1º REL. FIS. EXP. III - pg 6

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GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
A 1ª aula de Física Experimental III
ELETRICIDADE ESTÁTICA:
GERADOR DE VAN DER GRAAF
Universidade Estácio de Sá:
Alunos do Campus (Sulacap):
Jeferson dos Santos Pereira / Matrícula: 201102236527
Allan Tavares / Matrícula: 201403239011
Arthur Tavares / Matricula: 201403
Rio de Janeiro
27/08/2014
SUMÁRIO
1 – RESUMO: ...................................................................................................... PAG. 1
 2 – INTRODUÇÃO: ............................................................................................. PAG. 1
3 – DESENVOLVIMENTO TEÓRICO: ................................................................ PAG. 2
 3.1- Formando e Acumulando Cargas no Gerador Eletrostático: .................. PAG. 2
 3.2 – Aproximando uma esfera metálica junto à cúpula do gerador: ............. PAG. 3
 3.3- A condeção das cargas se dá pelo ar que é considerado um isolante.: .. PAG. 3
 3.4 - A coloração e o movimento das partículas na descarga do GVDG: ....... PAG. 4
 3.5 – Explique o fenômeno observado ao colocar uma das mãos.: ................. PAG. 5
 4 – DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL: .......................................... PAG. 6
 5 - CONCLUSÃO: ............................................................................................... PAG. 7
 6 – BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................ PAG. 8
RESUMO
O trabalho a seguir é um experimento feito em um gerador eletrostático Van der Graaf com esfera metálica. Essa experiência consiste em visualizar a existência das linhas de força através do mapeamento de campo elétrico gerado pela produção de uma tensão. Isso ocorre porque o gerador de Van der Graaf - GVDG- trabalha no princípio de tensões muito altas e correntes muito baixas, ocasionando uma eletricidade estática que pode ser descarregada rapidamente a outro corpo com potencial elétrico diferente, como um raio.
INTRODUÇÃO
Robert Jemison Van de Graaf foi um físico estadunidense e criador de instrumentos da Universidade de Princeton, mas nesse trabalho daremos importância a somente um desses instrumentos que por ele foram criados.
Em 1929, depois de retornar aos Estados Unidos para participar do Laboratório de Física Palmer na Universidade de Princeton, criou no final do ano o primeiro modelo de gerador eletrostático onde alcançou 80.000 volts.
O Gerador eletrostático consiste em uma correia de material isolante usada para transportar cargas elétricas que são acumuladas em uma esfera metálica, Esta correia é movimentada por um pequeno motor. Existem dois pentes metálicos, que respondem pela troca de carga entre a terra e a correia, na parte de baixo e entre a correia e a esfera metálica, na parte de cima. Foi criado com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta (da ordem de 20 milhões de volts) para acelerar partículas carregadas que se chocavam contra blocos fixos. Os resultados das colisões nos informam das características dos núcleos do material que constituem o bloco. . Veja a fig.1 abaixo.
‘
 Figura1- Gerador de Van Der Graaf
DESENVOLVIMENTO TEÓRICO:
3.1- Formando e Acumulando Cargas no Gerador Eletrostático: Suponha que haja transferência de cargas negativas do pente inferior aterrado. Esta transferência se dá pelo arrastamento da camada de ar que fica entre o pente e a correia. Neste caso o pedaço da correia que está se atritando fica com excesso de cargas positivas. 
Este pedaço de correia "caminha" até o topo do aparelho, onde se encontra o pente superior, que está ligado internamente à esfera metálica. Neste ponto há transferência de cargas negativas da esfera para a correia, através do pente (Poder das Pontas), de modo a neutralizar as cargas positivas que chegam pela correia isolante. 
 As cargas negativas, que passam da esfera para a correia, deixam atrás de si, na esfera, um excesso de cargas positivas e, assim, o terminal (esfera metálica) começa a acumular cargas positivas que dão origem a diferenças de potencial de milhares de volts. O nosso gerador é capaz de gerar faíscas elétricas de maiores que 60 milímetros, o que corresponde a tensões superiores a 60.000 Volts.
 Figura 2- Acúmulo de cargas positivas (+) na cúpula
3.2 - Aproximando uma Esfera Metálica Junto à Cúpula do Gerador: quando isso acontece há um deslocamento das partículas acumuladas na cúpula, positivas, para essa esfera exterior que se comporta como uma carga de prova, obviamente negativa. Isso acontece por haver uma diferença de potencial elétrico – lembrando que potencial elétrico é a propriedade com que um corpo energizado tem de conseguir realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas – gerando assim um “mini raio”. Podemos compreender melhor essa definição pelo conceito de campo elétrico, que pode ser descrito pela equação seguinte:
		 (1)
		 (2)
3.3 - A Condução das Cargas se dá Pelo Ar que é Considerado um Isolante Muito Bom: o ar de fato é um excelente isolante, um dos melhores que existem, porém para baixas diferenças de potencial. Quando há altas diferenças de potencial, até o ar passa a conduzir eletricidade. Sendo assim podemos caracterizá-lo como dielétrico, até porque não existe um isolante perfeito, que em nenhuma condição conduzirá. Todos os materiais podem ser isolantes ou condutores (uns melhores que outros) tudo dependendo da tensão elétrica aplicada.
Obs: Dielétricas são substâncias nas quais os elétrons estão fortemente ligados aos núcleos dos átomos, isto é, não existem cargas livres na estrutura interna destes materiais.
Com isso podemos fazer uma analogia rápida com os raios. 
