Manual de Instruções e Guia de Experimentos

GERADOR DE VAN DE GRAAFF

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assim que o produto seja comprimido. 3. Assegure-se que o produto não balançará dentro da embalagem. Para evitar que o produto

balance dentro da embalagem utilize calços para travá-lo. Endereço: AZEHEB | Laboratórios de Física Rua Evaristo F.F. da Costa, 621 Bairro Jardim das Américas Curitiba – PR CEP 81530-090 Telefone: (41) 3079-6638 E-mail: azeheb@azeheb.com.br

EQUIPAMENTO O Gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 240 kV, sua esfera removível tem 20cm de diâmetro e dispõe de conexões para aterramento. A sustentação é construída em acrílico e possui articulação na ligação com a base e mede 45 cm de altura. A correia de borracha tem 6 cm de largura e se movimenta sobre 4 polias, que acionadas por um motor elétrico de 1/8 de HP funcionando em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local de energia. A rotação do motor é controlada de um circuito eletrônico. Todo o conjunto está fixado em uma base metálica.

Partes do Gerador a. Esfera de alumínio polido. b. Polias. c. Conexão na esfera. d. Escova superior. e. Correia de borracha. f. Escova metálica

intermediária. g. Polia de acrílico. h. Conexão de fio terra

(inferior). i. Escova metálica inferior. j. motor de 1/8 de HP;

k. controlador eletrônico da velocidade de rotação do motor.

l. cuba de vidro e base acrílica com 02 isolantes de nylon com bornes.

m. eletrodos. n. cabos de ligação banana/banana. o. torniquete eletrostático; p. esfera auxiliar em alumínio com cabo e borne. q. frasco com farinha de mandioca. r. frasco com óleo de rícino s. eletroscópio de folha

Material Complementar Necessário - tiras de papel alumínio; - fita adesiva; - lâmpada fluorescente pequena; - algodão - base isolante de madeira; - retroprojetor;

Atenção - Antes de ligar ou religar o gerador descolar os dois lados da correia de borracha. - A esfera é de alumínio, na sua limpeza utilizar somente um pano limpo e seco. Não utilizar produtos químicos.

- Manter as escovas metálicas limpas e secas. - Lubrificar as polias periodicamente. - Não utilizar o Gerador com o motor em baixas rotações. - Não efetuar troca de acessórios e não tocar no equipamento enquanto ligado! - Manter o Gerador ligado por no máximo 30 minutos, e em seguida mantê-lo desligado por 10 minutos para que ocorra o resfriamento do mesmo.

Limpeza Para se produzir um alto potencial eletrostático é necessário bom isolamento. Para isto mantenha as partes do gerador limpas e secas (esfera, escovas, correia de borracha e polias).

Ajuste da Correia Retirando a esfera colocar a correia e tracionar a mesma levemente através dos parafusos existentes na parte superior.

Cuidados com a Correia de Borracha Se o Gerador não for utilizado por mais de 5 dias, retirar a correia de borracha e colocar em um saco plástico com um pouco de talco, em seguida guardar em um lugar s––alvo de iluminação e calor. Estes procedimentos são de grande importância para a durabilidade da correia, pois a luz e o calor causam a degeneração da borracha diminuindo a elasticidade.

Funcionamento - Ao ligar o gerador utilize o controlador de velocidade colocando para funcionar em velocidade média.

- Ajustar as escovas d, f e i de tal modo que fiquem levemente em contato com a correia de borracha e.

- Deixar o gerador funcionar na velocidade média por alguns minutos. Para facilitar a eletrização coloque o dedo próximo da borracha e junto da escova metálica f, este procedimento facilita a eletrização do gerador.

- Com o gerador em funcionamento, o atrito da borracha com a polia g (acrílico ou nylon) eletriza a polia positivamente e por indução a escova i, transferindo desta forma elétrons para a correia de borracha que as transporta para a esfera.

