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Gerador de Van de Graaff Vitor Souza Premoli Pinto de Oliveira Física exp. II – Licenciatura em Física – CCA Universidade Federal do Espírito Santo – UFES 2019/02 - Alegre-ES Resumo. O relatório possui como fundamento o estudo dos processos de eletrização e assim como conceitos de eletrostática, tendo como objeto de observação o gerador de Van de Graaff. Compreendendo esses fenômenos podemos explicar a existência de correntes elétricas quanto de campos elétricos e da interação desses com o meio. Através de experimentos envolvendo o aparelho, é demonstrado a diferença entre materiais isolantes e condutores, e como ocorre a interação entre ambos na presença de cargas positivas e negativas. Palavras chave: Van de Graaff, corrente elétrica, eletrização _______________________________________________________________________________________ 1. Introdução O presente relatório tem como função fazer o estudo de conceitos eletrostáticos em cima do experimento denominado como Gerador de Van de Graaff., “inventado pelo físico norte-americano Robert J. Van de Graaff, em 1931, para fornecer as altas voltagens necessárias para os primeiros aceleradores de partícula” [1]. O aparelho é constituído basicamente por uma correia que transporta continuamente cargas para a superfície interna de uma esfera oca, que serve somente para que essas cargas sejam transportadas da superfície interna para o exterior da esfera [2]. Dessa forma, como resultado, a carga da esfera oca e o campo elétrico em torno dela podem atingir rapidamente valores muito elevados [3]. Esse processo somente ocorre devido ao conceito de eletrização, aqui apresentava nas três formas: atrito, indução e contato. O processo consiste basicamente em transferir elétrons de um lugar para o outro. É explorado esse pensamento através do uso de outros conceitos como a série triboeletrica e de rigidez dielétrica. O primeiro “é uma lista de materiais que mostra a tendência relativa de ceder ou receber elétrons no processo de eletrização” [4]. Ela serve para mostrar quem cede elétrons para quem no processo por atrito, normalmente, quem está no topo da lista fica com carga positiva quando atritado enquanto o de baixo ocorre o contrário. O segundo conceito vale para quando ocorre a presença de um campo elétrico. No nosso caso, o mesmo se faz atuante quando a cúpula é eletrizada negativamente pelo gerador. Um campo elétrico é um campo de forças responsável por exercer uma força eletrostática em certo tipo de carga pontual. Dependendo da mesma, a força pode ser tanto repulsiva quanto atrativa, dessa forma, cargas positivas atraem negativas (e vice- versa), e cargas de mesmo valor se repelem. Denominado dessa forma de princípio de atração e repulsão. Nas atividades presentes no experimento, boa parte irá utilizar do processo de indução. Para isso, cargas irão ser atraídas devido a presença do campo elétrico da cúpula e assim transferidas pelo objeto. A partir disso é que se faz presente o conceito de rigidez dielétrica. A mesma “é uma das propriedades que deve ser considerada para verificar a suportabilidade sob elevados campos elétricos” [5]. Para passagem de elétrons da cúpula para os objetos em questão, o meio (nesse caso o ar) deve se comportar como condutor, ou seja, sua rigidez deve ser rompida para que possa facilitar essa passagem. Além disso, outros conceitos irão ser abordados, como o “poder das pontas”, sendo a capacidade de condutores de concentrar cargas elétricas em suas faces pontiagudas, e junto a isso diferença de potencial (∆𝑉𝑉). Apresentado pela formula ∆𝑉𝑉 = 𝐸𝐸 𝑥𝑥 ∆𝑑𝑑, onde 𝐸𝐸 é a rigidez dielétrica e ∆𝑑𝑑 a distância ; a mesma indica a variação de energia por unidade carga, a unidade de medida Volts(V) é dita como 𝐽𝐽 𝐶𝐶 , onde Joule(J) é a medida para energia e Coulomb(C) para unidade de carga elétrica. Esse conceito está intrinsicamente ligado a corrente elétrica, pois diferença de potencial é nada mais que o trabalho realizado pela força elétrica quando a carga move de um ponto ao outro. Essa movimentação é o que gera o campo elétrico, sendo aqui responsável por exemplo por acender a lâmpada utilizada no experimento. E para finalizar, houve um estudo em cima das linhas de força de um campo elétrico. As mesmas representam um pequeno número das possíveis e infinitamente numerosas linhas que indicam a direção e o sentido do campo, para uma carga isolada, as linhas se estendem ao infinito; para duas ou mais cargas opostas, representamos as linhas como saindo de uma carga positiva e terminando em uma negativa [6]. 