Relatório de Física 3 - Gerador de Van de Graaff

Prévia do material em texto

UNESA - UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
UNIDADE SANTA CRUZ
gerador de van de graaff
Professor: Nelson Souza
Aluno:
Natanael dos Santos Amaral
201804043044
3014
19 de agosto de 2019
Objetivo
Verificar a troca de cargas eletrostáticas.
Introdução / Fundamento Teórico
Carga elétrica
A carga elétrica é uma propriedade intrínseca das partículas elementares de que são feitos todos os materiais. Existem dois tipos de carga elétrica, que o cientista e político americano Benjamin Franklin chamou de carga positiva e carga negativa. Os elétrons são identificados por possuírem carga negativa, e os prótons, por serem positivamente carregados. Na grande maioria dos objetos, como uma xícara, por exemplo, existe um número igual de partículas de carga positiva e de carga negativa e, portanto, a carga total é zero. Nesse caso, dizemos que as cargas se compensam e o objeto está eletricamente neutro (ou, simplesmente, neutro).
Suponha que uma barra de borracha rígida tenha sido esfregada em um pedaço de pele e esteja suspensa por uma corda. Quando uma barra de vidro é esfregada em um retalho de seda e colocada próximo de uma barra de borracha, as duas peças se atraem. Por outro lado, se duas barras de borracha (ou vidro) carregadas são colocadas uma próxima da outra, as duas se repelem. Essa observação mostra que a borracha e o vidro possuem dois tipos de carga diferentes. Com base nesses resultados, concluímos que cargas de mesmo sinal se repelem, e cargas de sinais opostos se atraem.
De uma forma bem resumida, podemos dizer que a carga elétrica é a causa da força elétrica.
Força elétrica/eletrostática
Uma partícula carregada exerce uma força eletrostática sobre outra partícula carregada. A direção da força é a da reta que liga as partículas, mas o sentido depende do sinal das cargas. Se as cargas das partículas têm o mesmo sinal, as partículas se repelem. Se as cargas das partículas têm sinais opostos, as partículas se atraem. 
A intensidade da força elétrica entre duas cargas puntiformes depende de três fatores:
Das cargas elétricas e das duas partículas;
Da distância que as separa;
Do meio em que se encontram as partículas eletrizadas.
Lei de Coulomb
A equação usada para calcular a força eletrostática exercida por partículas carregadas é chamada de lei de Coulomb em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, que a propôs em 1785, com base em experimentos de laboratório. É expressada por:
em que é a carga, é a distância entre as partículas e é uma constante positiva conhecida como constante eletrostática ou constante de Coulomb.
Poder das pontas
Em materiais condutores, a carga elétrica distribui-se em torno da superfície. Dessa forma, o campo elétrico é nulo. Mas se o condutor possui uma extremidade pontiaguda, as cargas em excesso tendem a se acumular nesse local. Esse fenômeno é chamado de poder das pontas.
De acordo com essa teoria, a carga elétrica distribuída na superfície de um corpo pontiagudo tem a tendência de acumular-se nas pontas, tornando o ar condutor nas proximidades desses locais.
Em virtude da alta concentração de cargas, o campo elétrico e a densidade de cargas são muito maiores nas extremidades de qualquer objeto pontiagudo.
É por esse princípio que não é recomendável permanecer embaixo de árvores ou regiões desprotegidas para esperar uma tempestade passar, pois a árvore e o corpo humano podem servir como pontas em relação ao solo e atrair raios.
Para-raios
Os raios podem causar diversos danos tanto de natureza material como para a saúde, ocasionando até a morte. A finalidade de um para-raios é evitar que os raios causem esses danos. Benjamin Franklin constatou a natureza elétrica dos raios ao empinar uma pipa com uma chave pendurada na ponta em um dia chuvoso. Ele observou o surgimento de faíscas nas chaves penduradas e passou a estudar como essa forma de eletricidade poderia ser útil. Seus estudos levaram-no à invenção do para-raios.
Um raio ocorre quando o campo elétrico gerado pelas nuvens eletrizadas e o campo elétrico gerado pela superfície terrestre, também eletrizada, assumem valores suficientes para gerar uma descarga elétrica.
O para-raios é constituído por uma haste de metal que tem extremidade pontiaguda onde se acumulam as cargas elétricas, seguindo o princípio do poder das pontas. Essas cargas ionizam o ar, fazendo com que a região ao seu redor descarregue-se eletricamente para o solo. Dessa forma, o para-raios descarrega a atmosfera, evitando que o raio cause qualquer dano.
Para-raios são compostos por três partes:
Terminais aéreos: parte que fica instalado no ponto mais alto da edificação. Servem para atrair os raios. Esse dispositivo é composto por uma haste de metal geralmente feita de cobre, alumínio ou aço.