- A escova d retira os elétrons da correia e transfere para a esfera que fica eletrizada negativamente.

- A escova f retira a sobra de elétrons da correia, deixando-a neutra, para receber carga da escova i.

- Em dias úmidos o gerador pode não eletrizar na sua máxima capacidade.

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FENÔMENOS ELETROSTÁTICOS COM O GERADOR DE VAN DE GRAAFF

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para analisar alguns fenômenos

eletrostáticos. >>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

- 1 gerador de Van de Graaff com esfera ∅ = 20 cm. - 1 esfera auxiliar com cabo e borne. - 2 cabos de ligações com 1,0 m de comprimento. - 1 frasco de farinha de rosca. - 1 frasco de óleo de mamona. - 1 eletroscópio de folha. - 1 torniquete eletrostático. - 7 eletrodos - 1 base de acrílico com bornes para eletrodos. - 1 placa de Petri ∅ = 100 mm - 1 tripé tipo estrela.

Fig. 1.1.10 – Gerador de Van de Graaff e acessórios.

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PARTE I - Funcionamento do Gerador Eletrostático de Van de Graaff.

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Para obter um potencial eletrostático elevado é necessário um bom isolamento. Para isto

as partes do gerador devem estar limpas e secas (esfera, escovas, correia de borracha e polias).

2. Retirar a esfera e colocar a correia tracionando-a levemente através dos parafusos

existentes na parte superior. 3. Ligar o gerador e proceder de acordo com os seguintes passos:

- Ajustar o controlador de velocidade para que o gerador funcione em velocidade média.

- Ajustar as escovas d, f e i de modo que fiquem levemente em contato com a correia de borracha.

- Deixar o gerador funcionar na velocidade média por alguns minutos. Para facilitar a eletrização coloque o dedo próximo da borracha e junto e ao longo da escova metálica f. Este procedimento facilita a eletrização do gerador.

4. Estando o gerador em funcionamento, aguardar alguns minutos e fazer os ajustes

necessários para que carregue de forma satisfatória a esfera metálica. >>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Observar atentamente o funcionamento do gerador procurando perceber a função de

cada elemento, de forma a poder responder às seguintes indagações: a. Qual o processo de eletrização que está ocorrendo inicialmente no dispositivo?

O primeiro processo de eletrização acontece por atrito. b. Quais os elementos que provocam essa eletrização inicial?

O atrito ocorre entre a polia cilíndrica (de acrílico ou nylon) e a correia de borracha. c. Qual o processo de eletrização da escova i?

A escova i é eletrizada por indução. d. De onde são deslocadas as cargas que eletrizam a escova i?

Do terra (que no caso é a carcaça do gerador). Essas cargas são atraídas pela polia de acrílico (g) carregada positivamente.

Fig. 1.1.11 – Detalhe dos elementos do gerador.

e. Que elemento(s) transporta(m) as cargas para a esfera do gerador? As cargas se depositam na correia e esta leva as cargas para a parte superior do gerador. A escova d em contato com a correia de borracha que passa pela polia b retira os elétrons e os transfere para a esfera metálica.

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f. Porque as cargas depositadas na correia não escoam e se mantêm ali depositadas até o contato com a escova d? Porque a borracha é um bom isolante elétrico que dificulta o escoamento dos elétrons.

g. Onde as cargas se depositam na esfera metálica. Na superfície externa ou interna? As cargas em excesso num corpo eletricamente carregado tendem a se localizar na superfície externa do corpo, devido à ação das forças de repulsão eletrostática entre elas.

h. Qual a função da escova f? A escova f, estando aterrada, retira a sobra de elétrons da correia, deixando-a neutra, para receber novamente cargas da escova i. (e dessa forma pronta para reiniciar o processo de eletrização da polia g).

i. O gerador eletrostático de Van de Graaff “gera” cargas elétricas? Explicar. Não. A denominação de “gerador” não é apropriada para esse dispositivo, pois ele apenas separa cargas elétricas.

