gerador de van de graaff

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Universidade Federal de Mato Grosso
Campus Universitário do Araguaia
Instituto de Ciências Exatas e da Terra
	
RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA Nº 02
Gerador eletrostático de Van de Graaff e linhas de campo Elétrico
Barra do Garças, MT
2017
Universidade Federal de Mato Grosso
Centro Universitário do Araguaia
Instituto de Ciências Exatas e da Terra
RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA Nº 02
Gerador eletrostático de Van de Graaff e linhas de campo Elétrico
 
Alexandre Pelissari
Fabiana Morais
Heitor Oliveira
Reydner Luz
Rafaela Paulino
Tarcisio Andrade
Victor Hugo Alves
Relatório de aula prática da disciplina de Eletricidade e Magnetismo do Curso de Engenharia Civil do Campus Universitário do Araguaia (CUA) da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT).
Docente: Prof. Ms. Ediron Lima Verde.
Barra do Garças, MT
2017
INTRODUÇÃO
Sabemos que quando o número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro, esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático. 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 de Graaff ou gerador eletrostático de correia.
Este equipamento foi desenvolvido pelo Engenheiro americano Robert Jemison Van de Graaff (1901 – 1967), o funcionamento deste aparelho consiste em um motor que movimenta uma correia isolante que passa por duas polias, uma delas acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se dentro da esfera metálica oca. Através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador de alta tensão. A correia eletrizada transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde elas são coletadas por pontas metálicas e conduzidas para a superfície externa da esfera.
 
Figura 1. Gerador de Van de Graaff
Um exemplo de atividade que pode ser feita utilizando este gerador é o processo de descargas em gases a alta pressão: explica a ocorrência de relâmpagos e trovões. Os relâmpagos se originam da quebra de rigidez dielétrica, isto é, da capacidade isolante do ar. A quebra de rigidez do ar ocorre quando o campo elétrico é suficiente para ionizar os átomos do ar e acelerar os elétrons a ponto de produzir uma descarga.
Torniquete elétrico
 É constituído por um conjunto de fios metálicos terminados em pontas que são dobradas todas num mesmo sentido. Esses fios são solidários entre si, e são articulados com uma haste vertical h, de maneira que possam girar livremente num plano horizontal. Liga-se a haste h ao terminal negativo de uma máquina eletrostática. Cada ponta, sendo negativa, exerce sobre as moléculas de ar próximas a ação já explicada acima, produzindo-se o vento elétrico em torno de cada ponta.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAS UTILIZADOS
Duas laminas de alumínio, 10 mm x 250 mm, dobradas ao meio.
Um gerador eletrostático.
Uma esfera com cabo
Dois cabos de ligação
Uma fita adesiva
Uma lâmpada fluorescente 
Um torniquete elétrico com ponteiro
Dois eletrodos retos
Dois eletrodos redondos 
Uma cuba de vidro
Óleo de rícino 
Sementes de grama
Um retroprojetor 
2.2 METODOLOGIA
Inicialmente a aula pratica foi dividida em quatros experimentos. No primeiro experimento para observar a distribuição de elétrons, primeiramente fixamos tiras de papel alumínio na parte superior da esfera do gerador. Após esse processo ligamos o gerador por alguns instantes e depois e desligamos, com isso pode se observar que as tiras foram repelidas para cima. Em seguida aproximamos o bastão de teste das tiras e percebemos a atração entre eles. Após desligar o gerador da esfera, percebemos que as tiras ficaram carregadas e no sentido vertical. E para finalizar encostamos o bastão de teste na esfera do gerador, em seguida as tiras de alumínio descarregaram.
Figura 2. Distribuição de elétrons com tiras de alumínio 
No segundo experimento, após ligar a esfera com o cabo no suporte do gerador, ligamos o gerador e em seguida aproximamos a esfera com o cabo da esfera do gerador. Desligamos a luz do ambiente para poder observar melhor uma faísca (Ruptura dielétrica do ar) que ocorreu entre o bastão e a esfera. 
