Relatório III Gerador de van de graaff

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Campus: Santa Cruz
Disciplina: Física teórica experimental III
Professor: Nelson Correia de Souza
Turma: 3056.
Gerador de van de graaff.
Igor de Jesus Mange Eutimio.
Santa Cruz, Rio de Janeiro
outubro/2018.
Física 3 – gerador de van de graaff.
Objetivo
Verificar e analisar o funcionamento do gerador eletroestático de van de graaff.
Introdução
 O gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática que foi inventada pelo engenheiro estado-unidense descendente de holandeses, Robert Jemison van de Graaff em 1931. A máquina foi logo empregada em física nuclear para produzir as tensões muito elevadas necessárias em aceleradores de partículas. 
Versões pequenas do gerador de Van de Graaff são frequentemente vistas em demonstrações sobre eletricidade, produzindo o efeito de arrepiar os cabelos de quem tocar na cúpula, isolado da Terra, pois o cabelo fica eletrizado com cargas da mesma polaridade, que consequentemente se repelem.
Esquema de funcionamento do gerador: 1 esfera de metal, 2 eletrodo conectado a esfera, com uma escova na ponta para assegurar a ligação entre a esfera e a correia, 3 roletes superior, 4 lados positivo da correia, 5 lados negativo da correia, 6 rolete inferior, 7eletrodo inferior, 8 bastão terminado em esfera usado para descarregar a cúpula, 9 faísca produzida pela diferença de potencial
O gerador básico com excitação por atrito é composto por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio. Os materiais mais usados na correia são o acrílico ou o PVC. Os roletes são de materiais diferentes, ao menos um deles condutor (como teflon e alumínio), para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia. 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. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior; assim cargas continuam a ser extraídas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.
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.
Geradores profissionais utilizam sistemas eletrônicos, para depositar carga na correia, eliminando assim as instabilidades de desempenho causadas pela excitação por atrito e permitindo regulação precisa da tensão obtida. A operação dentro de câmaras de alta pressão contendo gases especiais permite maior densidade de carga na correia sem ionização, aumentando a corrente que carrega o terminal
Figura 1:Esquema de funcionamento.
Poder das pontas é a capacidade dos corpos eletrizados de se descarregarem pelas pontas. Em outras palavras, o Poder das Pontas se resume na facilidade que as cargas elétricas terão para entrar e para sair por lugares pontiagudos.
A carga elétrica em excesso num corpo condutor distribui-se apenas pela superfície exterior do corpo e concentra-se nas zonas mais pontiagudas (ou de menor raio), rarefazendo-se nas restantes.
Na proximidade dos corpos existem sempre no ar átomos e moléculas ionizadas. Havendo grande concentração de cargas elétricas numa ponta (zona pontiaguda) de um corpo, haverá atração para a ponta dos íons de sinal contrário às cargas na ponta e repulsão dos íons com o mesmo sinal. Os íons que são atraídos provocam a descarga da ponta. Por sua vez, os movimentos de partículas junto da ponta originam novas ionizações no ar e o fenômeno de descarga da ponta aumenta. Nas regiões pontiagudas a densidade superficial de cargas elétricas é maior do que em regiões planas ou arredondadas, por isso desse fenômeno.
Figura 2: Poder das pontas.
Para-raios.
A fim de provar que os raios são descargas elétricas da natureza, o americano Benjamin Franklin procedeu a uma experiência famosa, com base na qual inventou o seu para-raios. Durante uma tempestade, empinou uma pipa ou papagaio de papel  e constatou o poder das pontas de atrair raios ao observar as faíscas que se produziam nas chaves atadas à ponta do cordel em suas mãos. Com essa observação, Franklin passou a estudar a utilidade desta forma de Eletricidade.
Através do fenômeno eletrostático denominado poder das pontas, que é a grande concentração de cargas elétricas que se acumulam em regiões pontiagudas, quando o campo elétrico nas vizinhanças da ponta do para-raios atinge determinado valor, o ar em sua volta se ioniza e se descarrega através de sua ponta para o solo através de um fio de baixa resistividade, que é enterrado no solo e rodeado de pó de carvão.
Para-raios de Melsens. 
Empregado para o mesmo fim que o para-raios de Franklin, o para-raios de Melsens adota o princípio da gaiola de Faraday. Consiste em envolver o edifício numa armadura metálica, aproveitando as linhas arquitetônicas para a passagem da trama: barras de ferro verticais e horizontais. No alto da construção, as barras verticais juntam-se em feixes, os quais se ligam ao solo, no outro extremo, por uma série de chapas de terra.
Para-raios em instalações elétricas. 