Suponhamos que um campo elétrico seja aplicado a um corpo isolante, colocando-o entre dois polos eletrizados e de sinais opostos (no caso em questão, o chão e as nuvens). Nestas condições, uma força elétrica atuará sobre todos os elétrons do isolante, o ar, tendendo a arrancá-los dos seus átomos.
Sendo o campo aplicado suficientemente intenso, os elétrons serão arrancados e tornar-se-ão elétrons livres, criando-se assim um grande número de íons no ar, alguns positivos e outros negativos. 
Devido aos íons presentes no ar, ele se torna condutor de eletricidade, permitindo assim o surgimento da corrente elétrica (no caso em questão, dos raios). Processos semelhantes podem ocorrer em qualquer outro isolante, dependendo apenas do valor do campo elétrico aplicado. 
 Figura 3-Raios com ar conduzindo Figura 4- Ar conduzindo descarga do GDVG 
 3.4 - A Coloração e o Movimento das Partículas na Descarga do GDVG: assim como nos raios, as partículas migram de um corpo para outro em alta frequência, daí o ruído, logo, com comprimentos de ondas pequenos, pois caso contrário, teriam uma velocidade maior que a da luz, o que não possível já que as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade. 
Segundo as leis de Planck, as cores azuladas e o violáceo, correspondem ao menor comprimento de onda visível ao olho humano. Por isso são essas cores que vemos. Outra curiosidade é que o sentido do raio é da esfera para a cúpula do gerador e não ao contrario como era de se esperar já que as partículas vão do corpo com maior potencial elétrico para o de menor.
 
 Figura 5 – Espectro visível ao olho humano
3.5 – Explique o fenômeno observado ao colocar uma das mãos no gerador de Vander Der Graaf e a outra mão sobre pedacinhos de papel.
.Colocando um pouco de papel picado em cima de uma mesa emborrachada, e ao colocar a mãosobre a esfera metálica oca, no instante em qual o gerador se encontrava desligado, e após ligar o gerador, e passar a mão sobre os papeis, nota-se que eles se repelem.
O caso descrito acima ocorre devido ao fato, de que quando se coloca a mão que e 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 mão, pois esses passam para a superfície da cúpula. Em outras palavras, os elétrons positivos da cúpula carregada atraem os elétrons negativos da mão neutra, e com isso, restarão na mão os elétrons positivos. Uma vez que os elétrons positivos se repelem uns com os outros, ao passar a mão por cima dos pedaços de papel por ser um material neutro e o nosso corpo por esta positivamente carregada e ser um material condutor, acaba passando a carga positiva para o papel negativo e com isso o papel agora positivamente carregado, se movimentará contra a superfície, se repelindo com a mão.
DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL
Os materiais utilizados nessa experiência são:
Um domo ou cúpula de descarga;
 Uma coluna de apoio;
 Dois roletes (superior e inferior);
 Dois pentes metálicos (superior e inferior);
 Uma correia transportadora; e
 Uma base para alojar o motor elétrico, fixar a coluna e o pente inferior.
Figura 6- Esquema dos componentes do GVDG
CONCLUSÕES
Por fim percebemos que com o GDVG é possível gerar eletricidade através do atrito, no caso aqui, atrito entre os pentes e a correia de borracha que geram cargas positivas e negativas nessa correia. As cargas negativas são aterradas e as positivas levadas até a cúpula de metal onde ocorre um acúmulo por igual dessas cargas em toda a extensão da mesma.
Com baixa corrente, porém altíssima tensão o gerador consegue criar um campo elétrico com força suficiente para arrancar os elétrons do ar de suas camadas, deixando - os livres, fazendo do ar, que a principio é um dos maiores isolantes conhecidos pelo homem, um bom condutor, formando assim “mini raios”.
Com altíssima diferença de potencial, essas cargas têm alta frequência e comprimento de onda pequenos, fazendo com que esses “raios” apareçam azulados .
6- BIBLIOGRAFIA
Eletricid ade Estática: Definição, Causa, Efeito e Solução. Disponível em: <http://www.curso-eletronica.com.br/artigos/eletricidade-estatica-definicao-causa-efeito-e-solucao> Acessado em: 22 de Agosto de2014.
Relatório Van de Graaf - Física III. Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ ABAAA BML8AF/relatorio- van-graaf-fisica-iii > Acessado em : 22 de agosto de 2014
Feira de Ciências. Disponível em: < http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp> Acessado em: 22 de agosto de 2014
Robert Jemison Van de Graaf. Disponível em: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert _Jemison _van_ de_Graaff> Acessado em: 22 de agosto de 2014
Grupo de Ensino de Física UnB. Disponível em: <http://www.fis.unb.br/gefis/index. php?option =com_content&view=article&id=106&Itemid=218&lang=pt > Acessado em: 22 de agosto de 2014
Só Física. Disponível em < http://www.sofisica.com.br/conteudos /Eletromagnetismo/ Eletrostatica /campo.php> Acessado em : 22 de agosto de 2014
Força Elétrica. Disponível em: <http://marciamantovani.blogspot.com.br/2012/04/forca-eletrica-e-lei-de-coulomb.html> Acessado em : 22 de agosto de 2014
AR: Isolante ou Condutor. Disponível em:< http://www.if.ufrgs.br/mpef /mef004/20031 /Ricardo/ ar.html> Acessado em: 22 de agosto de 2014
Relâmpago Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/ wiki/Rel%C3%A2mpago > Acessado em: 24 de agosto de 2014
Dan Scientia. Disponível em: <http://dan-scientia.blogspot.com.br/2010/03/relacao-da-frequencia-com-o-comprimento.html> 24 de agosto de 2014