2. Procedimento Experimental O gerador de Van de Graaff é composto por uma borracha de silicone(correia), 1 tubo de acrílico, uma cúpula de alumínio, 3 escovas e um motor. Vide abaixo pela figura 1 o equipamento já montado. Fig.1 : [a]tubo de acrílico, [b], [c] e [d] as escovas Para melhor funcionamento do motor, o índice de umidade relativa deveria estar baixo durante seu funcionamento, para isso foi ligado o ar-condicionado O objetivo do mecanismo é gerar eletrização pelos três processos existentes: atrito, contato e indução; e assim poder eletrizar negativamente a cúpula presente no mecanismo. As práticas só puderam dar início logo após a montagem do equipamento. A correia foi colocada de tal modo que ao ligar o motor a mesma possa correr por todo o aparelho. O tubo de acrílico[a] foi colocado de forma que possa ser responsável pelo primeiro processo de eletrização, por atrito. Esfregando junto a borracha de silicone, elétrons irão se desprender do tubo ao qual irão acoplar a correia, a eletrizando negativamente. A próxima parte vem da primeira escova[b], ela tem como fundamento ser atraído pelo tubo de acrílico, esse último eletrizado positivamente pela borracha. Por indução, o objeto é atraído pelo tubo[a], os elétrons pertencentes a escova são atraídos para parte externa do mesmo, e esse excesso é automaticamente repassado para a correia ao qual recebe pelo processo de contato (nesse caso a parte da borracha no qual ainda não possui elétrons agregados). O passo seguinte vem da escova de cima[c]. Responsável por captar esses elétrons obtidos pela correia e assim poder distribuir para a cúpula, a carregando negativamente. Para finalizar a montagem, temos a última escova[d] a qual é usada como ajuste mecânico da correia e também para poder captar o restante dos elétrons da borracha, descarregando a mesma. Isso é necessário pois a correia deve estar eletrizada positivamente, para que assim possa executar o mesmo processo repetidas vezes, até que pôr fim a cúpula esteja carregada negativamente. Dado a montagem, a primeira pratica é oriunda do uso de um bastão de plástico contendo uma esfera de alumínio em cima ao qual possui aterramento elétrico. O bastão é aproximado junto a cúpula, de modo que depois de um tempo possa surgir pequenos centelhamentos. Foi utilizado dois no processo, um fixado em um ponto fixo da mesa e o outro sendo livre para uso. A próxima parte da prática foi responsável por demonstrar a distribuição de cargas elétricas nos corpos. Para isso foi usado um pedaço de algodão, pequenas tiras de alumínio e um eletroscópio (aqui demonstrado como uma haste onde suportava das mesmas tiras de metal). O procedimento consistia em aproximar os mesmos na cúpula de tal forma que eram atraídos pela mesma, com o passar do tempo eles eram automaticamente ejetados do objeto. Em seguida, foi utilizada um outro tipo de cúpula ao qual eram agregadas pequenas fitas de alumínio (de tal maneira que não possam ser ejetadas no processo). Assim como mostra a imagem, os mesmos ficavam erguidos após dado início no motor do gerador, revelando uma expulsão radial das tiras. Para reforçar o fenômeno observado foi escolhido um voluntário, o mesmo deveria ficar de pé sobre um materialisolante, para isso foi utilizado um ressalto contendo isopor, com as mãos em contato com a esfera do gerador e isolado de qualquer outro objeto. O processo repetia, só que em vez de ocorrer com as lâminas, ocorria com os cabelos do indivíduo. Em seguida foi utilizada o torniquete, responsável