GERADOR DE VAN DE GRAAFF - Relatório Nelson

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Universidade Estácio de Sá 
 
 
 
 
 
Gerador de van de Graaff 
 
 
 
NOME MATRICULA TURMA 
Alex Carvalho 201702428079 3055 
 
 
 
Disciplina: Física teórica e experimental III 
Campus: Santa Cruz 
 Professor: Nelson 
 
 
03/09/2018 
 
 
Índice 
 
Objetivos 3 
Embasamento teórico 3 
Procedimento experimental 7 
Resultado 10 
Conclusão 12 
Bibliografia 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Objetivos 
Verificar que cargas opostas se atraem e cargas iguais sofrem repulsão. 
 
Embasamento teórico 
Quando o número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, 
este permanece neutro. Pode-se estender este raciocínio à matéria em geral. 
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) que, motivado por uma conferência que 
assistira de Marie Curie, passou a se dedicar a pesquisas no campo da Física 
Atômica. Uma das consequências destes estudos é a construção do gerador que 
leva seu nome, o qual teve aplicação direta em várias áreas do conhecimento 
como na medicina e na indústria. 
Nas escolas, este aparelho é destinado ao estudo experimental da 
eletrostática. Um motor 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. 
 
Os átomos da matéria são formados de uma grande quantidade de 
partículas. Dentre elas as mais conhecidas são o próton (carga positiva), o 
elétron (carga negativa) e o nêutron (carga nula). Diz – se que, quando o número 
de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro. 
Pode-se estender este raciocínio à matéria em geral. 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, uma máquina que utiliza uma correia móvel 
para acumular cargas elétricas em uma esfera oca de metal, às quais se 
espalham para mais longe possível umas das outras e passam a ocupar a 
 
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superfície externa da casca esférica. Essa distribuição de cargas gera um campo 
elétrico, afetando o espaço ao seu redor. 
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, 
por meio da atração eletrostática. 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. 
Funcionamento detalhado: 
No momento em que o motor começa a girar, no contato entre o rolete e 
a correia vamos ter o rolete ficando com cargas negativas, e a correia com 
cargas positivas. Se você olhar na série tribo elétrica, vai ser fácil entender por 
que isso ocorre, como por exemplo, no gerador que construímos a correia é de 
Nylon e o rolete é de PVC. 
O campo elétrico entre o rolete e a correia aumenta, e o ar em torno da 
escova se ioniza. 
Cargas positivas das moléculas de ar são transferidas para a superfície 
da correia. 
Essas cargas são transportadas para a esfera metálica, sendo coletadas 
pela escova superior. Assim é acumulada uma grande quantidade de carga na 
esfera metálica. 
 
 
Ruptura dielétrica 
 
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Os materiais que comumente usamos no nosso dia-a-dia podem ser 
divididos em duas categorias: condutores e isolantes (dielétricos). Em materiais 
condutores, alguns dos elétrons do átomo estão fracamente ligados ao núcleo e 
tem a capacidade de se moverem com certa facilidade quando na presença de 
campos elétricos. Em materiais isolantes, pelo contrário, tal mobilidade é menos 
expressiva e costumamos dizer que nesse caso os elétrons estão presos ao 
núcleo. Quando imersos em campos elétricos muito intensos, alguns materiais 
isolantes podem ser ionizados tornando-se condutores. Isso é muito comum de 
ocorrer, por exemplo, no ar atmosférico. As faíscas e os relâmpagos são 
exemplos típicos fenômenos que chamamos de ruptura dielétrica. Para o ar, ele 
ocorre para campos elétricos da ordem de 3 x 10⁶ V/m. No ar, sempre há uma 
pequena porcentagem de moléculas ionizadas1. Quando imersos em uma 
diferença de potencial, alguns desses íons são acelerados ganhando energia 
cinética. Como estes íons estão periodicamente sofrendo colisões com as 
moléculas de ar (devido ao movimento térmico), quando a diferença de potencial 
é grande o suficiente, a energia cinética do íon pode ser grande o suficiente para 
ionizar uma molécula em uma colisão. Isso pode gerar então um efeito avalanche 
onde cada molécula ionizada é acelerada pela diferença de potencial ionizando 
outra molécula e assim por diante, aumentando o número de íons a cada colisão. 
Eletricidade estática 
Pode ser considerado um excesso ou uma falta de elétrons (para 
entender o que é elétron consulte este artigo) em algum corpo ou local. Quando 
isso ocorre dizemos que este corpo ou local está carregado, seja positivamente 
(com falta de elétrons) ou negativamente (com excesso de elétrons) e está carga 
fica como que armazenada e quando tem uma oportunidade migra para outro 
corpo ou local tentando manter o equilíbrio elétrico entre as partes. 
 Como ocorre? 
Todo corpo conforme entra em contato com outros corpos e até mesmo 
com o ar realiza troca de elétrons em si, em alguns materiais estes elétrons não 
podem se movimentar livremente entre os átomos e por assim dizer ficam quase 
 
