Relatório Princío Funcionamento Van Der Graff

Prévia do material em texto

Campus Santa Cruz
Física Experimental III
Princípio de funcionamento do Van Der Graff
Nomes: Carlos Alberto B. da Silva Mat.: 201403204527 
 Carlos Augusto C. dos Santos Mat.: 201309008353
 Ellen Soares dos Passos Mat.: 201102101397
 Jeferson Ferreira Gomes Mat.: 201402466631
 
Turma: 3004
Professor: Hugo Roque
Data do Experimento: 15/03/2017
 INTRODUÇÃO 
 Nesse relatório vamos discutir os sinais das cargas através de processos de 
eletrização, utilizando o gerador de Van Der Graff , sendo possível determinar um potencial elétrico de elevada voltagem. 
 O fato da carga elétrica se transferir integralmente de um corpo para outro 
quando há contato interno, constitui o princípio básico do gerador de Van Der Graff, onde no equilíbrio de um pequeno condutor com carga positiva o campo elétrico é nulo. 
 Realizamos a indução de um contato com um bastão metálico, onde cargas desenvolvidas na correia durante o contato destas com as polias, aderem a ela e são por elas transportadas, elas vão se acumulando na esfera até que a rigidez dielétrica do ar seja atingida. 
OBJETIVO 
 
 Compreender o funcionamento e a funcionalidade do Gerador de Van Der Graaf, visualizando os efeitos do campo elétrico que é produzido pelo acúmulo de cargas em uma esfera o metálica e a compreensão de como a carga se distribui em um objeto metálico. 
 Observamos como um gerador de Van Der Graff ao ser induzido sua aceleração de +/- 4 minutos até atingimos atrito necessário para gerar linhas de força através do mapeamento de campo elétrico gerado pela proteção de uma tensão ao aproximarmos um bastão metálico e observamos os raios ou descargas ocorrida devido ao acúmulo de atrito nas correias do gerador.
Funcionamento do Van Der Graff Página 1 
 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
 
 
 Os átomos da matéria são formados de uma grande quantidade de partículas. 
Dentre elas as mais conhecidas são o próton (carga positiva), o elétron (carga negativa) e o nêutron (carga nula). Diz- se que, quando o número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro. Pode -se estender este raciocínio à matéria em geral. Esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático. 
 No entanto, este equilíbrio pode ser desfeito. Isto é possível a partir de um 
processo chamado de Eletrização, que pode ocorrer de três maneiras: atrito, contato 
e indução. Para reproduzir estes processos é utilizado um equipamento chamado 
Gerador de Van Der Graff ou gerador eletrostático de correia. 
 
 O que é o Gerador de Van Der Graff?
 Existem, basicamente, dois tipos de geradores Van Der Graff, quanto a fonte de tensão:1- Utiliza uma fonte de energia de alta voltagem para depositar elétrons na correia móvel. 2 - Utiliza correias e cilindros que são colocadas em movimento para causar excitação dos elétrons por atrito. 
 O gerador básico com excitação por atrito funciona, pois 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 em um processo contínuo. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior, uma vez que as cargas elétricas desse rolete são atraídas pelas cargas de sinais opostos da cúpula. Assim, as cargas continuam a ser extraídas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.
 Figura 1: Demostração dos componentes de um gerador de Van Der Graff
 Funcionamento do Van Der Graff Página 2
 
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. 
 Criador do Gerador de Van Der Graff 
Este equipamento foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison 
Van De r Graff (1901 – 1967) que, motivado por uma conferência que assistira de Marie Curie, passou a se dedicar a pesquisas no campo da Física Atômica. Uma das consequências destes estudos é a construção do gerador que leva seu nome, o qual teve aplicação direta em várias áreas do conhecimento como na medicina e na indústria. 
 
