01 Roteiro Experiencia 1 Gerador Van der Graaff V4

Prévia do material em texto

Universidade Estácio de Sá – Campus Sulacap 
Curso de Engenharia 
Disciplina: Física Teórica Experimental III - CCE 0850 
MANUAL DE LABORATÓRIO – EXPERIÊNCIA 1 
Gerador de Van der Graaff 
Data: __________ Turma: ____ Horário:_________ 
Componentes do Grupo: __________________________________ 
 __________________________________ 
 __________________________________ 
 __________________________________ 
 
Introdução teórica 
Há materiais onde os elétrons não se movem facilmente. Esses materiais são chamados de isolantes, mas há 
outros materiais que permitem que essas cargas se movam facilmente, como acontecem nos metais, esses materiais são 
chamados de condutores. Ao serem produzidas, as cargas permanecem na superfície do material isolante, até que sejam 
retiradas por um corpo condutor. Este fato é aproveitado para a construção dos geradores eletrostáticos do tipo Van der 
Graaff; tendo aparecido em 1930, destinam-se a produzir voltagens muito elevadas para serem usadas em experiências 
de física. 
O princípio de funcionamento desse equipamento é da seguinte forma: um motor 
faz rodar uma esteira de borracha (isolante) que é friccionada em um conjunto de pontas 
metálicas que fornecem cargas à correia e estas são levadas para a parte interna da cúpula 
metálica que está num potencial muito alto comparado com o potencial do solo através de 
novas descargas elétricas que ocorrem em novas pontas metálicas que estão no interior da 
cúpula. Estas cargas são conduzidas para a superfície externa da cúpula. Como as cargas 
são transportadas continuamente pela correia, elas vão se acumulando na esfera. Por esse 
processo, a esfera pode atingir um potencial de até 10 milhões de volts, no caso dos 
grandes geradores utilizados para experiências de Física atômica, ou milhares de volts nos 
pequenos geradores utilizados para demonstrações nos laboratórios de ensino. 
Nesta atividade, duas esferas metálicas imersas no ar atmosférico, serão 
submetidas a uma diferença de potencial na ordem de 240.000 volts. Estas esferas, 
denominadas eletrodos, serão conectadas ao gerador eletrostático e afastadas entre si de 
uma distância d. 
 
Ruptura dielétrica 
Os materiais que comumente usamos no nosso dia-a-dia podem ser divididos em duas categorias: condutores e 
isolantes (dielétricos). Em materiais condutores, alguns dos elétrons do átomo estão fracamente ligados ao núcleo e tem 
a capacidade de se moverem com uma certa facilidade quando na presença de campos elétricos. Em materiais isolantes, 
pelo contrário, tal mobilidade é menos expressiva e costumamos dizer que nesse caso os elétrons estão presos ao 
núcleo. Quando imersos em campos elétricos muito intensos, alguns materiais isolantes podem ser ionizados tornando-
se condutores. Isso é muito comum de ocorrer, por exemplo no ar atmosférico. As faíscas e os relâmpagos são exemplos 
típicos fenômeno que chamamos de ruptura dielétrica. Para o ar, ele ocorre para campos elétricos da ordem de 
3 x 10⁶ V/m. No ar, sempre há uma pequena porcentagem de moléculas ionizadas. Quando imersos em uma diferença 
de potencial, alguns desses íons são acelerados ganhando energia cinética. Como estes íons estão periodicamente 
sofrendo colisões com as moléculas de ar (devido ao movimento térmico), quando a diferença de potencial é grande o 
suficiente, a energia cinética do íon pode ser grande o suficiente para ionizar uma molécula em uma colisão. Isso pode 
gerar então um efeito avalanche onde cada molécula ionizada é acelerada pela diferença de potencial ionizando outra 
molécula e assim por diante, aumentando o número de íons a cada colisão. 
Em cada processo de ionização, uma molécula de ar perde um elétron. Eventualmente, um outro elétron livre pode 
tomar o lugar deste elétron ionizado. É este processo que é responsável pela emissão de luz como as que vemos nas 
Figura 1 – Gerador Van Der Graaf. 
faíscas. Em um condutor, podemos aproximar o campo elétrico bem próximo da superfície em um certo ponto como 
sendo E = σ/ε₀. A densidade superficial de carga σ é inversamente proporcional ao raio de curvatura em cada ponto. Ou 
seja, regiões mais pontudas têm densidades maiores. Assim, é possível concluir que em regiões mais pontudas o campo 
elétrico local é mais intenso. Por tal razão, é nas regiões mais pontudas que há uma probabilidade maior de ocorrer a 
ruptura dielétrica. Exemplos típicos disso são o para raio ou o choque que se leva nos dedos quando tocamos em uma 
maçaneta metálica em dias secos. 
Objetivos da experiência 
Entender o funcionamento do Gerador de Van de Graaff (que também engloba o entendimento de conceitos de 
eletrização, campo elétrico, força elétrica, condutividade, etc) . 
Material utilizado: 
- Um gerador eletrostático do tipo Van der Graaff; uma esfera metálica com bastão; uma conexão com pinos 
banana; um eletroscópio e um torniquete elétrico. 
Procedimento experimental 
- Ligue a chave, no painel frontal e gire o botão de velocidade para a aceleração máxima (até a área vermelha do 
potenciômetro). 
- Regule a pressão das palhetas sobre a correia de borracha, aumentando o atrito, sem que esta pare de se movimentar. 
-Responda as questões propostas. 
Conhecendo o gerador de van der graaff 
1. Ligue o Gerador Van de Graaff e após algum tempo coloque sobre a cúpula um fiapo de algodão, aproxime o bastão à 
cúpula do gerador próximo ao fiapo de algodão e o movimente. 
1.1) O que acontece? Por que isso acontece? 
 
