Gerador Eletrostático de Van de Graaff - Feira de Ciências ..

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Gerador eletrosttico de Van de GraaffProf. Luiz Ferraz Netto

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Apresentao | Segurana no uso do gerador | Teoria Bsica |Projeto Bsico | Motor | Cilindros ou Roletes | Coluna de apoio | Correia |Escovas | Cpula de descarga | Montagem do GVDG | Pondo funcionar

ApresentaoO gerador eletrosttico de Van de Graaff no sofreu alteraes radicais desde que foi construdo eapresentado por Robert Jamison Van de Graaff, no incio de 1931.

Seu layout bsico consiste em:1. um domo ou cpula de descarga;2. uma coluna de apoio;3. dois roletes (superior e inferior);4. dois pentes metlicos (superior e inferior);5. uma correia transportadora; e6. uma base para alojar o motor eltrico, fixar acoluna e o pente inferior.

A descrio que damos a seguir prende-se ao fatode que mesmo um pequeno gerador (construdocom razoveis cuidados) dever prover, numa Feirade Cincias ou em salas de aula, horas deentretenimento e proveitosas experinciascomplementares.

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Segurana no GVDG.Faas e No-Faas!

Antes de entrarmos nos detalhes e nas descries, apresentaremos alguns faas e no-faas que foramdores de cabea durante as construes de vrios geradores de Van de Graaff.

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GERADOR ELETROSTTICO DE VAN DE GRAAFF - FEIRA DE ... http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp

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Alguns podero parecer bvios, outros no. Em todo caso, vale a pena cit-los.

1. Quando trabalhamos com eletricidade esttica, devemos ter sempre em mente que as pontas e oscantos afiados, devido ao poder das pontas (clique no texto em destaque para saber mais sobre isso),agiro como pontos de descarga e sangraro a carga eltrica do domo de descarga, dando assim aimpresso de que o GVDG no est funcionando.

Uma vez que um GVDG trabalha no princpio de tenses muito altas e correntes muito baixas, pode sercomparado a um revlver de esguichar gua. Um esguicho de seringa fornece uma quantia muitopequena de gua, porm, sob alta presso, suficiente para fazer a gua percorrer uma grande distncia.Se um vazamento pequeno (um furinho) ocorrer na seringa que esguicha (equivalente a um canto vivo,afiado, em um GVDG), a gua no ir mais to longe. Assim, sempre que possvel, todas asextremidades afiadas devem ser arredondadas, curvadas para dentro ou cobertas. devido a esse poderdas pontas que daremos preferncia s cpulas arredondadas e com a gola (contorno do furo feito nacpula) voltada para dentro. Voltaremos a falar dessa gola.Essas so as causas observadas em geradores cujas fascas vo at a base --- h cabeas de parafusosexpostas.

2. Todos os tipos de substncias estranhas podem causar contaminaes (sujeira, graxa, sabes,limpadores, poeira etc.) e so causas suficientes para que um gerador possa deixar de funcionar. Certavez, presenciamos a coluna de apoio de um gerador (supostamente limpa) brilhar como fogo vivo deeletricidade esttica, enquanto o domo de descarga permanecia inativo. Se algumas partes precisam delimpeza, use componentes que realmente retirem toda a sujeira. A soluo de amnia e gua constituium bom produto para limpeza (e sai barato tambm...).3. Se seu GVDG no est funcionando a contento, a causa pode ser a seguinte: certos materiais queparecem ser bons isolantes eltricos, freqentemente no o so. Com os nveis de tenses produzidas,at mesmo em pequenos geradores, muitos desses materiais (habitualmente tratados como isolantes)conduziro eletricidade. Um isolante para os corriqueiros 110 V torna-se um condutor sob tenso de20000 V ou mais!

4. Finalizamos esse faa e no-faa alertando-o sobre o carbono (grafite, carvo). O carvo das escovas,muito utilizado em pequenos motores eltricos, pode servir como meio para transferir eletricidade estticado domo para a base do aparelho.

Enquanto o motor funciona, a escova se desgasta e seu p lanado para fora atravs das aberturas domotor, empurrado pela ventoinha de refrigerao. P de carbono quase invisvel e, quando depositadosobre superfcies, at mesmo em pequenas quantias, pode criar um filme bom condutor de eletricidade.

Esse filme pode fazer um GVDG parar de funcionar. Carbono tambm usado em plsticos e borrachas.Negro de fumo freqentemente acrescentado para tornar a borracha mais resistente ao oznio e deteriorao ele confere borracha sua cor preta e impede seu GVDG de funcionar. Carbonotambm usado em muitos plsticos, pelas mesmas razes.

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Teoria BsicaQuando algum menciona um Van de Graaff, a primeira coisa em que as pessoas pensam, freqentemente, o efeito deeriar os cabelos. Embora isso no deixe de ser um experimento notvel e atrativo, h outros experimentos diferentes,muitos deles at mais atrativos e esclarecedores, que podem ser feitos com a eletricidade esttica.Antes dessa fase de experimentos, apresentaremos, neste artigo, as estruturas dos dois modelos bsicos dosgeradores de Van de Graaff (GVDG).Daremos maior nfase ao primeiro, que o tipo auto-excitado, por ser ele o mais comum e, com certeza, aquele em queas pessoas pensam quando um GVDG mencionado.

O gerador auto-excitado trabalha segundo princpios do efeito triboeltrico. Esse termo refere-se aofenmeno que ocorre quando dois materiais diferentes esto bem juntos e ento so puxados para quese separem.

Todos ns j experimentamos esse efeito alguma vez. O melhor exemplo, um pelo qual a maioria


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certamente j passou (especialmente em um dia seco e quente), o que ocorre quando estamoscaminhando sobre um piso atapetado e a seguir tocamos na maaneta da porta ou em outro objetometlico; ouvimos e sentimos uma pequena fasca saltar de nossos dedos. comum ouvirmos essascrepitaes ao tirarmos um vesturio de l. Assim como os sapatos so afastados do piso atapetado, asroupas puxadas para longe de outras roupas, todos os demais materiais diferentes, quando separados,experimentam uma migrao de eltrons de um para outro, tornando-se ambos eletrizados. Esse oresultado do efeito triboeltrico --- a eletrizao que ocorre ao separarmos materiais diferentes que estobem juntos.O segundo tipo de gerador o sistema bombeado, borrifado ou ainda externamente excitado. Uma fontede alimentao de alta tenso deposita eltrons na correia mvel. Esses eltrons so transportados at odomo de descarga. A forma fsica bsica desses dois tipos so quase idnticas. Porm, no incluiremosmuitas explicaes ou desenhos para se construir esse tipo, porque a fonte de tenso requerida caraou de difcil montagem para os alunos. Alm disso, so fontes perigosas para um manuseio por pessoasinexperientes. No entanto, para quem "mexe" com eletrnica, como o amigo Newton C. Braga, porexemplo, diretor tcnico da revista Saber Eletrnica, essas fontes so brinquedinhos de expelir eltrons!

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Projeto Bsico possvel construir um pequeno gerador com mnimas despesas, uma vez que suas partes podem serobtidas no comrcio ou podem ser fabricadas. O modelo descrito para um gerador com uma correia de2 cm a 3,5 cm de largura, uma cpula de descarga com cerca de 20 cm a 35 cm de dimetro e algo entre40 cm e 65 cm de altura. O modelo baseia-se em GVDGs j construdos pelo autor, os quais funcionamem seus rendimentos mximos.

Na descrio desse projeto no inclumos detalhes profundos sobre certas partes. Por exemplo, nocitaremos "use um motor da marca tal, modelo tal, nmero de srie tal". Do mesmo modo, certas partesprecisam ser fabricadas. Assim, optamos por expor as exigncias gerais e dar ao construtor liberdadepara obter, achar, mandar fazer, comprar, trocar etc. ou ele prprio fazer essas partes.

