fISICA EXPERIMENTAL -Gerador de VAN DER GRAFF

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CURSO DE ENGENHARIA
GERADOR DE VAN DER GRAFF
Salvador - Ba
2013.2�
CURSO DE ENGENHARIA
Lllll oliveira
Kkkkk nascimento
 MAGNETISMO
Relatório Experimental da disciplina de Física III apresentado, como requisito parcial para aprovação na disciplina, ao Professor Caio Santos, em 8 de Outubro de 2013. 
Salvador - Ba
2013.2�
LISTA DE ILUSTRAÇÕES e FOTOS
Figura 1: Demostração dos componentes de um gerador Van Der Graff....................................................................................................8
Foto 1 e 2: Aproximação do bastão teste e verificação de correia do gerador. Fonte: imagem própria........................................................11
Foto 3: Feixe de raio (descarga elétrica)...........................................12�
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................5 
2 OBJETIVOS.........................................................................................6
3 DESENVOLVIMENTO GERADOR DE VAN DER GRAFF ................7
 3.1 O que é o Gerador de Van Der Graff..........................................7
 3.2 Criador do Gerador de Van Der Graff.......................................... 8
 3.3 Princípio de Funcionamento do Gerador de Van Der Graff ...........8
4 METODOLOGIA................................................................................11
 4.1 Materiais Utilizados.......................................................................11
 4.2. Descrição dos Experimentos.......................................................11
5 DISCUSSÕES...................................................................................13
6 ANÁLISE E CONCLUSÃO................................................................14
7 REFERÊNCIAS...................................................................................15
	
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. 
2 OBJETIVOS
 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 oca 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.
	
3 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO-GERADOR DE VAN DER GRAFF
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. [5]
	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.
 3.1 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.[3]
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.
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Figura 1: Demostração dos componentes de um gerador de Van Der Graff [8]
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.
3.2 Criador do Gerador de Van Der Graff 
Este equipamento foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison Van Der 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. [3]
3.3 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 fato, 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. [5]
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 elétricose 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
	
	
Com a expressão acima podemos ver que quanto menor for a distancia 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 acúmulo de cargas na superfície é que se dará a ruptura do isolamento dielétrico do ar e teremos uma descarga elétrica. [1]
Primeiramente, tem-se um bastão que possui uma esfera metálica, em uma das extremidades, o qual denominamos 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.[6]
 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.[5]
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. 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.[2]
4 METODOLOGIA
 4.1 Materiais Utilizados
 Gerador de Van Der Graff 
 Bastão de testes;
 4.2. Descrição 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 depois aproximou-se (sem encostar) o bastão de testes da lâmina de alumínio no gerador.
 
 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. Com vemos 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. .	
 Foto 3: Feixe de raio (descarga elétrica).Fonte: imagem própria
 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.
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS 
 	No experimento observamos que era preciso dá uma certa aceleração de +/- 4 minutas, 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 acumulo 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.
6 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 equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado.
7 REFERÊNCIAS
[1] TIPLER, Paul A.; Física para cientistas e engenheiros. 3ª edição, LTC editora S.A., Rio de Janeiro, 1995.
[2]Disponível on line: http://omnis.if.ufrj.br/~ladif/tea/fenel/eletro-capitulo9.pdf, acessado em 8 de outubro de 2013.	
[3] Disponível on line: http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidadenaatmosfera.php, acessado em 8 de outubro de 2013.	
 [4] Disponivel on line: http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Poder%20das%20Ponta s.htm, acessado em 8 de outubro de 2013.	
[5] Disponível on line: http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_de_Van_de_Graaff, acessado em 11 de outubro de 2013.	
[6] Disponivel on line: http://www.fisica.ufs.br/egsantana/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm, acessado em 11 de outubro de 2013.	
[7] Disponível on line: http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/experimento-com-gerador-de-van-der-graff , acessado em 11 de outubro
[8] Disponivel on line: http://www.infoescola.com/fisica/gerador-de-van-de-graaff/, acessado em 16 de outubro de 2013.