Elestrostática e Gerador de Van de Graaff

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(falta de elétrons) ficam em uma superfície muito menor do que as cargas negativas (excesso de elétrons) que migraram para a correia de borracha. Portanto, há uma maior concentração de cargas no rolete, que fica fortemente positivo enquanto a correia fica ligeiramente negativa.

Figura 1: Eletrização por atrito da polia com a correia.

Como existe uma escova metálica próximo de onde a correia passa pelo cilindro, ocorre que as cargas positivas da polia atraem a nuvem eletrônica do metal, mas sem arrancar nenhum elétron, apenas ocorre a indução eletrostática na qual há a separação de cargas de sinais opostos. Com isso, como a ponta da escova é muito pequena, ela adquire um densidade eletrônica muito alta que acaba afetando o ar (poder das pontas), ocorrendo a ionização das moléculas do ar (efeito corona), que tem seus elétrons arrancados originando íons positivos. Esse novo material é chamado de plasma, no caso, é uma massa de ar condutora próxima da escova metálica.

Então os íons positivos do ar colidem com as pontas da escova roubando seus elétrons (que são constantemente substituídos por outros elétrons provenientes da terra, deixando a escova neutra). E enquanto isso também ocorre que os elétrons arrancados do ar colidem com as moléculas de ar neutras, tornando-as negativas. Globalmente, pode-se dizer que as cargas elétricas da escova saem em direção a polia fortemente positivo e o ar funciona como uma ponte condutora. Porém, antes de chegar até a polia as cargas negativas colidem com a correia e se depositam na superfície externa da mesma e então os elétrons são transportados para cima pela própria correia até a esfera de alumínio polido. Percebe-se que as cargas permaneceram depositadas na correia e na polia durante todo esse processo, e isso ocorreu porque ambas são feitas de material isolante – então não permitem a passagem de cargas, pois os elétrons ficam fortemente ligados ao núcleo quando se trata de materiais isolantes, não permitindo a fuga dos mesmos.

Figura 2: Indução na escova seguida de eletrização por condução na correia forçada pela polia eletrizada.

Em seguida a correia se encontrará com a polia e escova metálica superiores. A própria correia negativamente carregada repele os elétrons da ponta da escova metálica para longe das pontas, que ficam então com carga positiva. Como não há contato entre a escova e a correia, é possível imaginar que também haja ar ionizado atuando como ponte para a passagem dos elétrons. O que ioniza o ar novamente é devido ao poder das pontas, dessa vez, positivamente carregadas resultando em um “vento elétrico” positivo (relembrando que no processo anterior era negativo) que absorve as cargas da correia. Já a escova metálica está conectada internamente ao terminal esférico de gerador de Van de Graaff, os elétrons anteriormente repelidos se deslocam para a superfície externa da esfera. Globalmente falando, é como se a carga da correia passasse para a esfera.

Por fim, o processo termina com a correia descendo parcialmente neutra e se encontrando com uma terceira escova de altura média que remove a carga residual deixando a correia neutra antes de passar pelo rolete inferior para que o ciclo possa recomeçar. Resumidamente, todo esse processo ocorre com o objetivo de armazenar cargas elétricas no terminal esférico do gerador e com isso geral alta tensão (cerca de 100 000 volts), ou seja, apesar do nome “gerador” ele não gera cargas elétricas, apenas as armazena e elas são provenientes de todo o processo explicado acima.

Após observar o gerador funcionando, o primeiro teste realizado foi que ao aproximar uma esfera metálica auxiliar da cúpula do gerador houve uma descarga elétrica, e ao aterrar a esfera, a descarga elétrica observada foi mais luminosa. Isso ocorre porque as cargas elétricas, ou seja, os elétron, tendem a se deslocar de um ponto de maior potencial (gerador) para um de menor potencial (esfera metálica auxiliar), sendo que a Terra possui potencial zero, por isso a descarga observada foi maior. Além da lógica, pode-se comprovar isso pensando na fórmula para o potencial que diz que é proporcional a carga e a resistência, então quanto menor a resistência elétrica (a da Terra é considerada nula) maior a corrente transportada.

O corpo humano também é um excelente condutor e considerando que a distância máxima que a mão de um experimentador pode ficar do gerador para que ocorra a descarga elétrica é de 4 centímetros, é possível calcular a diferença de potencial entre a mão e o gerador utilizando a fórmula ∆V=E×∆d. O resultado é que existe teoricamente uma diferença de potencial de 60 000 volts considerando a rigidez dielétrica do ar como 1,5.106 V/m.

Os próximos experimentos envolveram a distribuição de cargas em superfícies condutoras, que serão analisados abaixo:

Após carregar a esfera sem buraco, tocou-se com a varinha metálica em dois pontos distintos, e obteve-se aproximadamente a mesma tensão registrada no electrometer. Na esfera com o buraco também foi registrada a mesma tensão em dois pontos externos distintos, porém a diferença de potencial foi ligeiramente maior. Já na superfície não esférica, observou-se que a tensão era maior no lado mais fino do que no mais largo.

Pode-se então concluir que a distribuição de cargas nas esferas é uniforme e que a carga na superfície não metálica fica concentrada na parte mais fina, ou seja, há uma maior densidade superficial de cargas elétricas nas pontas devido a menor área ocupada pelos elétrons. Além disso, como a esfera com o buraco possuía menor área superficial que a sem o buraco, houve uma maior concentração das cargas elétricas depositadas.

CONCLUSÃO

No presente experimento foi possível analisar os princípios da eletrostática que estuda o comportamento e as propriedades das cargas, que geralmente estão em repouso. Por exemplo ao utilizar o Gerador de Van de Graff e estudar seus mecanismos foi possível aprofundar os estudos de diferentes tipos de eletrização, entre elas por atrito, no caso da polia de acrílico que cede elétrons para a correia de borracha, eletrização por indução, quando a polia induz a carga da escova metálica e a eletrização