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MotorPraticamente todos os pequenos motores disponveis serviro para esse projeto. O autor j utilizou motorde toca-discos, de ventilador domstico, de ventilador de computador, de mquina de costura etc. Comocitamos anteriormente, aos poucos, fomos eliminando aqueles que utilizam escovas de carvo. Osmotores de induo so os eleitos, mas, talvez, seja difcil achar um com as especificaes certas.Tipicamente, o motor deve apresentar o seguinte:

Velocidade: 3 000 rpm a 5 000 rpm : 1/10 HP a 1/4 HP.Tamanho do eixo: 1/4" a 3/8" de dimetro x 1,25" a 1,5" de comprimento livre.Montagem: base de fixao plana. Um motor com base de fixao plana prefervel; caso contrrio,deve-se recorrer a alas metlicas, as quais podem dar algum trabalho extra.

(Se um motor com escovas de carvo for utilizado, o construtor dever ter em mente que tal GVDGrequerer limpezas mais freqentes. Um pequeno ventilador de exausto pode ser estrategicamentemontado para remover e afastar o p de carvo da correia e do tubo suporte.)O autor j utilizou, com excelentes resultados, um motor de mquina de costura, que praticamente todoblindado. Alm disso, dotado de um reostato (com discos de carvo), o qual permite controlar avelocidade de trabalho do motor. Esse tipo de reostato para controlar a velocidade do motor um tanto"primitivo" (se bem que perfeitamente adaptado ao fim a que se destina --- mquina de costura). Ele foisubstitudo, mais tarde, por um dimmer com TRIAC (clique no texto em destaque para saber como


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mont-lo).Voltar ao topo

Cilindros ou Roletes

Os cilindros, junto com a correia, constituem o corao de um GVDG auto-excitado. Como mencionamosanteriormente, geradores eletrostticos trabalham assentados no efeito triboeltrico. A srie triboeltrica(uma lista abreviada fornecida a seguir) nada mais que uma lista de materiais ordenados segundo acarga relativa que adquirem quando atritados (ou separados) dois a dois. Os materiais mais comumenteescolhidos para os cilindros esto nessa tabela.

maispositivo

arvidrofibra sintticalchumboalumniopapel

Materiais que esto mais prximos do extremomais negativo, tm uma disposio porassumir uma carga eltrica negativa. Osmateriais mais prximos ao extremo maispositivo tendem a assumir carga eltricapositiva. Idealmente, os materiais da correia edo cilindro inferior devem estar entre o maisafastados possvel dessa lista, enquanto omaterial do cilindro superior deve estar naregio dos neutros.

Uma Nota em Relao Polaridade de umVan de Graaff

Para uma dada combinao rolete inferior-correia-rolete superior, a polaridade do domodo GVDG fica determinada. Por exemplo, se acorreia de borracha, o rolete inferior deplstico e o rolete superior de alumnio, odomo ficar negativo. Usando o mesmodesenho, porm colocando-se o rolete deplstico como superior e o de alumnio comoinferior, o domo ficar positivo.

neutro algodoaomadeiraborrachacobreacetatopolisterpoliuretanopolipropilenovinil (PVC)silicone

maisnegativo

teflon

Para ver detalhes tericos do conjunto roletes-correia, vento eltrico, fogo de Sant'Elmo, plasma etc.,basta clicar no texto em destaque: Roletes e Correia.

Para um modelo didtico, pequeno, os roletes podem ser cilndricos, com dimetro ao redor dos 2,5 cm ealgo como 3 cm a 4 cm de comprimento. Uma vez aberto o furo central nesses cilindros (no dimetrocorreto para passar os eixos), eles devem ser "coroados". Coroar um cilindro fazer rebaixos nosextremos de maneira que a regio central fique ligeiramente mais alta que as extremidades. Esseprocedimento manter a correia centrada sobre o rolete enquanto ele funciona (a correia tende para aparte mais elevada). Ilustremos isso:

Um rebaixo de cerca de 4 graus em cada extremo (1/3) do cilindro o bastante. Para esse servio recomendado o uso de um torno. O cilindro preso por um longo parafuso a uma furadeira de bancada eum esmerado trabalho de lixa podem produzir excelentes "barriletes".


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H outros recursos para fazer cilindros simples. Um deles utilizar pedaos de canos plsticos usados nas redesdomsticas de distribuio de gua e colar discos em suasextremidades.

Nessa ilustrao, o rolete inferior foi recoberto com uma tira depano verde para mesas de snooker (feltro) e fixado com colatipo Super Bonder. O rolete superior foi recoberto com uma tirade alumnio autocolante (tipo Contact).Repare que os discos laterais tm dimetro pouco superior aodos canos, de modo a no permitir o escape da correia.Entretanto, os roletes tipo "barriletes" so os maisrecomendados.

O rolete inferior girar solidrio ao seu eixo (o eixo colocado sob presso), que comandado pelomotor. O rolete superior pode girar livremente sobre o seu eixo (rolete louco) ou, se o eixo for solidrio aorolete, o eixo que girar livremente em seus mancais.

A maioria dos modelos escolares de GVDG (fornecidos em forma de kits) tem os dois roletes feitos dePVC (macios, em forma de tarugos), sendo o inferior recoberto com feltro e o superior recoberto comfolha de alumnio autocolante; a correia de borracha de cor laranja.Voltar ao topo

Coluna de Apoio

Ao selecionar o material para a coluna de apoio, recomendamos o uso de um tubo de plstico rgido. PVCe acrlico parecem ser os materiais preferidos pela maioria dos construtores. De modo geral, o tubo deveter um dimetro um pouco menor que o dobro do comprimento dos cilindros. Por exemplo, se o cilindrotem 5 cm de comprimento, ento o tubo deve ter um dimetro de cerca de 10 cm (tubo de 4 polegadas,nas medidas comerciais).Para esse cilindro melhor usar uma correia de 4 cm de largura. 0,5 cm uma boa espessura para aparede do tubo. No esquea que o eixo do cilindro superior deve repousar em um entalhe na bocadesse tubo ou passar por orifcios praticados nele. Para sustentar esses cilindros, a fora exercida pelaborracha esticada, o peso do domo e a espessura da parede do tubo so fatores importantes. A fixaodo domo nessa coluna um assunto delicado, como veremos mais adiante.

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Escolha da CorreiaComo mencionamos anteriormente, no item Faas e No-Faas (Segurana no uso do gerador), evite,para a correia, as borrachas de cor preta. As borrachas de cor preta tm maior possibilidade de conter"negro de fumo" carvo, carbono.

Quando selecionar um material, procure um que tenha uma boa resistncia ao oznio. Durante aoperao de um Van de Graaff, ambas as descargas eltricas, as provenientes do globo e as dasescovas, produziro oznio. Oznio (O3) muito corrosivo, mesmo em pequenas quantidades; podecausar ferrugem, e borrachas e plsticos podem ser oxidados ou sofrerem apodrecimento. Neoprene muito bom para resistir ao oznio e pode ser comprado da maioria dos fornecedores de borracha. Almdisso, pode ser achado na cor branca ou laranja claro, indicao de ausncia de "negro de fumo".