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parados (na verdade está em movimento, mas sem sair de sua órbita) na órbita 
do núcleo dos átomos sem passar de um átomo a outro. Por isso o termo 
“eletricidade estática”, a corrente elétrica existe a partir do momento que é criada 
uma diferença de potencial e então os elétrons fluem do ponto com excesso 
(negativo) para o ponto com falta de elétrons (positivo, mas por convenção se 
considera o fluxo do positivo para o negativo) e essa corrente se mantém até 
que seja estabelecido um equilíbrio entre as partes, ou seja, ambas possuam a 
mesma quantidade de elétrons. Quando utilizamos o termo “estático” para nos 
referir a eletricidade nos referimos a uma condição em que um corpo está 
carregado, ou seja, está com um número diferente entre prótons e elétrons pelo 
simples fato de ter perdido ou ganhado elétrons no contado com o ambiente. 
Isso causa uma necessidade de descarga para que o corpo volte a ser 
eletricamente equilibrado ou neutro. O problema é que quanto mais este corpo 
carregado entra em contato com meios não condutores ele armazena ainda mais 
carga, por exemplo, uma pessoa com excesso de elétrons cada vez que anda 
por um carpetese carregará ainda mais, visto o carpete não ser condutor elétrico 
e não permitir que os elétrons “fujam” do corpo da pessoa, e ao contrario 
transmitirá ainda mais elétrons pelo contato direto que é feito com ele. Essa 
pessoa então estará transportando uma enorme quantidade de carga negativa 
(eletricamente falando) e quando tocar em algo condutor, que possa retirar parte 
dessa carga e equilibrar o potencial elétrico isso será feito de forma muita rápida 
equilibrando os prótons e elétrons do corpo. 
 
A descarga eletrostática 
Uma pessoa pode carregar consigo em seu corpo e em suas roupas uma 
pequena quantidade de elétrons a mais o que por sua vez possibilita uma 
corrente muito pequena da ordem de alguns mil ampères, mas em compensação 
a diferença de potencial em relação a outros corpos pode ser da ordem de alguns 
milhares de volts, para o ser humano isso não passará de um pequeno choque 
ao tocar no carro ou em uma maçaneta, mas ao entrar em contato com um 
componente eletrônico que funciona com alguns poucos volts e com baixa 
corrente poderá ser catastrófico. 
 
 
 
Procedimento experimental 
 
Material utilizado 
 
 
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 Gerador de Van de Graaf e bastão de testes; 
 Confetes 
 Copo descartável 
 Tiras de papel 
 Hélice 
 Tachinha 
 
Gerador de Van de Graaf 
 
 
 
 
Experimento 1 
Chuva de confetes: Eletrização por contato. 
Com o gerador desligado, colocou-se papel picado dentro do copo de plástico sobre 
a cúpula. Ligou-se o gerador e observou-se o ocorrido. 
No entanto, dentre de algum experimento veremos o comportamento de cada 
situação. Parte Experimental Foi usada um gerador de van de graaff no laboratório para 
reproduzir alguns fenômenos relacionados a cargas elétricas. 
 
 
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Experimento 2 
Elevando tiras de papel - Poder das pontas 
 
O gerador foi ligado em velocidade alta e verificou-se se havia acúmulo de cargas. O gerador foi 
desligado e então descarregado. Retirou-se a tachinha e conectou-se o torniquete no topo da esfera 
metálica. Ligou-se o gerador em alta velocidade e observou-se o que aconteceu. 
 
Experimento 3 
Produzindo um vendo : Hélice 
 
Com gerador desligado colocou-se suporte com a hélice sobre a cúpula e ligou-se o 
gerador. E observe o ocorrido. 
 
 
 
 
 
 
 
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Experimento 4 
Simulando um para-raios - Rompimento da rigidez dielétrica do ar 
 
(a) 
(a) – neste simulamos a função de um pára-raios, 
colocamos o gerador de Van de Graff produzindo 
faíscas entre ele e uma esfera metálica. 
 
 
( b ) 
(b) – No lado oposto à faísca, colocou se na esfera um 
uma tachinha com a ponta para fora simulando o para-
raios. Enquanto a tachinha está afastada da região da 
faísca, esta se mantém visível. 
 
