Relatório 2 Física Experimental Gerador Van de Graaf

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FUNDAÇÃO EDUCACIONAL DE ITUVERAVA
FACULDADE DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS
LABORATÓRIO DE FÍSICA III
EXPERIMENTO: GERADOR VAN DE GRAAFF
Autora(s): Amanda Salotti Amaral
Elisângela Ap. Oliveira Souza
Karla Gonçalves Pereira
Lidiane S. Moura
Rogério Garofo
Professor: Leonardo
ITUVERAVA
2016
Introdução
A Eletrostática estuda as cargas elétricas quando elas estão em repouso. Isso significa que elas estão em equilíbrio, não estão se movendo. Esse estado é chamado de Eletricidade Estática. Quando as cargas se movimentam ocorre a passagem de elétrons, ocasionando uma corrente elétrica, nessa circunstância existe a Eletricidade Dinâmica. Em resumo a eletrostática estuda a eletricidade estática e seu acúmulo num determinado corpo.
Toda matéria é formada por moléculas, estas são formadas por átomos, que são compostos por três tipos de partículas elementares: prótons, nêutrons e elétrons. Os átomos são formados por um núcleo, onde ficam os prótons e nêutrons e uma eletrosfera, onde os elétrons permanecem, em órbita. Os prótons e nêutrons têm massas praticamente iguais e os elétrons têm massa milhares de vezes menor, aproximadamente 2 mil vezes menor que a massa dos prótons. Um átomo pode ser representado pela figura abaixo:
Figura 1 – Representação de um Átomo
Se os prótons, nêutrons e elétrons de um átomo pudessem ser separados e lançados em direção de um imã, os prótons seriam desviados para uma direção, os elétrons a uma direção oposta a dos prótons e os nêutrons não seriam afetados. Essa propriedade de cada uma das partículas é chamada de carga elétrica. Os prótons são partículas com cargas positivas, os elétrons tem carga negativa e os nêutrons tem carga neutra. Um próton e um elétron têm valores absolutos iguais embora tenham sinais opostos, o valor da carga de ambos é chamado carga elétrica elementar e é simbolizado por e. A unidade de medida para a medida de cargas elétricas é o Coulomb ( C ).
A carga elétrica elementar é a menor quantidade de carga encontrada na natureza, comparando-se este valor com coulomb encontra-se a relação:
A unidade coulomb é definida partindo-se do conhecimento de densidade de corrente elétrica, medida em ampère (A), já que suas unidades são interdependentes. Um coulomb é definido como a quantidade de carga elétrica que atravessa em um segundo, a secção transversal de um condutor percorrido por uma corrente igual a 1 ampère.
A única modificação que um átomo pode sofrer sem que haja reações de alta liberação ou absorção de energia é a perda ou ganho de elétrons. Um corpo é chamado neutro quando o seu número de prótons e elétrons for igual, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja nula. Da mesma forma um corpo pode ser considerado eletrizado positivamente ou negativamente. Um corpo eletrizado negativamente tem maior número de elétrons do que de prótons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja negativa. Enquanto que, um corpo eletrizado positivamente tem maior número de prótons do que de elétrons, fazendo com que a carga elétrica sobre o corpo seja positiva.
Eletrizar um corpo significa tornar diferente o número de prótons e de elétrons (adicionando ou reduzindo o número de elétrons). A carga elétrica de um corpo (Q) pode ser definida 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;
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 as cargas existentes será sempre constante, ou seja, não há perdas.
O equilíbrio eletrostático pode ser desfeito através de um processo chamado de eletrização, que pode ocorrer de três maneiras: atrito, contato e indução. Para reproduzir esses processos é utilizado um equipamento chamado de Gerador de Van de Graaff.
Nas pesquisas relacionadas ao campo da Física Moderna é necessária a utilização de voltagens muito elevadas, que podem chegar aos milhões de volts. Essas voltagens são utilizadas para acelerar partículas eletrizadas como, por exemplo, os elétrons, fazendo com que essas partículas atinjam grandes velocidades. Após atingir tais velocidades as partículas são lançadas contra núcleos atômicos, provocando dessa forma reações nucleares que são estudadas por físicos.
Gerador Van de Graaff
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) onde trabalhou com Madame Marie Curie. Em 1931 o Gerador Eletrostático de Alta Voltagem já era usado para acelerar partículas, indispensável para desvendar a constituição do átomo.
O Gerador 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. Os aceleradores Van de Graaff sofreram desenvolvimento tecnológico dando lugar ao hoje conhecido como “aceleradores Pelletron”. O Gerador Van de Graaff original pode ser encontrado no Museu de Boston. Abaixo uma imagem do primeiro equipamento construído.
