Relatório Gerador de Van Der Graff

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GERADOR DE VAN DER GRAAFF
GENERATOR OF VAN DER GRAAFF
Ericson Santana de Assis*[1: * Ericson Santana de Assis – ericson.santana@gmail.com ]
Hagace Estevão silva de Castro*[2: * Hagace Estevão silva de Castro – hagace.estevao@gmail.com]
Kamilly Herzog Adamkosky*[3: * Kamilly Herzog Adamkosky – adamkosky@hotmail.com.]
Juliana Pinto**[4: **Juliana Pinto – julinop1988@gamil.com]
Resumo: Este trabalho é objeto de avaliação da atividade prática experimental da disciplina de Física III para o ensino do programa de graduação em Engenharia da Universidade Estácio de Sá - Campus Vitória/ES. O presente artigo tem como objetivo utilizar o gerador eletrostático de Van Der Graaff como ferramenta pedagógica no estudo da eletrostática propiciando o entendimento dos conceitos próprios dessa temática, tais como: carga elétrica, processos de eletrização, condutores e isolantes, força elétrica, campo elétrico, energia potencial elétrica, potencial elétrico e rigidez elétrica. Com a realização da experimentação, foi possível observar visualmente as reações e os aspectos decorrentes do processo de eletrização na cúpula metálica do gerador e verificar os efeitos provocados nos corpos que se aproximam ou tocam a cúpula do gerador.
Palavras-chave: Eletrostática, Gerador de Van Der Graaff, ensino de Física, atividade experimental.
Abstract: Thais work is object of evaluation of the practical experimental activity of the discipline of Physics III for the teaching of the degree program in Engineering of the University Estácio de Sá - Campus Vitória / ES. The purpose of this article is to use the Van Der Graaff electrostatic generator as a pedagogical tool in the study of electrostatics, providing an understanding of the concepts of this subject, such as: electric charge, electrical processes, conductors and insulators, electric force, electric potential, electric potential, electric stiffness and tip power. With the experimentation, it was possible to visually observe the reactions and aspects resulting from the process of electrification in the metallic dome of the generator and to verify the effects caused in the bodies that approach or touch the dome of the generator.
Keywords: Electrostatics, Van Der Graaff generator, Physics teaching, experimental activity.
1. INTRODUÇÃO 
Os átomos da matéria são formados de uma grande quantidade de partículas. Dentre elas as mais conhecidas são o próton (carga positiva), o elétron (carga negativa) e o nêutron (carga nula). Diz – se que, quando o número de prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro. Pode-se estender este raciocínio à matéria em geral. Esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático.
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 Der Graaff ou gerador eletrostático, que é uma máquina que utiliza uma correia móvel para acumular tensão eletrostática muito alta na cavidade de uma esfera de metal, deixando-a eletricamente carregada e capaz de gerar altas tensões elétricas ao seu redor. As cargas elétricas acumuladas na esfera metálica criam um campo elétrico.
As características do campo elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo do 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. A intensidade do campo elétrico se define como a força que 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. Diz-se, portanto, que as cargas positivas são geradoras de campos magnéticos e as negativas, de sistemas de absorção ou sumidouros.
2. fundamentação teórica
Em alguns trabalhos de pesquisa no campo da Física Moderna torne-se necessária a utilização de voltagens muito elevadas, cujos valores chegarão, a atingir alguns milhões de volts. As altas vantagens são usadas para acelerar partículas atômicas eletrizadas (prótons, elétrons, íons etc.), fazendo com que elas adquiriram grandes velocidades. Estas partículas são, então, lançadas contra os núcleos atômicos de diversos elementos, provocando reações nucleares que são estudadas pelos físicos. 
Um dispositivo que permite obter voltagens muito elevadas para serem usadas nas experiências mencionadas é o gerador de Van Der Graaff. O nome deste aparelho é uma homenagem ao físico americano Robert Van Der Graaff que idealizou e construiu o primeiro gerador deste tipo em 1930.
O principio de funcionamento do gerador de Van Der Graaff consiste em, se um corpo metálico, eletrizado, for colocado em contato com outro corpo, também metálico, inicialmente descarregado, haverá transferência de apenas parte da carga de um para outro. A transferência de carga é parcial porque ela será interrompida quando os potenciais dos dois corpos se igualarem. 
