Relatorio Fisica Experimental III 1 -Gerador Eletrostático de Van de Graaff

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ 
Curso: ENGENHARIA CÍVIL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gerador Eletrostático de Van de Graaff 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO 
29/08/2014
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ 
Curso: ENGENHARIA CÍVIL 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório de Física referente à aula 
prática em laboratório, ministrada 
pela Profª. Tarcilene Heleno, sobre 
Gerador Eletrostático de Van de 
Graaff. 
 
 
 
 
 
 
4º Período – Engenharia Civil – Turma 3102 
SHORAIA BERNARDES INOUE 
LEONARDO VALENTE RODRIGUES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rio de janeiro, 29 de agosto de 2014. 
Leonardo Valente Rodrigues Página 3 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
Sumário 
1. Introdução ............................................................................................................................ 4 
1.1 Objetivos ................................................................................................................ 4 
1.2 Fundamentos Teóricos ............................................................................................ 4 
1.3 Funcionamento do Gerador .................................................................................... 8 
1.4 Materiais utilizados ................................................................................................. 9 
2. Procedimento experimental .................................................................................................. 9 
3. Conclusão ........................................................................................................................... 10 
4. Referencias Bibliográficas .................................................................................................... 10 
7. Anexos ............................................................................................................................ 11 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 4 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
1. Introdução 
No dia 22 de agosto de 2014, sob a orientação da Professora Tarcilene Heleno, realizamos no 
laboratório da Universidade Estácio de Sá no Campus Sulacap – RJ, o primeiro experimento de 
física experimental III. 
1.1 Objetivos 
 Fundamentar o conceito de carga elétrica, campo elétrico e potencial elétrico. 
 Observar o comportamento das cargas elétricas na superfície externa do condutor 
 Descrever e entender o fenômeno da geração de cargas elétricas em um gerador do 
tipo Van de Graaff 
 Entender o fenômeno da descarga elétrica e o mecanismo de transporte de cargas na 
atmosfera 
 Reconhecer a importância da pressão e da distância entre os eletrodos na capacidade 
de condução elétrica num gás. 
 
1.2 Fundamentos Teóricos 
Uma casca esférica carregada gera um campo elétrico nulo em pontos em seu interior. No seu 
exterior, o campo é o mesmo que seria obtido se toda a carga Q da casca estivesse 
concentrada em seu centro. Sendo R o raio da esfera temos 
 
 
 
Em particular, o campo elétrico na superfície da casca valerá 
 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 5 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
 
 
 
Por extensão, o potencial elétrico gerado pela casca para pontos no seu exterior é o mesmo 
que o de uma carga puntiforme Q no centro. Então 
se r ≥ R 
Na superfície da casca r = R, e temos 
 
 
 
Supondo que a casca esférica é um condutor isolado em equilíbrio eletrostático, vimos na Aula 
7 que todos os seus pontos têm o mesmo potencial. Logo, mesmo no interior da casca 
esférica, o potencial, além de ser constante, continua valendo kQ/R, que é o seu valor na 
superfície da casca. Esse resultado vale tanto para uma casca esférica como para uma esfera 
maciça condutora de raio R. 
 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 6 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
 