Figura 2 – Gerador Van de Graaff
A estrutura do equipamento é basicamente composta por um motor que movimenta uma correia 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. Através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador de alta tensão. 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. Abaixo segue uma ilustração do equipamento.
Figura 3 – Gerador Van de Graaff
No Gerador Van de Graaff as cargas são separadas da seguinte forma, primeiramente no contato entre a superfície interna da correia de borracha com a do rolete inferior onde ocorre a separação de cargas elétricas, o rolete fica negativo e a superfície interna da correia fica positiva. Em segundo lugar por efeito Corona, ionização de moléculas do ar, que ocorre no pente metálico, íons positivos do ar são depositados na superfície externa da correia que são transportadas e recolhidas pelo terminal esférico onde se acumulam gerando alta tensão elétrica.
Aceleração de Partículas
As maiores descobertas sobre aceleração de partículas aconteceram a poucas décadas, a descoberta de novas partículas feitas a partir do século XX e a ideia de que seriam partículas elementares ocorreram por volta de 1950, com um novo ramo da física denominado Modelo Padrão. 
Para que tais partículas e seu interior fossem estudados era necessário que os pesquisadores criassem, de forma artificial, condições para que essas partículas pudessem se apresentar com um alto nível de energia, e para que isso ocorresse os cientistas desenvolveram aceleradores potentes, capazes de identificar essa manifestação.
O acelerador de partículas produz feixes de átomos, elétrons, moléculas e outros tipos de partículas, tais como antiprótons e pósitrons ou mésons. Esse aparelho aumenta a velocidade de uma partícula carregada por campos eletromagnéticos, geralmente superiores a 1/1000 da velocidade da luz, que é lançada contra um ponto específico, nele existem detectores que registram o fato. Para que essas velocidades sejam atingidas, quase na velocidade da luz, as partículas sofrem a ação de forças eletromagnéticas.
Os aceleradores de partículas foram criados afim de conhecer melhor as mudanças que acontecem nas partículas, ou seja, entender a mutação que ocorre depois de colidi-las em altas velocidades com outras partículas(átomos, prótons, elétrons, moléculas, entre outras) ou com sólidos. Outra razão seria também o estudo dos alvos atingidos por essa aceleração, podendo, por exemplo, obter a composição química de alguns objetos sólidos.
Grande parte das informações atuais sobre os átomos e sobre as moléculas são provenientes de tais colisões, feitas de forma controlada. Os aceleradores também são fundamentais no tubo da televisão, onde são formadas as imagens, em microcircuitos do computador, acelerando íons a dezenas de milhares de vezes e os jogando contra uma pastilha de silício, esses são chamados de aceleradores implantadores, sem os quais não existiria eletrônica moderna e computadores.
Pensado para reproduzir a teoria do Big Bang, proposta pelo físico belga Georges Lamaitre em 1927, cientistas atuais, baseados nas teorias da Física Moderna, desenvolveram no complexo de aceleradores da Organização Europeia de Pesquisa Nuclear o mais poderoso acelerador de partículas construído até hoje, que está localizado a, aproximadamente, 100 metros de profundidade, na fronteira entre França e Suíça.
Ele tem como objetivo fazer com que feixes colidam uns com os outros, registrando em seguida os resultados da colisão. Em 30 de março de 2010, o grande Colisor de Hádrons, como é conhecido o grande acelerador de partículas, bateu seu mais novo recorde, produziu a colisão de dois feixes de prótons a 7 tetraelétron volts, criando uma explosão chamada pelos cientistas de miniatura do “Big Bang”.
Física Nuclear
A Física Nuclear estuda as reações que ocorrem nos núcleos dos átomos. Eles não são tão estáveis e indivisíveis quanto os antigos pensavam que um átomo seria. Muitos fenômenos ocorrem produzindo variados efeitos. Alguns elementos da tabela periódica, por exemplo, só existem durante alguns segundos até que reações nucleares o transformem em outros elementos.
Entre as aplicações mais conhecidas da Física Nuclear está a geração de energia elétrica em usinas nucleares. Reações nucleares de fissão controladas produzem calor aquecendo água que movimenta turbina para produzir eletricidade. Na medicina os Raios X permitem enxergar ossos e outras partes do interior do corpo humano; tratamentos de câncer utilizam efeitos nucleares como arma para combater os tumores (radiologia); elementos radioativos (que emitem partículas ou radiações) são usados para estudos do cérebro e outras partes do corpo. A Física Nuclear também pode ser usada para produzir os armamentos mais destrutivos da história, as bombas nucleares.