2. Aproximar a mão fechada ou a esfera auxiliar, aterrada, da esfera metálica do gerador até

uma distancia em que ocorra descarga elétrica, como mostra a figura 1.1.12. Nessa descarga que tipo de carga está se deslocando? O deslocamento da carga elétrica é da mão para a esfera ou da esfera para a mão? Como a esfera está com excesso de elétrons, são essas cargas que se deslocam e o fazem da esfera para a mão do experimentador.

Fig. 1.1.12 – Descargas elétricas da esfera para um corpo eletricamente neutro 3. Avaliar a distância máxima da mão até a esfera, para a qual ainda ocorra descarga.

Considerar a rigidez dielétrica* do ar (Ear = 1,5.106 V/m) e calcular a diferença de

potencial entre a esfera e a mão do experimentador usando a expressão: ∆� = � × ∆�

No dia em que se realizou o experimento o ar estava relativamente seco e a temperatura ambiente se mantinha em torno de 27oC. Nestas condições a descarga estava ocorrendo a uma distância máxima de 5,0 cm aproximadamente. Isto significa que a diferença de potencial entre a mão do experimentador e a esfera calculada era de:

∆V = 1,5.106 x 5,0.10-2 V ∆∆∆∆V = 75 kV

*Rigidez dielétrica Propriedade que um dielétrico apresenta de se opor à passagem de uma descarga elétrica. É definida pelo maior valor do campo elétrico aplicado ao dielétrico sem que essa descarga ocorra. Para o ar o valor máximo da rigidez dielétrica é de 3.106 V/m, porém esse valor varia com a umidade e temperatura do meio.

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PARTE II - Explorando alguns fenômenos eletrostáticos com uso do Gerador de Van de Graaff

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Ligar o gerador, aguardar alguns minutos e fazer os ajustes necessários para que

carregue de forma satisfatória a esfera metálica. 2. Utilizar um fio de barbante de algodão bem fino e, segurando-o por uma das

extremidades, aproximá-lo da esfera metálica do gerador sem tocá-la, conforme mostra a figura 1.1.13.

3. Percorrer o espaço que circunda a esfera e observar o direcionamento do fio nas várias

posições ao redor da esfera carregada.

Fig. 1.1.13 – Observando as linhas de força do campo elétrico da esfera carregada >>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. O que se pode concluir a respeito da direção assumida pelo fio em relação à superfície e

ao centro da esfera? O fio assume, para qualquer localização ao redor da esfera (sem tocá-la), sempre a configuração de uma linha reta, pois tende a se orientar paralelamente às linhas de força do campo elétrico gerado pela esfera carregada. A direção do fio (e portanto das linhas de força do campo) é sempre perpendicular à superfície da esfera e tem a direção do centro dela.

2. Como pode ser classificado o campo elétrico de acordo com a orientação observada

neste procedimento? Conforme se observa pelo direcionamento do fio de algodão as linhas de campo são radiais e pelo fato da esfera estar carregada negativamente estas linhas estariam, por convenção, entrando na esfera.

3. Pegar com a mão “fiapos” de algodão e aproximá-los da esfera do gerador, mantendo a

mão espalmada numa posição próxima. Descrever e justificar o que ocorre. Os fiapos ficam se movimentando entre a esfera e a mão (que faz o aterramento). Inicialmente ao serem aproximados são atraídos pela esfera, por indução. Tocam a esfera recebem carga negativa e são repelidos. Voltam para a mão (terra), descarregam, são atraídos novamente pela esfera e repete-se o fenômeno.

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4. Conectar na esfera o eletroscópio de folha (figura 1.1.14), ligar o gerador, observar, e descrever o comportamento das lâminas de alumínio. As duas folhas do eletroscópio se repelem, pois estando em contato com a esfera ficam eletricamente carregadas com cargas de mesmo sinal (negativas).