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Espessura da CorreiaQue espessura uma correia deve ter? Uma boa regra : quanto mais fina, melhor. A prpria correia noprecisa ser espessa; de fato, quanto mais espessa for a correia, mais ela tender a sair dos cilindros.Conforme a velocidade do gerador aumenta, maior a fora centrpeta sobre a regio da correia quepassa acima do rolete superior e abaixo do rolete inferior. Essa fora tende a afastar a correia do rolete, ea correia ficar instvel em altas velocidades. Vamos entender assim: quanto menor a massa da correia,menor ser sua tendncia de se afastar dos roletes. Para ver esse efeito com mais clareza, procedaassim: amarre uma arruela a um fio de linha e gire-a em crculos. O puxo que voc sente no fio, suatrao, tem praticamente a mesma intensidade que a fora centrpeta desenvolvida na arruela pela suarotao; quanto mais rpido girar, maior ser a fora que tende a arrancar o fio de sua mo.

A espessura, o comprimento til da correia entre os dois cilindros e a trao a queest submetida so os fatores que iro comandar as vibraes estacionrias nacorreia. Se houver ressonncia entre a freqncia fundamental (ou de algumharmnico) da correia e a rotao dos cilindros, a amplitude da onda estacionriaque se estabelece pode ser tal que a correia comear a bater na parede internada coluna de apoio. Se isso acontecer, as providncias possveis so: alterar avelocidade do motor, alterar a trao na correia ou trocar a correia por outra demassa diferente.

Como Montar a Correia

Fazer uma correia no realmente to difcil como se poderia pensar. Com umpouco de pacincia, algumas lminas de aparelho para barbear ---tradicionalmente chamadas de giletes (h um termo em portugus para isso) --- ou facas com lminas descartveis e uma rgua de ao podem ser feitas correiasmuito boas.

A primeira coisa para lembrar que a tira de borracha deve ser retangular (lados perfeitamenteparalelos). Uma vez cortada a tira retangular, resta saber que comprimento precisa ter.Obtido o comprimento final da correia, seus extremos devem ser colados. No h uma frmula exata paradeterminar o mximo comprimento que a correia dever ter. A elasticidade da borracha, o comprimentoglobal da montagem roletes-coluna, de modo geral, que determinar o comprimento da correiaacabada.

Uma regra bsica : a correia acabada (extremos j colados) deve ter um comprimento entre 2/3 e 3/4 dadistncia entre os centros dos roletes postos em seus devidos lugares.

Por exemplo: se a distncia de centro a centro dos roletes de 60 cm, ento 3/4 desse comprimentoequivalem a 45 cm (60 x 0,75 = 45). Se o material da correia muito fcil de esticar (pequena constantede elasticidade), ento 2/3 sero o recomendvel (60 x 0,66 = 40). Apesar dessas referncias, ainda restaa experimentao. Depois da correia acabada, instalada nos roletes, motor funcionando, se a correiatende a flutuar nos cilindros, ento ela precisa ser encurtada. De experincia prpria, mais fcil encurtaruma correia do que perder material para fazer outra assim, melhor manter o erro para o excesso atentar prever o tamanho final.

A segunda coisa que, quando os extremos da correia so cortados, eles devem resultarperpendiculares aos bordos. H um mtodo simples para cortar e colar uma correia: antes de decidir pelocomprimento final, melhor praticar com restos de borracha (mesmo que sejam emendados com SuperBonder).Pratique, tambm, o uso da cola de secagem rpida (Super Bonder ou equivalente) para unir os extremosda fita. Vejamos a tcnica de colagem.


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Primeiro coloque a tira de borracha (cortada com rgua de ao efaca de lmina descartvel ou gilete), com comprimento emexcesso, sobre uma superfcie plana (fig.1). A seguir dobre umextremo da correia para sua regio central e ento dobre o outroextremo para o mesmo lugar (fig.2). Isso lhe dar duas camadas decorreia com os extremos que se encontram no meio. Superponhaos dois extremos (cerca de 2 cm) de forma a ter trs camadas deborracha superpostas na regio central (fig.3). Deslize um pedaode material resistente debaixo dos dois extremos superpostos;assim, quando os extremos forem cortados, a lmina no atingir aterceira camada de borracha (fig.4). Usando a lmina nova e argua de ao posta perpendicularmente aos bordos, efetue o corte.As extremidades resultaro em perfeita coincidncia, prontas para acolagem final (fig.5).

Retire o pedao de material resistente e coloque em seu lugar um pedao de fita adesiva dupla face.Uma face gruda na borracha debaixo e na superfcie plana (e serve de apoio) e a outra face receber osextremos a serem colados. Deixe apenas uma das extremidades presa na fita adesiva, passe uma finacamada de cola de cianoacrilato (Super Bonder, marca registrada da Loctite Corp.) na extremidade livre ea ajuste com todo capricho junto outra extremidade presa fita adesiva. Agora a fita adesiva mantertudo no lugar at a secagem final da cola.

Aps tudo isso teremos uma fita contnua, de espessura uniforme, em forma de loop.

Teste: enfie um lpis dentro do loop para manter a fita na vertical. Verifique se no ocorrem dobras e seh paralelismo entre as duas partes.

Nota: a superposio das extremidades "retas" da correia, na colagem, produzir o inevitvel "ploc-ploc-ploc", cada vez que a emenda descontnua passar pelos cilindros. Se a superposio for inevitvel(quando a cola no est segurando devidamente), o recomendado cortar as extremidades da correiaem ngulo de 45o ou 60o. Isso permitir uma passagem mais suave pelos roletes. Nessas situaes, acola recomendada a utilizada nos consertos de cmaras de pneus de bicicleta.

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EscovasO gerador de Van de Graaff tem duas escovas virtuais para transferncia de cargas. A palavra "escovas"seria melhor substituda por "pontas", uma vez que, quando se fala em escova, h exata idia de algoque entra em contato com outro corpo. As escovas dos motores universais so realmente escovas, poisesto em permanente contato com o anel de terminais do rotor. Manteremos a palavra "escovas" porcomodidade de expresso --- e viva a lngua portuguesa!

A primeira fica localizada na base, sob o rolete inferior eprxima face externa da correia. A segunda escova ficalocalizada sobre o cilindro superior e prxima faceexterna da correia.

O melhor material para fazer as escovas a tela de metal,aquela usada em telas de janelas.Basicamente, as escovas tm a mesma largura da correia.Depois que o material cortado na largura indicada,repique com uma tesoura vrias camadas dos fioshorizontais; isso deixar pontas (farpas) de maiorcomprimento voltadas para a correia. Monte as escovasbem prximo correia, mas sem tocarem nela. A escovainferior deve ser ligada eletricamente terra (condutor


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aterrado). Se usar um cordo de fora de trs fios para omotor (plugue de 3 pinos um dos pinos o terra daresidncia), essa escova deve ser ligada ao fio-terra docordo.

A escova superior deve ser ligada, eltrica e internamente, ao domo de descarga. O espaamento dasescovas deve ser ajustado com o motor girando --- dever existir um espao de ar entre as pontas dasescovas e a superfcie externa da correia.

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Cpula de DescargaO "segredo" do porqu um GVDG consegue acumular boa quantidade de cargas eltricas e atingiraltssimos potenciais est no modo como a carga colocada na cpula. Se voc quer saber como isso feito, basta clicar sobre o texto em destaque: Teoria sobre a esfera do GVDG.

Na parte construtiva, a cpula ou domo de descarga ideal para o GVDG requer trabalho de torno erepuxo. servio de profissional.

constituda por duas superfcies hemisfricas (calotas esfricas) quese ajustam perfeitamente devido a encaixes trabalhados nas bordas.Esses hemisfrios podem ser feitos com chapas de alumnio com 1mm ou 1,5 mm de espessura, repuxadas num torno para adquirirem aforma de hemisfrios; trabalho muito parecido com os repuxos parafazer cpulas de lustres, de lmpadas de quintal etc.

A parte inferior, que fixada no alto da coluna de apoio, tem uma golavoltada para dentro. Isso facilita todo o trabalho de fixao comparafusos metlicos e arruelas de borracha (que minimizam asvibraes). Aqui os parafusos podem ser usados por ficarem dentro doglobo.

