Relatório 3 - Gerador de Van de Graaf - Fisica 3

Prévia do material em texto

GERADOR DE VAN DE GRAAFF 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Santa Cruz, Rio de Janeiro. 
 Setembro/2018 
 
 
2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório de Física referente à aula 
prática em laboratório, ministrada 
pelo professor Nelson sobre campo 
elétrico, distribuição de cargas e 
poder das pontas através de 
experimento com o gerador de Van 
de Graaff. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4º Período – Engenharia Elétrica 
 Gabrielle Cristine Alves Barboza – Nº. Mat.:201702427943 
 
 
 
 
 
 
Santa Cruz, setembro de 2018. 
3 
 
 
 
SUMÁRIO 
Sumário 
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 4 
a) Objetivos ........................................................................................................................... 4 
2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS: ........................................................................................ 11 
2.1 – Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos (Fita Metálica) ................ 11 
2.2 – Procedimento II: O Poder das Pontas ............................................................................ 13 
2.3 – Procedimento III: Linhas de força em um campo elétrico .............................................. 14 
2.4 – Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão ..................................................... 15 
3 CONCLUSÃO ........................................................................................................................... 20 
4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................ 21 
 
4 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
a) Objetivos 
 
Demonstração visual da existência das linhas de força através do campo elétrico gerado pela 
produção de uma tensão com um gerador de Van de Graaff, interpretando os efeitos do campo 
elétrico produzido pelo acúmulo de cargas em uma esfera oca metálica.·. 
 
b) Fundamentos teóricos 
Gerador de Van de Graaff 
Robert Van de Graaff (1901-1967), físico Americano, foi o criador do instrumento. Ele construiu 
o primeiro destes geradores que levou seu nome em 1931, 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. 
 
Figura 1: Robert J. Van de Graaff e uma das primeiras versões do Gerador Van de Graaff 
5 
 
 
 
O gerador de Van de Graaff é um gerador de corrente constante, enquanto que a bateria é um 
gerador de voltagem constante, o que varia é a intensidade dependendo de quais os aparelhos 
que são conectados. 
O Gerador Van de Graaff é uma máquina que utiliza uma Correia Móvel para acumular 
Tensão Eletrostática muito alta na cavidade de uma Esfera de Metal. 
O gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 200 kV, sua esfera tem 18 cm 
de diâmetro, é removível e dispõe de conexões para aterramento. A sustentação é construída 
em acrílico e possui articulação na ligação com a base, mede 45 cm de altura. A correia de 
borracha tem 6 cm de largura e se movimenta sobre 04 polias (19 mm de diâmetro), acionada 
por um motor elétrico de 1/8 de HP funcionando em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local 
de energia e é munido de controle eletrônico da velocidade de rotação do motor. O conjunto 
está fixado em uma base metálica cujas dimensões são (40x30x2)cm. O conjunto é integrado 
por uma cuba de vidro, 7 eletrodos, 2 fixadores de eletrodos, 2 cabos de ligações e torniquete 
eletrostático. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Gerador de Van de Graaff 
No gerador eletrostático, uma correia isolante recebe cargas superficiais que passam a ser 
transportadas a outro eletrodo, onde são removidas (como uma escada rolante transporta 
pessoas). Caracterizando-se assim uma corrente elétrica suficiente para gerar uma voltagem 
elevada por um curto período de tempo. O gerador eletrostático (Van de Graaff) pode ser 
entendido como uma esfera metálica isolada da terra que é permanentemente carregada 
 
 
Partes do Gerador: 
Esfera de alumínio polido 
Polias 
Conexão na esfera 
Escova superior 
Correia de borracha 
Escova metálica intermediária 
Polia de acrílico 
Conexão de fio terra (inferior) 
Escova metálica inferior 
6 
 
 
 
(positiva ou negativamente) através desta correia., Por sua vez, esta correia, é carregada pelo 
atrito entre a polia e a correia (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 ela pode ultrapassar 10 MV. 
Potencial elétrico – superfície equipotencial - é a propriedade com que um corpo energizado 
tem de conseguir realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. Com 
relação a um campo elétrico interessa-nos a capacidade de realizar trabalho, associada ao 
campo em si, independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo. Para 
medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial elétrico. Para obter o potencial elétrico 
de um ponto, coloca-se nele uma carga de prova q e mede-se a energia potencial adquirida 
por ela. Essa energia potencial é proporcional ao valor de q. Portanto, o quociente entre a 
energia potencial e a carga é constante. Esse quociente chama-se potencial elétrico do ponto. 
Campo elétrico - linha de força - Um campo eléctrico é o campo de força provocada por 
cargas eléctricas (eletrons, protons ou ions) ou por um sistema de cargas. Cargas eléctricas 
num campo eléctrico estão sujeitas a uma força eléctrica. A fórmula do campo eléctrico é 
dada pela relação entre a força eléctrica F e a carga de prova q 
O conceito de Campo Elétrico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb: 
 