Figura 3. Ruptura dielétrica do ar
No terceiro experimento, quando ligamos o gerador, encostamos uma lâmpada na parte superior da esfera, fazendo assim a lâmpada acender.
No quarto experimento, primeiramente isolamos uma cadeira com material plástico, em seguida pedimos a uma colega que subisse na cadeira próxima a mesa que continha a esfera com o gerador em seguida ela tocou as mãos no gerador. Observamos que seus cabelos arrepiaram, logo percebemos o poder das pontas, assim as cargas elétricas tem facilidade de entrar e sair de lugares pontiagudos. 
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na primeira parte do experimento podemos observar que quando o gerador era ligado fazia com que os fios se levantassem e se alinhassem com o campo elétrico criado. Os mesmos adquiriram uma carga. Quando se aproximou uma esfera presa a um bastão, esta passou a atrair o fio, isso ocorreu devido a possuírem cargas contrárias. Em seguida, desligou-se o gerador e notamos que mesmo assim o fio continuava alinhado ao campo, então tocou-se novamente no gerador com a esfera, houve um pequeno estalo e observamos que os fios caíram, devido ao descarregamento que a esfera provocou.
Na segunda parte do experimento o gerador foi ligado novamente, e quando aproximamos a esfera presa ao bastão da esfera metálica do gerador ouvimos muitos estalos e também, começaram a se originar faíscas entre as duas esferas, esse fenômeno ocorreu devido a carga que foi gerada ser tão forte, que o ar não funcionava mais como um isolante e passou a ser um condutor da carga.
Na terceira parte do experimento, utilizando uma lâmpada fluorescente e encostando sua extremidade no gerador ligado, observamos que a lâmpada começou a acender. Isso se deu devido a diferença de potencial gerada pelo aluno que segurava em uma das extremidades da lâmpada e pelo gerador na extremidade oposta. Observou-se também que quanto maior era a diferença de potencial nas duas extremidades, mais forte a lâmpada brilhava.
Na quarta parte do experimento, uma aluna de cabelos curtos segurou na esfera metálica do gerador e, em seguida ele foi ligado. Conforme a carga no gerador aumentava, mais os fios de cabelo da aluna se erguiam. Observamos então, que houve com os fios de cabelo um efeito semelhante ao que ocorreu na primeira parte do experimento. Podemos notar, então que eles também passaram a se alinhar ao campo elétrico criado. Finalmente, quando um dos alunos tocou-a houve um descarregamento, ocasionando leve choque no aluno e os fios de cabelo se abaixaram.
3.1 QUESTÕES
Qual é a relação entre raios produzidos por nuvens carregadas e o processo de ruptura elétrica?
R: Materiais isolantes, quando imersos em campos elétricos muito intensos, alguns materiais isolantes podem ser ionizados tornando-se condutores Isso é muito comum de ocorrer, no ar atmosférico. As faíscas e os relâmpagos são exemplos típicos fenômeno que chamamos de ruptura dielétrica. Na formação de raios as cargas positivas estão entre 6 e 7 km de altura, enquanto que as negativas, entre 3 e 4 km. A diferença de potencial entre a parte negativa da nuvem e a Terra varia entre 10 MV e 1 GV. Para que uma descarga elétrica (raio) tenha início não há necessidade que o campo elétrico atinja a rigidez dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kV/m), ou seja raios produzidos por nuvens carregadas é o exemplo que mais vemos no cotidiano do processo de ruptura elétrica.
Qual é a relação entre o poder das pontas e o formato dos para-raios?