Einstein incorporou a existência do átomo em suas teorias. Até então o átomo era visto como uma suposição teórica sem prova material. O físico alemão também formulou a teoria pela qual a matéria e energia são equivalentes. Segundo ele:
Onde:
E = energia
m = massa
c = velocidade da luz
Através desta equação pode-se calcular quanta energia existe em um objeto de massa m. Como massa e energia são equivalentes, o Princípio da Conservação da Massa se resume ao Princípio da Conservação da Energia segundo o qual em um sistema fechado a Energia não pode ser criada nem destruída, ela apenas se transforma.
A quebra de um núcleo atômico resulta em novos núcleos e produz uma grande liberação de energia porque a massa total dos novos elementos é menor que a do núcleo original. A massa que sobra é emitida sob a forma de energia. Isto é chamado de Fissão Nuclear. Essa é a base do funcionamento de Usinas Nucleares, com a fissão controlada para produzir eletricidade, e também é o princípio das primeiras bombas atômicas.
Figura 4 – Usina Nuclear
Quando átomos de hidrogênio se juntam para formar um átomo de hélio, existe grande perda de massa que é transformada em energia. Esta é a Fusão Nuclear, processo que gera a luz e calor do Sol e que é usado na mais poderosa arma já criada pelo homem: a bomba de hidrogênio. Ele só ocorre em locais de altíssima temperatura e pressão. Atualmente pesquisadores estudam formas de utilizar a Fusão para produzir eletricidade.
Ao estudar as partículas que compõe a matéria, a Física Nuclear se aproxima de outra área: a Física de Partículas. Esta investiga quais são e como se comportam as partículas que compõe o Universo mostrando de forma muito clara que o átomo, o seu núcleo ou mesmo prótons ou nêutrons não são indivisíveis.
Objetivo
O presente trabalho tem o objetivo demonstrar a separação de cargas elétricas e como elas se comportam através da eletrização.
Materiais e equipamentos
 
Para este experimento foi necessário a utilização dos seguintes materiais:
Gerador Van de Graaff;
Lâmpada fluorescente;
Bolinhas de isopor;
Copo plástico;
procedimento experimental
O procedimento pode ser detalhado da seguinte forma:
No contato do rolete com a tira de borracha, a superfície do rolete captura elétrons da correia, fazendo com que o rolete fique com cargas negativas (excesso de elétrons) e a superfície interna da correia de borracha com cargas positivas (falta de elétrons), para que isso aconteça a correia teve que ser ajustada para permanecer bem apertada para que a eletrização aconteça de forma satisfatória.
Figura 5 – Contato da correia com rolete
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. Com isso os 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 (falta de elétrons).
Figura 6 – Distribuição das cargas no experimento
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 (plasma, 4º estado da matéria). Os elétrons são atraídos pelas pontas positivas e os íons positivos são atraídos no sentido do rolete negativo.
Figura 7 – Atração dos elétrons
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 e são, então, levadas para o terminal esférico do Van de Graaff.
Figura 8 – Transportes de elétrons
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 30KV/cm, o ar começa o processo de ionização do ar (Efeito Corona) limitando o acumulo de mais cargas elétricas na esfera.
Figura 9 – Liberação das cargas na esfera metálica
Resultados e Análises
 Em laboratório foi feito um experimento bem conhecido da física para demonstração, semelhante a este da foto abaixo. A diferença é que no laboratório foi usado somente um gerador, e aqui a pessoa está com as mãos sobre a cúpula de dois geradores de Van de Graaff. Ao ligar o gerador a pessoa fica com os cabelos todos arrepiados, esse efeito é explicado pelo poder das pontas e pela repulsão entre as cargas elétricas iguais. 
Figura 10 – Experimento eletrostático
Em outro experimento no laboratório foi utilizada uma lâmpada fluorescente para demonstrar como as cargas que sobem para esfera metálica são capazes de estimular os gases existentes dentro da lâmpada fazendo com que a mesma se acenda por breves instantes. 
Figura 11 – Experimento eletrostático
No experimento da bolinha de isopor, um copo descartável com bolinhas de isopor foi fixado sobre a esfera metálica, quando o equipamento foi ligado as bolinhas de isopor começam a “saltar” do copo descartável, isso ocorre porque as bolinhas estão carregadas com a mesma carga do gerador causando uma repulsão.
Conclusão
Com os experimentos realizados fica claro o efeito de atração e repulsão entre as cargas, onde, cargasde sinais opostos se atraem e cargas de sinais iguais se repelem. Esse instrumento é de grande importância para diversas áreas (Saúde, Indústria, Pesquisa e Meio Ambiente, Geração de Energia, etc). Foi através dele que vários avanços tecnológicos foram realizados.
Toda tecnologia avançada pode ser usada para fins pacíficos ou bélicos, isso ocorre com a eletrônica, a nanotecnologia, a biologia, a engenharia genética e a energia nuclear. A energia nuclear conhecida pelas bombas lançadas sobre as cidades japonesas, bem como pelos acidentes ocorridos com os reatores nos Estados Unidos e Ucrânia ganhou um estigma que até hoje prejudica uma discussão ponderada sobre os riscos e benefícios advindos dessa tecnologia. Abaixo segue uma lista dos eventos importantes no uso da energia nuclear.