Carga elétrica – é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais de que é feita 
a matéria; em outras palavras, é uma propriedade associada à própria existência das 
partículas. 
Processos de eletrização por atrito – A eletrização por atrito originalmente foi observado 
por Tales. Quando duas substâncias são atritadas, ocorre uma migração de elétrons de 
uma para outra. A que recebe elétrons adquire carga negativa e a outra, perdendo 
elétrons, adquire carga elétrica positiva. 
Processos de eletrização por contato - A eletrização por contato, diferentemente da 
eletrização por atrito, necessita de pelo menos um dos corpos carregado eletricamente. 
Para entender o funcionamento do processo da eletrização por contato, considere um 
condutor carregado positivamente e outro condutor neutro. Aproxima-se o condutor 
positivo do condutor neutro até que ocorra o contato entre eles. Quando isso acontece, 
haverá uma transferência de elétrons do corpo neutro para o corpo carregado 
positivamente. Essa transferência irá ocorrer de maneira bem rápida até que ambos os 
condutores fiquem com o mesmo potencial elétrico. 
Processos de eletrização por indução - Na eletrização por atrito e por contato, há 
obrigatoriamente a necessidade do contato físico entre os corpos. Na eletrização por 
indução isso já não é necessário e é por isso que esse processo recebe esse nome. 
Um exemplo de uma consequência da eletrização por indução são os raios. Quando 
temos uma nuvem carregada eletricamente durante uma tempestade, ela irá induzir na 
superfície cargas de sinais opostos criando assim um campo elétrico entre a nuvem e a 
superfície. Se esse campo elétrico for muito intenso teremos uma descarga elétrica 
violenta que nós conhecemos como raio. 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 7 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
Lei de Coulomb – Esta lei, formulada por Charles Augustin Coulomb, refere-se às forças 
de interação (atração e repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes, ou seja, com 
dimensão e massa desprezível. A Lei de Coulomb enuncia é que a intensidade da força 
elétrica de interação entre cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos 
módulos de cada carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as 
separa. 
 
 
 
Campo Elétrico - O campo elétrico é o campo de força proocado pela ação de cargas 
elétricas, (elétrons, prótons ou íons) ou por um sistema delas. Cargas elétricas num campo 
elétrico estão sujeitas e provocam forças elétricas. 
 
 
 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 8 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
1.3 Funcionamento do Gerador 
Gerador eletrostático, concebido por Lord Kelvin em 1890 e implementado por Robert J. Van 
de Graaff em 1931: uma pequena casca esférica condutora está localizada dentro de outra 
casca maior. Se ligarmos as duas por um caminho condutor (como um fio, no problema 
resolvido) as duas cascas passam a formar um condutor único isolado. Logo, a carga da esfera 
interna move-se inteiramente para a superfície externa da esfera grande, não importando 
quanta carga esta já possua. Logo, o potencial na superfície da esfera externa pode aumentar 
com o tempo até valores muito altos. 
 
 No gerador de Van de Graaff, a carga é levada para a casca interna por meio de uma correia 
carregada. A carga é “borrifada” na correia, do lado de fora da máquina, por um pente de 
pontas metálicas; e retirada da correia, no interior da máquina, do mesmo modo. As pontas 
metálicas são responsáveis por descargas elétricas pelo ar que fazem a transferência da carga 
da correia (“poder das pontas”). 
 
Neste gerador, uma correia isolante recebe cargas superficiais, transportadas a um eletrodo, 
onde são removidas.Isso caracteriza uma corrente elétrica suficiente para gerar uma voltagem 
elevada em curto espaço de tempo. 
 
O gerador eletrostático Van der Graaff é como uma esfera metálica isolada da Terra que é 
permanentemente carregada (positiva ou negativamente) através de uma correia. Essa correia 
é carregada pelo atrito com a polia, como se alguém continuamente esfregasse um bastão de 
plástico em um pedaço de feltro e encostasse o bastão na correia. Em pequenos geradores 
como este, a diferença de potencial é da ordem de kv (quilovolt), enquanto que nos grandes 
aceleradores, pode ultrapassar 10 MV. 
 
A esfera externa do gerador não pode acumular uma quantidade arbitrariamente grande de 
carga. Se a densidade superficial de carga σ for alta o suficiente para que o campo elétrico 
próximo à superfície (E = σ/εo) seja maior que a rigidez dielétrica do ar (Emax = 3 kV/m), então 
a esfera se descarrega por faíscas (“descargas corona” causadas pela ionização do ar). 
 
