Relátorio Van Der Graaff

Universidade de Sorocaba

Engenharia Química

Física Geral e Experimental II

Gerador de Van der Graaff

Juliana Rolim

Julieine de Fátima Aguiar Melo

Prof. Me. Diego A. C. Albuquerque

Sorocaba-SP

2014

1. Introdução Teórica

Com este relatório vamos provar com experimentos, conceitos da Eletrostática, que é o estudo do comportamento das cargas elétricas, do campo elétrico e do potencial elétrico.

Um gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática capas de produzir voltagens extremamente altas, e ao contrário do que se pensa, ele não foi inventado para ser ferramenta de ensino de física. O dispositivo em questão foi inventado para fornecer a alta energia necessária para os primeiros aceleradores de partículas.

Versões pequenas do gerador, como a que usamos no experimento, são frequentemente vistas em demonstrações sobre eletricidade. Como por exemplo, produzindo o efeito de arrepiar os cabelos de quem tocar na cúpula, pois o cabelo fica eletrizado com cargas da mesma polaridade, que consequentemente se repelem.

O primeiro Gerador de Van der Graaff foi criado pelo engenheiro e físico americano Robert J. Van de Graaff, em 1931, e foi o primeiro utilizado em pesquisa nuclear.

Figura1: Robert J. Van de Graaff e uma das primeiras versões do Gerador Van de Graaff.

Os átomos da matéria são formados de uma grande quantidade de partículas. Dentre elas as mais conhecidas são o próton (carga positiva), o elétron (carga negativa) e o nêutron (carga nula). Quando o número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro. Esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático.

No entanto, este equilíbrio pode ser desfeito. Isto é possível a partir de um processo chamado de Eletrização, que pode ocorrer de três maneiras: atrito, contato e indução. Para reproduzir estes processos é utilizado o Gerador de Van de Graaff, a máquina utiliza uma correia móvel para acumular cargas elétricas em uma esfera oca de metal, que se espalham para mais longe possível umas das outras e passam a ocupar a superfície externa da casca esférica. Essa distribuição de cargas gera um campo elétrico, afetando o espaço ao seu redor.

As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo de todo o espaço afetado. Se a carga de origem do campo for positiva, uma carga negativa introduzida nele se moverá, espontaneamente, por meio da atração eletrostática. A diferença de potenciais elétricos entre pontos situados em diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão orientadas em direções radiais dessa mesma fonte.

Figura 2: Partes do Gerador de Van de Graaff

Campo elétrico - linha de força - Um campo elétrico é o campo de força provocada por cargas eléctricas (elétrons, prótons ou íons) ou por um sistema de cargas. Cargas elétricas num campo eléctrico estão sujeitas a uma força elétrica. A fórmula do campo eléctrico é dada pela relação entre a força eléctrica F e a carga de prova q

E ⃗=F ⃗/qo (1)

O conceito de Campo Elétrico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb:

F ⃗=Ko. (|Q|.|qo|)/d² (2)

Onde Ko para o vácuo vale 9.〖10〗^9 N.m²/C²

Ou seja, para uma carga puntiforme, a expressão para o campo elétrico obtém a forma:

E ⃗=Ko.|Q|/d² (3)

Potencial elétrico – superfície equipotencial - é a propriedade com que um corpo energizado tem de conseguir realizar trabalho, ou seja, atrair ou repelir outras cargas elétricas. Com relação a um campo elétrico interessa-nos a capacidade de realizar trabalho, associada ao campo em si, independentemente do valor da carga q colocada num ponto desse campo. Para medir essa capacidade, utiliza-se a grandeza potencial elétrico. Para obter o potencial elétrico de um ponto, coloca-se nele uma carga de prova q e mede-se a energia potencial adquirida por ela. Essa energia potencial é proporcional ao valor de q. Portanto, o quociente entre a energia potencial e a carga é constante. Esse quociente chama-se potencial elétrico do ponto.

V=U/qo=E ⃗.d (4)

A definição de trabalho é o produto escalar de força por deslocamento:

W=F ⃗.d (5)

U=qo.E ⃗.d (6)

Assim relacionando com a Lei de Coulomb citada, temos:

V=Ko.|Q|/d (7)

Todos os materiais que são isolantes de eletricidade são isolantes para uma determinada faixa de potencial. Acima de um determinado potencial elétrico, o corpo passa a ser condutor, esse potencial fica então conhecido como potencial de ruptura (Vmax). Para o ar, por exemplo, sobre determinadas condições atmosféricas, um campo elétrico de valor E_max=3.〖10〗^6 V/m já se torna condutor.

Assim o potencial elétrico de ruptura pode ser encontrado:

V_max=E_max.d (8)

Carga Elétrica e densidade superficial de cargas:

É, assim como a massa, uma propriedade da matéria e pode existir em três variáveis denominadas: positivas, negativas e neutras. Quando um corpo está carregado eletricamente ele possui elétrons em excesso ou falta em relação ao número de prótons. O elétron é a carga elementar. A unidade frequentemente utilizada é Coulomb: um elétron equivalente a carga de -1,6.〖10〗^(-19 ) C.

O valor da carga elétrica Q, originado