 Princípio de Funcionamento do Gerador de Van Der Graff 
 Ao se colocar uma tira de alumínio presa na superfície da cúpula metálica do gerador de Van Der Graff com uma fita adesiva em uma das extremidades da tira, após alguns segundos, pode -se notar que a extremidade solta da tira se afasta da cúpula, ficando suspensa no ar. O caso descrito acima ocorre devido ao f ato, de que quando se coloca um pedaço de um material condutor, a princípio, neutro (nem carregado positivamente e nem carregado negativamente) em contato com a cúpula de metal (que é um condutor) “positivamente carregada”, tem -se uma movimentação dos elétrons negativos da tira, pois esses passam para a superfície da cúpula. Em outras palavras, os elétrons positivos da cúpula carregada atraem os elétrons negativos da tira neutra, e com isso, restarão na tira metálica os elétrons positivos. Uma vez que os elétrons positivos se repelem uns com os outros, a tira, agora positivamente carregada, se movimentará contra a superfície metálica, se repelindo com a cúpula. 
 Baseando-se no fato que as cargas elétricas dos condutores encontram-se na 
superfície do mesmo, pois as componentes do campo elétrico apenas existiram normalmente na superfície do condutor, podemos descobrir o porquê da área estar 
relacionada à intensidade do campo elétrico e consequentemente às descargas 
elétricas, usando uma lei chamada Lei de Gauss. 
 
 Antes de usar a lei de Gauss, porém, é preciso que se saiba em que consiste essa lei. A lei de Gauss, em termos gerais, utiliza uma fórmula descoberta pelo matemático e físico Carl Friedrich Gauss para se calcular campo elétrico total a partir 
da carga total envolvida por uma superfície imaginária, chamada superfície gaussiana, em que comodamente há uma simetria na distribuição de cargas. 
 
 A Lei de Gauss, diz que: a carga envolvida pela superfície é igual a constante do vácuo no ar vezes o somatório de todos os campos elétricos e suas respectivas áreas, considerando os valores que limitam a superfície inventada. Ou seja: 
 
Qenv = ε0∫E.dA 
 A partir da fórmula mostrada acima, e considerando alguns valores implicitamente constantes, por se tratar de uma superfície simétrica, obtemos a fórmula para se calcular o campo elétrico nas condições citadas anteriormente: 
E = 1 q 
4πε0 r2 
Funcionamento do Van Der Graff Página 3
 
 Com a expressão acima podemos ver que quanto menor for a distância do centro da superfície gaussiana até sua extremidade(r), no condutor, maior será a quantidade de cargas em sua superfície, já que o campo elétrico e que está sendo aplicado na superfície, no início da tempestade, pode ser considerada constante. 
 A descarga elétrica, somente ocorrerá, quando o campo elétrico exceder localmente a intensidade do dielétrico no ar. Desse modo, conclui-se que onde há maior diferença de potencial,E = V/d , ou seja, onde há maior a cúmulo de cargas na superfície é que se dará a ruptura do isolamento dielétrico do ar e teremos uma descarga elétrica. Primeiramente, tem-se um bastão que possui uma esfera metálica, em uma das extremidades, o qual de nominamos bastão teste(eletrodo). O bastão teste é, então, colocado próximo à esfera metálica do Gerador. Há, nesse momento, uma ruptura dielétrica no ar a sua volta, ocasionando o que chamamos de Descarga Elétrica. Para que aconteça uma descarga elétrica, tem -se o ar funcionando como dielétrico entre duas superfícies condutoras. Há também, considerando que a cúpula metálica está carregada positivamente e o bastão negativamente, uma diferença de potencial existente entre a cúpula e a esfera do bastão teste. 
 Essa diferença de potencial, quando intensa o suficiente, gera, o que chamamos de ruptura dielétrica do ar. Esse fenômeno pode ser visto devido a liberação de energia em forma de fóton, e também pode ser ouvido devido um som característico, que possui a mesma origem do som que escutamos quando há trovões, porém em baixo volume. 
 Esse som é gerado devido a o aquecimento repentino, que gera uma onda de pressão. Em outras palavras, uma vez que a descarga elétrica causa a ruptura dielétrica do ar, pode-se dizer, que o ar sofreu um aumento de pressão naquele espaço, deslocando-se devido uma diferença de pressão com o ar que não sofreu aquecimento repentino. A onda de pressão tida pela diferença de pressão citada acima é uma vibração das moléculas do ar, vibração a qual o aparelho auditivo dos humanos reconhecem como som.
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. 
 
