Gerador de Van de Graaff

Gerador de Van de Graaff e o famoso efeito de arrepiar os cabelos. Para que isso aconteça, a pessoa deve estar isolada da superfície da Terra, caso contrário ela leva um choque.

Área do conhecimento ligada ao experimento...

Eletricidade.

Princípios físicos ligados ao experimento...

Eletrização por atrito;

Potencial eletrostático;

Indução Eletrostática.

Princípio correlato ao experimento...

Blindagem eletrostática.

Esta máquina eletrostática foi inventada em 1931 pelo engenheiro Robert Jemison van de Graaff.

Descrição do experimento

O experimento, Gerador de Van de Graaff, mostrado na foto, é capaz de transformar Energia Mecânica em Energia Eletrostática. O princípio de funcionamento deste gerador é baseado em três princípios pertinentes à Eletricidade, que são: a eletrização por atrito, a indução eletrostática e a repulsão eletrostática.

Apenas para efeito didático, o experimento pode ser dividido em três partes. Vamos a elas:

Cúpula de descarga (a): É um condutor metálico, aproximadamente esférico, oco, e que está apoiado sobre uma coluna isolante.

Correia transportadora de cargas (b): É uma correia não condutora, contínua, que circula sobre duas polias não condutoras.

Base (c): Trata-se de um sistema de engrenagens capaz de por a correia transportadora em movimento. Este sistema pode ser manual (acionado apenas por uma manivela simples) ou elétrico (quando acionado por um motor que fica acoplado às engrenagens de transmissão, localizadas na base do experimento).

Importante!

A correia transportadora: As descargas elétricas que ocorrem nos pentes metálicos (receptor e coletor) produzem gás ozônio (O3), que é muito corrosivo e causam oxidação na correia condutora, favorecendo o seu apodrecimento. Por isso, evita-se usar correias de borracha escura (as que possuem uma substância chamada de “negro de fumo”), que são mais susceptíveis ao processo de oxidação.

O processo de ionização do ar: Entre as duas cúpulas de descarga que estão próximas: a da esquerda (A), carregada positivamente; e a da direita (B), apenas neutra, aparece um fluxo intenso de corrente elétrica; pois o ar atmosférico que existe entre elas, antes isolante, torna-se condutor devido à alta voltagem (ionização). Não custa lembrar que ao máximo valor da intensidade do campo elétrico que um isolante suporta, sem se ionizar, dá-se o nome de rigidez dielétrica desse isolante.

Como funciona o Gerador de Van de Graaff

Um motor elétrico, posicionado na base do sistema, movimenta uma correia isolante que passa por duas polias: uma na parte inferior, e a outra na parte superior do experimento. Através de pontas metálicas, pente inferior (receptor), a correia recebe carga elétrica positiva de um gerador de alta tensão. A seguir, a correia eletrizada positivamente transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde existe um outro conjunto de pontas metálicas, pente superior (coletor) que, devido à alta tensão existente entre as pontas e a correia, são capazes de ionizar o ar atmosférico, antes isolante. Desse modo, são produzidas descargas de elétrons que estavam na cúpula condutora, deixando-a com falta de elétrons, ou seja, positiva. Assim, como o processo de perda de elétrons pela cúpula metálica é contínuo, mesmo no caso de pequenos geradores, é possível atingir, na cúpula de descarga, um potencial eletrostático da ordem de milhares de volts.

Outras situações onde o fenômeno da eletrização ocorre...

  • Nas ocorrências de raios! Quando nuvens eletrizadas passam sobre regiões onde existem pontas bem pronunciadas, capazes de provocar forte indução eletrostática;

  • Em dias secos, quando estivermos usando sapatos com solado de borracha sintética, se tocamos na maçaneta metálica de uma porta, por exemplo, sofremos uma repentina descarga elétrica, devido à diferença de potenciais eletrostáticos entre a mão e o metal;

  • Aqueles estalidos que ouvimos ao retirarmos uma blusa de lã, por exemplo, são fenômenos que estão ligados ao processo de ionização do ar atmosférico.

Perguntas frequentes:

1) O que é a eletricidade estática?

Resposta: Há vários processos de produzir eletricidade estática, intencionalmente ou não. Um corpo eletrizado possui uma determinada energia armazenada e um determinado potencial elétrico.

No caso humano, por exemplo, é possível atingir potenciais elevados, embora com valores pequenos de energia. Num simples caminhar de uma pessoa, que calça sapatos com sola de borracha sintética sobre um chão com revestimento isolante, às vezes, chega-se a um potencial de 3 kV e uma energia de 1 mJ; e, quando o dedo dessa pessoa se aproxima da maçaneta metálica de uma porta, surge uma faísca entre o dedo e a maçaneta, e a descarga eletrostática acontece.

2) Como se dá o arrepio nos cabelos quando tocamos um gerador de Van de Graaff?

Resposta: Quando se toca num gerador eletrostático, eletrizado negativamente, por exemplo, há uma migração natural de elétrons para o nosso corpo, antes neutro. Assim, nosso corpo, como um todo, fica com excesso de elétrons, inclusive nossos cabelos que, por serem finos e leves, tendem a se afastarem uns dos outros, por repulsão eletrostática.

3) Quando se atrita uma barra de vidro com um pano, por exemplo, qual dos dois fica eletrizado?

Resposta: Na verdade, ambos; pois as cargas elétricas que se libertam dum passam para o outro.

4) O que vem a ser Energia Eletrostática?

Resposta: A energia que foi consumida, para levar o condutor desde o estado neutro até o estado final de eletrização, não foi perdida e está armazenada no condutor sob a forma de Energia Potencial Elétrica.

Glossário

Eletrização por atrito: Atritando-se dois corpos, inicialmente neutros, feitos de materiais diferentes, há troca de elétrons. Ao final, estarão ambos eletrizados e com cargas elétricas opostas.

Indução eletrostática: Trata-se de um processo de separação de cargas elétricas opostas através da aproximação de dois condutores, sem que haja contato entre eles. O condutor eletrizado é chamado de indutor e o neutro, por exemplo, é chamado de induzido.

Links:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp

http://www.coe.ufrj.br/~acmq/ect/

http://www.dc.ufscar.br/~fabricio/trabalhos/gerador_van_de_graaf.pdf

http://www.cefeteq.br/concursos/professores/provas/2006/A02_cadquestoes.pdf

Créditos

Esquema do Gerador de Van de Graaff:

http://br.geocities.com/saladefisica5/leituras/vandegraaff32.gif

Cúpulas gêmeas:

http://education.jlab.org/glossary/vandegraaff.jpg

Autoria:

Bassini, A.; Pusceddu, L. (2020) Gerador de Van de Graaff.

Créditos detalhados

Autores:

Ailton Marcos Bassini - bassini@usp.br

Luca Hermes Pusceddu