Elestrostática e Gerador de Van de Graaff

INTRODUÇÃO

Toda matéria é formada por átomos, que são formados por várias partículas. As mais conhecidas são os prótons (de carga positiva) e os elétrons (de carga negativa). Quando o número de prótons é igual ao número de elétrons o átomo está em equilibro eletroestático. No entanto, esse equilibro pode ser quebrado pelo processo de eletrização que se dá de três formas: atrito, contato e condução.

Para reprodução desses processos pode ser utilizado um equipamento chamado de Gerador de Van de Graff (ou gerador eletrostático de correia). Quando se trabalha com este equipamento deve-se tomar cuidado com pontas ou cantos afiados, devido ao “poder das pontas” – quanto menor o raio, maior será a concentração de cargas por unidade de área. Ou seja, em “pontas” existe a maior possibilidade de se formar intensos campos elétricos, que podem tornar o ar condutor e com isso surgirão faíscas.

As descargas elétricas geradas pelo Gerador só são visíveis quando o condutor se encontra a uma distância máxima do mesmo. Isso é devido a rigidez dielétrica do ar e essa distância pode ser calculada com a seguinte fórmula: ∆V=E×∆d.

Nesse relatório buscou-se descrever de maneira aprofundada os processos que ocorrem no gerador de Van de Graaff e explicar alguns fenômenos testados.

MATERIAIS

Os materiais utilizados no experimento foram Gerador de Van de Graaff, esfera auxiliar em alumínio com cabo e borne, electrometer, varinha metálica, cilindro condutor de malha interna, superfícies esférica e não-esférica condutoras.

PROCEDIMENTOS

O gerador foi colocado para funcionar em velocidade média com as escovas já ajustadas de modo que ficassem levemente em contato com a correia. Após ligado, o atrito da borracha com a polia de acrílico eletrizou a polia positivamente e por indução a escova, sendo transferidos desta forma elétrons para a correia de borracha que os transporta para a esfera. Outra escova retira os elétrons da correia e transfere para a esfera que fica eletrizada negativamente.

Após esse procedimento de funcionamento do gerador, tiveram início os experimentos.

Experimento 1

Uma esfera metálica foi aproximada do gerador ligado. A mesma foi aproximada de duas formas – sem estar ligada a nada e depois ligada a um fio terra.

Enquanto isso anotou-se se havia descarga de carga.

Experimento 2

Um Eletrocmeter – dispositivo que mede a diferença de tensão entre pequenas cargas - foi conectado a um dispositivo chamado de “balde de gelo”- um cilindro condutor de malha interna.

Após isso foram feitos três procedimentos diferentes, todos eles com o “balde de gelo” aterrado e o Eletrocmeter “zerado” antes de iniciar o procedimento.

O processo de aterramento do “balde de gelo” foi feito colocando ao mesmo tempo sua mão no cilindro interior e exterior do mesmo. Enquanto o “zeramento” foi pressionado o botão “zero” do Eletrocmeter.

Nesse experimento foram utilizados três diferentes condutores: um esférico (sem buraco), um não esférico e um esférico (com buraco) – respectivamente.

O procedimento foi o mesmo para todos os condutores.

Inicialmente, o condutor foi eletrizado por contato. Após isso, pegou-se uma varinha de metal que foi encostada no condutor, sendo eletrizada por contato também.

A varinha foi inserida no interior do “balde de gelo” sem encostar nos cilindros e foi anotada a diferença de tensão medida pelo Eletrocmeter.

O procedimento foi realizado em duas diferentes partes de cada condutor.

RESULTADOS

Ao observar o gerador Van de Graaff funcionando, foi possível observar diversos fenômenos eletrostáticos.

Primeiramente a correia de borracha começa a se movimentar através de duas polias (roletes). O processo de eletrização inicial que ocorre no gerador é por atrito entre a correia e a polia de acrílico. Na eletrização por atrito ocorre a migração de elétrons de um corpo neutro isolante para outro, na qual ambos adquirem carga de mesmo valor, porém de sinal contrário. Nesse caso quem adquire as cargas positivas é o rolete e as cargas negativas ficam localizadas na superfície interna da correia (é possível saber quem cede elétrons para quem observando a série Triboelétrica).

É interessante perceber que apesar de ambos adquirirem carga elétrica igual e oposta, as cargas positivas (falta de elétrons) ficam em uma superfície muito menor do que as cargas negativas (excesso de elétrons) que migraram para a correia de borracha. Portanto, há uma maior concentração de cargas no rolete, que fica fortemente positivo enquanto a correia fica ligeiramente negativa.

Figura 1: Eletrização por atrito da polia com a correia.

Como existe uma escova metálica próximo de onde a correia passa pelo cilindro, ocorre que as cargas positivas da polia atraem a nuvem eletrônica do metal, mas sem arrancar nenhum elétron, apenas ocorre a indução eletrostática na qual há a separação de cargas de sinais opostos. Com isso, como a ponta da escova é muito pequena, ela adquire um densidade eletrônica muito alta que acaba afetando o ar (poder das pontas), ocorrendo a ionização das moléculas do ar (efeito corona), que tem seus elétrons arrancados originando íons positivos. Esse novo material é chamado de plasma, no caso, é uma massa de ar condutora próxima da escova metálica.

Então os íons positivos do ar colidem com as pontas da escova roubando seus elétrons (que são constantemente substituídos por outros elétrons provenientes da terra, deixando a escova neutra). E enquanto isso também ocorre que os elétrons arrancados do ar colidem com as moléculas de ar neutras, tornando-as negativas. Globalmente, pode-se dizer que as cargas elétricas da escova saem em direção a polia fortemente positivo e o ar funciona como uma ponte condutora. Porém, antes de chegar até a polia as cargas negativas colidem com a correia e se depositam na superfície externa da mesma e então os elétrons são transportados para cima pela própria correia até a esfera de alumínio polido. Percebe-se que as cargas permaneceram depositadas na correia e na polia durante todo esse processo, e isso ocorreu porque ambas são feitas de material isolante –