 
 
 Onde K é a constante de Coulomb. 
No referencial da carga q1 temos: 
 
 
 
 
 
No vácuo e no SI, K0 = 
7 
 
 
 
Ou seja, para uma carga puntiforme, a expressão para o campo elétrico obtém a forma: 
 
 
Também é possível calcular o campo elétrico a partir da diferença de potencial: 
 
 
 
A expressão acima diz que o campo elétrico tem sentido da direção de maior potencial 
para menor potencial. 
A figura abaixo representa a expressão acima para uma carga positiva e uma carga 
negativa. 
 
 
8 
 
 
 
 
 
Figura 3: Representação vetorial do campo de uma carga puntiforme positiva e negativa 
 
 
Características das Linhas de Campo Elétrico. 
Define-se campo elétrico como uma alteração colocado no espaço pela presença de um corpo 
com carga elétrica, de modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará 
sua presença. Através de curvas imaginárias, conhecidas comumente pelo nome de linhas de 
campo, visualiza-se a direção da força gerada pelo corpo carregado. 
As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo 
de todo o espaço afetado. Se a carga de origem do campo for positiva, uma carga negativa 
introduzida nele se moverá, espontaneamente, pela aparição de uma atração eletrostática. 
Pode-se imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos. 
É usual mediressa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à definição 
de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a quantidade da carga 
geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade de potencial elétrico é o 
volt, equivalente a um Coulomb por metro. A diferença de potenciais elétricos entre pontos 
situados a diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão 
orientadas em direções radiais dessa mesma fonte. 
A intensidade do campo elétrico se define como a força que esse campo exerce sobre uma 
carga contida nele. Dessa forma, se a carga de origem for positiva, as linhas de força vão 
repelir a carga de prova, e ocorrerá o contrário se a carga de origem for negativa. 
 
 
 
9 
 
Algumas características do Campo Elétrico são: 
1. Tem natureza vetorial. 
2. Tem em um dado ponto do espaço, direção da linha que une a carga ao ponto, e sentido 
divergente (para cargas positivas) e convergente (para cargas negativas). 
3. Tem módulo proporcional ao valor da carga e, inversamente proporcional ao quadrado da 
distância do ponto à carga (para cargas pontuais). 
4. É medido, no SI, em Newton por Coulomb. 
 
 
Processos de Eletrização 
Existem três tipos de Eletrização de corpos: 
1- Eletrização por Atrito 
Tem-se a eletrização por atrito quando atrita-se dois corpos . Ex.: pegando-se um canudinho 
de refrigerante e atritando-o com um pedaço de papel (pode ser higiênico); observa-se através 
de experimentos que ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas , porem de 
sinais contrários. 
 
Figura 4: Eletrização por atrito 
 
2- Eletrização por Contato 
Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, 
observa-se que ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal. Ex.: tendo-se um bastão 
carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se as esfera com este bastão verifica-se 
que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão. 
 
Figura 5: Eletrização por contato 
10 
 
 
 
3 - Eletrização por Indução 
A indução ocorre quando se tem um corpo que esta inicialmente eletrizado e é colocado 
próximo a um corpo neutro. Com isso, a configuração das cargas do corpo neutro se modifica 
de forma que as cargas de sinal contrário a do bastão tendem a se aproximar do mesmo. 
Porém, as de sinais contrários tendem a ficar o mais afastadas possível. Ou seja, na indução 
ocorre a separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo neutro ou corpo 
induzido. 
 
Figura 6: Eletrização por indução 
11 
 
 
 
 
2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS: 
2.1 – Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos (Fita Metálica) 
 
 
- Material utilizados nos experimentos: 
 Gerador eletrostático; 
 Controlador de velocidade; 
 Tiras de papel laminado; 
 Tiras de papel crepom; 
 Fita adesiva; 
 Hélice preso ao suporte; 
 Copo plástico com papéis picados dentro; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
12 
 
 
 
2.1- Procedimento I: Elevando as tiras de papel. 
 
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. Não é possível saber, entretanto, a polaridade do 
campo elétrico, uma vez que, sendo ele positivo ou negativo, as tiras irão se repelir de qualquer 
maneira. 
 No entanto, percebemos que devido o campo gravitacional, as tiras que tinham maior massa 
tiveram maior resistência em relação ao campo elétrico, mas se fosse desprezado a força peso, as tiras 
seguiriam na direção radial em sentido perfeito. 
 
