Relatorio Van de Graaf - Fisica III

UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTÔNIO CARLOS FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS DE CONS. LAFAIETE

Curso: ENGENHARIA DE SEGURANÇA DO TRABALHO

GERADOR DE VAN DE GRAAFF

Conselheiro Lafaiete 2009

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UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTÔNIO CARLOS FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS DE CONS. LAFAIETE

Curso: ENGENHARIA DE SEGURANÇA DO TRABALHO

Relatório de Física referente à aula prática em laboratório, ministrada pela professora Elizabeth Rodrigues, sobre campo elétrico, distribuição de cargas e poder das pontas através de experimento com o gerador de Van de Graaff.

3º Período – Engenharia de Segurança do Trabalho

ANDRÉ GERALDO EVANGELISTA – Nº. Mat.:091-014309 FABIANA DA SILVA – Nº. Mat.: 082-003649

RENATA PRISCILA FONSECA RIBEIRO – Nº. Mat.:082-000923

Conselheiro Lafaiete, 21 de outubro de 2009.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 4

a) Objetivos.................................................................................................................... 4

b) Fundamentos teóricos................................................................................................. 4

2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:..................................................................... 11

2.1 – Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos............................. 11

2.2 – Procedimento II: O Poder das Pontas ................................................................... 13

2.3 – Procedimento III: Linhas de força em um campo elétrico..................................... 14

2.4 – Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão............................................. 17

3 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 20

4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................... 21

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1 INTRODUÇÃO No dia 14 de outubro de 2009, sob a orientação da professora Elizabeth Rodrigues, realizamos

no laboratório da Universidade Presidente Antônio Carlos em Conselheiro Lafaiete a primeira

aula experimental de física III.

a) Objetivos

Demonstrar visualmente a existência das linhas de força através do mapeamento de campo

elétrico gerado pela produção de uma tensão com um gerador de Van de Graaf excitando

eletrodos de formatos diferentes, interpretando o comportamento do campo elétrico nas

proximidades de dois eletrodos de formatos diferentes configuração das linhas de forças entre

eletrodos de formatos diferentes e Interpretar o comportamento do campo elétrico nas

proximidades de dois eletrodos de formatos diferentes.

b) Fundamentos teóricos

Gerador de Van de Graaff

Robert Van de Graaff (1901-1967), físico Americano, foi o criador do instrumento. Ele

construiu o primeiro destes geradoresr que levou seu nome em 1931, com o propósito de

produzir uma diferença de potencial muito alta (da ordem de 20 milhões de volts) para

acelerar partículas carregadas que se chocavam contra blocos fixos. Os resultados das colisões

nos informam das características dos núcleos do material que constituem o bloco.

Figura 1: Robert J. Van de Graaff e uma das primeiras versões do Gerador Van de Graaff

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O gerador de Van de Graaff é um gerador de corrente constante, enquanto que a bateria é um

gerador de voltagem constante, o que varia é a intensidade dependendo de quais os aparelhos

que são conectados.

O Gerador Van de Graaff é uma máquina que utiliza uma Correia Móvel para acumular

Tensão Eletrostática muito alta na cavidade de uma Esfera de Metal.

O gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 200 kV, sua esfera tem 18 cm

de diâmetro, é removível e dispõe de conexões para aterramento. A sustentação é construída

em acrílico e possui articulação na ligação com a base, mede 45 cm de altura. A correia de

borracha tem 6 cm de largura e se movimenta sobre 04 polias (19 mm de diâmetro), acionada

por um motor elétrico de 1/8 de HP funcionando em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local

de energia e é munido de controle eletrônico da velocidade de rotação do motor. O conjunto

está fixado em uma base metálica cujas dimensões são (40x30x2)cm. O conjunto é integrado

por uma cuba de vidro, 7 eletrodos, 2 fixadores de eletrodos, 2 cabos de ligações e torniquete

eletrostático.

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

Figura 2: Gerador de Van de Graaff

No gerador eletrostático, uma correia isolante recebe cargas superficiais que passam a ser

transportadas a outro eletrodo, onde são removidas (como uma escada rolante transporta

pessoas). Caracterizando-se assim uma corrente elétrica suficiente para gerar uma voltagem

elevada por um curto período de tempo. O gerador eletrostático (Van de Graaff) pode ser

entendido como uma esfera metálica isolada da terra que é permanentemente carregada

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(positiva ou negativamente) através desta correia., Por sua vez, esta correia, é carregada pelo

atrito entre a polia e a correia (como se alguém continuamente esfregasse um bastão de

plástico em um pedaço de feltro e encostasse o bastão na correia). Em pequenos geradores

como este, a diferença de potencial é da ordem de KV (Quilovolt), enquanto que nos grandes

aceleradores ela pode ultrapassar 10 MV.