por demonstrar o fenômeno do poder das pontas. Acoplado a cúpula, assim como é revelado na figura abaixo, o mesmo girava em seu próprio eixo. Em seguida, foi feito como experimento a atuação de campo elétricos e formação de linhas de campos do mesmo. Para isso foram utilizadas uma lâmpada fluorescente tubular e uma cuba de vidro contendo três pares de eletrodos. Aproximando a primeira da cúpula, pelo efeito do campo elétrico produzido pelo material, a lâmpada acendia à medida que se avizinhava do alumínio. A cuba de vidro preenchida com óleo de rícino, eram então colocados os dois eletrodos, esses últimos conectados a dois polos, o negativo sendo alimentado pelo gerador de Van de Graaff e o positivo sendo aterrado, essa ligação era feita através de dois cabos banana ao qual eram conectados, respectivamente ao gerador e ao aterramento. Sobre o óleo era espalhados sementes de grama, que quando ligado o gerador, se acomodavam e formavam um arranjo único dependendo dos pares que eram colocados emergidos a substância. Para finalizar, foi feito o uso de outro tipo de bastão, esse dessa vez fixo na base da mesa. O processo consistia em novamente gerar os mesmos Fig. 2 : antes e depois da cúpula ser eletrizada Fig. 4: torniquete girando em seu próprio eixo centelhamentos, porém dessa vez com o uso de uma régua para assim poder medir a distância mínima dentre os objetos ao qual possa ocorrer essa descarga elétrica. Em seguida, foi feito o mesmo processo, só que dessa vez com um objeto extra, um cabo banana, o mesmo era aproximado da cúpula em conseguinte observado o seu efeito. 3. Resultados e Discussão O gerador consiste basicamente em uma correia em movimento, de material isolante, que transporta cargas, de maneira continua, entre a terra e o terminal de alta tensão [7]. O primeiro processo de eletrização se dá pela correia de silicone e pelo tubo de acrílico, pelo processo de atrito. O procedimento só ocorre devido ao material composto pelos dois objetos. Segundo a série triboeletrica, se atritarmos o tubo e a correia, o primeiro tem como tendência doar os elétrons para o segundo, o carregando negativamente. Os elétrons são por vez acumulados na superfície da correia devido a sua característica de ser condutor, ou seja, eles não são livres para vagar por entre os outros átomos do material, consequentemente, não é fácil faze-los fluir [8]. Dessa forma, preservando os mesmos na superfície externa do silicone para que assim não possam trocar cargas com o ar e nem perder no processo de eletrização. A primeira escova, induzida pelo tubo de acrílico, é feito de alumínio, ele sendo considerado um ótimo condutor, ou seja, permite uma movimentação maior de elétrons. Sua posição foi colocada de tal forma que possa tocar a correia, a eletrizando negativamente. É salientável que esse processo ocorria logo em seguida que o tubo perdia elétrons para o silicone, lhe dando um espaço de tempo disponível para agregar elétrons a ponta da escova(devido a processo de indução que ocorria entre o objeto e acrílico) e em seguida remanejar os mesmos para a superfície da correia que ainda não tinha, através do processo de eletrização por toque. Importante notar que isso é um processo continuo, levando a crer que a escova retira de algum lugar toda essa quantidade de elétrons disponíveis para a eletrização por toque; e de fato isso acontece, por estar aterrada tende-se a ocorrer um fluxo constante de cargas negativas entre o aterramento e a escova, sempre tendo a tendência de permanece-la neutra(mesma quantidade de cargas negativas tanto quanto positivas). Esse processo favorece o fenômeno de eletrização de toque, sempre lhe dando elétrons suficientes para sempre poder eletrizar negativamente a correia. Um ponto para levar em consideração é como a cúpula fica eletrizada depois de haver todo esse processo na correia, esse ocorrido se dá pela escova superior. Ligada a cúpula, a mesma tem como função distribuir as cargas da correia para a esfera de alumínio. Lembrando que os objetos são condutores, facilmente os elétrons