Eis a ilustrao da cpula ideal.

Se uma cpula de descarga especificamente projetada no est disponvel, ento outras cpulasalternativas (clique no texto em destaque para ver nossas sugestes) podero ser construdas. Orecurso usado pelo autor em uma de suas montagens o apresentado a seguir.

Consiga duas taas esportivas com dimetro superior a 20 cm. Elas so,em geral, confeccionadas em lato, anodizadas ou niqueladas. Retire-asdo suporte. Voc ter duas calotas esfricas, cada uma com um orifciode cerca de 4 mm no vrtice. Feche um desses orifcios com um arrebitede cabea larga, limando e lixando cuidadosamente (para no riscar acalota), de modo a deix-lo quase como parte integrante da calota. Essaser a calota superior.

Na outra calota, que ser a inferior, deve ser praticado um grandeorifcio (com ferramenta adequada), por onde passar justo o tubo desuporte do GVDG. Procure no deixar qualquer rebarba de materialnesse corte. Arredonde as bordas com lixa. Use cantoneiras em L parafixar o tubo suporte nessa calota inferior. Os arrebites tipo pop so osindicados.

Para minimizar o poder das pontas nas bordas desse orifcio, o autor adaptou uma argola de alumniomacio (no recordamos se foi proveniente de uma pulseira ou de um puxador de cortinas) de dimetrointerno igual ao dimetro externo do tubo.


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De incio, nas primeiras experimentaes, a calota superior foi simplesmente apoiada na inferior e fixadacom fita isolante. Mais tarde, com o auxlio de um amigo torneiro, foi feito um perfeito trabalho de encaixenos dois hemisfrios. Ele retirou o material em excesso nas duas bordas (havia uma espcie de bainhasaliente), rebaixou ligeiramente uma das bordas e repuxou a outra. Ficou excelente.Voltar ao topo

Montagem do GVDGAgora que todos os componentes foram descritos, hora de reuni-los.

Comecemos pelo motor e rolete inferior. Orolete pode ser fixado diretamente, sobpresso, ao eixo do motor (se ele forsuficientemente comprido) ou ter um eixoprprio, sendo ento adaptado ao eixo domotor por meio de um pequeno pedao detubo plstico flexvel, conforme ilustramos.

Dependendo do motor (rotao, por exemplo), alguns montadores preferem adaptar polias aos dois eixose acopl-las com correia de mquinas de costura. O tubo de sustentao deve ter prximo sua base umfuro que permita a introduo desse rolete. Essa montagem admite alteraes. O importante que fiquetudo muito bem alinhado e isento de vibraes durante o funcionamento.

O conjunto rolete + eixo + tubo plstico deve ser removido por permitir a colocao da correia. Dentre osmateriais da srie triboeltrica, optamos pelo PVC para a confeco dos dois roletes e recobrimos oinferior com uma tira de feltro, sem superposio, fixada com Super Bonder.

O material mais simples para a base e demais apoios (motor, escova e controle de velocidade), onde tudofoi fixado, a madeira envernizada. Os critrios para eles so: (a) onde a coluna de sustentao serfixada; (b) onde o suporte da escova ser montado; (c) onde ficar o motor e seu controle de velocidade.Tudo deve ser pensado visando a um modo fcil de substituir componentes avariados e limpeza detubo e correia de tempo em tempo.

O desenho geral do GVDG que ditar quo robusto o tubo e a base devem ser. A coluna desustentao para um pequeno gerador pode ser fixada na base com chapinhas metlicas em ngulo retoou braadeiras convenientes, mas um maior precisar de um layout mais elaborado. Uma vez fixada acoluna, verifique se o rolete ficou bem posicionado no centro do tubo.

A seguir, instale o rolete superior. O desenho dorolete superior que ditar como ele sermontado na coluna. A montagem mais simples cortar duas aberturas pequenas no topo do tubopara o eixo do cilindro descansar nelas. Duasarruelas elsticas ou dois pinos enfiados emorifcios nas extremidades desse eixo impediroque o cilindro deslize para fora das aberturas nacoluna. Fique atento montagem dos roletes quando tudo estiver pronto, verifique se estoalinhados na vertical e paralelos entre si. Se nohouver perfeito alinhamento, a correia tender adeslizar para um de seus extremos. As coroasdos roletes tentaro minimizar esse efeito, mastudo tem seus limites...


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O prximo passo a colocao da correia. Passe-a por baixo do rolete inferior, segurando a montagemtoda; estique-a para cima (pode-se usar uma ala de barbante para isso); deslize o rolete superior para oseu devido lugar e deixe assentar. Confira bem esse assentamento e o alinhamento da correia. Gire acorreia com a mo e observe se trabalha corretamente. Se, at aqui, tudo estiver em ordem, pode-se ligaro motor em baixa rotao.

Repare em tudo. J deve ser percebida a presena de um campo eletrosttico ao redor da coluna desustentao (notadamente pelos pelinhos do brao que ficam eriados). Se a correia no tracionacorretamente, ajuste os apoios do rolete superior at que tudo fique em ordem.Se a correia se comporta bem da velocidade mnima at a mxima (pois est em perfeito alinhamento), hora de colocar a escova superior (lembre-se de que ela deve estar eletricamente ligada cpula) efechar o globo. Para impedir a queda da metade superior do domo, no caso de simples ajuste de umsobre o outro, passe uma fita isolante para fix-lo. O GVDG est pronto para ser testado.

Antes de ligar o aparelho completo pela primeira vez conveniente preparar um centelhador para receber asfascas. Ele servir para testar distncias de faiscamento,assim como descarregar o globo entre experimentaes etestes. Pode ser feito com uma vareta plstica, com umaesfera metlica na ponta e um longo fio ligado na base doaparelho (no fio-terra).

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Pondo funcionar

Uma vez que o gerador j est montado e com o motorligado, o construtor poder verificar imediatamente se aunidade est funcionando ou no. Ele poder ouvir, ver(pelo faiscamento) e sentir as cargas eltricas estticasque vm da cpula de descarga.Se o gerador pareceno estar trabalhando, pode haver vrias razes doporqu ele no funciona. De incio, apague todas asluzes e observe a regio acima das pontas da escovainferior --- um brilho azulado deve ser visto. Se h brilhona escova inferior, timo; cargas esto sendo transferidaspara a correia. Agora observe, ainda no escuro, todas assuperfcies externas do gerador; os fluxos azulados quepodem aparecer denunciam as fontes de sangria dacarga eltrica. At mesmo partculas de sujeira podemaparecer como pontos de descarga indesejveis. Limpetudo e reinicie os testes. Um simples fio de linha, presocom durex no globo, permitir visualizar a cargaacumulada no domo.

H uma tcnica muito boa para voc conversar com seu GVDG e perguntar a ele qual a melhor soluo


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para o melhor desempenho; para tanto, basta clicar no texto em destaque: Converse com seu GVDG.

Outra razo do baixo desempenho do aparelho a umidade. Umidade alta atrapalha substancialmenteseu correto funcionamento. Os dias frios so mais recomendados para realizar esses experimentos. Umsecador de cabelos, usado com cautela para no danificar seus componentes, poder ser utilizado paraeliminar as gotculas de gua que aderiram na correia, tubo e domo.

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Detalhes, recursos e teoriasPoder das pontasVejamos, de incio, alguns parmetros relacionados a uma esfera metlica isolada e ligada a um geradoreletrosttico de Van de Graaff.