(c) 
(c) – Girando a esfera menor, quando a tachinha se 
aproxima da região que está faiscando, a faísca 
desaparece. 
Continuando com a rotação da esfera menor, quando o 
"pára-raios" de tachinha se afasta da região de menor 
proximidade entre as esferas, as faíscas reiniciam. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Resultado 
1) Papel picado dentro do copo: 
Alguns Papéis picados saíram do copo, foram repelidos, papéis picados que estavam 
carregados com a mesma polaridade do globo. Já outros sofreram atração, alguns ficaram no copo 
estavam com cargas invertidas, mantendo-se em equilíbrio estático com o fundo do copo. 
2) Tiras de papel: Distribuição das cargas elétricas 
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. 
3) Hélices 
Quando ligamos o gerador a hélice começou a girar por causa do campo elétrico que é 
formado por causa das cargas com a mesma direção. Os íons positivos e as moléculas neutras 
de ar que se deslocam, ao se chocarem com as pontas, exercem forças sobre elas. Essas forças 
põem a hélice em movimento de rotação, em sentido contrário ao das pontas. 
 
 4) . Para raio 
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 faíscas 
luminosa e violenta. Já com o lado da tachinha não ocorre o fenômeno de rompimento de elétrons 
no ar. 
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 
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. 
 
 
 
 
 
 
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5) O "poder das pontas" 
Uma ponta é uma região muito curva. E como a eletricidade se acumula mais nas regiões 
mais curvas, quando um corpo eletrizado tem uma ponta, nela há grande acúmulo de carga elétrica. 
Numa ponta a densidade elétrica é sempre maior do que nas regiões não pontudas. Com as pontas 
se dão os três fatos seguintes: 
1o) uma ponta sempre se eletriza mais facilmente do que uma região não pontuda; 
 
2o) se um corpo já está eletrizado, uma ponta perde carga elétrica mais facilmente do que as regiões 
não pontudas; por este motivo é difícil manter-se eletrizado um corpo que possua pontas; 
 
3o) se um corpo está eletrizado, uma ponta tem sobre os outros corpos uma ação muito mais forte do 
que as regiões não pontudas. 
Esses três fatos são conhecidos como “poder das pontas”. Em um condutor eletrizado, a 
carga tende a acumular-se nas regiões pontiagudas. Em virtude disso o campo elétrico nessas regiões 
é mais intenso do que nas regiões mais planas do condutor. 
6) Aterramento de barco 
Na realidade o mecanismo dos raios sobre as águas e sobre os barcos funciona mais ou menos da 
 A presença de um barco, com mastro aterrado, no interior da "mancha" corresponde a um pára-
raios. Ele drena (escoa) para a atmosfera as cargas da "mancha", "desmanchando" a mancha de 
cargas negativas em sua proximidade, - Figura 2 - 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). 
Proteger-se de uma descarga elétrica é nada mais que direcionar essa descarga para a água de uma 
forma que não tenha nenhum prejuízo no casco, nos eletrônicos e na tripulação. Instalar um para-
raios no mastro e um cabo de aço que vá do topo até a água, isso vai criar um caminho fácil para o 
raio percorrer. Esse cabo tem que ser na vertical, curvas podem não favorecer. 
Pelo que eu entendi das minhas pesquisas sobre o tema é que o para raio serve para deixar fluir a 
energia sem que se crie um arco voltaico (raio), contudo a dimensão dessa passagem tem um limitee se as energias envolvidas superam a do poder do para raio dar vazão a ela, o arco voltaico se 
origina e se o para raio é bem dimensionado ele não sofrerá danos e minimizará muito os danos na 
rede elétrica do barco, mas, sobretudo protegendo sua tripulação Outra coisa que fiquei sabendo é 
que muitas vezes o raio se dá de cima para baixo, mas como é um fenômeno muitíssimo rápido que 
está associado a formações de nuvens, acabamos por entender que este vem de cima, mas o que 
determina sua direção é o diferencial de energia estática que tanto pode estar acima, nas nuvens, 
como abaixo, na terra ou água. 
 
 
 
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Conclusão 
Através do experimento foi possível visualizar a existência das linhas de força através do 
campo elétrico gerado pela (eletrização por atrito, contato e indução), 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. Notou-se que um condutor eletrizado, a carga tende a acumular-
se nas regiões pontiagudas. 
 Devido os condutores ficarem carregados com a mesma polaridade do globo, eles 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 positivo ou negativo, os condutores irão se repelir 
se estiverem com a mesma carga, ou sofrer atração se forem de cargas diferentes. 
 
 
Referência 
 
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/associacao
deresistores.php 
 
http://www.infoescola.com/fisica/associacao-de-resistores/ 
 
http://educacao.globo.com/fisica/assunto/eletromagnetismo/associacao-de-
resistores.html 
 
http://www.mundoeducacao.com/fisica/associacao-resistores-paralelo.html 
 
http://www.mundoeducacao.com/fisica/associacao-resistores-paralelo.html 
http://nautica.ind.br/forum/viewtopic.php?f=2&t=804 
 
https://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem
1_2010ate100715/FredericoC-Monica-Ref2.pdf 
 
https://www.hardware.com.br/artigos/eletricidade-estatica/ 
 
https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/eletrizacao-eletrizacao-por-atrito-
contato-e-inducao.htm