carga de prova (q), ou seja:
Chama-se Campo Elétrico o campo estabelecido em todos os pontos do espaço sob a influência de uma carga geradora de intensidade Q, de forma que qualquer carga de prova de intensidade q fica sujeita a uma força de interação (atração ou repulsão) exercida por Q.
A figura 1 ilustra o tipo de equipamento que foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison Van de Graaff (1901 – 1967) que, motivado por uma conferência que assistira de Marie Curie, passou a se dedicar a pesquisas no campo da Física Atômica. 
 Figura 1: O Eletroscópio de folhas e gerador de Van der Graaff
O Gerador de Van de Graaff trabalha segundo princípios do efeito tribo elétrico. Esse termo refere-se ao fenômeno que ocorre quando dois materiais diferentes estão bem juntos e então são puxados para que se separem, neste experimento, este aparelho será destinado ao estudo experimental da eletrostática.
Um motor movimenta uma correia de material isolante que passa por duas polias, uma delas acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar, a segunda polia encontra-se dentro da esfera metálica oca e que através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador onde se pode produzir uma diferença de potencial de milhares de volts. A correia eletrizada transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde elas são coletadas por pontas metálicas e conduzidas para a superfície externa da esfera.
Alguns conceitos básicos se fazem importantes para esta introdução e também para se entender a experiência que será relatada abaixo:
O Eletroscópio de folhas é um aparelho que se destina a identificar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado ou não. É um instrumento extremamente simples e muito útil na experimentação com eletrostática. O princípio de funcionamento deste equipamento é simples, quando carregado, as folhas de alumínio se repelem, afastando-se mais na medida em que aumenta a carga acumulada nelas.
Material Isolante: São materiais que possuem grande dificuldade em ceder ou receber elétrons livres. Tal fato ocorre porque na última camada dos átomos que compõem o material, chamada de camada de valência, os elétrons estão fortemente ligados ao átomo.
Material Condutor: São os materiais que possuem maior facilidade em ceder e receber elétrons, pois em sua camada de valência os elétrons têm uma fraca ligação com átomo. 
Assim como existe os condutores e isolantes, existe também um meio termo entre eles que são os chamados semicondutores. Esse tipo de material, como o silício (Si) e o germânio (Ge), é muito utilizado na indústria eletrônica.
3. METODOLOGIA
	3.1 - Material utilizado na primeira etapa do Experimento:
 01 Gerador eletrostático composto por:
	01 Cuba cilíndrica;
	01 Esfera auxiliar;
	01 Lamina de alumínio de aproximadamente 10mm x100mm dobrada ao meio;
	01 Eletrodo com gancho;
	01 Conexão elétrica com cabo de cobre isolado com pino de pressão e garra tipo jacaré.
3.12- Montagens da primeira etapa
 
Foi introduzido o eletroscópio de folhas (eletrodo com gancho), na parte superior da cuba cilíndrica. Em sua extremidade foi presa a lamina de alumínio dobrado ao meio na haste do eletroscopio e utilizamos os cabosde cobre com garras do tipo jacaré para fazer a conexão e ligamos o Gerador de Van der Graaff e percebemos que a tira de papel laminado parecia se separar. Ela adquire uma determinada carga. Estando este corpo dobrado, ele fica dividido em partes. Por este motivo estas partes, por pertencerem ao mesmo corpo e possuírem a mesma carga, se repelem. Encostamos o bastão de esfera auxiliar descarregar a cuba cilíndrica 
- Material utilizado na segunda etapa do Experimento:
 01 Gerador eletrostático composto por:
	01 Cuba cilíndrica
	01 Esfera auxiliar
02 Laminas de alumínio de aproximadamente 05mm x 50mm
01 Eletrodo com gancho
02 Pedaços de fita adesiva 
01 Conexão elétrica com cabo de cobre isolado com pino de pressão e garra tipo jacaré.
3.22 – Montagem da segunda etapa
Na segunda parte do experimento colocamos a esfera condutora (cuba cilíndrica) sob o balcão e a ligamos por meio das conexões elétricas com pinos de banana ao Gerador de Van de Graaff
 Colocamos uma lâmina de alumínio presa por fita adesiva na parte externa da cuba e outra na parte interna, e ao ligarmos o gerador de Van de Graaff notamos que a fita da parte externa se levanta. Já a fita na parte interna não hã nenhum tipo de reação alteração. Isso comprova que o campo elétrico criado fica na parte externa da cuba cilíndrica e repele a lamina fixada devido ao fato das cargas serem de polos iguais (negativas ou positivas). Por ultimo encostamos o bastão de esfera auxiliar para descarregar a cuba cilíndrica.
4. RESULTADOS OBTIDOS
Na Figura 2, pode ser observado que a formação de campo elétrico na parte externa da esfera devido ao atrito da roldana que gera acumulo de cargas elétricas no exterior da cuba cilíndrica provocando o afastamento da lamina de alumínio. Neste experimento não foi possível verificar que tipo de carga estava acumulado (positiva ou negativa) na superfície da cuba cilíndrica e nem quantificar esta carga. 
Figura 2: Cuba Cilíndrica eletrizada provocando o afastamento das tiras de alumínio.
Foi fixada a haste na parte superior da esfera do eletroscópio de folhas, utilizou-se uma fita de alumínio dobrada ao meio e posicionada por sobre a haste instalada na parte superior da cuba cilíndrica do eletroscópio, após ligar o equipamento foi possível observar que as tiras de alumínio afastaram-se uma da outra, afastando-se também da esfera cilíndrica, tendo em vista as mesmas terem recebido uma determinada carga que durante o experimento não pode ser dimensionada. 
Estando esta fita dobrada ao meio, ele se divide em duas partes iguais e por este motivo, estas partes, por pertencerem ao mesmo corpo recebem a mesma carga, e por serem de mesma polaridade elas se repelem de acordo com a lei de Coulomb sobre as interações das cargas (repulsão e atração ) 
O conjunto se manteve eletrizado até que se neutralizou a energia estática através do contato físico do bastão auxiliar a esfera cilíndrica fazendo com que as lâminas de alumínio voltassem a posição inicial ou naturalmente após um determinado tempo ocioso as cargas tornaram a se equilibrar.
Na figura 3, foi colocada a esfera condutora (cuba cilíndrica) sob o balcão onde foi conectada ao GVG por meio de uma conexão elétrica feita por um cabo de cobre com plug e garra tipo jacaré nas extremidades.
FIGURA 3: Cuba Cilíndrica eletrizada e posicionada separadamente do Gerador de Van de Graaff
Foi colocada uma lâmina de alumínio presa por fita adesiva na parte externa da cuba e outra na parte interna, foi possível observar que a fita da parte externa se levantou, afastando-se da esfera condutora devido à mesma reação que ocorreu na primeira parte do experimento, porém, com a lâmina que foi fixada na parte interna da cuba não houve nenhum tipo de reação tendo em vista, internamente o campo elétrico ser nulo.
5. CONCLUSÃO
	Nesse Experimento foi apresentado o funcionamento de um Eletroscópio de folhas pelo princípio da distribuição de cargas em um condutor, onde foi utilizado um gerador de Van de Graaff, o que se pode comprovar nesta experiência que teve como principal objetivo a compreensão do comportamento das cargas elétricas e do corpo eletrizado assim como a observância das leis de Coulomb e Lei de Gauss A explicação para este fato ocorre devido à indução. Podemos concluir então que o experimento comprovou a teoria, pois os processos de eletrização por atrito, contato e indução foram realizados com a utilização deste instrumento, possibilitando também observar os princípios da eletrostática e que o campo e força elétrica influenciam na carga.