O potencial eltrico da fonte V, mantido constante. Ao interligarmos o GVDG com a esfera 1, ocorretransferncia de cargas eltricas at que a esfera adquira o mesmo potencial eltrico V. A quantidade decarga extra (Q1) que essa esfera recebe depende exclusivamente da capacitncia da esfera (C1) naquelemeio envolvente (supostamente, o ar), uma vez que o potencial est definido (V). Essas grandezas serelacionam assim:

Q1 = C1 . V

A densidade eltrica superficial de carga (D1) nos indicar quanto de carga estar distribuda, porunidade de rea. Seu clculo se faz por meio da expresso:

D1 = Q1 / A1

onde A1 a rea da superfcie esfrica dada por:

A1 = 4..R12.Assim,

A capacitncia da esfera isolada (C1), funo exclusiva do raio da esfera (R1) e do meio envolvente (deconstante eletrosttica K), assim relacionados:

C1 = R1 / K

Levando-se para a expresso de D1, obtemos:


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onde agrupamos em todas as constantes em questo

O que observamos que a densidade eltrica de cargas inversamente proporcional ao raio da esfera.Em outras palavras, quanto menor o raio, maior ser a concentrao de cargas por unidade de rea(mantidas constantes as demais grandezas envolvidas).Essa densidade de cargas um excelente indicador da intensidade de campo eltrico em cada regio docorpo eletrizado. No caso de uma esfera isolada, com distribuio uniforme de cargas, o campo eltricotambm ter uma distribuio regular ao redor da esfera, o que teria, em uma representao por linhasde campo, o seguinte aspecto:

Se interligarmos a esfera 1 com outra esfera 2 (de raio R2 < R1) mantendo-se a ligao com a fonte, comose ilustra, chegaremos concluso de que a densidade superficial de cargas nessa nova esfera maiordo que na esfera 1.

O campo eltrico ao redor da esfera 2 ser mais intenso do que ao redor da esfera 1. Conforme diminui oraio, a densidade eltrica superficial aumenta, e com ela a intensidade do campo eltrico.

Seguindo esse raciocnio, podemos ir interligando esferas de raios cada vez menores. Essa interligaono necessita ser feita atravs de fios, para tanto, basta encostar uma na outra, como na ilustrao.

Eis a nossa ponta!

Com um grande nmero de esferas, de raio cada vez menor, teremos um visual mais definido do que se


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entende por ponta. O campo ao redor dessa ponta ter o seguinte aspecto:

Observe a tremenda intensidade de campo na regio pontiaguda. esse campo intenso que ir ionizar oar ao redor, convertendo esse ar em plasma (condutor). Quando o ar se torna condutor, ocorre a fasca,ou seja, as cargas acumuladas na ponta fluem atravs do plasma (ar ionizado).Voltar ao tpico

Roletes e correias

Na mquina de Van de Graaff tradicionalmente usada nas salas de aula, como j destacamos, a energiaproveniente da fonte de alimentao no utilizada diretamente para eletrizar o domo, mas somente paraacionar o motor eltrico (se voc abrisse a base de uma delas, verificaria que o cordo de fora - AC -est ligado apenas ao motor eltrico). Se voc tivesse uma caixa de engrenagens e uma manivela, vocpoderia, inclusive, construir uma mquina de Van de Graaff acionada manualmente, dispensandocompletamente a alimentao externa.

Embora paream simples primeira vista, correia, escovas e cilindros ocultos combinam-se para formarum dispositivo de eletrosttica chamado eletrforo de funcionamento contnuo, em que utilizado ofenmeno da induo eletrosttica para bombear carga eltrica entre a escova de metal e a superfcie dacorreia mvel. De modo geral, esse eletrforo especial trabalha como se segue:

o cilindro inferior fortemente eletrizado pelo "atrito" com a superfcie interna da correia; o cilindro atrai cargas eltricas opostas s cargas da escova; o campo eltrico que se estabelece entre o cilindro e as pontas da escova fica intenso; o ar imerso nesse campo eltrico sofre ionizao, formando um plasma condutor -- efeito Corona; o ar torna-se condutor e cargas eltricas da escova pulam para o cilindro; as cargas eltricas mveis batem na superfcie externa da correia e aderem a ela; - o cilindro gira eessas cargas eltricas so levadas para cima, pela correia; - o processo se repete continuamente.

Eletrizando o cilindroNa primeira fase de operao, a superfcie do cilindro fortemente eletrizada, devido ao contato ntimoentre superfcie da correia e rolete inferior, do mesmo modo que um balo de borracha se eletriza quandoatritado, por exemplo, no cabelo. Lembramos que a correia e o cilindro so feitos de materiais diferentes.


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Eletrizando a superfcie do cilindro.

Quando a superfcie interna da correia de borracha atrita-se contra o rolete de plstico (que pode estarrecoberto com feltro), cargas eltricas das camadas mais afastadas dos ncleos atmicos dos doismateriais transferem-se, em quantidades diferentes (pois provm de substncias distintas), de um para ooutro. Essa desigualdade na quantidade de eltrons que se transferem que origina a eletrizao decada material aquele que cede mais eltron do que recebe se tornar positivo, e o outro, negativo.

Como o cilindro gira, cada trecho da correia se separa do rolete logo aps entrar em contato com ele. Aface interna da correia e a superfcie do rolete, durante o contato, aprisionam (por serem ambos isolanteseltricos) quantidades iguais de cargas eltricas, porm de sinais opostos.Exemplificando: suponha que durante breve intervalo de tempo de contato, 5 eltrons passaram do roletepara a correia e que 3 eltrons passaram da correia para o rolete. No cmputo geral, a correia ganha 2eltrons e adquire carga negativa, enquanto o rolete perde 2 eltrons, ficando com dois prtonsdesacompanhados, e torna-se positivo.

Esse processo todo chamado de eletrizao por atrito, mas uma vez que nenhum atrito requerido defato, mais prprio cham-lo de eletrizao por contato.

Nota: na figura, o cilindro recebe carga eltrica positiva, mas isso vai depender dos materiais veja a srietriboeltrica usados para a correia e para o cilindro; em alguns GVDGs, o cilindro fica negativo.

Depois de operar por algum tempo, como veremos, a correia torna-se ligeiramente negativa, e o cilindro,fortemente positivo. Embora eles adquiram cargas eltricas iguais e opostas, a carga eltrica negativa distribuda amplamente na correia; portanto, a densidade eltrica superficial torna-se muito menor nacorreia do que no cilindro. A carga eltrica de pouca intensidade na face interna da correia pode serignorada nas explicaes posteriores, e por isso elas no aparecero no prximo passo.

Cargas eltricas transitando pelo ar

Objeto positivo faz a ponta soprar vento eltrico.Uma escova metlica (pontas), devidamente aterrada, fixada prxima regio onde a correia passa pelocilindro. Como sabemos, da Qumica, pode-se dizer que os metais so constitudos por uma slida gradede "tomos positivos" mergulhada numa nuvem de eltrons. Estando as pontas da escova prximas aocilindro, as cargas positivas da sua superfcie atraem a nuvem eletrnica do metal, mas nenhum eltrondeixa o metal! O que ocorre, na escova, a induo eletrosttica, ou seja, a separao de cargas desinais opostos pela presena de outras cargas (do cilindro, no caso).Os eltrons da nuvem migram para as pontas da escova metlica.

As pontas da escova adquirem uma densidade de carga eltrica negativa muito alta, e essa carga eltricanegativa afeta substancialmente o ar circundante. Qualquer molcula de ar (ou seja, uma molcula dequalquer um dos gases que compem o ar) prxima a uma ponta da escova sofre ionizao devido sintensas foras de atrao/repulso; eltrons so arrancados dessas molculas, dando origem a onspositivos. Os eltrons livres provenientes das molculas de ar rompidas repelem-se intensamente e, aoafastarem-se uns dos outros, chocam-se com outras molculas de ar, ocasionando novos rompimentos.Uma massa de ar ionizado e eltrons livres, ento, agita-se vigorosamente no espao prximo s pontasda escova (efeito Corona). Esse material, chamado plasma (ou Fogo de SantElmo, ou ainda quartoestado da matria), apresenta eltrons de conduo como os dos metais e, assim como um metal, umcondutor bastante bom.