percorrem pelos materiais ao ocorrer o efeito de toque entre escova e correia. Por fim, essa carga distribuída para esfera, onde por vez se distribui uniformemente na superfície (externa) da casca. Isso ocorre pois quando colocamos elétrons em excesso em uma casca esférica metálica, os elétrons se repelem mutuamente e se espalham pela superfície externa até ficarem uniformemente distribuídos, um arranjo que maximiza as distâncias entre os pares de elétrons em excesso [9]. E para finalizar, temos a última escova, além de ajuste mecânico, ela possui como função descarregar a correia por completo, transportando os restantes dos elétrons para o aterramento. Tudo para que ocorra seguidas vezes o mesmo processo de eletrização da correia ao qual transporta elétrons para a cúpula. Dado o processo, vamos avaliar a primeira pratica, que nesse caso é o uso do bastão. Podemos ver que o centelhamento é nada mais que a passagem de elétrons que está ocorrendo entre a esfera e o bastão aterrado. Oque ocorre é que o bastão inicialmente neutro é induzido pela cúpula eletricamente negativa. Pelo princípio de atração e repulsão, as cargas negativas são repelidas da esfera e as positivas sendo atraídas para a ponta. Os elétrons por estarem sendo repelidos, só terão como fuga o aterramento, portanto, o bastão por indução acaba sendo deixado de ser neutro e passando a estar eletricamente positivo. Importante ressaltar que nada interfere a mão do sujeito ao segurar o bastão, o mesmo é revestido por borracha, o mesmo sendo isolante, não permite a passagem de elétrons do gerador para a pele do indivíduo. Novamente pelo princípio de atração e repulsão os elétrons da cúpula são estão atraídos pelos prótons do bastão, ocorrendo esse efeito de centelhamento, que é nada mais que elétrons “saltando” de um ponto ao outro. É observável que esse salto de cargas gera uma espécie de “fio roxo”, isso se dá na presença do tipo de ar em volta do gerador. Cada gás quando excitado por descarga elétrica pode emitir certos tipos de onda e dependendo da partícula, um tipo de frequência é gerada. Isso leva a crer que essa cor é gerada pela presença de nitrogênio na atmosfera, sendo o gás mais abundante, quando excitado gera ondas luminosas na faixa do violeta. Um ponto a se ressaltar é que esse processo só é facilitado devido as condições inicias dadas ao ambiente, ou seja, a umidade do ar estar baixa devido o funcionamento do ar-condicionado no recinto. Isso se dá pelo conceito de Rigidez dielétrica, o mesmo corresponde ao máximo valor do campo elétrico que o material pode tolerar sem que ocorra o processo de ruptura[10]; o ar nessas condições possui um índice baixo, facilitando a ruptura do mesmo para que possa ocorrer a passagem de elétrons da cúpula até o bastão, e somado a isso também temos a curta distância ao qual o bastão é aproximado da esfera, onde uma maior intensidade de campo elétrico produz uma maior facilidade dessa resistência ser quebrada. Próximo passo foi a utilização do algodão. O mesmo arremessado na cúpula é automaticamente eletrizado pela esfera de alumínio. O ponto importante é o que ocorre depois disso; o algodão no processo acaba possuindo uma densidade de cargas negativas muito alta e pelo princípio de atração e repulsão, o mesmo é repelido pelas cargas da cúpula, sendo por seguinte sendo ejetado do objeto. Se colocarmos a mão na frente e apanharmos o algodão, o mesmo por toque é descarregado pela nossa pele(fato esse pois o corpo humano é um ótimo condutor) e permanecendo, portanto, neutro no processo. Novamente, pelo princípio de atração, as cargas positivas do algodão são atraídas pela esfera e assim ocorre o mesmo processo, continuamente. Semelhante ocorre com o eletroscópio. Erguidas duas tiras de metal através de uma haste de metal acopladas a esfera, as mesmas são eletrizadas negativamente por contato. Por estarem com cargas negativas, pelo princípio de repulsão, as duas tiras começam a se separar, ficando distantes uma da outra, como é mostrado na imagem abaixo. O mesmo processo ocorre com a pessoa, seus