 
 
 
 
 
1.2) Qual é o módulo do campo elétrico no interior da cúpula do gerador Van der Graaff? 
 
 
 
 
 
 
2. Aproxime o braço da cúpula do gerador. 
2.1) O que acontece? Quanto mais próximo do gerador, melhor é o resultado obtido. Por que isso acontece? 
 
 
 
 
 
 
3. Procure alguém do seu grupo que esteja com o cabelo seco e que seja longo e peça a esta pessoa para colocar a 
palma da mão sobre a cúpula do gerador. Observe se a pessoa está isolada eletricamente. 
3.1 ) Repare o que acontece com o cabelo dessa pessoa. Explique. 
 
 
 
 
 
 
4. Deixe cair alguns pedaços de papel picado sobre a bancada em seguida coloque uma das mãos na cúpula do gerador, 
ligue o aparelho e aproxime a outra mão do papel picado e observe o ocorrido. 
4.1) Explique o fato em termos de distribuição de cargas. 
 
 
 
 
 
 
Comprovação da descarga em gases sob pressão atmosférica 
5. Conecte a esfera de descarga do bastão à base do Gerador através do cabo . Ligue o gerador e aproxime o bastão ao 
Gerador. 
5.1) Observe o experimento fazendo variar a distância entre a esfera do bastão e a cúpula. Explique porque a 
descarga elétrica não ocorre em todas as distâncias. 
 
 
 
 
 
 
5.2) Se a umidade do ar na hora do experimento for alta, isso ajuda ou atrapalha? Por quê? 
 
 
 
 
 
 
5.3) Justifique o ruído e a cor azulada verificados durante a descarga elétrica ocorrida no ar. 
 
 
 
 
5.4) Como denominamos o ruído e o clarão de cor azulada que surgem durante a descarga quando o fenômeno 
ocorre na natureza? 
 
 
 
 
 
 
 
Comprovação do princípio do eletroscópio de folhas 
6. Conecte à cúpula do gerador um eletroscópio, ligue o aparelho por alguns instantes e torne a desligá-lo. 
6) Justifique o observado em termos de distribuição de cargas. 
 
 
 
 
O poder das pontas e o torniquete elétrico 
7. Coloque a agulha sobre a esfera do gerador de Van de Graaff, e em seguida, o torniquete (o centro dele bem em cima 
da ponta da agulha de forma que ele fique na horizontal). 
7) Descreva o funcionamento do torniquete elétrico em função do “poder das pontas” (densidade superficial de 
carga), da ionização das moléculas de ar e da terceira lei de Newton. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Conclusão