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No prximo passo, os eltrons de conduo desse plasma penetram nas molculas de ar neutrastornando-as negativas. Esse ar, carregado negativamente, ento repelido pelas pontas negativas daescova forma-se o vento eltrico.

Ao mesmo tempo, os ons positivos do plasma (bem mais lentos que os eltrons) colidem com as pontasda escova e roubam eltrons dela, tornando-se molculas neutras. Eltrons, provenientes da terra,mantm a escova permanentemente no estado neutro (potencial eltrico nulo).No aspecto global, como se cargas eltricas negativas sassem da escova e flussem para o cilindropositivo. O papel do plasma foi o de uma "escova virtual", servindo de ponte condutora entre o metal e acorreia (cilindro). o vento eltrico que funciona como escova. Nota: os GVDGs precisam de ar nasproximidades das pontas da escova para poderem funcionar -- GVDGs no funcionam no vcuo.

A correia intercepta as cargas expelidasO vento (negativamente carregado) atrado fortemente para a superfcie do cilindro (positivamentecarregado). A regio da correia de borracha que est no caminho dessas cargas, porm, recolhe boaparte delas.

O cilindro eletrizado fora a escova a carregar a correia.

As cargas negativas dirigem-se para o cilindro (positivo), mas observe que a correia parcialmente oprotege, e desse modo, no permite o total cancelamento de sua carga eltrica. Como o cilindro gira e ase correia desloca, a carga eltrica negativa que aderiu superfcie externa da correia transportadapara cima. Novas regies da correia de borracha, neutras, estaro continuamente expostas, devido aomovimento, e aptas a aprisionarem as cargas negativas do vento eltrico originado pelas pontas.

importante destacar que, por maior que seja a carga eltrica negativa expelida pela agulha, a correiasempre a intercepta e a remove antes que a carga eltrica positiva no cilindro seja totalmente cancelada.Assim sendo, o cilindro nunca perde sua carga eltrica positiva e, permanentemente, fora cargaseltricas a flurem das pontas correia. Esse um processo de carga por induo, uma vez que ocilindro positivo induz a separao de cargas na escova, e tambm pode ser denominado carga pelovento Corona, uma vez que a descarga Corona permitida pelo plasma d caminho para as cargas fluremdas pontas atravs do ar.

ReforandoA escova conectada ao solo (ao cho, ou a um grande objeto de metal) por um fio. Como cargaseltricas negativas so expelidas das pontas e so atradas para o cilindro positivo, o fio garante umcaminho para que mais eltrons cheguem escova, provenientes do aterramento. Com o cilindro sempregirando - e mantendo sua carga positiva, que ocasiona um fluxo de eltrons das pontas para a correia -,uma pequena corrente eletrnica flui constantemente da Terra para a correia.


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H carga eltrica no solo? Sim, porque a Terra condutora e eletricamente negativa. De modo geral, osistema atua como uma pequena bomba eltrica forando cargas negativas a flurem da Terra para asuperfcie da correia.

Cargas eltricas chegam ao topoA correia leva cargas eltricas para cima, por dentro da coluna do GVDG, passa por outro cilindro e poroutra escova metlica. Esse segundo cilindro age de modo contrrio ao primeiro; as cargas eltricas dacorreia so expelidas e dirigem-se para as pontas da escova superior. Esse segundo cilindro, ao contrriodo que se poderia esperar, no fica eletrizado positivamente, por uma srie de motivos que escapam aosobjetivos dessa montagem (em muitos GVDGs didticos, esse cilindro metlico e mantm-se neutro).Como a correia negativamente carregada passa sobre o cilindro superior, sua carga repele os eltronslivres das pontas de metal, empurrando-os para longe da ponta. Assim, os tomos de metal nessaspontas passam a exibir carga positiva. Como a densidade de carga eltrica positiva nas superfciesdessas pontas muito intensa, as foras eltricas de atrao/repulso modificam as molculas do arcircundante, transformando-as em plasma condutor. Assim, no cilindro superior do GVDG, so oseltrons livres do plasma que so atrados pelas pontas, que ao mesmo tempo repelem as molculas decomponentes do ar, positivamente carregadas. O vento eltrico, agora positivo, atrado pela cargaeltrica negativa na correia de borracha e, l chegando, absorve a carga eltrica de correia,neutralizando-a totalmente. A escova, por sua vez, est ligada a um fio, o qual conectado esfera doGVDG, por dentro. Como a correia repele os eltrons do plasma para as pontas, essas cargas sodrenadas da escova para o lado de fora da esfera (efeito Faraday). Em outras palavras, como se toda acarga eltrica negativa passasse da superfcie da correia para a escova e fosse levada para a superfcieexterna da esfera do GVDG. A escova superior, dentro do globo, funciona exatamente como se fosse umterra.

Polaridade invertidaPoderamos usar uma correia de plstico e um cilindro de borracha. Isso inverteria as polaridades e acorreia transportaria cargas positivas em lugar de negativas, invertendo de forma global o sentido dacorrente eltrica e a polaridade do desequilbrio de carga eltrica na esfera superior. Poderamos,tambm, virar a coluna de sustentao de cabea para baixo, com o cilindro de plstico dentro da esferaoca e com o cilindro de metal dentro da base. Com essa montagem, o GVDG tambm trabalharia muitobem.

Poderamos, ainda, escolher cilindros e correia de materiais diferentes, de forma que ambos os cilindrosdesenvolvessem uma carga eltrica um deles ficaria positivo, e o outro, negativo. Desse modo, cargasiguais e opostas seriam enviadas para os dois extremos da correia: enquanto metade da correia estivesselevando cargas positivas para cima, a outra metade traria cargas negativas para baixo, o que dobraria acorrente eltrica global e faria seu GVDG trabalhar melhor at com tempo mido.

Fonte excitadora de cargasOs GVDGs de excitao externa, mais caros, eliminam completamente a necessidade de eletrizao poratrito no cilindro inferior, pois apresentam um cilindro de metal conectado a uma fonte de alimentao detenso alta. O benefcio principal garantir a operao do GVDG, mesmo quando a umidade to altaque, um cilindro de plstico, revestido ou no de feltro, no teria chances de ficar carregado por meio daeletrizao por contato. Um GVDG excitado com uma fonte de alta tenso muito menos sensvel sujeira.Como dissemos no incio do experimento, esse tipo de gerador requer maiores cuidados no que dizrespeito segurana, e por isso preferimos no abordar sua construo, mencionando aqui apenas aexistncia de modelos didticos desse tipo de gerador no mercado e as vantagens que ele proporciona.Havendo retorno por parte dos montadores do VDG, poderemos pensar na incluso de um modelo comexcitao externa.

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Teoria sobre a esfera do GVDG


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Michael Faraday brindou-nos com dezenas de descobertas. Sem elas, com toda certeza, seu computador no estariafuncionando hoje. No momento, a descoberta que nos interessa a do balde. Sim, o Sr. Faraday queria eletrizar umbalde metlico usando uma pequena esfera metlica eletrizada.

