Relatorio Gerador VAN DE Graaff PDF

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO TRABALHO DE FÍSICA III DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS ELÉTRICAS NOS CORPOS; PODER DAS PONTAS E LINHAS DE FORÇA EM UM CAMPO ELÉTRICO VOLTA REDONDA 2013 3 OBJETIVO Demonstrar a existência de cargas elétricas e suas prop...

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

TRABALHO DE FÍSICA III

DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS ELÉTRICAS NOS CORPOS; PODER DAS PONTAS E LINHAS DE FORÇA EM UM CAMPO ELÉTRICO

VOLTA REDONDA 2013

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OBJETIVO Demonstrar a existência de cargas elétricas e suas propriedades. 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.

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INTRODUÇÃO A carga elétrica é considerada como sendo uma propriedade que se manifesta em algumas das chamadas partículas elementares; por exemplo, nos prótons e elétrons. Os prótons e elétrons são os portadores do que denominamos carga elétrica, mas esta propriedade não se manifesta exatamente da mesma forma nessas partículas; convencionou-se, então, a chamar a carga elétrica dos prótons de positiva (+) e a dos elétrons de negativa (-). Gerador de Van de Graaff - Robert Van de Graaff (1901-1967), físico Americano, foi o criador do instrumento. Ele construiu o primeiro destes geradores que levou seu nome em 1931, com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta 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. 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 240 kV, sua esfera tem 20 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, 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. Sua função é transportar as cargas elétricas que serão acumuladas na esfera metálica. Todo o conjunto está fixado em uma base metálica (adaptado de Sinzato, 2012).

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Partes do gerador: 

Esfera de alumínio polido



Polias



Conexão na esfera



Escova superior



Correia de borracha



Escova metálica intermediária



Polia de acrílico



Conexão de fio terra (inferior)



Escova metálica inferior

Do ponto de vista moderno, a matéria no seu estado neutro, possui cargas elétricas positivas (prótons) iguais às cargas elétricas negativas (elétrons). Se dois corpos, como o bastão de vidro e a seda, são esfregados um no outro, uma pequena quantidade de carga será transferida entre eles, destruindo a neutralidade elétrica inicial. Esse processo chama-se eletrização (Halliday-Resnick, 1978). Este é o princípio do funcionamento do 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 (positiva ou negativamente) através desta correia., Por

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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. 

Funcionamento do Gerador de Van de Graff Ao ligarmos o equipamento a correia de borracha é movimentada por um

pequeno motor. Os dois pentes metálicos, respondem pela troca de carga entre a terra e a correia, na parte de baixo e entre a correia e a esfera metálica, na parte de cima. Haverá transferência de cargas negativas do pente inferior aterrado. Esta transferência se dá através da camada de ar que fica entre o pente e a correia. Neste caso o pedaço da correia que está se atritando fica com excesso de cargas positivas.

Este pedaço de correia caminha até o topo do aparelho, onde se encontra o pente superior, que está ligado internamente à esfera metálica. Neste ponto há transferência de cargas negativas da esfera para a correia através do pente (poder das pontas), de modo a neutralizar cargas positivas que chegam pela correia isolante. As cargas negativas, que passam da esfera para a correia, deixam atrás de si, na esfera, um excesso de cargas positivas e, assim, o terminal (esfera metálica) começa a acumular cargas positivas que dão origem a diferenças de potencial. Assim, um feixe de partículas energéticas pode ser produzido, permitindo-se que partículas com carga, tais como elétrons ou prótons, caiam através dessa diferença e potencial.

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

O poder das pontas O poder das Pontas: um instrumento simples, constituído por um “cata-vento”

elétrico, ou torniquete eletrostático. Quando se carrega um condutor de forma não esférica, como é o caso do torniquete eletrostático, a sua superfície será uma superfície equipotencial, porém a densidade de cargas e o campo elétrico serão variáveis de ponto para ponto. Próximo das pontas do torniquete a densidade de cargas e o campo elétrico são elevados, uma vez que as extremidades tem o mesmo potencial, o local de menor raio terá maior densidade superficial de cargas. Sendo o campo elétrico, na face externa de um condutor, proporcional à densidade superficial de cargas, o campo elétrico será mais elevado nos pontos onde o condutor tiver superfície com raio de curvatura menor. Considerando o torniquete eletrostático, que possui pontas agudas, e, portanto raio de curvatura pequeno, o ar atmosférico é ionizado com cargas de mesmo sinal que as do torniquete, provocando a repulsão das pontas e o seu giro.



Linhas de força em um 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

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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. A figura abaixo representa a expressão acima para uma carga positiva:

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PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

1. Procedimento I - Distribuição de cargas elétricas nos corpos

Relação de Materiais: 

Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera.



Fiapos de algodão



Eletroscópio de folha

Procedimentos: Conectamos na parte superior da esfera o eletroscópio de folha. Ligamos o gerador eletrostático e regulamos para uma velocidade média à alta de rotação do motor. Observamos o comportamento das laminas de alumínio. Pegamos com as mãos fiapos de algodão e aproximamos da esfera do gerador e observamos o que ocorreu.