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.

Campo elétrico - linha de força - Um campo eléctrico é o campo de força provocada por

cargas eléctricas (eletrons, protons ou ions) ou por um sistema de cargas. Cargas eléctricas

num campo eléctrico estão sujeitas a uma força eléctrica. A fórmula do campo eléctrico é

dada pela relação entre a força eléctrica F e a carga de prova q

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

Onde K é a constante de Coulomb.

No referencial da carga q1 temos:

No vácuo e no SI, K0 =

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

Também é possível calcular o campo elétrico a partir da diferença de potencial:

A expressão acima diz que o campo elétrico tem sentido da direção de maior potencial

para menor potencial.

A figura abaixo representa a expressão acima para uma carga positiva e uma carga

negativa.

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Figura 3: Representação vetorial do campo de uma carga puntiforme positiva e negativa

Características das Linhas de Campo Elétrico.

Define-se campo elétrico como uma alteração colocado no espaço pela presença de um corpo

com carga elétrica, de modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará

sua presença. Através de curvas imaginárias, conhecidas comumente pelo nome de linhas de

campo, visualiza-se a direção da força gerada pelo corpo carregado.

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, pela aparição de uma atração eletrostática.

Pode-se imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos.

É usual medir essa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à definição

de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a quantidade da carga

geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade de potencial elétrico é o

volt, equivalente a um Coulomb por metro. A diferença de potenciais elétricos entre pontos

situados a diferentes distâncias da fonte do campo origina forças de atração ou repulsão

orientadas em direções radiais dessa mesma fonte.

A intensidade do campo elétrico se define como a força que esse campo exerce sobre uma

carga contida nele. Dessa forma, se a carga de origem for positiva, as linhas de força vão

repelir a carga de prova, e ocorrerá o contrário se a carga de origem for negativa.

Algumas características do Campo Elétrico são:

1. Tem natureza vetorial.

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2. Tem em um dado ponto do espaço, direção da linha que une a carga ao ponto, e sentido

divergente (para cargas positivas) e convergente (para cargas negativas).

3. Tem módulo proporcional ao valor da carga e, inversamente proporcional ao quadrado da

distância do ponto à carga (para cargas pontuais).

4. É medido, no SI, em Newton por Coulomb.

Processos de Eletrização

Existem três tipos de Eletrização de corpos:

1- Eletrização por Atrito

Tem-se a eletrização por atrito quando atrita-se dois corpos . Ex.: pegando-se um canudinho

de refrigerante e atritando-o com um pedaço de papel (pode ser higiênico); observa-se através

de experimentos que ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas , porem de

sinais contrários.

Figura 4: Eletrização por atrito

2- Eletrização por Contato

Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado,

observa-se que ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal. Ex.: tendo-se um bastão

carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se as esfera com este bastão verifica-se

que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão.

Figura 5: Eletrização por contato

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3 - Eletrização por Indução

A indução ocorre quando se tem um corpo que esta inicialmente eletrizado e é colocado

próximo a um corpo neutro. Com isso, a configuração das cargas do corpo neutro se modifica

de forma que as cargas de sinal contrário a do bastão tendem a se aproximar do mesmo.

Porém, as de sinais contrários tendem a ficar o mais afastadas possível. Ou seja, na indução

ocorre a separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo neutro ou corpo

induzido.

Figura 6: Eletrização por indução

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2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:

2.1 – Procedimento I: Distribuição das Cargas Elétricas nos Corpos

Material necessário:

Gerador eletrostático;

Controlador de velocidade;

Cuba de vidro;

Tiras de papel laminado;

2 cabos de ligação;

Fita adesiva;

Torniquete eletrostático.

a) Cortar tiras de papel alumínio (5mm x 60 mm) e fixar na superfície externa da esfera

com fita adesiva.

b) Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade média de rotação do

motor.

c) Qual é a direção do campo elétrico criado em torno da esfera?

Ao ligarmos o gerador, o potencial elétrico da esfera devidamente isolada é zero.

Mantendo-se constante a diferença de potencial da fonte, ocorrem transferências contínuas de

cargas elétricas até que a esfera adquira o mesmo potencial elétrico da fonte. Desta forma a

distribuição regular das cargas no corpo da esfera forma um campo elétrico de direção radial

e com orientação para o centro da mesma.