Condutores de descida: são os responsáveis por conduzir a carga elétrica do raio recebida pelos terminais aéreos. Normalmente são feitos com revestimento de cobre.
Terminais de aterramento: essa é a parte do para-raios que é responsável por dissipar a energia elétrica no solo. É composto por uma placa de cobre ou revestida por cobre enterrada no terreno da construção. O nível do aterramento varia de acordo com as características do solo.
Como aterrar um barco?
Raios também caem sobre barcos? Sim, caem e fazem um bom de estrago. Somente nos EUA, 95 pessoas morrem anualmente vítimas de raios, 13% delas em pequenas lanchas de fibra ou de madeira.
O raio é uma faísca de altíssima voltagem que pode ter mais de uma milha de comprimento. Quando é entre uma nuvem e outra, pode chegar a 20 milhas. Esta centelha é produzida pelo acúmulo de carga elétrica em nuvens.
Numa tempestade com fortes correntes verticais, as nuvens ficam com cargas positivas e negativas nos extremos. Na medida em que as cargas vão aumentando, elas vão procurar um equilíbrio. São cargas extremamente elevadas, que vão ficar opostas às cargas de outra massa dentro do mesmo grupo de nuvens, em relação a outras nuvens ou em relação ao solo. Quando este desequilíbrio chega a um grau até hoje indeterminado, a corrente vai de uma massa para a outra na forma de uma centelha.
Esse acúmulo de eletricidade atmosférica chega a níveis na ordem de 20 milhões de volts. Quando estas cargas atingem o ponto crítico mencionado acima, a massa de ar isolante que separa as cargas opostas entre a nuvens ou entre as nuvens e o solo é rompida pela centelha, com uma corrente média de 10.000 ampères.
Esta descarga para a terra, ou água, se processa a uma velocidade de 60.000 milhas por segundo. A duração de um raio é pois ridiculamente curta; ele mal seria visível. O que realmente se vê são apenas coriscos e luminescências brilhantes, decorrentes do raio original.
O tempo durante o qual é aplicada esta tremenda corrente elétrica é demasiadamente curto para uma transferência de energia danosa, a não ser que encontre uma resistência interposta ao seu caminho, que poderia ser, por exemplo, um barco. O raio sempre procura o caminho mais curto e direto para a terra, ou água, levando “de roldão” tudo que estiver no seu caminho lhe oferecendo resistência. O caminho mais óbvio seria pelo mastro de alumínio, mas se o mastro não tiver uma direta e sólida ligação para a água, via quilha de ferro ou chumbo, essa monstruosa corrente vai ramificar-se para todos os lados.
O raio atingirá todo o sistema elétrico; irá torrar o VHF, destruirá o alternador, o arranque do motor e fundirá a bateria, além de estragar os instrumentos, as bombas elétricas e a regulagem da bússola.
No seu implacável caminho para a água poderá seguir pelo eixo da hélice ou por uma saída de casco e até pelo transducer do eco, fazendo nesse processo um rombo que poderá afundar o barco e ainda será uma sorte enorme se não atingir uma pessoa. Um verdadeiro caos, acompanhado do forte e tétrico cheiro de ozônio. Num barco de fibra, um cabo incandescente pode carbonizar o laminado, desenvolvendo gases extremamente tóxicos e perigosos.
De acordo com as recomendações da ABYC, American Boat and Yacht Councyl, o ideal seria um para-raiosno topo do mastro, com conexão direta para a água. O raio passa pela parte externa de um condutor; isto faz com que o mastro de alumínio oco, seja equivalente a uma barra sólida, portanto um excelente condutor.
O pé do mastro deve ser ligado diretamente à quilha de ferro ou chumbo (não vale quilha encapsulada em fibra). Quando isso não for possível, é preciso ter um condutor de fio AWG nº 4. Da base do mastro, da maneira mais direta possível, sem ângulos agudos, mas com curvas suaves e sempre descendentes, até a uma chapa de aterramento de cobre, submersa na água. Essa chapa é usada quando a quilha não é adequada ou em lanchas. Deve ter no mínimo 280 cm2. Existem chapas específicas para este fim, de material poroso, com aproximadamente 1 cm de espessura, que são bem menores e equivalem a uma superfície de lisa de cobre bem maior. Um mastro de madeira ou fibra necessita um cabo condutor AWG nº 4. É importante que seja feito um serviço de bonding, interligando todas as peças metálicas entre si, incluindo, fuzis, púlpitos, lastro de ferro ou chumbo, motor, tanques metálicos etc. Observe ainda que o amantilho deveria ser de náilon e não cabo de aço.
Nestas condições, o barco ficaria protegido 99,9% por um cone de proteção de 45 graus da vertical do mastro. Com um cone mais aberto de 60 graus (lanchas), a proteção seria de 99%.