cabelos são eletrizados, e ao ocorrer isso, gera uma repulsão mutua, fazendo com que os mesmos possam levitar. Notável que para que ocorra esse acumulo de elétrons nos cabelos, foi necessário que o indivíduo esteja isolado, para assim evitar aterramento, e os elétrons deixem de se acumular e fossem diretamente dirigidos ao solo. Um processo semelhante ocorre assim como é mostrado na imagem abaixo, as fitas Fig. 5 – duas tiras de metal repelindo-se mutualmente também são eletrizadas negativamente pela cúpula onde depois de uns segundos começa a ejetar do objeto; a única diferença é o fato das tiras de alumínio estarem acopladas a esfera. Um fato a levar em consideração é a direção assumida pelo fio em relação à superfície e ao centro da esfera. A geometria da situação respeita o formato do que se espera das linhas de força de um campo elétrico de uma esfera, ou seja, assume uma forma radial, portanto, a direção dos fios metálicos se dá devido o formato que o campo elétrico assume diante a cúpula. O passo seguinte é o uso do torniquete. Ligado o gerador e o carregando negativamente o mesmo começa a efetuar um movimento de rotação. Isso é explicado devido o conceito de “poder das pontas”. Concentrado as cargas negativas na ponta do objeto, o mesmo consequentemente começa a ionizar o ar a sua volta, ou seja, começa provocar uma densidade maior de elétrons na região; e por efeito de repulsão, as pontas são repelidas pelo ar. Essa força repulsiva provocada pelo meio é o fator responsável por gera esse movimento no torniquete. Conseguinte, temos o uso da lâmpada fluorescente tubular que aproximada do gerador, começa a acender. Uma lâmpada do tipo é constituída por dois eletrodos e dentro da mesma é contida uma mistura de gases. Aproximada da esfera, uma diferença de potencial surge, devido a presença do campo elétrico oriundo da cúpula e da pessoa que está segurando, gerando dessa forma uma corrente elétrica dentro da lâmpada. Elétrons passam do gerador, percorrem a lâmpada e são por fim repassados para o sujeito, que por fim serve como aterramento. Esse processo faz com que o gás dentro do tubo seja ionizado, fazendo com que o mesmo emita radiação ultravioleta; a mesma é absorvida pela substância que reveste o tubo da lâmpada e convertida em luz visível para quem a vê. Como vemos pela figura, apenas parte da lâmpada é acessa, sendo justamente a região onde o sujeito a segura. É justificável visto que a corrente elétrica é a taxa de variação de cargas com o tempo que liga de um ponto a outro; e esse último é determinado devido a presença da mão da pessoa, portanto, sendo o limite a até onde a luz se faz presente. Para estudo de linhas de força de campos elétricos, foram utilizados pares de eletrodos, que ligados ao gerador, produziam uma corrente elétrica ligando o motor até o aterramento que foi instalado. Através das sementes de grama foi possível verificar como se configurava as linhas de força presentes nos eletrodos. Esses grãos sofreram forças na direção das linhas do campo elétrico; induzindo uma polarização nos grãos caracterizando assim como uma indução elétrica, foi possível a formação de polos positivos e negativos, esses por fim foram atraídos pelos eletrodos, portanto, essa formação foi capaz de gerar um sentido ao qual o lado oposto do campo elétrico fosse atraído pelas cargas opostas dos grãos. Foi possível Fig. 4: a lâmpada emite luz à medida que a mão do indivíduo percorre pelo tubo Fig.6 – as linhas rosas indicam o campo vetorial esperado, seguido da orientação das cargas (indo do polo positivo para o negativo) também observar a tendência dos grãos de se alinharem em fileiras, isso foi possível que por estarem polarizados, o lado positivo de um grão acabava sempre sendo atraído pelo lado negativo do grão vizinho da mesma fileira. Como mostra a imagem, foi feito um experimento semelhante ao bastão de alumínio, porém dessa vez o mesmo está fixo em um ponto da mesa. Foi possível através dele estudar o conceito de potencial e ao mesmo tempo a ideia de como funciona um