A cabeça esférica do gerador (pólo negativo) funcionará como um eletrodo denominado cátodo 
(eletrodo negativo), sua base inferior (sem ligação terra) é o eletrodo positivo, denominado 
ânodo (eletrodo positivo). 
 
Fatores que influenciam na condutividade de um gás. 
 Diminuindo a pressão, a condutividade elétrica do gás aumenta; 
 A condutividade de um mesmo gás depende da pressão a que está submetido para se 
enquadrar com condtor ou isolante. 
Para uma pressão fixa, diminuindo a distância entre os eletrodos, a capacidade de o gás se 
tomar condutor aumenta. 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 9 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
1.4 Materiais utilizados 
1. Um gerador eletrostático do tipo Van der Graaff; 
2. Uma esfera metálica com bastão; 
3. Uma conexão com pinos banana; 
3. Papéis de alumínio; 
4. Papel picado; 
 
 
2. Procedimento experimental 
 
2.1 – Ligar o aparelho e aproximar a esfera menor da esfera do gerador; 
Explicar o processo de formação e o acúmulo de cargas no gerador eletrostático. Descreva e 
explique o fenômeno ocorrido ao se aproximar a esfera metálica da cúpula do gerador 
eletrostático. 
 
2.2 – Colocar algumas tiras de papel sobre o gerador eletrostático. 
 
2.3 – Colocar uma das mãos sobre o gerador, desligado, colocar o gerador para funcionar, com 
a mão já apoiada na esfera externa, colocar a outra mão sobre pedacinhos de papel. 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 10 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
3. Conclusão 
Na seguinte experiência com bastão, visualizou-se a transferência de elétrons pelo ar, através 
da cor azulada, ou seja, o feixe de luz azulada evidencia uma descarga elétrica. Descobriu-se, 
também, o propósito do gerador de Van de Graaff, que é produzir diferença de potencial com 
altíssima voltagem, para fins didáticos. 
 
Na experiência com os papéis alumínio, as tiras de alumínio tenderam a movimentar-se na 
direção radial da esfera no sentido de afastamento. 
 
 
4. Referencias Bibliográficas 
1. http://www.sofisica.com.br/ 
2. http://www.infoescola.com/ 
3. HALLIDAY, Resnick. R. Walker, j – Fundamentos de Física 3 - Rio de janeiro: Livros 
Técnicos e Científicos, LTC, 9ª Edição. 
4. http://fisica.uems.br/arquivos/labfis2/GerVanDeGraaf.pdf 
5. http://fisica.ufpr.br/viana/fisicab/aulas/a9.htm 
6. http://pt.scribd.com/doc/92299735/Eletroestatica-Exe 
 
Leonardo Valente Rodrigues Página 11 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
7. Anexos 
 
Questões: 
 
1) O que se entende por campo elétrico? 
Segundo o experimento realizado, o campo elétrico é um campo de força provocada 
pelo atrito exercida pela correia esticada do Gerador de Van de Graaff, transportando 
assim as cargas armazenadas em sua superfície, disponibilizando uma ação da força 
elétrica da atração e da repulsão. 
 
2) O que se entende por linhas de força de um campo elétrico? 
Na lei de Gauss vimos que as linhas de campo de cargas podem ser positivas e 
negativas. 
 
3) Cite três propriedades das linhas de força de um campo elétrico? 
- Não podem ser fechadas 
- São sempre perpendiculares 
- Não se cruzam 
 
 
4) Assinale a região onde o campo elétrico representado é mais intenso. 
Quanto mais próxima de Q mais intensa será a força sobre a "carga de prova q" e, 
inversamente, será tanto menos intensa quanto mais afastada de Q. 
 
 
5) Desenhe a orientação do vetor campo elétrico E nos pontos assinalados de P1 a 
P5. 
Lei do Inverso do Quadrado da Distância: (1/d²). No exemplo da figura temos P3 como 
região mais intensa do campo elétrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X Y 
P1 
P5 
P4 
P3 
P2 
Leonardo Valente Rodrigues Página 12 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
6) Caso abandonássemos uma carga no interior deste campo, trace as possíveis 
trajetórias que a mesma teria se: 
 A carga fosse positiva. 
 
