Relatório Gerador de Van Der Graff

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Relatório
Física Experimental III Turma: 3117
Alunos
Acelerador de Van Der Graff
Objetivo
 Visualizar a existência das linhas de força através do mapeamento de campo elétrico gerado pela produção de uma tensão. Isso ocorre porque o gerador de Van der Graaf - GVDG- trabalha no princípio de tensões muito altas e correntes muito baixas, ocasionando uma eletricidade estática que pode ser descarregada rapidamente a outro corpo com potencial elétrico diferente, como um raio.
Introdução
Robert Jemison Van der Graaf foi um físico e criador de instrumentos da Universidade de Princeton, mas nesse trabalho daremos importância a somente um desses instrumentos que por ele foram criados.
Em 1929, depois de retornar aos Estados Unidos para participar do Laboratório de Física Palmer na Universidade de Princeton, criou no final do ano o primeiro modelo de gerador eletrostático onde alcançou 80.000 volts.
O Gerador eletrostático consiste em uma correia de material isolante usada para transportar cargas elétricas que são acumuladas em uma esfera metálica, Esta correia é movimentada por um pequeno motor. Existem dois pentes metálicos, que respondem pela troca de carga entre a terra e a correia, na parte de baixo e entre a correia e a esfera metálica, na parte de cima. Foi criado 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.
Materiais utilizados nessa experiência:
Um domo ou cúpula de descarga
Uma coluna de apoio
Dois roletes (superior e inferior)
Dois pentes metálicos (superior e inferior)
Uma correia transportadora
Uma base para alojar o motor elétrico, fixar a coluna e o pente inferior.
Cabos Pino banana
Papel picado
Hélice preso a suporte
Terminal condutor de descarga boleado
Lâmpada Fluorescente 
Funcionamento 
 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, em outras palavras, o gerador de Van de Graaff funciona através da movimentação de uma correia que é eletrizada por atrito na parte inferior do aparelho. Ao atingir a parte superior as cargas elétricas, que surgiram com o processo de eletrização, são transferidas para a superfície interna do metal, sendo então distribuídas para toda a superfície da esfera metálica, ficando carregada de cargas elétricas. Se durante o funcionamento do gerador aproximarmos o dedo ou um objeto de metal perceberemos leves descargas elétricas que ocorrem em razão da diferença de potencial (ddp).
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.
Acelerador de Van Der Graff
Experimento 1
Formando e Acumulando Cargas no Gerador Eletrostático
 Suponha que haja transferência de cargas negativas do pente inferior aterrado. Esta transferência se dá pelo arrastamento da camada de ar que fica entre o pente e a correia. Neste caso o pedaço da correia que está se atritando fica com excesso de cargas positivas. 
Este pedaço de correia "caminha" até o topo do aparelho, onde se encontra o pente superior, que está ligado internamente à esfera metálica. Neste ponto há transferência de cargas negativas da esfera para a correia, através do pente (Poder das Pontas), de modo a neutralizar as cargas positivas que chegam pela correia isolante. 
 As cargas negativas, que passam da esfera para a correia, deixam atrás de si, na esfera, um excesso de cargas positivas e, assim, o terminal (esfera metálica) começa a acumular cargas positivas que dão origem a diferenças de potencial de milhares de volts. O nosso gerador é capaz de gerar faíscas elétricas de maiores que 60 milímetros, o que corresponde a tensões superiores a 60.000 Volts.
Experimento I
Experimento 2
Copo plástico com papel picado
Pegou-se um pequeno copo descartável, colocou-se confete (papel picado), prendeu-se com a fita crepe na cabeça do gerador sob atuação do campo elétrico do gerador, ao ser ligado, observou-se que
alguns papeis picados voaram formando uma espécie de chuva de papel picado, e outros ficaram aderidos no copo.
Quando colocado um copo plástico com pequenas pedaços de papel perto de um desses geradores de Van Der Graaff, as pequenas partículas começam a mover-se para fora do copo pelo simples fato de que a esfera está eletrizada com íons positivos e as bolinhas de isopor são leves e estão neutralizadas, ou seja, tanto o terminal de saída quanto às partículas tem cargas positivas, sendo assim, se repele entre elas.
Experimeno 3
Lâmpada Fluorescente
Pegou-se uma lâmpada florescente e encostou-se um dos polos no gerador, obtendo-se uma luminosidade fraca que se estendia até ao metade da lâmpada onde situava-se a mão da pessoa que a segurava. Esse experimento mostrou que potencial elétrico gerado pela esfera carregada tem simetria radial, e decaem com o inverso da distância, as duas extremidades da lâmpada estarão sujeitas a potenciais diferentes, e consequentemente uma d.d.p. aparece entre as extremidades que eletriza o gás no interior da lâmpada liberando energia na forma de luz. Ressalta-se que a lâmpada emite luz até o limite onde a mão entra em contato com a lâmpada. Ou seja, quando um dos polos encostados no gerador e outro em uma fonte de aterramento, passa-se energia por dentro da lâmpada (deslocamento dos elétrons, causando os clarões).
Experimento 4
Eletroscópio de folhas duplas
Prendeu-se na parte superior do gerador duas tiras de papel; Observou-se ao ligar o gerador que as folhas de papel movimentaram-se, saindo de sua condição normal sob a atuação do campo elétrico do gerador.
Isso se dá pelo fato de as duas fitas admitirem uma polaridade igual ao do campo elétrico formado pelo o gerador de Van der Graaf.
Experimento 5
 Conduzindo vento elétrico
Prendeu-se a cima do gerador um suporte fixo onde encontrava-se um hélice feita de
Metal, ligou-se o gerador e observou-se que a pá do hélice começou a girar a medida que o campo elétrico aumentava, saindo do seu estado de inércia, passou a admitir velocidade constate, isso se dá devido a ionização das moléculas que por fim, geram um campo elétrico.
 