Quando um corpo metálico eletrizado é colocado em contato interno com outro, toda sua carga é transferida para este outro. O fato de a carga elétrica se transferir integralmente de um corpo para outro, quando há contato, constitui o principio básico de funcionamento de gerador de Van Der Graaff.
Este aparelho é constituído por uma correia que passa por duas polias, uma dela acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se no interior de uma esfera metálica oca, que está apoiada em duas colunas isolantes.
 Figura 1 – Geradador de Van Der Graaff 
 Fonte: http://eletricidadejaborandi.blogspot.com (2008).
Enquanto a correia de movimenta, ela recebe carga elétrica por meio de uma ponta ligada a uma fonte de alta tensão (cerca de 10 000V). Esta carga é transportada pela correia para o interior da esfera metálica. Uma ponta ligada a esfera recolhe a carga transportada pela correia. Em virtude do contato interno, esta carga se transfere integralmente para a superfície externa da esfera do gerador.
Como as cargas são transportadas continuamente pela correia, elas vão se acumulando na esfera, até que a rigidez dielétrica do ar seja atingida. Nos geradores de Van Der Graaff usados em trabalhos científicos, o diâmetro da esfera pode ser de alguns metros e a altura do aparelho atinge ás vezes, 1,5m. Nestas condições, é possível obter voltagens de até 10 milhões de volts. Observe que a voltagem obtida no aparelho é cerca de mil vezes maior do que a voltagem fornecida pela fonte que alimenta a correia do gerador.
2.1 – CARGA ELÉTRICA
A carga elétrica é uma propriedade intrínseca (própria) das partículas fundamentais da matéria, como prótons e elétrons, assim como a massa. Corpos eletricamente neutros apresentam a mesma quantidade de cargas elétricas positivas e negativas. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o Coulomb (C).
Os prótons e elétrons apresentam exatamente esse valor de carga elétrica, cerca de 1,6.10-19 C. Portanto, quando um corpo está eletricamente carregado, sua carga é um múltiplo inteiro da carga fundamental, uma vez que a eletrização ocorre a partir da adição ou remoção de elétrons, visto que os prótons encontram-se ligados no interior dos núcleos atômicos. 
Legenda:
Q – Módulo da carga elétrica (C – Coulombs)
n – Número de elétrons em falta ou em excesso
e – Carga fundamental (1,6.10-19 C)
2.2 – ELETRIZAÇÃO
Eletrização é todo processo capaz de gerar uma diferença entre o número de cargas positivas e negativas de um corpo. Quando um corpo apresenta o mesmo número de cargas positivas e negativas, dizemos que ele está neutro; se esses números forem diferentes, dizemos que ele está eletrizado.
Existem basicamente três processos de eletrização: a eletrização por contato, por atrito e por indução:A eletrização por contato envolve dois corpos condutores, e pelo menos um deles deve estar eletricamente carregado. Quando os dois corpos entram em contato, as suas cargas elétricas dividem-se até que os dois estejam sob o mesmo potencial elétrico. Ao final do processo, os corpos apresentam o mesmo sinal de cargas.
A eletrização por atrito envolve o fornecimento de energia para dois corpos por meio da fricção entre eles. Durante a fricção (atrito), alguns elétrons são arrancados de um dos corpos, sendo capturados em seguida pelo outro corpo. Para tanto, é necessário verificar a afinidade desses dois corpos nesse tipo de eletrização em uma consulta à série triboelétrica.
A eletrização por indução ocorre pela aproximação relativa entre um corpo eletricamente carregado, chamado de indutor, e um corpo condutor, chamado de induzido. A presença do indutor gera uma separação de cargas no corpo induzido, chamada de polarização. A partir dessa separação, aterra-se o induzido no chão, fazendo com que suas cargas fluam através de um fio terra.
2.3 – FORÇA ELÉTRICA
Dois corpos eletricamente carregados podem exercer atração ou repulsão entre si de acordo com o seu sinal de carga. Corpos com cargas elétricas de sinais iguais repelem-se, e corpos cujas cargas elétricas possuem sinais contrários atraem-se, como mostra a figura a seguir:
 Figura 2 – Cargas de sinal repelem-se, e cargas de sinal opostos atraem-se.
 Fonte: https://brasilescola.uol.com.br (2019).
