Relatório Gerador Van de Graaff

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GERADOR DE VAN DE GRAAFF
2016
I. Introdução
O Gerador Van de Graaff foi projetado e construído pelo engenheiro americano, Robert Jemison Van de Graaff (1901 – 1967) que se dedicou ao estudo e a pesquisa de Física Atômica no Instituto Tecnológico de Massachusetts – MIT – após estudos de pós-graduação na Universidade de Sorbonne (Paris). Em 1931 o Gerador Eletrostático de Alta Voltagem (Gerador Van de Graaff) já era usado para acelerar partículas, indispensável para desvendar a constituição do átomo.
A máquina de Van de Graaff tinha bolas de alumínio com 4,5 metros de diâmetro e produzia tensão de aproximadamente 2 milhões de volts e foram montadas em trilhos para facilitar  os respectivos deslocamentos.
II. Objetivo
Introduzir conceitos básicos de eletricidade.
III. Materiais Utilizados
- Gerador de Van de Graaff;
- Bolinhas de isopor;
- Papel laminado;
- Haste metálica;
- Esfera metálica com uma ponta fixa.
IV. Embasamento Teórico
No contato rolete de PVC - tira de borracha - a superfície do rolete captura elétrons da correia. O rolete fica com cargas negativas (excesso de elétrons) e a superfície interna da correia de borracha com cargas positivas (prótons). Se a correia estiver frouxa a eletrização por contato não ocorrerá de forma satisfatória.
Devido ao movimento, na correia as cargas se distribuem numa área maior do que no rolete, ou seja, a densidade superficial de cargas na borracha é menor do que no rolete. Por isso o campo elétrico entre o rolete inferior e as pontas do pente metálico torna-se intenso. Consequência: elétrons  livres das pontas do pente metálico são repelidos até a carcaça do motor (onde o pente está ligado)  e as “pontas” ficam com cargas positivas.
As pontas têm a capacidade de gerar campo elétrico cuja intensidade (Poder das Pontas) é capaz de arrancar elétrons de moléculas de ar (Efeito Corona). Assim, na região entre as pontas e o rolete inferior, surge  uma mistura de elétrons e íons positivos de moléculas de ar. Os elétrons são atraídos pelas pontas positivas e os íons positivos são atraídos no sentido do rolete negativo. 
Como entre o rolete e as pontas existe a correia de borracha, os íons positivos de moléculas de ar colidem com a superfície externa da borracha e nela se fixam. São, então, levadas para o terminal esférico do Van De Graaff.
As cargas positivas, captadas pelas pontas do pente metálico superior se espalham pela superfície externa do terminal esférico (bola de alumínio), deixando carregado o Van De Graaff. Quando o campo elétrico da esfera atingir o limite de 30 KV/cm, o ar começa o processo de ionização do ar limitando o acúmulo de mais cargas elétricas na esfera.
Poder das Pontas
O poder das pontas é o nome dado ao princípio físico que rege o funcionamento de alguns objetos do nosso cotidiano, como os para-raios e as antenas. Ele foi utilizado por Benjamin Franklin, em 1752, em sua famosa experiência da pipa, que deu origem ao para-raios. Ele pode ser feito com um catavento elétrico ou um torniquete eletrostático.
Segundo esse princípio, o excesso de carga elétrica em um corpo condutor é distribuído por sua superfície externa e se concentra nas regiões pontiagudas ou de menor raio. É nas pontas que a energia é descarregada. Isso ocorre porque as extremidades são regiões muito curvas e, como a eletricidade se acumula mais nessas áreas, um corpo eletrizado dotado de pontas acumula nelas sua energia. A densidade elétrica de um corpo será sempre maior nas regiões pontudas em comparação com as planas.
Sendo assim, uma ponta sempre será eletrizada mais facilmente do que uma região plana. Isso também explica o fato de um corpo já eletrizado perder sua carga elétrica, principalmente pelas terminações, sendo difícil mantê-lo dessa forma. Além disso, essa extremidade eletrizada tem sobre os outros corpos um poder muito maior do que as áreas que não são pontudas.
É devido a esse princípio que recomenda-se, em dias de tempestade, a não permanência embaixo de árvores ou em regiões descampadas, porque a árvore e o corpo humano atuam como pontas em relação à superfície do solo, atraindo os raios.
Aterrando um barco
Navegar longe da costa é um procedimento tão importante para os que amam a segurança quanto ter os metais de convés, principalmente mastros e estaiamentos muito bem aterrados através de grossos fios de cobre, todos interligados e conectados à quilha metálica da embarcação. Não se deve esquecer que pelo menos uma parte da quilha, preferentemente a parte mais inferior, deve ser "descascada", deixando o metal em contato direto com a água. Pode ainda ser feito: depois de tudo interligado à quilha, parafusar uma chapa de cobre no casco, externamente, junto à quilha. No grosso, parafuso soldado à chapa, passante pelo casco, também ligados todos os cabos de cobre do sistema que foi conectado à quilha.
V. Procedimentos Experimentais
1⁰ Experimento: Bolinhas de isopor 
Com o gerador de Van De Graaff desligado foi colocado um copo de plástico com bolinhas de isopor na parte superior da esfera. Após o gerador ser ligado, observou-se que as bolinhas se repeliram e outras se fixaram ao copo. 
2⁰ Experimento: Papel laminado
Foi fixada uma tira de papel laminado na parte externa da bola de alumínio do gerador e após o mesmo ser ligado observou-se que a lâmina foi repelida.
3⁰ Experimento: Vento elétrico
Com o gerador desligado foi conectado à 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.
4⁰ Experimento: Simulação pára-raio
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 elevada, entre o gerador e a esfera metálica. 
VI. Resultados
O primeiro experimento é explicado pelo fenômeno que ocorre quando a esfera metálica carregada consegue carregar as bolinhas de isopor com a mesma carga ou cargas diferentes. Isto faz com que as bolinhas de isopor se repelem, quando são carregadas com cargas iguais ou se atraiam, quando estão carregadas com cargas diferentes. Ocorrendo o processo de repulsão e atração.
No segundo experimento foi possível compreender que ao ligar o gerador, as cargas produzidas através de atrito, após alguns segundos energizaram as lâminas com a mesma carga.
O terceiro experimento demonstrou que as pontas por terem carga positiva 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.
E por último, no quarto experimento, ao aproximar uma esfera de metal na esfera do Gerador Van de Graaff, aconteceu uma descarga elétrica (centelhamento). Esse centelhamento demonstra que a rigidez dielétrica do ar foi rompida, assim como acontece entre as nuvens e a terra ocasionando os raios.
VII. 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. Pôde-se notar o seu comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca dos materiais usados nos experimentos. 
Por fim, percebemos que com o Gerador de Van de Graaff é possível gerar eletricidade através do atrito entre os pentes e a correia de borracha que geram cargas positivas e negativas. As cargas negativas são aterradas e as positivas levadas até a cúpula de metal onde ocorre um acúmulo por igualdessas cargas em toda a extensão da mesma.
Os experimentos foram muito satisfatórios 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.
VIII. Bibliografia
http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Van%20de%20Graaff.htm
http://para-raio.info/poder-das-pontas.html
http://www.naveastro.com/navegacao/aterre_seu_barco.htm