Respostas a questões Propostas
1 – Explicar o fenômeno do vento elétrico considerando os fatos.
Em um condutor elétrico (para - raios) eletrizado as cargas elétricas tendem a se concentrar nas suas pontas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas regiões do condutor é muito mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um aumento na força de repulsão elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas se "empurrem" até que alguma delas "caia fora da ponta". Por esse motivo as cargas elétricas podem, com maior facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam livremente pelo meio ambiente (no caso em questão, o ar).
2 – Cite três partículas fundamentais do átomo com o valor e o sinal de suas cargas.
Elétron
elétron é uma partícula que possui carga elétricanegativa, cujo valor absoluto se representa por e  Vale:  .  É a menor carga elétrica que existe isolada na natureza.
Próton
É uma partícula de carga elétrica , isto é, de mesmo valor absoluto que a carga do elétron, mas, positiva.  Pelo fato de ter carga elétrica, ele é desviado nos campos elétricos e magnéticos.
Neutron
É uma partícula neutra.  E, não tendo carga elétrica, não é desviado em campos elétricos, nem em campos magnéticos
3 – Expresse a 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.
Lembrando que, pelo princípio de atração e repulsão, cargas com sinais opostos são atraídas e com sinais iguais são repelidas, mas estas forças de interação têm intensidade igual, independente do sentido para onde o vetor que as descreve aponta.
O que 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. Ou seja:
Onde a equação pode ser expressa por uma igualdade se considerarmos uma constante k, que depende do meio onde as cargas são encontradas. O valor mais usual de k é considerado quando esta interação acontece no vácuo, e seu valor é igual a:
Então podemos escrever a equação da lei de Coulomb como:
Para se determinar se estas forças são de atração ou de repulsão utiliza-se o produto de suas cargas, ou seja:
4 – Compare a eletrização por atrito com a eletrização por indução.
Eletrização por atrito: Atritando-se, ou melhor, colocando-se dois corpos constituídos de substâncias diferentes e inicialmente neutros em contato muito próximo, um deles cede elétrons, enquanto o outro recebe. Ao final, os dois corpos estarão eletrizados e com cargas elétricas opostas.
Eletrização por Indução: É o fenômeno de separação das cargas elétricas de sinais contrários em um mesmo corpo. Portanto, esse tipo de eletrização pode ocorrer apenas pela aproximação entre um corpo eletrizado e um corpo neutro, sem que entre eles aconteça qualquer tipo de contato.
5 – O que ocorreria se a cápsula do acelerador fosse carregada com carga elétrica de sinal oposto, nos casos do Eletroscópio e do Vento Elétrico?
Não importa se as cargas são positivas ou negativas, elas eletrizariam os corpos da mesma forma e corpos com cargas de mesmo sinal sempre se repelem.
 
Conclusão
 Qualquer excesso de cargas colocado em um condutor isolado se moverá inteiramente para a superfície do condutor. Nenhum excesso de carga será encontrado no interior do corpo do condutor”(Paul Tipler). A conclusão que se pode tirar é que em torno da esfera eletrostática cria um campo elétrico e que esse campo elétrico aponta para fora. 
Concluímos, também que o potencial elétrico do gerador de Van Der Graff está diretamente relacionado com a carga que ele armazena, deixando a esfera metálica carregada com carga não identificada, onde o campo elétrico máximo (3.106 N/C ) para a rigidez dielétrica varia de acordo com a umidade do ar.
 	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.
 REFERÊNCIAS
[1] TIPLER, Paul A.; Física para cientistas e engenheiros. 3ª edição, LTC editora S.A., Rio de Janeiro, 1995.
http://www.brasilescola.com/fisica/processo-eletrizacao.htm
http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/moderna/universitario/cap02/cap2_06.php 
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/leidecoulomb.php