A lei que nos permite calcular o módulo da força elétrica exercida entre duas cargas é a Lei de Coulomb, apresentada pela expressão a seguir:
Legenda:
F – Força elétrica (N - Newtons)
k0 – Constante eletrostática do vácuo (k0 = 9,0.109 N.m²/C²)
q1, q2 – Cargas elétricas 1 e 2 (C – Coulombs)
d – Distância entre as cargas 1 e 2 (m)
2.4 – CAMPO ELÉTRICO 
Campo elétrico é uma grandeza física vetorial que mede o módulo da força elétrica exercida sobre cada unidade de carga elétrica colocada em uma região do espaço sobre a influência de uma carga geradora de campo elétrico.
Em outras palavras, o campo elétrico mede a influência que certa carga produz em seus arredores. Quanto mais próximas estiverem duas cargas, maior será a força elétrica entre elas por causa do módulo do campo elétrico naquela região.
Para calcularmos o campo elétrico produzido por cargas pontuais (cujas dimensões são desprezíveis), dispostas no vácuo, podemos utilizar a seguinte equação:
Legenda:
E – módulo do campo elétrico [N/C ou V/M]
k0 – Constante eletrostática do vácuo [k0 = 8,99.109 N.m²/C²]
Q – Carga geradora do campo elétrico [C – Coulombs]
d – Distância do ponto até a carga geradora [m – metro]
O que caracteriza a natureza conservativa de um campo elétrico é a existência de um potencial associado a cada ponto do campo, de tal maneira que o trabalho que deve ser realizado para deslocar um corpo de prova entre dois pontos do campo depende exclusivamente da posição relativa entre esses dois pontos.
Sendo assim, dizemos que um campo elétrico estático é conservativo, pois, não importa que caminho um objeto com carga percorra no campo, se a carga retorna ao seu ponto inicial, o valor líquido do trabalho é zero.
2.4.1 Linhas de Força
Michael Faraday, grande físico do século XIX, achou conveniente representar os campos elétricos através de linhas de força, cuja construção é bastante simples. 
As linhas de força são um conjunto de linhas imaginárias, dispostas de tal forma que a força que atua sobre uma carga de prova positiva em qualquer ponto do espaço é tangente à linha naquele ponto, conforme a figura 2:Varia, em função da abordagem do tema.
 Figura 2 – Linhas de força são tangentes à trajetória da carga
 Fonte: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br (2019).
Linhas de força em virtude de uma carga pontual
As linhas de força são linhas retas que partem da posição da carga em todas as direções, como mostra a figura abaixo:
 Figura 3 – Linhas de força “saem” das cargas positivas e “entram” nas cargas de sinal negativo.
 Fonte: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br (2019)
Linhas de força produzidas por um par de cargas
Quando o campo for produzido por mais de uma carga, as linhas de força tomam sentido como mostra a figura abaixo, na qual podemos ver a situação de duas cargas colocadas próximas uma à outra. As linhas de força sempre partem das cargas positivas e chegam às cargas negativas como mostra a figura abaixo:
 
Figura 4 – Linhas de força produzidas por um par de cargas.
 Fonte: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br (2019).
A partir da trajetória dessas cargas, traçam-se linhas que são denominadas linhas de força, que têm as seguintes propriedades:
As linhas de força são sempre abertas, ou seja, não se fecham sobre si. Elas sempre “saem” das cargas positivas e “entram” nas cargas de sinal negativo;
 As linhas de força nunca podem começar e terminar na mesma carga elétrica;
Se o campo elétrico local for nulo, não haverá linhas de força na região.
3. METODOLOGIA
A atividade elaborada foi aplicada no laboratório de Física, tendo como público alvo os estudantes do 4º período do ensino de graduação do curso de engenharia. A realização dos experimentos foi ministrada pela professora da disciplina que acompanhou e auxiliou toda a atividade.
A proposta metodológica foi desenvolvida em duas etapas, a aula experimental e a pós-experimental.
Primeira etapa - A execução da atividade experimental foi realizada em grupos possibilitando a cooperação, socialização e diálogo entre os alunos em cada grupo. Nesta etapa foi manuseado o equipamento de Van Der Graaff para demonstrar os fenômenos eletrostáticos e possibilitar o melhor entendimento do conhecimento físico teórico trabalhado em sala de aula.
Segunda etapa - A conclusão, destinada para discussão dos resultados obtidos na atividade experimental, e a avaliação dos alunos sobre os resultados do experimento proposto.
3.1 – Descrição dos procedimentos
3.1.1 – Experimento 1: O princípio do funcionamento do eletroscópio de folhas e a distribuição de cargas em um condutor.