 
 A carga fosse negativa. 
 
 
Questões relacionadas ao experimento 
 
1) Explique o processo de formação e acúmulo de cargas no gerador eletrostático 
Quando se introduz um condutor carregado dentro de outro oco e é posto em contato, 
toda a carga do primeiro passa ao segundo, qualquer que seja a carga inicial do 
condutor oco. Teoricamente, o processo poderia se repetir muitas vezes, aumentando 
a carga do condutor oco indefinidamente. Mas, existe um limite devido às dificuldades 
de isolamento da carga. Quando é elevado o potencial, o ar que o rodeia se torna 
condutor e começa a perder carga. 
 
1.1) Descreva e explique o fenômeno ocorrido ao se aproximar a esfera metálica da 
cúpula do gerador eletrostático. 
Quando o bastão de metal é colocado perto da Esfera de metal se a diferença de 
tensão entre o bastão de metal e a esfera de metal chegar a atingir 30,000 Volts por 
centímetro de ar seco. Uma corrente flui da esfera de metal para o bastão de metal, 
através do ar seco. 
 
2) Justifique o fato da mistura gasosa envolvente (ar à pressão atmosférica) passar de 
isolante para condutor e eletricidade. 
Suponhamos que um campo elétrico seja aplicado a um corpo isolado, 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 tornam-se elétrons livre, criando-se assim um 
grande número de íons no ar, alguns positivos e outros negativos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X Y 
P1 
P5 
P4 
P3 
P2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X Y 
P1 
P5 
P4 
P3 
P2 
+ 
- 
Leonardo Valente Rodrigues Página 13 
Shoraia Bernardes Inoue 
 
3) No momento em que o gás deixa de ser isolante, o campo elétrico possui certo 
valor entre os eletrodos. Como determinamos, em Física, o maior valor que o 
campo elétrico E pode assumir sobre um material isolante, sem que este material 
conduza eletricidade? 
 
Utilizando a fórmula: E= KQ/r², onde: 
 
 K= constante eletrostática 
 Q= valor da carga 
 R= raio 
 
4) Justifique o ruído e a cor azulada verificada durante a descarga elétrica ocorrida 
no ar. Como denominamos o ruíod e a cor azulada que surgem durante a 
descarga quando este fenômeno ocorre na natureza? 
No momento em que aproximamos o bastão à esfera eletrizada, observamos a 
ocorrência de pequenos raios entre eles. Ao aproximarmos o bastão da esfera metálica 
observou-se uma transferência visível de elétrons de um corpo para o outro. A esfera 
do gerador acumula uma quantidade arbitrariamente grande de carga.Assim a 
densidade superficial de carga se torna alta o suficiente para que o campo elétrico 
próximo à superfície seja maior que a rigidez dielétrica do ar. Então a esfera se 
descarrega no bastão, por intermédio do ar, que se tornou um condutor. Essa descarga 
produz assim uma faísca luminosa e azulada 
 
5) Coloque algumas tiras de papel sobre o gerador eletrostático. O que foi 
observado? 
 
As tiras de alumínio tenderam a movimentar-se na direção radial da esfera no sentido 
de afastamento. Esse processo é conhecido como eletrização por contato, ocorrendo 
assim uma transferência parcial da carga elétrica devido à diferença de potencial 
elétrico existente entre os pólos. O funcionamento do gerador gera um campo elétrico, 
e este através de condução irá carregar eletricamente as fitas de alumínio que estão 
fixadas nele. Devido ao fato das tiras ficarem carregadas com a mesma polaridade do 
globo, elas se afastam da superfície da esfera. Como a distribuição de cargas tem 
simetria esférica, a direção do campo elétrico é radial, ou seja, perpendicular à 
superfície da esfera.