Gerador de Van de Graaff

...

No entanto, este equilíbrio pode ser desfeito. Isto é possível a partir de um processo chamado de Eletrização, que pode ocorrer de três maneiras: atrito, contato e indução. Para reproduzir estes processos é utilizado um equipamento chamado Gerador de Van de Graaff ou gerador eletrostático de correia.

[pic 2]

FIGURA 1: Composição do Gerador de Van de Graaff

1.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo do experimento realizado é visualizar a existência das linhas de força através do campo elétrico causado pela produção de uma tensão com um gerador de Van de Graaf, interpretando os efeitos do campo elétrico produzido pelo acúmulo de cargas em uma esfera oca metálica.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 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 (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.

[pic 3]

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 (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 (Milivolt).

2.2 Potencial elétrico – É a capacidade que um corpo energizado tem de 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. Ele pode ser calculado pela expressão:

[pic 4].

A unidade no SI é J/C = V (volt)

Portanto, quando se fala que o potencial elétrico de um ponto L é VL = 10 V, entende-se que este ponto consegue dotar de10J de energia cada unidade de carga de 1C. Se a carga elétrica for 3C por exemplo, ela será dotada de uma energia de 30J, obedecendo à proporção. Vale lembrar que é preciso adotar um referencial para tal potencial elétrico. Ele é uma região que se encontra muito distante da carga, teoricamente localizado no infinito.

2.3 Campo elétrico - Os efeitos elétricos que ocorrem nas proximidades de cargas elétricas são associados à existência de um campo elétrico no local, este interage com a carga de prova. Um exemplo típico é a interação do cabelo de uma pessoa com a tela de uma televisão convencional, pois as cargas elétricas da televisão interagem com os cabelos deixando-os eriçados. É importante perceber que um campo elétrico só pode ser detectado a partir da interação do mesmo com uma carga de prova, se não existir interação com a carga significa que o campo não existe naquele local.

[pic 5]

Campo elétrico é um vetor assim vamos estudar a direção sentido e intensidade do campo.

Quando o campo elétrico é criado em uma carga positiva ele, por convenção, terá um sentido de afastamento. Quando o campo elétrico é criado em uma carga negativa ele, por convenção, terá um sentido de aproximação.

[pic 6] [pic 7]

Que fique claro que o sentido do campo elétrico depende exclusivamente do sinal da carga elétrica.

A intensidade de um campo elétrico E, sempre considerando a carga de prova puntiforme, pela formula: [pic 8], assim voltando para a definição de campo podemos dizer que ele dependerá diretamente a força elétrica entre as cargas e inversamente à carga de prova.

Unidades de campo elétrico.

[pic 9]

Partindo de que:

[pic 10] e que [pic 11] , após alguns cálculos chegamos que :

[pic 12]

sendo que q2 é a carga que gera o campo elétrico, d a distância entre as cargas e k a constante elétrica do meio ( 9,0 . 109 unidades do SI).

Quando o campo elétrico é criado em uma carga negativa ele, por convenção, terá um sentido de aproximação.

2.4 Rigidez dielétrica – A maior intensidade do campo elétrico que é aplicada sobre o material isolante, tornando-o condutor, é chamada de rigidez dielétrica, e ela varia de material para material, pois alguns se mantêm isolantes com um determinado valor de campo elétrico e outros se transformam em condutores com a mesma intensidade de campo. A rigidez dielétrica de certo material tem um valor limite de campo elétrico aplicado sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.

2.5 Força elétrica – A equação da força elétrica foi descoberta pelo físico francês Charles Augustin de Coulomb, no fim do século XVIII. Utilizando uma balança de torção, formulou a Lei da Força Elétrica, conhecida como Lei de Coulomb.

A equação formulada é a responsável pelo