3.1.1.1 – Materiais utilizados:
01 gerador eletrostático;
01 eletrodo com gancho e lâmina de alumínio 10mm x 180 mm(dobrada ao meio);
01 esfera auxiliar;
01 cuba cilíndrica;
01 conexão elétrica preta com pinos de pressão;
01 conexão elétrica vermelha com pinos de pressão;
01 frasco de pó de caulim (para evitar o travamento da correia);
01 lâmina de alumínio 10mm x 50mm;
01 fita adesiva;
30 ml (um frasco) de óleo de rícino.
3.1.1.2 – Montagem e execução da atividade:
Este experimento foi realizado em três etapas a seguir:
Primeira etapa: Inicialmente a esfera é colocada no gerador e fixada ao seu topo o eletrodo com gancho e lâmina de alumínio conforme ilustrado na figura abaixo:
 Figura 5 – Configuração de montagem da 1ª etapa
 	 Fonte: Roteiro 1 (2019).
Liga-se o gerador eletrostático por alguns instantes e percebe-se então, que as folhas laminadas se repelem. Em seguida, desliga-se o gerador e observa-se que as folhas se juntam novamente. 
Segunda etapa: Aproxima-se a esfera auxiliar na esfera do gerador e observa-se que as folhas laminadas se repelem. E quando se afasta o bastão elas novamente tornam-se juntar.
Terceira etapa: A esfera é removida do gerador e apoiada sobre a cuba cilíndrica e mantida a conexão elétrica entre eles. Fixa-se uma tira de alumínio na parte interna (1) e uma tira de alumínio na parte externa (2) à esfera conforme ilustrado nas figuras a seguir:
Figura 6 – Configuração de montagem da 2ª etapa Figura 7 – Fixação das tiras de alumínio.
 Fonte: Roteiro 1 (2019). Fonte: Roteiro 1 (2019)
.Liga-seo gerador eletrostático por alguns instantes e percebe-se que somente a tira laminada externa fica eriçada, nada ocorre com a tira fixada internamente à esfera.
3.1.2 – Experimento 2: A descarga em gases sob pressão atmosférica.
3.1.1.2 – Materiais utilizados:
01 gerador eletrostático de correia com cabo de três pinos e aterramento;
01 esfera auxiliar de descarga;
01 conexão elétrica preta com pinos de pressão;
01 cabo de força;
01 frasco de pó de caulim (para evitar o travamento da correia);
3.1.1.2 – Montagem e execução da atividade:
uas esferas metálicas, imersas no ar atmosférico, serão 
submetidas a uma diferença de potencial na ordem de 240.000 volts. Estas esferas, 
denominadas eletrodos, serão conectadas ao gerador eletrostático e afastadas entre si 
a distâncias variadas.
uas esferas metálicas, imersas no ar atmosférico, serão 
submetidas a uma diferença de potencial na ordem de 240.000 volts. Estas esferas, 
denominadas eletrodos, serão conectadas ao gerador eletrostático e afastadas entre si 
a distâncias variadas.
as esferas metálicas, imersas no ar atmosférico, serão 
submetidas a uma diferença de potencial na ordem de 240.000 volts. Estas esferas, 
denominadas eletrodos, serão conectadas ao gerador eletrostático e afastadas entre si 
a distâncias variadas.
Para realização desse experimento, a esfera é colocada no topo do aparelho e realizada a conexão elétrica entre o gerador eletrostático e a esfera auxiliar conforme ilustrado na figura a seguir:
Figura 8 – Configuração de montagem do gerador.
 Fonte: Roteiro 1 (2019).
Liga-se gerador eletrostático por alguns instantes, ajustando a velocidade para a aceleração máxima e regulando as plaquetas móveis sobre a correia de borracha, para aumentar o atrito, sem que haja interrupção do movimento. Em seguida, aproxima-se a esfera auxiliar na cuba cilíndrica do gerador e percebe-se a manifestação de uma faísca azulada acompanhada por um ruído entre as duas esferas.
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS DADOS
Neste tópico são discutidos os resultados obtidos através dos experimentos realizados envolvendo o uso do gerador eletrostático de Van Der Graaff. São apresentados os fundamentos físicos relacionados ao conteúdo da eletrostática permitindo aos alunos avaliar e compreender o estudo no âmbito teórico e experimental.