R: O poder das pontas é o nome dado ao princípio físico onde, o excesso de carga elétrica em um corpo condutor é distribuídopor sua superfície externa e se concentra nas regiões pontiagudas ou de menor raio. É nas pontas que a energia é descarregada. Isso ocorre porque as extremidades são regiões muito curvas e, como a eletricidade se acumula mais nessas áreas, um corpo eletrizado dotado de pontas acumula nelas sua energia. A densidade elétrica de um corpo será sempre maior nas regiões pontudas em comparação com as planas. Sendo assim, uma ponta sempre será eletrizada mais facilmente do que uma região plana. Os para-raios seguem esse princípio físico.
O que é um vento eletrostático?
R: Consiste numa vela localizada entre os terminais ou polos de um de um gerador eletrostático. As cargas positivas, no polo esquerdo, atraem intensamente os elétrons das partículas de ar vizinhas. Alguns desses elétrons se desprendem, de modo a ficarem as partículas carregadas positivamente. Tais partículas carregadas ou íons repelidos pelas cargas do polo esquerdo deslocam-se para a direita arrastando consigo varias partículas de ar. A chama da vela se inclina para um polo, forçada por uma “corrente de ar” que se denomina “Vento Elétrico”.
Como funciona o gerador de Van de Graaff? Faça diagramas esquemáticos.
Quem foi Van de Graaff?
R: Foi um físico estadunidense e criador de instrumentos da Universidade de Princeton. Formado na Universidade do Alabama, onde recebeu o título de Bacharel em engenharia mecânica, Graaff se dedicou a diversos estudos na área de exatas. Ele estudou em Paris entre os anos de 1924 e 1925, e entrou para a Universidade de Oxford, na Inglaterra, onde se formou em física e recebeu seu doutorado. Dentre seus trabalhos, o que mais se destacou e deu-lhe fama, foi um gerador eletrostático que ganhou seu nome, chamando-se Motor de Van de Graaff. Este motor podia armazenar cargas de até 7.000.000 volts em seus terminais.
Faça uma comparação entre um gerador eletrostático de Van de Graaff e um gerador de eletricidade encontrado em usinas hidroelétricas? 
R: Os geradores elétricos encontrados em usinas hidroelétricas utilizam a energia mecânica transformando-a em energia elétrica, onde toda a água entra na turbina, vindo de um reservatório ou canal de nível mais elevado e escapa para um canal de nível mais baixo. A água de entrada é levada através de um duto fechado até um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injetores que transferem a energia da água para um motor. Consequentemente, a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto, o tubo de sucção, até o reservatório ou canal inferior. Enquanto isso, o gerador de Van de Graaff produz energia através de excitação por atrito, que 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 condutores (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.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir dos experimentos com o gerador de Van Der Graaff podemos ter uma melhor noção do funcionamento do campo elétrico e da diferença de potencial, mesmo o gerador produzindo uma carga não identificável, pois, como observado no experimento do fio de cabelo, o mesmo é atraído, o que acontece tanto com a carga positiva quanto com a negativa, e logo depois ao tocar a superfície da esfera e ser eletrizado, repelido. Isso porque o fio e a esfera ficam com a mesma carga. Observamos a diferença de potencial no experimento da lâmpada fluorescente quando foi visível a diferença da luz gerada quando só a pessoa segurava e depois tocando o chão, o que proporcionava uma diferença de potencial maior. Observamos também, que o gerador apesar de gerar uma alta tensão, apresentava uma corrente muito baixa. Esse detalhe permitia que o professor pudesse fazer um aluno “eletrizado” tocar um “neutro” sem risco, pois, mesmo recebendo a descarga elétrica, essa era baixíssima.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
HALLIDAY, David; Resnick, Robert; Krane, Kenneth S. - Física 3 - 4ª edição - Livros Técnicos e Científicos Editora S/A (LTC) - Rio de Janeiro - 1996 
LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da; Álvares, Beatriz Alvarenga - FÍSICA Volume Único - Editora Scipione Ltda. - 1ª ed. 2000
GASPAR, Alberto - Física, Eletromagnetismo, Física Moderna - Editora Ática - 1ª edição - São Paulo