Material Utilizado
Experimento 1 – Cabelo Einstein
Corpo humano (mãos e cabelo)
Gerador
Experimento 2 – Chuva de confete
Bolinhas de papel laminado
Copo de café descartável
Fita crepe
Gerador
Papel (picotado)
Experimento 3 – Elevando tiras de papel 
Fita crepe
Gerador
Papel laminado
Experimento 4 – Produzindo um vento elétrico
Agulha
Gerador
Hélice
Experimento 5 – Produzindo um para-raios
Bastão
Gerador
Tachinha
Procedimento
Experimento 1 – Cabelo Einstein
Passo 1: Apoiar as mãos sobre o capacete do gerador.
Passo 2: Ligar o gerador.
Passo 4: Analisar se os fios de cabelo sofreram repulsão (foram separados um dos outros) ou atração (ficaram unidos).
Experimento 2 – Chuva de confete
Passo 1: Picotar, em pedaços bem pequenos, um papel (pode ser A4).
Passo 2: Picotar papel laminado e fazer bolinhas.
Passo 3: Inserir os papeis picotados e as bolinhas de papel laminado em um copo de café descartável.
Passo 4: Colar, com uma fita crepe, a parte debaixo do copo de café na parte de cima do capacete do gerador.
Passo 5: Ligar o gerador.
Passo 6: Analisar se os papeis e as bolinhas sofreram repulsão (foram expulsos do copo) ou atração (ficaram no copo).
Experimento 3 – Elevando tiras de papel
Passo 1: Recortar uma tira de papel laminado.
Passo 2: Colocar, com uma fita crepe, a tira de papel na lateral do capacete do gerador de Van de Graaff.
Passo 3: Ligar o gerador.
Passo 4: Analisar se a tira sofreu repulsão (afastou-se do capacete) ou atração (aproximou-se do capacete).
Experimento 4 – Produzindo um vento elétrico
Passo 1: Inserir a agulha no topo do capacete do gerador.
Passo 2: Apoiar a hélice sobre a agulha.
Passo 3: Ligar o gerador.
Passo 4: Analisar se a hélice sofreu repulsão (realizou movimento de rotação em torno da agulha) ou atração (ficou parado).
Experimento 5 – Produzindo um para-raios
Passo 1: Aterrar um bastão ao gerador.
Passo 2: Colar, com uma fita crepe, uma tachinha, deixando a ponta da tachinha transpassar a fita e a cabeça da tachinha em contato com a lateral do bastão.
Passo 3: Ligar o gerador.
Passo 4: Aproximar o bastão do capacete com a ponta da tachinha e sem a ponta da tachinha.
Passo 5: Analisar como é o funcionamento.
resultados
Experimento 1:
Os fios de cabelo sofreram repulsão.
Experimento 2:
Os papeis e bolinhas sofreram repulsão.
Experimento 3:
A tira de papel sofreu repulsão.
Experimento 4:
A hélice sofreu repulsão.
Experimento 5:
A troca de cargas eletrostáticas simularam um raio sendo aterrado por um para-raios.
conclusão
A força elétrica que as cargas criam por meio do gerador de Van de Graaff tem energia suficiente para haver repulsão nos materiais que foram utilizados em cada experiência. É possível observar as bolinhas de papel, por exemplo, sendo jogadas do copo justamente por estarem carregadas (positiva ou negativamente) com o mesmo “sinal” que o gerador de Van de Graaff, comprovando toda a teoria que envolve a força elétrica e como ela afeta no nosso dia a dia.
Referências
BLOG DO TOWNSQ - CONDOMÍNIO ONLINE. Manutenção de para-raios: como funciona e qual é sua importância? Disponível em: https://blog.townsq.com.br/manutencao-de-para-raios/. Acesso em: 5 set. 2019.
ALUNOS ONLINE. O Poder Das Pontas. Disponível em: https://alunosonline.uol.com.br/fisica/poder-das-pontas-pararaios.html. Acesso em: 4 set. 2019.
CALÇADA, Caio Sérgio; SAMPAIO, José Luiz. FÍSICA: VOLUME ÚNICO (ALUNO). 3. ed. São Paulo: Atual Editora, 2008. p. 1-640.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Eletromagnetismo - vol. 3. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. p. 1-400.
JR., J. W. J; SERWAY, Raymond A. Física para cientistas e engenheiros 3: Eletricidade e magnetismo. 2. ed. São Paulo: Cengage, 2017. p. 1-416.
POPA.COM.BR. O RAIO E SEUS EFEITOS NO BARCO. Disponível em: https://acervo.popa.com.br/diversos/gk.htm. Acesso em: 5 set. 2019.
REVISTA NÁUTICA. Raios. Disponível em: https://www.nautica.com.br/raio-que-nao-nos-partam/. Acesso em: 5 set. 2019.