para-raios. Com o bastão fixo foi possível medir a distância dentre as duas cúpulas, sendo dessa forma capaz de calcular o potencial elétrico responsável por gerar essa corrente elétrica. Com a distância (∆𝑑𝑑) sendo (6,5 + 0,05) cm e a rigidez dielétrica do ar(𝐸𝐸) valendo 1,5X106 V/m, temos que a diferença de potencial (∆𝑉𝑉) é dada como: ∆𝑉𝑉 = 𝐸𝐸 ∗ ∆𝑑𝑑 (1) ∆𝑉𝑉 = 1,5 𝑥𝑥 106 𝑉𝑉 𝑚𝑚 ∗ 0,065 𝑚𝑚 (2) ∆𝑉𝑉 =97500 V (3) Adicionando a incerteza ao resultado, podemos ver que como resposta final temos a diferença de potencial suficiente para exercer uma descarga elétrica é equivalente a (97,5 x 103 ± 0,75 x 103) V. Podemos ver na figura 7 que diferente da primeira situação, a segunda não ocorre a produção de fagulhas. Isso acontece devido a presença do cabo, que nesse caso acabou funcionando como um para-raios. Em 1747, Benjamin Franklin observou que ele podia descarregar objetos eletrificados em sua sala silenciosamente, aproximando-os com uma agulha afiada de metal na mão [11]; de fato isso ocorre na situação apresentava na figura 7, o cabo aterrado ao solo, é capaz de descarregar a cúpula. Não estando eletrizada a esfera acaba não produzido uma diferença de potencial, já que não possui cargas negativas suficientes para originar descargas elétricas na outra cúpula. 4. Conclusão Com o presente experimento foi possível demonstrar a existência e atuação de um campo elétrico, tanto quanto fenômenos que circundam esse acontecimento. Na existência de cargas tanto negativas quanto positivas, foi realizável observar através das práticas os três tipos de eletrização: Atrito, indução e toque. Na existência de corpos eletrizados negativamente e de corpos neutros, foi permitido estudar em como os mesmos se comportam na presença de ambos, estudando assim o processo de descargas elétricas, demonstrado aqui na atuação de centelhamentos, como adicional foi demonstrado como certo tipo de material influencia no processo, sendo ele isolante ou condutor, e como certas condições também interferem nos experimentos, como a presença do ar-condicionado ao deixar o mais úmido, facilitando assim os eventos; quanto a ocorrência de corrente elétrica, aqui utilizado para tanto acender a lâmpada quanto para demonstrar a existência de linhas de força. De fato, o ultimo se torna verídico, pois na presença de uma corrente elétrica, um campo elétrico surge; antes observável em sala de aula apenas por gráficos e entendido como apenas linhas imaginarias, através das sementes de grama, foi possível fazer a observação das mesmas. 5. Referências [1] P. G Hewitt. (2015). FÍSICA Conceitual. Porto Alegre. 12ª edição,424. [2] H. D. Young, R. A Freedman., F. W. Sears, & M. W Zemansky. (2009). Sears e Zemansky física III: eletromagnetismo. Pearson. 12° edição, 59. Fig. 7: centelhamento ocasionado pela descarga elétrica e em seguida o uso [3] H. D. Young, R. A Freedman., F. W. Sears, & M. W Zemansky. (2009). Sears e Zemansky física III: eletromagnetismo. Pearson. 12° edição, 59. [4] L. S. Pedroso, M. L. S. Pedroso, & G. A. da Costa. CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DE UM COULOMBÍMETRO DE BAIXO CUSTO–CBC.(2017) [5] M. M. Ueki, & M. Zanin (1997). Influência de aditivos na rigidez dielétrica do polietileno de alta densidade. Polímeros, 7(4), 42-50. [7] Oscar Sala (2010). O gerador eletrostático e suas aplicações. Ciência e Cultura, 12-15. Disponível em: http://cienciaecultura.bvs.br/scielo.php?scri pt=sci_arttext&pid=S0009- 67252010000500003&lng=en&tlng=pt. Aceso em: 20/09/2019 [6] P. G Hewitt. (2015). FÍSICA Conceitual. Porto Alegre. 12ª edição,419. [8] P. G. Hewitt (2002). FÍSICA Conceitual. 9ª edição. Porto Alegre. p.375 [9][10] D. Halliday (2012). Fundamentos de Física: Eletromagnetismo. Volume 3. Grupo Gen- LTC, 6. [9][10] D. Halliday (2012). Fundamentos de Física: Eletromagnetismo. Volume 3. Grupo Gen- LTC, 119. [11] C. B. Moore, W. Rison, J. Mathis, & G. Aulich (2000). Lightning rod improvement studies. Journal of Applied Meteorology, 39(5), 593-609. Gerador de Van de Graaff
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