Na proteção de instalações elétricas, o para-raios, ou descarregador, é colocado num ponto da instalação em que se forme um máximo da onda de tensão elétrica. Na instalação, intercala-se um dispositivo que obrigue a onda de corrente elétrica, em quadratura com a onda de tensão elétrica, a ter uma inversão nesse ponto. Os tipos de para-raios empregados em instalações elétricas são: de antena, de rolos, de peróxido de chumbo e eletrolítico.
Aterrando um barco.
Na realidade os mecanismos dos raios sobre as águas e sobre os barcos funciona mais ou menos da seguinte forma:
    Em primeiro lugar, não existem nuvens neutras ou descarregadas. Todas as nuvens são formadas por gotículas d'água em suspensão no ar constituindo uma mistura tipo "colóide" de líquido em gás. Os experimentos demonstram que mais de 90% das nuvens possuem carga positiva, especialmente em sua parte mais inferior. Essas nuvens induzem uma "mancha" (zona) de cargas negativas sobre as águas (ou sobre o solo) - Figura 3-
    A presença de um barco, com mastro aterrado, no interior da "mancha" corresponde a um para-raios. Ele drena (escoa) para a atmosfera as cargas da "mancha", "desmanchando" a mancha de cargas negativas em sua proximidade, - Figura 4 - fazendo com que a diferença de potencial entre o barco (e sua região próxima) e a nuvem diminua, impedindo que ocorra descargas violentas sob a forma de faíscas (raios).
Figura 3.
Figura 4.
Material utilizado e montagem experimental
2.1 Materiais utilizados:
Gerador eletrostático (Gerador de van de graaff).
Tiras de papel alumínio.
Cabos de ligação
Copo descartável.
Hélice.
Bastão de teste.
Agulha
Pedaços de isopor.
2.2 Montagem experimental. 
Figura 5: Gerador eletrostático (Gerador de van de graaff).
Figura 6:Helice.
Figura 7:Bastão de teste.
Procedimento
Passo a passo:
Ao ligar o gerador van de graaf logo que carregado a esfera metálica do gerador foi aproximado o bastão de teste e pode ser observado pequenos arcos voltaicos saindo da esfera do gerador em direção ao bastão devido a diferença de potencial entre o bastão e esfera do gerador.
E em seguida foi colocado fitas de papel preso a esfera do gerador e foi ligado o gerador, e quando ligado pode ser observado que as fitas de papel levantaram tendendo a se repelir por estar em contato com o gerador as fitas de papel adquiriram cargas do mesmo sinal que as cargas do gerador, e cargas do mesmo sinal se repelem, e em seguida com as fitas de papel ainda levantada foi aproximado o bastão das fitas e pode ser observado que as fitas eram atraídas pelo
bastão pois o bastão e as fitas estavam com cargas diferentes e cargas diferentes se atraem.
E em seguida foi colocado no topo da esfera do gerador um copo plástico com bolinhas de isopor dentro e foi ligado o gerador e podemos observar que as bolinhas de isopor contidas dentro do copo começaram saltar pra fora do copo e isso é devido ao copo esta em contato com a esfera do gerador adquirindo assim as mesma cargas do gerador e como cargas iguais se repelem as bolinhas de isopor começaram a ser repelidas do copo, e quando aproximamos o bastão do copo as bolinhas eram atraídas para o bastão pois o bastão continha cargas diferentes.
E foi colocado preso ao bastão uma agulha e em seguida foi ligado o gerador e aproximando o bastão do gerador saia o arco voltaico conforme na primeira parte do experimento mais ao aproximar a agulha presa ao bastão não produzia mais um arco voltaico, isso é devido a facilidade das cargas elétricas em entrar e sair por superfícies pontiagudas, pois as cargas elétricas em excesso em um corpo condutor distribui-se apenas pela superfície exterior concentrando-se mais em zonas pontiagudas ou de menor raio 
E por ultimo foi colocado uma pequena hélice de metal no topo da esfera do gerador e ligou-se o gerador e observou-se que a hélice começou a girar a medida que o campo elétrico aumentava e passou a adquirir velocidade constante e isso é devido a ionização das moléculas que por fim geram um campo elétrico.
Conclusão
Podemos concluir que o experimento teve seu objetivo alcançado pois podemos observar através desse experimento o principio de funcionamento do gerador de van de graaff e constatar que qualquer carga elétrica em excesso em um condutor isolado pode se mover livremente pela superfície do condutor ou seja no entorno da esfera eletroestática é gerado um campo elétrico e esse campo elétrico aponta para fora, pois a esfera eletrostática está carregada com cargas positivas e com isso podemos observar com clareza nesse experimento o comportamento desse campo em relação as cargas iguais e em relação a cargas diferentes.
Bibliografia
Wikipedia. <https://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_de_Van_de_Graaff>
Acessado em 18 de setembro de 2018.
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