Resultados: Descrevendo o comportamento das laminas de alumínio e dos fiapos de algodão: O que acontece? Por quê? 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, que é positiva. 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. Ligamos o gerador e através do comportamento dos papeis laminado, notamos que quando um corpo se encontra eletrizado gera um campo elétrico à sua volta. Na nossa experiência foi observado que a direção do campo elétrico criado em torno da

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esfera é perpendicular, logo a esfera do gerador tem o seu campo elétrico radial, as cargas saem do centro. A esfera do gerador e as tiras de papel laminado exercem entre si uma força de repulsão, o que nos permite afirmar que tais possuem cargas do mesmo sinal. Colocamos fiapos de algodão próximos do gerador e quando colocamos os “fiapos” eles foram atraídos, porque estavam neutros e a esfera estava eletrizada. Outra coisa interessante que foi observada, é que quando soltávamos o algodão e depois aproximávamos a mão, ele voltava pelo mesmo fenômeno de atração. A explicação do ocorrido é a mesma, o algodão no momento em que ele estava “grudado” na esfera do gerador ele se encontrava eletrizado, quando é aproximada a mão, as cargas em excesso tendem a atrair uma das cargas da mão, como o algodão é leve, é importante ressaltar que teve momentos em que o algodão ficou distante da esfera e da mão ao mesmo tempo. Através do experimento, notamos de forma pratica que duas cargas com mesmo sinal se repelem, e um dos tipos de eletrização, que seria o de contato.

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2. Procedimento II - O poder das pontas

Relação de Materiais: 

Gerador eletrostático com controlador de velocidade e esfera



Torniquete eletrostático



Lâmpada fluorescente



Base isolante de madeira

Procedimentos: 1) Colocamos o torniquete no topo da esfera do gerador. Ligamos o gerador eletrostático e regulamos a velocidade de rotação em média e alta. Observamos o que aconteceu. Desligamos o gerador e retiramos o torniquete. 2) Ligamos novamente o gerador e aproximamos uma lâmpada fluorescente da esfera, segurando-a com uma das mãos. Observamos o que aconteceu. 3) Aproximamos do gerador uma pessoa que estava com os cabelos bem secos ficar em pé sobre uma base isolada de madeira e colocar as mãos na esfera do gerador. Ligamos o gerador e observamos o que aconteceu com o cabelo da pessoa.

Resultados: 1) 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. 2) Ao realizar esse experimento, utilizamos o gerador de Van der Graaff, e após ligá-lo, aproximamos uma lâmpada fluorescente que se acendeu. Isso acontece porque como o potencial elétrico gerado pela esfera carregada tem

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simetria radial, e decai com o inverso da distância, as duas extremidades da lâmpada estarão sujeitas a potenciais diferentes, e consequentemente uma d.d.p.(diferença de potencial) aparece entre as extremidades que eletriza o gás no interior da lâmpada liberando energia na forma de luz. 3) 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 consequentemente se repelem, o que provoca o eriçamento do cabelo.

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3. Procedimento III - Linhas de força em um campo elétrico

Relação de materiais 

Gerador



Cuba de vidro e base acrílica com 2 isolantes de nylon com bornes



Eletrodos



2 cabos de ligação banana\banana



Frasco com sementes de linhaça



Frasco com sementes de grama



Óleo de rícino



Retroprojetor

Procedimentos: Colocamos sobre o retroprojetor a base acrílica e a cuba de vidro. Fixamos dois eletrodos paralelos sobre o retroprojetor. Conectamos os cabos de ligação nos isolantes de nylon com bornes e no gerador eletrostático (parte da esfera e conexão de fio terra inferior, próximo às polias inferiores). Colocamos uma camada de 3 mm de óleo de rícino na cuba de vidro, de modo a cobrir os eletrodos e espalhar sobre o óleo um pouco de semente de grama. A parte do eletrodo que ficará submersa no óleo deverá ser isolada com esmalte. Ligamos o retroprojetor para facilitar a visualização das partículas espalhadas sobre o óleo de rícino. Ligamos o gerador eletrostático e regulamos para uma velocidade média a alta de rotação. Observamos o aspecto que apresentou o campo elétrico que apareceu entre os dois eletrodos, cuja configuração se materializou pela distribuição adquirida pelas sementes de grama no óleo. Repetimos os mesmos procedimentos para os demais pares de eletrodo.

Resultados: Os eletrodos possuem cargas elétricas pontuais de mesmo módulo e sinais

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opostos. Sob a influência do campo elétrico gerado por essas cargas, a farinha foi se orientado de acordo com as linhas de forças, caracterizando a configuração o campo elétrico entre os dois eletrodos. Linhas de força de dois eletrodos paralelos:

Linhas de força de uma carga isolada

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CONCLUSÃO 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. Com o conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido a principio, vislumbra-se pelos experimentos realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica. Assim, afirma-se o princípio das ações elétricas: que cargas elétricas de sinais iguais se repelem e de sinais contrários se atraem. Conclui-se que o experimento atingiu o objetivo proposto, 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. Comprovou-se 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 semente de linhaça sobre o óleo de rícino.

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BIBLIOGRAFIA 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....