1896 – Descoberta da radioatividade;
1898 – Isolados o polônio e o rádio. Descoberta a radiação gama;
1902 – Confirmada a desintegração radioativa espontânea;
1910 a 1920 – Uso ingênuo de materiais radioativos na medicina e indústria;
1911 – Concebida a ideia de usar traçadores radioativos;
1926 – Uso da radiação para o tratamento de câncer;
1934 – Primeiro radionuclídeo artificial. Primeira fissão do urânio com nêutrons;
1936 – Uso em terapia de radioisótopos produzidos em cíclotron;
1939 – Carta de Einstein sobre a possibilidade de os alemães construírem a bomba atômica;
1941 – Inicio do programa nuclear Norte-Americano;
1942 – Inicio da construção de um reator nos Estados Unidos;
1945 – Lançamento das bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki.
1949 – União Soviética explode sua primeira bomba nuclear;
1951 – Criação do conselho nacional de pesquisas motivada pela era nuclear;
1952 – Estados Unidos explodem a primeira bomba de hidrogênio;
1952 – Criação do instituto de pesquisas radioativas, mas tarde centro de desenvolvimento de tecnologia nuclear em Belo Horizonte - MG;
1953 – União Soviética explode sua bomba de hidrogênio;
1954 – Estados Unidos dificultam entrega de três ultracentrífugas compradas pelo Brasil da Alemanha;
1955 – Inicio do abastecimento urbano de energia elétrica de origem nuclear;
1956 – Instalado o primeiro reator de pesquisa do hemisfério Sul, no Instituto de Energia Atômica de São Paulo - SP;
1957 – Criada a Agência Internacional de Energia Atômica;
1962 – Criação do Instituto de Engenharia Nuclear no Rio de janeiro-RJ;
1963 – Inicio da produção rotineira de radioisótopos e radiofármacos no Brasil;
1967 – Brasil assina tratado para a proscrição de armas nucleares na América Latina e Caribe;
1968 – Estabelecido pela AIEA o tratado de não proliferação;
1972 – Assinado com os Estados Unidos acordo para a construção de Angra 1;
1981 – Autorizado o funcionamento provisório de Angra 1;
1982 – Brasil passa a produzir bolo amarelo;
1984 – Angra 1 entra em operação comercial;
1987 – Brasil inicia a produção de uranio enriquecido. Acidente em Goiânia - GO com césio;
1988 – Inaugurado o reator MB/01 concebido e construído no Brasil;
1991- Brasil e Argentina assinam acordo para uso pacífico da energia nuclear;
1994 – Entra em vigor o tratado para a proscrição de armas nucleares na América Latina e Caribe;
1995 – Brasil passa a produzir o radiofármaco tálio-201;
2000 – Inicio de operação de Angra 2;
2004 – Entra em operação a usina de enriquecimento nuclear em Resende - RJ.
Como já mencionado, toda tecnologia carrega algum risco, e acidentes podem acontecer, mas cabe à humanidade criar condições para que as vantagens superem de forma ampla e compensadora os riscos existentes. Isso é o que tem sido feito com a energia nuclear, cada vez mais segura e cada vez mais presente e indispensável em nosso cotidiano.
REFERÊNCIAS
[1] http://brasilescola.uol.com.br/fisica/acelerador-particulas.htm. Acesso em: 20/03/2016, às 15:13h.
[2] http://cienciahoje.uol.com.br/revista-ch/revista-ch-2005/220/pdf_aberto/nuclear.pdf. Acesso em 26/03/2016, às 17:00h.
[3] http://www.eletricante.com.br/2013/09/o-que-e-eletrostatica.html. Acesso em: 19/03/2016, às 15:08h. 
[4] http://www.infoescola.com/fisica/fisica-nuclear/. Acesso em: 20/03/2016, às 15:48h.
[5] http://www.infoescola.com/fisica/gerador-de-van-de-graaff/. Acesso em: 19/03/2016, às 16:02h.
[6] Livro compreendendo a física - autor Alberto Gaspar-Física e ensino médio vol.3. Acesso em 26/03/2016, às 9:18h.
[7] http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/o-gerador-van-graaff.htm. Acesso em: 19/03/2016, às 16:16h.
[8]http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Van%20de%20Graaff.htm. Acesso em: 19/03/2016, às 17:07h.
[9] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/cargas.php. Acesso em: 19/03/2016, às 15:40h.
[10] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/eletrizacao.php. Acesso em: 19/03/2016, às 15:51h.