Funcionamento do Van Der Graff Página 4
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.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
1⁰ 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. 
 
2⁰ 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.
MATERIAIS UTILIZADOS 
Gerador Van Der Graff;
Bastão de testes.
Haste metálica; 
Esfera metálica com uma ponta fixa
METODOLOGIA 
 Bastão de testes; 
 DESCRICÃO DO EXPERIMENTO
 Para realizar o experimento, de foi ligado a haste ao gerador (o mesmo possui na cúpula uma entrada para este experimento) e após o gerador ser ligado, observamos acelerar um pouco e de pois aproximou-se (sem encostar) o bastão de testes da lâmina de alumínio no gerador.
Funcionamento do Van Der Graff Página 5
 
 
 Foto 1 e 2: Aproximação do bastão teste e verificação de correia do gerador. 
 Fonte: imagem própria 
 
 Com essa aproximação foi observado a trocas de cargas elétricas e que a diferença de potencial da fonte, ocorrem transferências contínuas de cargas elétricas até que a esfera adquira o mesmo potencial elétrico da fonte. Desta forma a distribuição regular das cargas no corpo da esfera forma um campo elétrico de direção radial e com orientação para o centro da mesma. Convém os na imagem abaixo, o bastão teste é, então, colocado próximo à esfera metálica do Gerador. Há, nesse momento, uma ruptura dielétrica no ar a sua volta, ocasionando o que chamamos de Descarga Elétrica.
 Foi observado tanto a descarga elétrica, como um som característico que possui a mesma origem do som que escutamos quando há trovões, porém em baixo volume. Esse som é gerado devido ao aquecimento repentino, que gera uma onda de pressão. Em outras palavras, uma vez que a descarga elétrica causa a ruptura dielétrica do ar, pode-se dizer, que o ar sofreu um aumento de pressão naquele espaço, deslocando-se devido uma diferença de pressão com o ar que não sofreu aquecimento repentino.
 
Funcionamento do Van Der Graff Página 6
RESULTADOS 
 
 No experimento observamos que era preciso dá uma certa aceleração de +/ - 
4 minutos, para depois realizar a aproximação do bastão, pois se tinha um atrito e que com a aproximação do bastão tínhamos a diferença de potencial. Verificamos também o que ocorria na transferência de cargas entre bastão metálico e a esfera metálica do gerador e as distancias que isso ocorria. 
 O acúmulo de atrito quando colocávamos o gerador ligado por mais tempo fazia com que gerasse mais carga elétrica, observando então muitos feixes de elétrons (raios) na aproximação do bastão elétrico no gerador de Van Der Graff.
CONCLUSÃO 
 
 “Qualquer excesso de cargas colocado em um condutor isolado se moverá 
inteiramente para a superfície do condutor. Nenhum excesso de carga será encontrado no interior do corpo do condutor”(Paul Tipler). A conclusão que se pode tirar é que em torno da esfera eletrostática cria um campo elétrico e que esse campo elétrico aponta para fora. 
 Concluímos, também que o potencial elétrico do gerador de Van Der Graff 
está diretamente relacionado com a carga que ele armazena, deixando a esfera metálica carregada com carga não identificada, onde o campo elétrico máximo (3.106 N/C ) para a rigidez dielétrica varia de acordo com a umidade do ar. 
 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 potenciais formadas pelo campo elétrico gerado.
REFERÊNCIAS 
 
TIPLER, Paul A.; Física para cientistas e engenheiros. 3ª edição, LTC editora S.A., Rio 
de Janeiro, 1995. 
 
Disponível online: http://omnis.if.ufrj.br/~ladif/tea/fenel/eletro-capitulo9.pdf
 
Disponível online: http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidadenaatmosfera.php 
 
Disponível online: http://para-raio.info/poder-das-pontas.html
Funcionamento do Van Der GraffPágina 7