 
Figura 7: Gerador de Van de Graaff (com fitas 
de papel alumínio) 
 
 Com o eletroscópio de folha no topo da esfera, as cargas se concentraram neste, transferindo 
elétrons para o papel alumínio causando repulsão entre as tiras. O movimento de repulsão das tiras se 
deu porque nelas foram aplicadas cargas de mesmo sinal, pela forma de eletrização por contato.
13 
 
 
 
 
2.2 – Procedimento II: Cata-vento elétrico ou torniquete elétrico 
 
A hélice começou a girar. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas da hélice o ar se 
ioniza e os íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas são repelidas. Esses por sua 
vez repelem as pontas (forças de reação) determinando a rotação do torniquete em sentido 
anti-horário e com velocidade elevada. 
 
 
 
 Figura 8: Gerador de Van de Graaff (com hélice) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
2.3 – Procedimento III: Chuva de Confete 
 
 
 
 Figura 9: Gerador de Van de Graaff (com papel picado) 
 
Pegou-se um pequeno copo descartável, colocou o confete (papel picado), prendeu uma fita crepe na 
“cabeça” do gerador, sob atuação do campo elérico do gerador, ao ser ligado, pode-se observar que 
alguns papéis picados voaram formando uma espécie de “chuva” de papel picado e outros ficaram 
aderidos no copo. 
Isso se dá porque, o copo plástico com os papéis dentro, ao entrar em contato com o Gerador de Van Der 
Graaff, as pequenas partículas começam a mover-se para fora do copo, pelo simples fato de que a esfera 
eletrizada com íons positivos e os pápeis são leves e estão neutralizadas, ou seja, tanto o terminal de saída 
quanto as partículas tem cargas positivas, sendo assim, se repele entre elas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
 
2.4 – Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão 
 
 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Ligamos o aparelho e aproximamos o bastão de teste da cabeça do gerador (figuras 10 e 11). 
 
 
 
 
Figura 10: Gerador de correia com bastão 
 
 
Resultado 
Foi verificado que o gás em questão é o ar atmosférico. No momento em que aproximamos o 
bastão de teste ao Gerador ocorreu uma transferência visível de elétrons de um corpo para o 
outro. Essa transferência é denominada descarga elétrica, que é o rompimento de elétrons no 
ar. 
16 
 
 
 
 
 
Figura 11: Aproximação do bastão de teste junto à cabeça do gerador 
 
 
A transferência é parecida com o fenômeno natural, os raios, possuindo até mesmo uma cor 
parecida, sendo esbranquiçado e com o espectro combinado do oxigênio e do nitrogênio. O 
raio algumas vezes parece possuir outras cores, quando ocorre em ambientes e meios 
diferentes. Em contraste com o amarelo das luzes artificiais, o raio pode parecer azulado e 
vice-versa. 
20 
 
 
3 CONCLUSÃO 
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. Pôde-se 
notar o seu comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca de 
configuração e disposição dos materiais usados nos experimentos. 
Portanto pode-se comprovar que as linhas de força são sempre perpendiculares às superfícies 
metálicas doseletrodos desta forma nunca podendo ser paralelas aos mesmos, pois as linhas 
demonstram o trajeto do campo elétrico de um eletrodo ao outro como que se formando uma 
ponte entre eles para a circulação da corrente elétrica, constatou-se assim, a existência do 
campo elétrico e fez-se o seu mapeamento com o auxilio da farinha de mandioca sobre o óleo 
de rícino. 
Com o conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido a principio, vislumbra-se pelos 
experimentos realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica. 
O experimento foi muito satisfatório com aprendizado e como forma de se demonstrar como 
funciona o Gerador de Van de Graaff e colocar em prática a teoria para se entender melhor os 
fenômenos físicos. 
21 
 
 
 
4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 Halliday, D. & Resnick, R. Física, Vol. 3, Rio de janeiro, livros técnicos e científicos, editora Latda, 
1984. 
 PURCELL, Edward M. Curso de fisica de Berkeley: eletricidade e magnetismo. : Edgar Bluchen, 
1973. 424 p. 
 JUNIOR, Ramalho Francisco. Elementos de física. 1º edição: SP, Ed. Moderna, 1986. V2 
 
Material coletado na internet: 
 
 -Gerador de Van de Graaff; disponível em: 
< https://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_de_Van_de_Graaff/ > acesso em 09/09/18. 
 
 - InfoEscola; disponível em: 
< https://www.infoescola.com/fisica/gerador-de-van-de-graaff/> acesso em 09/09/2018. 
 
	1 INTRODUÇÃO
	a) Objetivos
	2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
	2.1 – Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos (Fita Metálica)
	2.2 – Procedimento II: Cata-vento elétrico ou torniquete elétrico
	2.3 – Procedimento III: Chuva de Confete
	2.4 – Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão
	3 CONCLUSÃO
	4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS