MANUAL DO ALUNO

1

FENMENOS ELETROSTTICOS COM O GERADOR DE VAN DE GRAAFF

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para analisar alguns fenmenos eletrostticos.

>>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

- 1 gerador de Van de Graaff com esfera = 20 cm. - 1 esfera auxiliar com cabo e borne. - 2 cabos de ligaes com 1,0 m de comprimento. - 1 frasco de farinha de rosca. - 1 frasco de leo de mamona. - 1 eletroscpio de folha. - 1 torniquete eletrosttico. - 7 eletrodos - 1 base de acrlico com bornes para eletrodos. - 1 placa de Petri = 100 mm - 1 trip tipo estrela.

Fig. 1.1.10 Gerador de Van de Graaff e acessrios.

MANUAL DO ALUNO

2

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

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. Para obter um potencial eletrosttico elevado necessrio um bom isolamento. Para istoas partes do gerador devem estar limpas e secas (esfera, escovas, correia de borracha epolias).

2. Retirar a esfera e colocar a correia tracionando-a levemente atravs dos parafusosexistentes 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 mdia.

- 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 mdia por alguns minutos. Para facilitar a eletrizao coloque o dedo prximo da borracha e junto e ao longo da escova metlica f. Este procedimento facilita a eletrizao do gerador.

4. Estando o gerador em funcionamento, aguardar alguns minutos e fazer os ajustesnecessrios para que carregue de forma satisfatria a esfera metlica.

>>> Anlise dos Resultados e Concluses >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. Observar atentamente o funcionamento do gerador procurando perceber a funo decada elemento, de forma a poder responder s seguintes indagaes:a. Qual o processo de eletrizao que est ocorrendo inicialmente no dispositivo?

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

O atrito ocorre entre a polia cilndrica (de acrlico ou nylon) e a correia de borracha.c. Qual o processo de eletrizao da escova i?

A escova i eletrizada por induo.d. De onde so deslocadas as cargas que eletrizam a escova i?

Do terra (que no caso a carcaa do gerador). Essas cargas so atradas pela polia de acrlico (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 emcontato com a correia de borracha que passa pela polia b retira os eltrons e os transfere para a esferametlica.

MANUAL DO ALUNO

3

f. Porque as cargas depositadas na correia no escoam e se mantm ali depositadasat o contato com a escova d?Porque a borracha um bom isolante eltrico que dificulta o escoamento dos eltrons.

g. Onde as cargas se depositam na esfera metlica. Na superfcie externa ou interna?As cargas em excesso num corpo eletricamente carregado tendem a se localizar na superfcie externa do corpo,devido ao das foras de repulso eletrosttica entre elas.

h. Qual a funo da escova f?A escova f, estando aterrada, retira a sobra de eltrons da correia, deixando-a neutra, para recebernovamente cargas da escova i. (e dessa forma pronta para reiniciar o processo de eletrizao da polia g).

i. O gerador eletrosttico de Van de Graaff gera cargas eltricas? Explicar.No. A denominao de gerador no apropriada para esse dispositivo, pois ele apenas separa cargaseltricas.

4. Aproximar a mo fechada ou a esfera auxiliar, aterrada, da esfera metlica do gerador atuma distancia em que ocorra descarga eltrica, como mostra a figura 1.1.12. Nessa descargaque tipo de carga est se deslocando? O deslocamento da carga eltrica da mo para aesfera ou da esfera para a mo?Como a esfera est com excesso de eltrons, so essas cargas que se deslocam e o fazem da esfera para amo do experimentador.

Fig. 1.1.12 Descargas eltricas da esfera para um corpo eletricamente neutro

5. Avaliar a distncia mxima da mo at a esfera, para a qual ainda ocorra descarga.Considerar a rigidez dieltrica* do ar (Ear = 1,5.10

6 V/m) e calcular a diferena depotencial entre a esfera e a mo do experimentador usando a expresso:

=

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

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

*Rigidez dieltricaPropriedade que um dieltrico apresenta de se opor passagem de uma descarga eltrica. definida pelo maior valor do campo eltrico aplicado ao dieltrico sem que essa descarga ocorra. Para o ar o valor mximo da rigidez dieltrica de 3.106 V/m, porm esse valor varia com a umidade e temperatura do meio.

MANUAL DO ALUNO

4

PARTE II - Explorando alguns fenmenos eletrostticos com uso do Gerador de Van de Graaff

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. Ligar o gerador, aguardar alguns minutos e fazer os ajustes necessrios para quecarregue de forma satisfatria a esfera metlica.

2. Utilizar um fio de barbante de algodo bem fino e, segurando-o por uma dasextremidades, aproxim-lo da esfera metlica do gerador sem toc-la, conforme mostraa figura 1.1.13.

3. Percorrer o espao que circunda a esfera e observar o direcionamento do fio nas vriasposies ao redor da esfera carregada.

Fig. 1.1.13 Observando as linhas de fora do campo eltrico da esfera carregada

>>> Anlise dos Resultados e Concluses >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. O que se pode concluir a respeito da direo assumida pelo fio em relao superfcie eao centro da esfera?O fio assume, para qualquer localizao ao redor da esfera (sem toc-la), sempre a configurao de uma linhareta, pois tende a se orientar paralelamente s linhas de fora do campo eltrico gerado pela esfera carregada.A direo do fio (e portanto das linhas de fora do campo) sempre perpendicular superfcie da esfera e tema direo do centro dela.