Nos condutores as cargas se concentram nas superfícies. Por isso quando repetimos a

experiência, desta vez, afixando as fitas de alumínio na parte interna da esfera, nada se

observa pois neste local o campo elétrico é nulo. O que se explica pela lei de Gauss.

“Qualquer excesso de cargas colocado em um condutor isolado se moverá

inteiramente para a superfície do condutor. Nenhum excesso de carga será encontrado no

interior do corpo do condutor”.

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d) Pegar com a mão “fiapos” de algodão e aproximá-los da esfera do gerador,

mantendo a mão numa posição próxima.

O que ocorre? Porque?

A esfera induz cargas nos fiapos de algodão, sendo que as cargas de sinal oposto ao da esfera

ficam mais próximas da esfera do que as cargas de mesmo sinal, causando como resultado,

uma atração.


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2.2 – Procedimento II: O Poder das Pontas

a) Colocar o torniquete ligado à esfera do gerador;

b) Ligar o gerador eletrostático e regular para velocidade de rotação média.

c) Comentar o que ocorreu e justificar o fato.

O torniquete começou a girar. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas do torniquete

o ar se ioniza e os íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas são repelidas. Esses

por sua vez repelem as pontas (forças de reação) determinando a rotação do torniquete em

sentido anti-horário e com velocidade elevada.


d) Fazer uma pessoa que esteja com os cabelos bem secos ficar em pé sobre a

base isolada (isopor) com as mãos em contato com a esfera do gerador. Ligar o gerador

observando o que acontece com os cabelos da pessoa.

Figuras 9 e 10: Efeito dos cabelos eletrizados

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Explique o fenômeno.

A eletrização da pessoa por contato faz com que por indução, se acumulem nos cabelos cargas

de mesmo sinal que o da esfera. Como as cargas presentes em cada fio de cabelo que fica

eletrizado com cargas da mesma polaridade, que conseqüentemente se repelem, o que provoca

o eriçamento do cabelo.

e) Quais as conclusões que se pode tirar?

A conclusão que se pode tirar é que em torno da esfera eletrostática cria um campo elétrico e

que esse campo elétrico aponta para fora. Ao aproximarmos o algodão da esfera, as cargas

eletrostática induz cargas nos fiapos de algodão, sendo que as cargas de sinal oposto ao da

esfera ficam mais próximas da esfera do que as cargas de mesmo sinal, causando como

resultado, uma atração. Ao colocarmos o torniquete e ligarmos o gerador, o torniquete

começou a girar. Isto ocorre porque nas pontas eletrizadas do torniquete o ar se ioniza e os

íons que possuem carga de mesmo sinal que as pontas são repelidas. Esses por sua vez

repelem as pontas (forças de reação) determinando a rotação do torniquete em sentido anti-

horário e com velocidade elevada.

A eletrização da pessoa por contato faz com que por indução, se acumulem nos cabelos cargas

de mesmo sinal que o da esfera. Como as cargas presentes em cada fio de cabelo são de

mesmo sinal, ocorre uma força de repulsão entre eles, o que provoca o eriçamento do cabelo.

2.3 – Procedimento III: Linhas de força em um campo elétrico


gerador eletrostático;

eletrodos de várias formas;

cuba de vidro;

1 vidro de óleo de soja;

farinha de mandioca;

fixadores de eletrodos;

2 cabos de ligações;

a) Montar um par de eletrodos na cuba de vidro.

b) Colocar óleo de soja na cuba de acrílico, uma camada de aproximadamente 3 mm, de

modo a cobrir os eletrodos.

c) Espalhar sobre o óleo um pouco de farinha de mandioca.

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d) Ligar o gerador eletrostático e regular para uma velocidade média de rotação.

Observar o aspecto que apresenta o campo elétrico que irá aparecer entre os dois

eletrodos, cuja configuração se materializará pela distribuição adquirida pelas

partículas no óleo. Se houver dificuldade em estabelecer o campo elétrico, deve-se

isolar com esmalte as partes dos eletrodos que ficam imersas no interior do óleo.

e) Fazer o mesmo procedimento para os demais pares de eletrodos.

f) Faça figuras representando as linhas de força observadas.

Os eletrodos possuem cargas elétricas puntuais de mesmo módulo e sinais opostos. Sob a

influência do campo elétrico gerado por essas cargas, a farinha foi se orientado de acordo com

as linhas de forças (figura 11), caracterizando a configuração o campo elétrico entre os dois

eletrodos.

