Viviane de Oliveira da Silva Luiz Carlos Viégas de Sousa Matheus Lacerda

Física Experimental I – 6º Período Professor: Nei Cipriano

Relatório da Aula Experimental 1:

Gerador de Van der Graaf

O engenheiro e físico americano Robert J. Van de Graaff (1901 – 1967) construiu um gerador, em 1931, que foi o primeiro utilizado em pesquisa nuclear. O Gerador, que leva seu nome, tem a capacidade de produzir voltagens extremamente altas, e ao contrário do que se pode pensar (considerando que esse é um dispositivo que aguça a curiosidade das pessoas, de modo geral, por fazer os fios dos cabelos ficarem levantados) ele não foi inventado para ser ferramenta de ensino de física, apesar de muitas vezes ser empregado para introduzir conceitos de eletricidade estática. O dispositivo em questão foi inventado para fornecer a alta energia necessária para os primeiros aceleradores de partículas.

Uma curiosidade é que nos Estados Unidos, esses aceleradores de partículas eram conhecidos como esmagadores de átomos por acelerar partículas subatômicas a grandes velocidades e depois as "esmagar" contra os átomos do alvo, pois as colisões resultantes criavam outras partículas subatômicas e radiação de alta energia como os raios X. A capacidade de criar essas colisões de alta energia é o fundamento das físicas, nuclear e de partículas, pois basicamente o Gerador de Van Der Graff deu contribuições valiosas ao entendimento que temos hoje do átomo.

Existem, basicamente, dois tipos de geradores Van de Graaff, quanto a fonte de tensão:

1. Ultiliza uma fonte de energia de alta voltagem para depositar elétrons na correia móvel. 2. Ultiliza correias e cilindros que são colocadas em movimento para causar excitação dos elétrons por atrito.

O gerador básico com excitação por atrito funciona, pois 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 em um processo contínuo. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior, uma vez que as cargas elétricas desse rolete são atraidas pelas cargas de sinais opostos da cúpula. Assim , as cargas continuam a ser extraidas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.

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.

Esse tipo de gerador é feito de: um motor

dois cilindros (roletes compostos de materiais diferentes)

uma correia

duas montagens de escovas

um terminal de saída (geralmente uma cúpula de metal ou alumínio)

uma coluna de apoio (geralmente de acrílico ou PVC)

Observe as peças na imagem abaixo:

Ao se colocar uma tira de alumínio presa na superfície da cúpula metálica do gerador de

Van Der Graff com uma fita adesiva em uma das extremidades da tira, após alguns segundos, pode-se notar que a extremidade solta da tira se afasta da cúpula, ficando suspensa no ar.

O caso descrito acima ocorre devido ao fato, de que quando se coloca um pedaço de um material condutor, a princípio, neutro (nem carregado positivamente e nem carregado negativamente) em contato com a cúpula de metal (que é um condutor) “positivamente carregada”, tem-se uma movimentação dos elétrons negativos da tira, pois esses passam para a superfície da cúpula. Em outras palavras, os elétrons positivos da cúpula carregada atraem os elétrons negativos da tira neutra, e com isso, restarão na tira metálica os elétrons positivos. Uma vez que os elétrons positivos se repelem uns com os outros, a tira, agora positivamente carregada, se movimentará contra a superfície metálica, se repelindo com a cúpula.

Partindo dos princípios: que o Gerador de Van Der Graff está ligado a uma fonte de tensão, ou seja, que as correias estão em movimento, e que a cúpula metálica está eletricamente carregada, tem-se que os elétrons em excesso na superfície da cúpula atrairão os elétrons de sinais opostos do cabelo e os elétrons de mesmos sinais, em fios de cabelo próximos, irão se repelir.

Baseando-se no fato que as cargas elétricas dos condutores encontram-se na superfície do mesmo, pois as componentes do campo elétrico apenas existiram normalmente na superfície do condutor, podemos descobrir o porquê da área estar relacionada à intensidade do campo elétrico e consequentemente às descargas elétricas, usando uma lei chamada Lei de Gauss.

Antes de usar a lei de Gauss, porém, é preciso que se saiba em que consiste essa lei. A lei de Gauss, em termos gerais, utiliza uma fórmula descoberta pelo matemático e físico Carl Friedrich Gauss para se calcular campo elétrico total apartir da carga total envolvida por uma superfície imaginária, chamada superfície gaussiana, em que comodamente há uma simetria na distribuição de cargas.

A Lei de Gauss, diz que: a carga envolvida pela superfície é igual a constante do vácuo no ar vezes o somatório de todos os campos elétricos e suas respectivas áreas, considerando os valores que limitam a superfície inventada. Ou seja:

Qenv = ε0∫E.dA

A partir da fórmula mostrada acima, e considerando alguns valores implicitamente constantes, por se tratar de uma superfície simétrica, obtemos a fórmula para se calcular o campo elétrico nas condições citadas anteriormente:

E =1 q
4πε0r2

Com a expressão acima podemos ver que quanto menor for a distancia do centro da superfície gaussiana até sua extremidade(r), no condutor, maior será a quantidade de cargas em sua superfície, já que o campo elétrico E que está sendo aplicado na superfície, no início da tempestade, pode ser considerada constante.

A Descarga elétrica, somente ocorrerá, quando o campo elétrico exceder localmente a intensidade do dielétrico no ar. Desse modo, conclui-se que onde há maior diferença de potencial, E = V/d , ou seja, onde há maior acúmulo de cargas na superfície é que se dará a ruptura do isolamento dielétrico do ar e teremos uma descarga elétrica.

Primeiramente, tem-se um bastão que possui uma esfera metálica, em uma das extremidades, o qual denominamos Bastão teste(eletrodo).

O bastão teste é, então, colocado próximo à esfera metálica do Gerador. Há, nesse momento, uma ruptura dielétrica no ar a sua volta, ocasionando o que chamamos de Descarga Elétrica.

Para que aconteça uma descarga elétrica, tem-se o ar funcionando como dielétrico entre duas superfícies condutoras. Há também, considerando que a cúpula metálica está carregada positivamente e o bastão negativamente, uma diferença de potencial existente entre a cúpula e a esfera do bastão teste. Essa diferença de potencial, quando intensa o suficiente, gera, o que chamamos de ruptura dielétrica do ar. Esse fenômeno pode ser visto devido a liberação de energia em forma de fóton, e também pode ser ouvido devido um som caracteristico, que possui a mesma origem do som que escutamos quando há trovões, porém em baixo volume.

Esse son é gerado devido ao aquecimento repentino, que gera uma onda de pressão. Em outras palavras, uma vez que a descarga elétrica causa a ruptura dielétrica do ar, pode-se dizer, que o ar sofreu um aumento de pressão naquele espaço, deslocando-se devido uma diferença de pressão com o ar que não sofreu aquecimento repentino.

A onda de pressão tida pela diferença de pressão citada acima é uma vibração das moléculas do ar, vibração a qual o aparelho auditivo dos humanos reconhecem como som.

[1] – O. Mendes Jr. , M. O. Domingues, “Introduction to the Atmospheric Eletrodynamics”, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 4, nº 1, Março, 2002.

[3] – http://omnis.if.ufrj.br/~ladif/tea/fenel/eletro-capitulo9.pdf

[6] - http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidadenaatmosfera.php

[8] - http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Poder%20das%20Ponta s.htm

[9] - http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_de_Van_de_Graaff

[10] - http://www.fisica.ufs.br/egsantana/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm

[1] - http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/experimento-com-gerador-de-van-der-graff *Todos os sites foram acessados em 21/1/201.

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