Fig. 1.1.14 – Observando o comportamento do eletroscópio de folhas

5. Fixar o torniquete à esfera do gerador (figura 1.1.15).

Fig. 1.1.15 – Observação do comportamento do torniquete 6. Ligar o gerador (usar uma velocidade média). Observar o que ocorre e explicar a causa

do movimento do torniquete. A esfera cede elétrons para o torniquete que possui hastes pontiagudas. As cargas tendem a escapar do torniquete por essas extremidades (poder das pontas). O princípio da conservação do momento linear (quantidade de movimento) garante que as cargas saem com certa velocidade numa direção, e “empurram” a haste do torniquete em sentido contrário, e ele passa a girar.

7. Aproximar uma lâmpada fluorescente da esfera do gerador eletrostático em funcionamento, segurando-a com uma mão. Justificar o que é observado na lâmpada. Entre o ponto da lâmpada em contato com a mão (potencial zero) e a extremidade da lâmpada próxima da esfera (potencial negativo) estabelece-se uma ddp que produz a descarga elétrica, fazendo com que a lâmpada acenda.

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8. Desligar o gerador e posicionar uma pessoa (de cabelos finos e que estejam bem secos) em pé sobre uma base isolada de madeira com as duas mãos em contato com a esfera.

9. Ligar o gerador observando o que acontece com os cabelos da pessoa. Explicar o

fenômeno. O fenômeno é o mesmo que ocorre com o eletroscópio de folhas. Os fios de cabelo se carregam negativamente e se repelem.

10. Ligar a esfera de prova à conexão terra e fixá-la no tripé. Posicioná-la a uma pequena

distância (aproximadamente 4,0 cm da esfera do gerador). 11. Ligar o gerador e verificar a ocorrência de descargas elétricas entre as duas esferas. 12. Aproximar da esfera (sem tocar) o suporte do torniquete (pino banana com haste

pontiaguda), com a extremidade pontiaguda apontando para a esfera. 13. Afastar e aproximar o torniquete da esfera e observar o que ocorre.

Fig. 1.1.16 – Observação do funcionamento do para-raios. 14. O que acontece com a descarga elétrica? Explicar o que foi observado.

A descarga elétrica entre as duas esferas deixa de ocorrer, pois as cargas encontraram um “caminho” mais facilitado (as pontas ligadas à terra) para deixar a esfera.

15. Com base no que foi observado no experimento, pesquisar na literatura apropriada e

explicar o funcionamento do para-raios.

O PÁRA-RAIOS De uma forma geral, as nuvens que causam relâmpagos e trovões são as do tipo cumulus-nimbus que se situam a alturas que variam de 2,5 a 4,0 km. Na parte inferior dessas nuvens ocorre um acúmulo de cristais de gelo e por isso elas se apresentam mais escuras. Nas nuvens que se formam precedendo uma tempestade, existem correntes de conveccção e ventos fortes propiciam a eletrização por atrito das partículas de granizo (eletricamente negativas) e de cristais de gelo (eletricamente positivas). Por diferença de densidade as partículas negativas geralmente se situam na parte inferior da nuvem e as partículas positivas na parte superior. Por indução o solo fica eletrizado positivamente e se estabelece uma grande diferença de potencial entre a nuvem e o solo que pode atingir até 100 MV. Devido a essa ddp, que pode variar entre 10 a 30 kV, ocorre a ionização do ar e como consequência proporciona um “caminho” para que elétrons se desloquem da nuvem para o solo.