Figura 11: Linha de força – experimento letra A

Neste experimento (figura 12) os condutores são círculos maciços, as cargas estão

armazenadas todas na casca da esfera, um dos condutores esta carregado positivamente e o

outro negativamente, sendo assim começa a atração das cargas formando um campo elétrico

nas partes mais próximas entre os condutores, algumas linhas do campo elétrico tendem ao

infinito por estarem afastado um do outro.

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Figura 12: Linha de força – experimento letra B

Figura 13: Linha de força – experimento letra C

Neste experimento (figura 14) o primeiro condutor possui uma ponta, as cargas se acumulam

nela. O campo elétrico é formado pela ponta e o segundo condutor, algumas linhas tendem ao

infinito, pois estão afastadas.

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Figura 14: Linha de força – experimento letra D

Neste experimento (figura 15) um condutor circular é colocado dentro de um condutor

circular oco, então o campo elétrico é formando dentro do condutor circular oco, pois o

campo elétrico vai ser formado entre o condutor maciço e o oco.

Figura 15: Linha de força – experimento letra E

2.4 – Procedimento IV: Descarga em gases a alta pressão


gerador de correia;

uma conexão de fio;

uma esfera de cabo isolante;

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Objetivo do experimento:

1. Identificar os eletrodos anodo e catodo;

2. Classificar os gases dentro da família dos condutores;

3. Concluir a importância da pressa (a que um gás é submetido) e da distância

entre os eletrodos sobre a capacidade de condução elétrica do gás;

4. Descrever as condições necessárias para uma descarga elétrica através de um

gás a alta pressão.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Ligamos o aparelho e aproximamos o bastão de teste da cabeça do gerador (figuras 16 e 17).

Figura 16: Gerador de correia com bastão

Resultado

Foi verificado que o gás em questão é o ar atmosférico. No momento em que aproximamos o

bastão de teste ao Gerador ocorreu uma transferência visível de elétrons de um corpo para o

outro. Essa transferência é denominada descarga elétrica, que é o rompimento de elétrons no

ar.

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Figura 17: Aproximação do bastão de teste junto à cabeça do gerador

A transferência é parecida com o fenômeno natural, os raios, possuindo até mesmo uma cor

parecida, sendo esbranquiçado e com o espectro combinado do oxigênio e do nitrogênio. O

raio algumas vezes parece possuir outras cores, quando ocorre em ambientes e meios

diferentes. Em contraste com o amarelo das luzes artificiais, o raio pode parecer azulado e

vice-versa.

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3 CONCLUSÃO Pode-se concluir que o experimento atingiu o objetivo proposto para o aprendizado, de forma

que através de uma configuração simples conseguiu-se visualizar com clareza a formação dos

campos elétricos pelas linhas equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado. Pôde-se

notar o seu comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca de

configuração e disposição dos materiais usados nos experimentos.

Portanto pode-se comprovar que as linhas de força são sempre perpendiculares às superfícies

metálicas dos eletrodos desta forma nunca podendo ser paralelas aos mesmos, pois as linhas

demonstram o trajeto do campo elétrico de um eletrodo ao outro como que se formando uma

ponte entre eles para a circulação da corrente elétrica, constatou-se assim, a existência do

campo elétrico e fez-se o seu mapeamento com o auxilio da farinha de mandioca sobre o óleo

de rícino.

Com o conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido a principio, vislumbra-se pelos

experimentos realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica. Com relação ao

alinhamento da farinha de mandioca, ao contrário dos materiais condutores, os dielétricos

podem armazenar energia em seu interior. Isso é possível porque ao se aplicar um campo

elétrico externo em um dielétrico não ocorre a movimentação de cargas livres, mas um

deslocamento relativo nas posições das cargas negativas (elétrons) e positivas, dando origem

às cargas polarizadas.

Somente com a aplicação de um campo elétrico é que as cargas positivas e negativas se

deslocam buscando um alinhamento na direção das linhas de força do campo em uma

formação, por esta razão é que as partículas de farinha de mandioca se alinham quando

energizados os eletrodos.

O experimento foi muito satisfatório com aprendizado e como forma de se demonstrar como

funciona o Gerador de Van de Graaff e colocar em prática a teoria para se entender melhor os

fenômenos físicos

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4 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS HALLIDAY, D., Resnick, R. Walker, J - Fundamentos de Física 3 – Tradução BIASI Ronaldo Sérgio de, - Rio de Janeiro: Livros técnicos e Científicos Editora, 7a Edição, 2007. http://feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp - acesso em 17 de outubro de 2009. http://ciencia.hsw.uol.com.br/geradores-van-de-graaff.htm - acesso em 17 de outubro de 2009. http://pt.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff - acesso em 17 de outubro de 2009.

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