A atividade experimental I trata-se dos efeitos produzidos pelo gerador eletrostático nas tiras laminadas fixadas na esfera metálica. Na primeira e segunda etapa do experimento, pode-se constatar um movimento de repulsão das tiras laminadas quando o gerador está em funcionamento e aproxima-se a esfera auxiliar na esfera do gerador. Esse comportamento ocorre quando dois corpos estão com cargas de mesmo sinal. O movimento de repulsão das tiras se seu porque nelas foram aplicadas cargas de mesmo sinal, pela forma de eletrização por contato. Ao desligar o aparelho ou afastar a esfera auxiliar da esfera do gerador, as tiras juntam-se novamente, pois as cargas se redistribuem voltando às posições anteriores. 
Na terceira etapa do experimento I, quando a esfera é removida do gerador e apoiada sobre uma cuba cilíndrica e nela fixadas tiras laminadas, uma na parte externa e outra na parte interna, observa-se que somente a tira laminada fixada da parte externa da esfera saiu de sua condição normal, tendo como motivo a geração de campo na superfície da esfera, tendendo a movimentar-se na direção radial da esfera. Essa eletrização por contato gera uma transferência parcial de carga devido à diferença de potencial existente entre os polos. Quanto à tira fixada internamente à esfera não se moveu, devido ao fato de não existir campo elétrico dentro de um condutor, referenciando a Lei de Gauss que diz que se uma carga em excesso é introduzida em um condutor, a carga se concentra na superfície do condutor, o interior continua a ser neutro.
Para a realização da atividade experimental II que se trata da descarga em gases sobre pressão atmosférica, observa-se que quando o gerador eletrostático de Van Der Graaff está em funcionamento e o bastão auxiliar de descarga aproxima-se da esfera do aparelho percebe-se a ocorrência de uma faísca azulada acompanhada por um ruído entre eles. Isso ocorre porque há uma transferência visível de elétrons de um corpo para outro, denominada descarga elétrica. A formação dessa descarga elétrica atmosférica ocorre por que a rigidez dielétrica é rompida, e o ar passa de isolante para condutor devido à ionização das moléculas. O ruído gerado pela aproximação do bastão e da esfera é consequência da dilatação do ar que produz ondas sonoras o mesmo principio que dá origem aos trovões e o clarão dos relâmpagos, 
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
De acordo com o objetivo proposto e a partir dos resultados e discussões obtidas com a realização das experimentações, podemos concluir que o gerador eletrostático de Van Der Graaff funciona através da geração de cargas eletrostáticas que se acumulam numa esfera condutora capaz de produzir alta tensão. Esse processo ocorre por meio do contato entre os componentes do próprio gerador e pelo Efeito Corona em relação às partículas de ar ionizadas.
Ao longo da prática laboratorial, foi possível observar com clareza as reações e os aspectos decorrentes dos fenômenos eletrostáticos e verificar os efeitos do campo elétrico produzido pelo acúmulo de cargas na esfera metálica do gerador e analisar o comportamento dos materiais que se aproximam ou tocam essa esfera.
Além disso, o uso do gerador de Van Der Graaff como instrumento pedagógico apresentou bons resultados para compreensão dos princípios fundamentais da disciplina de eletrostática possibilitando aos alunos o melhor entendimento dos fenômenos envolvidos.
6. REFERÊNCIAS
HELERBROCK, Rafael. "Eletrostática"; Brasil Escola. Disponível em https://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-eletrostatica.htm. Acesso em 08 de março de 2019.
http://aspecatohistoricodafisica.blogspot.com/2018/02/o-gerador-de-van-de-graaff.html. Acesso em 15/03/2019
http://efisica.if.usp.br/moderna/conducao-gas/cap1_06/. Acesso em 15/03/2019
http://fisicaeletro.blogspot.com/2011/06/experimentos-propostos-referentes.html. Acesso em 19 de abril de 2019.
http://pir2.forumeiros.com/t8262-campo-eletrico-e-conservativo-porque#22493. Acesso em 08 de março de 2019.
http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Campo%20el%C3%A9trico.htm. Acesso em 15/03/2019
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/campo-eletrico.htm. Acesso em 08 de março de 2019.
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/linhas-forca.htm. Acesso em 08 de março de 2019.
https://pt.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-electrostatics/ee-fields-potential-voltage/a/ee-electric-potential-voltage. Acesso em 08 de março de 2019.
https://pt.slideshare.net/mhbgol/unidade-i-fsica-13. Acesso em 19 de abril de 2019.
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