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As partículas de ar que se encontram na trajetória da descarga ficam fortemente ionizadas e por isso as descargas elétricas são acompanhadas de emissão luminosa que são os relâmpagos. O ar nas proximidades, por sua vez, experimenta um aquecimento brusco (a energia do raio pode elevar a temperatura do ar em até em 25000oC) que causa uma expansão rápida da massa gasosa originando uma onda de pressão que se manifesta através de um forte estrondo que é o trovão. A descarga inicial (speed-leader), acontece da nuvem para o solo. Ao se aproximar do solo, o campo elétrico originado pelas cargas negativas produz outra descarga (return stroke), do solo para a nuvem, mais intensa que a inicial. Essas descargas se encontram e estabelecem-se caminhos ionizados que permitem o deslocamento de novas correntes de cargas elétricas que podem se repetir várias vezes num pequeno intervalo de tempo (em torno de segundos). Devido ao poder das pontas a probabilidade de ocorrer descargas elétricas é maior nos locais onde existam árvores e construções mais altas. Para evitar acidentes causados pelos raios utiliza-se um dispositivo que pode proporcionar um caminho direcionado e mais seguro para a descarga elétrica, o pára-raios. Criado por Benjamin Franklin se constitui de hastes metálicas com extremidades pontiagudas fixadas no alto das construções e conectadas à terra por meio de cabos metálicos grossos isolados. Isso propicia que o raio chegue à terra sem se deslocar pelo interior dos edifícios, evitando que sejam causados danos nesses locais. O para-raios protege uma região cônica cuja base possui um raio aproximado de 1,5 vezes a altura do cone.

h

1,5h

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CONFIGURAÇÃO DAS LINHAS DE FORÇA DE CAMPOS ELÉTRICOS

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para configurar as linhas de força do

campo elétrico geradas por eletrodos de formas geométricas diversas. >>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

- 1 retroprojetor. - 1 gerador Van der Graaff. - 2 cabos de ligação de 1 m. - 1 placa de Petri ∅ =100 mm. - 7 eletrodos de formas diversas. - 1 base de acrílico com bornes para eletrodos. - 1 frasco de óleo de mamona. - 1 frasco de farinha de rosca.

Fig. 1.1.17 – Montagem para obtenção das linhas de força de campo elétrico. >>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Fixar dois eletrodos de prova nos bornes da placa de acrílico. 2. Colocar a placa com os eletrodos sobre o retroprojetor. 3. Colocar a cuba de vidro sobre os eletrodos. 4. Colocar uma camada de aproximadamente 3 mm de óleo de rícino na cuba de vidro. 5. Conectar o borne de um dos eletrodos na parte superior da esfera e o outro, na

conexão de fio terra próximo às polias inferiores. 6. Espalhar sobre o óleo um pouco de farinha de rosca. 7. Ligar o retroprojetor focalizando os acessórios e as partículas espalhadas sobre o óleo de

rícino.

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>>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade de média rotação (não

utilizar em rotações muito baixas e nem muito altas). 2. Observar o espectro que apresenta o campo elétrico que irá aparecer entre os dois

eletrodos, cuja configuração se materializará pela distribuição das partículas. Qual a direção das linhas de força em relação à superfície de cada eletrodo? São sempre perpendiculares à superfície de cada um dos condutores.

3. Fazer um esboço da configuração das linhas de força para o par de eletrodos usado.

4. Repetir os mesmos procedimentos utilizando outros pares de eletrodos conforme os

modelos sugeridos a seguir.

Fig. 1.1.18 – Linhas de força de campo elétrico com eletrodos variados.

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FENÔMENOS ELETROSTÁTICOS COM O GERADOR DE VAN DE GRAAFF

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para analisar alguns fenômenos

eletrostáticos. >>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

- 1 gerador de Van de Graaff com esfera ∅ = 20 cm. - 1 esfera auxiliar com cabo e borne. - 2 cabos de ligações com 1,0 m de comprimento. - 1 frasco de farinha de rosca. - 1 frasco de óleo de mamona. - 1 eletroscópio de folha. - 1 torniquete eletrostático. - 7 eletrodos - 1 base de acrílico com bornes para eletrodos. - 1 placa de Petri ∅ = 100 mm - 1 tripé tipo estrela.