2. Como pode ser classificado o campo eltrico de acordo com a orientao observadaneste procedimento?Conforme se observa pelo direcionamento do fio de algodo as linhas de campo so radiais e pelo fato daesfera estar carregada negativamente estas linhas estariam, por conveno, entrando na esfera.

3. Pegar com a mo fiapos de algodo e aproxim-los da esfera do gerador, mantendo amo espalmada numa posio prxima. Descrever e justificar o que ocorre.Os fiapos ficam se movimentando entre a esfera e a mo (que faz o aterramento). Inicialmente ao seremaproximados so atrados pela esfera, por induo. Tocam a esfera recebem carga negativa e so repelidos.Voltam para a mo (terra), descarregam, so atrados novamente pela esfera e repete-se o fenmeno.

MANUAL DO ALUNO

5

4. Conectar na esfera o eletroscpio de folha (figura 1.1.14), ligar o gerador, observar, edescrever o comportamento das lminas de alumnio.As duas folhas do eletroscpio se repelem, pois estando em contato com a esfera ficam eletricamentecarregadas com cargas de mesmo sinal (negativas).

Fig. 1.1.14 Observando o comportamento do eletroscpio de folhas

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

Fig. 1.1.15 Observao do comportamento do torniquete

6. Ligar o gerador (usar uma velocidade mdia). Observar o que ocorre e explicar a causado movimento do torniquete.A esfera cede eltrons para o torniquete que possui hastes pontiagudas. As cargas tendem a escapar dotorniquete por essas extremidades (poder das pontas). O princpio da conservao do momento linear(quantidade de movimento) garante que as cargas saem com certa velocidade numa direo, e empurram ahaste do torniquete em sentido contrrio, e ele passa a girar.

7. Aproximar uma lmpada fluorescente da esfera do gerador eletrosttico emfuncionamento, segurando-a com uma mo. Justificar o que observado na lmpada.Entre o ponto da lmpada em contato com a mo (potencial zero) e a extremidade da lmpada prxima daesfera (potencial negativo) estabelece-se uma ddp que produz a descarga eltrica, fazendo com que a lmpadaacenda.

MANUAL DO ALUNO

6

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

9. Ligar o gerador observando o que acontece com os cabelos da pessoa. Explicar ofenmeno.O fenmeno o mesmo que ocorre com o eletroscpio de folhas. Os fios de cabelo se carregam negativamentee se repelem.

10. Ligar a esfera de prova conexo terra e fix-la no trip. Posicion-la a uma pequenadistncia (aproximadamente 4,0 cm da esfera do gerador).

11. Ligar o gerador e verificar a ocorrncia de descargas eltricas entre as duas esferas.

12. Aproximar da esfera (sem tocar) o suporte do torniquete (pino banana com hastepontiaguda), 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 Observao do funcionamento do para-raios.

14. O que acontece com a descarga eltrica? Explicar o que foi observado.A descarga eltrica entre as duas esferas deixa de ocorrer, pois as cargas encontraram um caminho maisfacilitado (as pontas ligadas terra) para deixar a esfera.

15. Com base no que foi observado no experimento, pesquisar na literatura apropriada eexplicar o funcionamento do para-raios.

raio chegue terra sem se deslocar pelo interior dos edifcios, evitando que sejam causados danos nesses locais.

O para-raios protege uma regio cnica cuja base possui um raio aproximado de 1,5 vezes a altura do cone.

MANUAL DO ALUNO

7

CONFIGURAO DAS LINHAS DE FORA DE CAMPOS ELTRICOS

OBJETIVO: Utilizar o gerador de Van de Graaff para configurar as linhas de fora do campo eltrico geradas por eletrodos de formas geomtricas diversas.

>>> Material Utilizado >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> - 1 retroprojetor. - 1 gerador Van der Graaff. - 2 cabos de ligao de 1 m. - 1 placa de Petri =100 mm. - 7 eletrodos de formas diversas. - 1 base de acrlico com bornes para eletrodos. - 1 frasco de leo de mamona. - 1 frasco de farinha de rosca.

Fig. 1.1.17 Montagem para obteno das linhas de fora de campo eltrico.

>>> Procedimentos Experimentais >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. Fixar dois eletrodos de prova nos bornes da placa de acrlico.

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 leo de rcino na cuba de vidro.

5. Conectar o borne de um dos eletrodos na parte superior da esfera e o outro, naconexo de fio terra prximo s polias inferiores.

6. Espalhar sobre o leo um pouco de farinha de rosca.

7. Ligar o retroprojetor focalizando os acessrios e as partculas espalhadas sobre o leo dercino.

MANUAL DO ALUNO

8

>>> Anlise dos Resultados e Concluses >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

1. Ligar o gerador eletrosttico e regular para uma velocidade de mdia rotao (noutilizar em rotaes muito baixas e nem muito altas).

2. Observar o espectro que apresenta o campo eltrico que ir aparecer entre os doiseletrodos, cuja configurao se materializar pela distribuio das partculas. Qual adireo das linhas de fora em relao superfcie de cada eletrodo?So sempre perpendiculares superfcie de cada um dos condutores.

3. Fazer um esboo da configurao das linhas de fora para o par de eletrodos usado.

4. Repetir os mesmos procedimentos utilizando outros pares de eletrodos conforme osmodelos sugeridos a seguir.

Fig. 1.1.18 Linhas de fora de campo eltrico com eletrodos variados.