Encostando a esferinha eletrizada pelo lado de fora do balde, boa parte de sua carga transfere-se para obalde, mas nunca toda a sua carga. Sempre haver um compartilhamento. Entretanto, quando Faradayencostou a esferinha eletrizada pelo lado de dentro do balde... surpresa! Todo o seu excesso de cargatransferiu-se para o balde. Muito estranho, no? No seria de se esperar que a carga eltrica em excessofosse compartilhada entre o balde e a esfera? Aps o toque pelo lado de dentro, Faraday constatou quea esfera retornava sempre neutra. Todo seu excesso de carga passava para o balde... e no importava oquanto de carga o balde j tinha adquirido.Esse o efeito Faraday da eletrizao um dos princpios fundamentais para o funcionamento dosgeradores eletrostticos como o Van de Graaff. As figuras a seguir mostram o comportamento dapequena esfera metlica eletrizada (A) e a grande esfera oca (B) frente ao efeito Faraday, segundo osconceitos fsicos mais modernos.

A esfera (A), na primeira figura, est cercada por um campo eltrico. No se deixe enganar pela ilustraoque mostra apenas algumas "linhas de campo". Esse campo, na verdade, preenche todo o espao aoredor dela e no dividido por linhas escassas. As linhas somente so postas para ilustrar a intensidade,a direo e o sentido do campo. O campo eltrico medido em termos de "volts por metro". Assim,pode-se dizer que um campo eltrico evidencia o quanto um potencial eltrico afetado pela distncia.

Repare bem nas linhas de campo enquanto essa pequena carga eltrica se aproxima e penetra nagrande esfera metlica. Observe que, durante a aproximao, as linhas de campo se organizam do ladode fora da esfera oca, como se esta j estivesse eletrizada.

(I) (II)Uma observao importante que, uma vez que a esfera carregada est dentro da esfera oca,


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movimentos dessa esfera pequena no afetam o campo do lado de fora. E quando a bola de metal toca ointerior da esfera oca, em lugar de compartilharem a carga, toda a carga eltrica em excesso da bola demetal transfere-se para a esfera oca. Por qu?

O que aconteceria se um fluxo contnuo de bolas carregadas fosse entregando sua carga para asuperfcie interna de uma esfera de metal oca? A carga eltrica em excesso na esfera oca subiria mais emais, sem limites. No importa quo intensa a carga eltrica na esfera oca possa se tornar, voc aindapoderia inserir uma bola carregada e, ainda assim, toda a carga eltrica dessa bola seria transferida paraa esfera oca. A esfera oca parece ter um infinito efeito de suco de carga eltrica!

A mquina de Van de Graaff um exemplo de como aproveitar esse efeito para obter tenses enormes.Em lugar de usar pequenas bolas metlicas para levar carga eltrica para o interior da esfera oca (como feito no Peletron - um grande acelerador de partculas instalado no Instituto de Fsica da Universidade deSo Paulo.), uma correia de borracha carregada usada para transportar um fluxo contnuo de cargaeltrica em excesso para dentro da esfera oca. Embora cada trecho de correia eletrizada na base damquina possa s ser capaz de adquirir poucos milhares de volts, a correia continuar transferindocargas ao domo do GVDG como se estivesse entregando sua carga eltrica para o interior de uma esferaaterrada (esfera ligada terra).Dada a continuidade da correia transportadora de cargas, a tenso e a carga eltrica em excesso daesfera oca continuaro sempre subindo.

Teoricamente, a carga da esfera do GVDG continuaria sempre aumentando indefinidamente, mas narealidade esse aumento contnuo limitado por sujeiras, por extremidades salientes na esfera, pelacurvatura da esfera, pela condutividade da correia e da coluna de sustentao e, muito importante, peladistncia da esfera ao solo, alm de objetos prximos. (Sim, o potencial eltrico de seu GVDG ser muitoreduzido se voc chegar sua mo perto dele.). Eis, em linguagem bem simples, o segredo dofuncionamento do gerador eletrosttico de Van de Graaff.

Mas, tem gente que quer saber um pouco alm da 'linguagem simples' acima para justificar ofuncionamento dos geradores eletrostticos desse tipo. Voc respondeu ao "Por qu?" posto quatropargrafos acima? Assim, vamos atender tambm essa parcela de consulentes do Feira de Cincias.

Princpio de funcionamento do GVDG


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O princpio de funcionamento do gerador eletrosttico pode ser posto em evidncia atravs da seguintesituao simplificadora:

A grande casca esfrica de raio R representar a cpula do gerador e a pequena esfera de raio rcolocada no interior da maior representar uma pequena regio eletrizada da correia que ainda no tocouno coletor de cargas (escova) superior. Vamos assumir que seja Q a carga eltrica da cpula e q a dapequena esfera.Iniciemos calculando os potenciais eltricos individuais das duas esferas para, a seguir, calcular adiferena de potencial entre elas e assim poder julgar o 'sentido de movimento da carga q'.

O potencial eltrico da casca esfrica (VC = Vcpola) originado, em parte, por sua prpria carga Q e, emparte, por estar imersa no campo produzido pela carga q da esfera menor. Assim, pela conhecidaequao da eletrosttica podemos por:

O potencial eltrico da esferinha (Ve) originado, em parte, por sua prpria carga q e, em parte, por seachar no interior da cpula. Em razo disso escrevemos:

A diferena de potencial ser igual a:

Dessa forma (analise bem a expresso acima), supondo q positivo, a esferinha ter, sempre, potencialmais elevado que a cpula (Ve > VC).Quando a esferinha (representando uma regio eletrizada da correia) tocar o pente superior dentro dacpula (o que equivalente a ligar a esferinha com a casca esfrica por meio de um fio condutor), acarga q "escoar" obrigatoriamente para a esfera externa, a despeito do valor da carga Q pr-existente.Observe, tambm, que as duas esferas, em contato, formam um nico condutor em equilbrioeletrosttico, portanto, ambas ficam ao mesmo potencial eltrico. Isso significa que Ve - VC = 0, que s sed quando q = 0. Desse modo, a carga externa aumenta, tendo agora o valor Q + q.

Nota: Vou justificar o porque de colocar a palavra "escoar" entre aspas. Se q positivo (nossa hiptese)quem realmente 'escoa' so eltrons da cpula para a esferinha; esses eltrons anulam a carga da


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esferinha e ficam 'em falta' na cpula dando-lhe um excesso de carga positiva livre, logo, tudo se passacomo se a carga q positiva escoasse da esferinha para a cpula.

No gerador em funcionamento o processo se repete e o potencial da cpula vai aumentandogradativamente. Se a carga q negativa, Q tambm o ser e todo raciocnio acima continua vlido.Quem tinha a dvida "Por que o 'balde de Faraday' funciona assim?", parece-me que a demonstraoacima o deixar satisfeito.

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Cpulas alternativas para seu primeiro GVDG

Um globo terrestre

Compre um globo terrestre, de ao, prprio para aulas de geografia. H no mercado modelos de todotamanho, mas os modelos menores no so os mais apropriados. Nessa alternativa, opte por um globocom dimetro entre 20 e 30 cm.

Retire o globo do suporte e corte um buraco no "plo Sul" (onde j h um furo para o "eixo da Terra"),com o dimetro de seu tubo suporte. Lixe toda a pintura com lixa d'gua. Faa um bom polimento compasta para polir automveis. Eis o seu terminal de alta tenso.

Tigelas para saladas

Duas 'saladeiras' formam uma boa cpula!

Compre duas tigelas metlicas, dessas utilizadas para temperar e servir saladas. Escolha um modelocuja forma se aproxime o mais possvel de uma superfcie semi-esfrica e que tenham as bordas bem'arredondadas'. Faa um buraco na base de uma delas. H no mercado (e nas oficinas) ferramentasadequadas para esse fim. Una as tigelas pelas bordas (uma delgada camada de supercola na borda deuma delas recomendvel) e, a seguir, enrole duas ou trs camadas de fita isolante ao redor dessajuno. Acima, direita, temos a ilustrao de uma montagem desse tipo (as tirinhas de papel permitemuma boa visualizao do campo eltrico ao redor da cpula).Poder ocorrer algum vazamento de cargas nas imperfeies dessa juno (efeito Corona), mas nadaque desanime a construo dessa mquina. Tal efeito pode ser minimizado pela aplicao de umcalafetador base de silicone numa camada de espessura de 3 a 5 mm. As colas de silicone para vidros(usadas em montagem de janelas e aqurios), fornecidas em tubos, so excelentes para essa finalidade.Frmas de pudim

Juntando duas frmas de alumnio para fazer pudim, da maneira descrita para as tigelas, voc tambmpode obter um domo para seu primeiro GVDG. O furo central j existente dispensa a necessidade de


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furar a frma para passar a coluna de sustentao do aparelho.