Fig. 1.1.10 – Gerador de Van de Graaff e acessórios.

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PARTE I - Funcionamento do Gerador Eletrostático de Van de Graaff.

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Para obter um potencial eletrostático elevado é necessário um bom isolamento. Para isto

as partes do gerador devem estar limpas e secas (esfera, escovas, correia de borracha e polias).

2. Retirar a esfera e colocar a correia tracionando-a levemente através dos parafusos

existentes na parte superior. 3. Ligar o gerador e proceder de acordo com os seguintes passos:

- Ajustar o controlador de velocidade para que o gerador funcione em velocidade média.

- Ajustar as escovas d, f e i de modo que fiquem levemente em contato com a correia de borracha.

- Deixar o gerador funcionar na velocidade média por alguns minutos. Para facilitar a eletrização coloque o dedo próximo da borracha e junto e ao longo da escova metálica f. Este procedimento facilita a eletrização do gerador.

4. Estando o gerador em funcionamento, aguardar alguns minutos e fazer os ajustes

necessários para que carregue de forma satisfatória a esfera metálica. >>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Observar atentamente o funcionamento do gerador procurando perceber a função de

cada elemento, de forma a poder responder às seguintes indagações: a. Qual o processo de eletrização que está ocorrendo inicialmente no dispositivo?

O primeiro processo de eletrização acontece por atrito. b. Quais os elementos que provocam essa eletrização inicial?

O atrito ocorre entre a polia cilíndrica (de acrílico ou nylon) e a correia de borracha. c. Qual o processo de eletrização da escova i?

A escova i é eletrizada por indução. d. De onde são deslocadas as cargas que eletrizam a escova i?

Do terra (que no caso é a carcaça do gerador). Essas cargas são atraídas pela polia de acrílico (g) carregada positivamente.

Fig. 1.1.11 – Detalhe dos elementos do gerador.

e. Que elemento(s) transporta(m) as cargas para a esfera do gerador? As cargas se depositam na correia e esta leva as cargas para a parte superior do gerador. A escova d em contato com a correia de borracha que passa pela polia b retira os elétrons e os transfere para a esfera metálica.

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f. Porque as cargas depositadas na correia não escoam e se mantêm ali depositadas até o contato com a escova d? Porque a borracha é um bom isolante elétrico que dificulta o escoamento dos elétrons.

g. Onde as cargas se depositam na esfera metálica. Na superfície externa ou interna? As cargas em excesso num corpo eletricamente carregado tendem a se localizar na superfície externa do corpo, devido à ação das forças de repulsão eletrostática entre elas.

h. Qual a função da escova f? A escova f, estando aterrada, retira a sobra de elétrons da correia, deixando-a neutra, para receber novamente cargas da escova i. (e dessa forma pronta para reiniciar o processo de eletrização da polia g).

i. O gerador eletrostático de Van de Graaff “gera” cargas elétricas? Explicar. Não. A denominação de “gerador” não é apropriada para esse dispositivo, pois ele apenas separa cargas elétricas.

4. Aproximar a mão fechada ou a esfera auxiliar, aterrada, da esfera metálica do gerador até

uma distancia em que ocorra descarga elétrica, como mostra a figura 1.1.12. Nessa descarga que tipo de carga está se deslocando? O deslocamento da carga elétrica é da mão para a esfera ou da esfera para a mão? Como a esfera está com excesso de elétrons, são essas cargas que se deslocam e o fazem da esfera para a mão do experimentador.

Fig. 1.1.12 – Descargas elétricas da esfera para um corpo eletricamente neutro 5. Avaliar a distância máxima da mão até a esfera, para a qual ainda ocorra descarga.

Considerar a rigidez dielétrica* do ar (Ear = 1,5.106 V/m) e calcular a diferença de

potencial entre a esfera e a mão do experimentador usando a expressão: ∆� = � × ∆�

No dia em que se realizou o experimento o ar estava relativamente seco e a temperatura ambiente se mantinha em torno de 27oC. Nestas condições a descarga estava ocorrendo a uma distância máxima de 5,0 cm aproximadamente. Isto significa que a diferença de potencial entre a mão do experimentador e a esfera calculada era de:

∆V = 1,5.106 x 5,0.10-2 V ∆∆∆∆V = 75 kV

*Rigidez dielétrica Propriedade que um dielétrico apresenta de se opor à passagem de uma descarga elétrica. É definida pelo maior valor do campo elétrico aplicado ao dielétrico sem que essa descarga ocorra. Para o ar o valor máximo da rigidez dielétrica é de 3.106 V/m, porém esse valor varia com a umidade e temperatura do meio.

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PARTE II - Explorando alguns fenômenos eletrostáticos com uso do Gerador de Van de Graaff

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Ligar o gerador, aguardar alguns minutos e fazer os ajustes necessários para que

carregue de forma satisfatória a esfera metálica. 2. Utilizar um fio de barbante de algodão bem fino e, segurando-o por uma das

extremidades, aproximá-lo da esfera metálica do gerador sem tocá-la, conforme mostra a figura 1.1.13.

3. Percorrer o espaço que circunda a esfera e observar o direcionamento do fio nas várias

posições ao redor da esfera carregada.

Fig. 1.1.13 – Observando as linhas de força do campo elétrico da esfera carregada >>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. O que se pode concluir a respeito da direção assumida pelo fio em relação à superfície e

ao centro da esfera? O fio assume, para qualquer localização ao redor da esfera (sem tocá-la), sempre a configuração de uma linha reta, pois tende a se orientar paralelamente às linhas de força do campo elétrico gerado pela esfera carregada. A direção do fio (e portanto das linhas de força do campo) é sempre perpendicular à superfície da esfera e tem a direção do centro dela.

2. Como pode ser classificado o campo elétrico de acordo com a orientação observada neste procedimento? Conforme se observa pelo direcionamento do fio de algodão as linhas de campo são radiais e pelo fato da esfera estar carregada negativamente estas linhas estariam, por convenção, entrando na esfera.

3. Pegar com a mão “fiapos” de algodão e aproximá-los da esfera do gerador, mantendo a mão espalmada numa posição próxima. Descrever e justificar o que ocorre. Os fiapos ficam se movimentando entre a esfera e a mão (que faz o aterramento). Inicialmente ao serem aproximados são atraídos pela esfera, por indução. Tocam a esfera recebem carga negativa e são repelidos. Voltam para a mão (terra), descarregam, são atraídos novamente pela esfera e repete-se o fenômeno.

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4. Conectar na esfera o eletroscópio de folha (figura 1.1.14), ligar o gerador, observar, e descrever o comportamento das lâminas de alumínio. As duas folhas do eletroscópio se repelem, pois estando em contato com a esfera ficam eletricamente carregadas com cargas de mesmo sinal (negativas).

Fig. 1.1.14 – Observando o comportamento do eletroscópio de folhas

5. Fixar o torniquete à esfera do gerador (figura 1.1.15).

Fig. 1.1.15 – Observação do comportamento do torniquete 6. Ligar o gerador (usar uma velocidade média). Observar o que ocorre e explicar a causa

do movimento do torniquete. A esfera cede elétrons para o torniquete que possui hastes pontiagudas. As cargas tendem a escapar do torniquete por essas extremidades (poder das pontas). O princípio da conservação do momento linear (quantidade de movimento) garante que as cargas saem com certa velocidade numa direção, e “empurram” a haste do torniquete em sentido contrário, e ele passa a girar.

7. Aproximar uma lâmpada fluorescente da esfera do gerador eletrostático em funcionamento, segurando-a com uma mão. Justificar o que é observado na lâmpada. Entre o ponto da lâmpada em contato com a mão (potencial zero) e a extremidade da lâmpada próxima da esfera (potencial negativo) estabelece-se uma ddp que produz a descarga elétrica, fazendo com que a lâmpada acenda.

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8. Desligar o gerador e posicionar uma pessoa (de cabelos finos e que estejam bem secos) em pé sobre uma base isolada de madeira com as duas mãos em contato com a esfera.

9. Ligar o gerador observando o que acontece com os cabelos da pessoa. Explicar o

fenômeno. O fenômeno é o mesmo que ocorre com o eletroscópio de folhas. Os fios de cabelo se carregam negativamente e se repelem.

10. Ligar a esfera de prova à conexão terra e fixá-la no tripé. Posicioná-la a uma pequena

distância (aproximadamente 4,0 cm da esfera do gerador). 11. Ligar o gerador e verificar a ocorrência de descargas elétricas entre as duas esferas. 12. Aproximar da esfera (sem tocar) o suporte do torniquete (pino banana com haste

pontiaguda), com a extremidade pontiaguda apontando para a esfera. 13. Afastar e aproximar o torniquete da esfera e observar o que ocorre.

Fig. 1.1.16 – Observação do funcionamento do para-raios. 14. O que acontece com a descarga elétrica? Explicar o que foi observado.

A descarga elétrica entre as duas esferas deixa de ocorrer, pois as cargas encontraram um “caminho” mais facilitado (as pontas ligadas à terra) para deixar a esfera.

15. Com base no que foi observado no experimento, pesquisar na literatura apropriada e

explicar o funcionamento do para-raios.

raio chegue à terra sem se deslocar pelo interior dos edifícios, evitando que sejam causados danos nesses locais. O para-raios protege uma região cônica cuja base possui um raio aproximado de 1,5 vezes a altura do cone.

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CONFIGURAÇÃO DAS LINHAS DE FORÇA DE CAMPOS ELÉTRICOS

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para configurar as linhas de força do

campo elétrico geradas por eletrodos de formas geométricas diversas. >>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

- 1 retroprojetor. - 1 gerador Van der Graaff. - 2 cabos de ligação de 1 m. - 1 placa de Petri ∅ =100 mm. - 7 eletrodos de formas diversas. - 1 base de acrílico com bornes para eletrodos. - 1 frasco de óleo de mamona. - 1 frasco de farinha de rosca.

Fig. 1.1.17 – Montagem para obtenção das linhas de força de campo elétrico. >>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Fixar dois eletrodos de prova nos bornes da placa de acrílico. 2. Colocar a placa com os eletrodos sobre o retroprojetor. 3. Colocar a cuba de vidro sobre os eletrodos. 4. Colocar uma camada de aproximadamente 3 mm de óleo de rícino na cuba de vidro. 5. Conectar o borne de um dos eletrodos na parte superior da esfera e o outro, na

conexão de fio terra próximo às polias inferiores. 6. Espalhar sobre o óleo um pouco de farinha de rosca. 7. Ligar o retroprojetor focalizando os acessórios e as partículas espalhadas sobre o óleo de

rícino.

MANUAL DO ALUNO

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>>> Análise dos Resultados e Conclusões >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 1. Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade de média rotação (não

utilizar em rotações muito baixas e nem muito altas). 2. Observar o espectro que apresenta o campo elétrico que irá aparecer entre os dois

eletrodos, cuja configuração se materializará pela distribuição das partículas. Qual a direção das linhas de força em relação à superfície de cada eletrodo? São sempre perpendiculares à superfície de cada um dos condutores.

3. Fazer um esboço da configuração das linhas de força para o par de eletrodos usado.

4. Repetir os mesmos procedimentos utilizando outros pares de eletrodos conforme os

modelos sugeridos a seguir.

Fig. 1.1.18 – Linhas de força de campo elétrico com eletrodos variados.