Tigela + frma de pudim

Se voc procurar bem poder achar um tigela de alumnio que se adapte perfeitamente s bordas deuma dessas frmas de fazer pudim. O resultado final ser surpreendentemente bom!

As bordas desses utenslios domsticos, quando sobrepostas, so as regies de vazamento de cargaspor efeito Corona, o que pode ser minimizado da seguinte maneira: corte ou desbaste essas bordas e, aseguir, passe as peas sobre uma lixa (apoiada numa superfcie plana). Continue o processo at que osutenslios tenham bordas bem aplainadas e se ajustem o melhor possvel uma com a outra. Certifique-sede que no fique nenhuma rebarba nessas bordas.

Passe uma fina camada de supercola numa das bordas e ajuste uma contra a outra. Aguarde a secagem.Pelo buraco da frma de pudim faa um reforo na colagem, passando uma camada de cola por dentroda cpula. Para melhorar o reforo dessa emenda, faa o seguinte:

a) por dentro, passe uma camada de massa base de epxi (bem macia) nessa juno e aguarde asecagem;b) corte uma fita de alumnio de 2 cm de largura (a partir de uma folha de papel alumnio adesivo);c) passe a fita ao redor da emenda e, com a parte convexa de uma colher de plstico, v aderindo oalumnio contra a cpula, alisando bem (evite fazer pregas ou rugas).Outro tipo de acabamento na juno dos dois utenslios (frma de pudim e tigela) pode ser conseguidocom o uso de epxi condutor (ou epxi comum seguido de pintura com tinta condutora), o que deve serfeito por sees (espere que uma endurea para comear outra). Essa tinta condutora pode ser obtidaem lojas ou em oficinas de eletrnica em geral. Antes da pintura final, o epxi em excesso deve serremovido com lixa.

Pintura condutora

Podem ser encontrados no mercado globos de plstico de vrios tamanhos, que podem ser recobertoscom tinta condutora tinta base de nquel. uma tinta um tanto cara.Latas de refrigerante


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Latas de refrigerante tm fundos bastante lisos. Se voc remover as argolas (e os pedacinhos da tampa)de duas delas e uni-las pela boca com fita isolante, voc construir um objeto metlico (que lembra umcilindro) muito liso. Vamos usar isso para obter um bom terminal de alta tenso para o GVDG.Escolha 12 latas vazias de refrigerante e junte-as aos pares (como visto acima) de modo a obter 6cilindros. A seguir, conecte-os lado a lado, ao redor do tubo de PVC, com fita isolante, de forma que setenha um grande cilindro com um buraco no meio. Esse conjunto pode funcionar como cpula de seuGVDG, contanto que a escova superior permanea completamente inserida na parte oca desse grandecilindro, as latas funcionaro tal qual um globo oco de metal.

Papel mach

Eis aqui outra tcnica que pode ser experimentada para a construo da esfera, mas que tambm sequera utilizao da tinta condutora. Vejamos:a) encha uma balo de borracha;b) prepare uma mistura de cola branca e gua (50% de cada);c) faa uma esfera de papel mach, usando a superfcie do balo de borracha como molde, com tiras dejornal empapadas na mistura de cola e gua;d) aplique uma ou duas demos de tinta condutora ou, se preferir, recorte pequenas tiras de papelalumnio auto-adesivo e recubra, cuidadosamente, toda a superfcie esfrica.

Nota: Ao contrrio do que se poderia pensar, uma esfera perfeita no condio exigida para fazer umGVDG razovel. Tudo que necessrio, realmente, uma proteo metlica ao redor da montagemrolete + escova superior, o que pode ser realizado de vrios modos, como vimos. Se voc fixar uma argolade arame sobre a escova superior, e inverter sobre a argola uma lata vazia de biscoito, o fundo de umatigela de misturar saladas ou um trofu em forma de taa, j ser possvel construir um GVDG!Enfim, o que queremos dizer : no deixe de levar adiante o projeto (que s lhe dar satisfao e novosconhecimentos) apenas por no ter uma esfera impecavelmente polida. O importante comear mesmoque seja com uma lata vazia enfiada sobre o tubo suporte.voltar ao tpico

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Deixe o GVDG responder suas perguntas

Quando voc estiver construindo ou aperfeioando um gerador de Van de Graaff, sero necessriosalguns testes para comprovar o sucesso da montagem. Para saber como test-lo, porm, ser de grandevalia conhecer mais alguns detalhes do aparelho.

A caracterstica fundamental desse tipo de gerador o fato de ele ser uma fonte de corrente constante,ou seja: estabelecendo-se uma ligao eltrica entre os terminais do GVDG, e mantendo-se a velocidadeda correia constante, o GVDG tende a produzir corrente constante (isto , sempre de mesmaintensidade), mesmo que a resistncia eltrica entre terminais varie.Esse comportamento oposto ao de uma bateria ideal (fonte de tenso constante). Uma bateria ideal (ouprxima dessa condio, com resistncia interna praticamente nula) sempre tende a manter constante atenso entre seus terminais quanto menor a resistncia colocada entre seus terminais, maiores sero aintensidade de corrente e a potncia eltrica produzidas.

Por outro lado, um GVDG (cuja resistncia interna praticamente infinita), tende a manter constante acorrente que flui entre seus terminais - quanto maior a resistncia colocada entre eles assemelhando oconjunto a um circuito aberto, mais altas sero a tenso e a potncia desenvolvidas.Uma outra maneira de comparar esses dois tipos de fonte a seguinte: ligando-se em curto-circuito osterminais de uma fonte de tenso constante ideal, a corrente circulante mxima, pois a resistncia mnima; promovendo-se, porm, um curto-circuito entre a esfera e a base de um GVDG, a intensidade dacorrente assume o valor fixo associado velocidade da correia no momento da observao, a despeito do


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fato de a resistncia se apresentar muito baixa.

assim que voc deve proceder para ajustar seu GVDG: provoque nele um curto-circuito e mea acorrente circulante atravs desse curto. Para faz-lo, conecte um medidor de corrente razoavelmentesensvel entre a esfera e a base, ou entre as escovas superior e inferior. Um medidor de corrente, porapresentar resistncia desprezvel, equivale a um curto circuito; assim, nenhum outro fio necessrio.

Selecione um medidor que possa indicar intensidades ao redor dos 100 microampres. Quando o GVDGestiver funcionando, o medidor lhe mostrar a mxima corrente produzida pelo dispositivo. Um fluxo de 5microampres satisfatrio para um Van de Graaff modesto, em baixa velocidade. Um gerador maior,com a correia em velocidade alta poder fornecer algumas centenas de microampres. Quanto mais altafor essa corrente, melhor ele estar funcionando.

Assim, quando estiver aperfeioando um Van de Graaff recm-construdo, voc pode, com essa tcnica,escolher o espaamento ideal entre as escovas e a correia, o melhor material para a correia etc. Deixe oseu GVDG "falar" com voc: basta provocar um curto-circuito, ligando o microampermetro entre a cpulae a base (terra), para medir a corrente circulante.Ajuste os componentes para conseguir o valor mais alto em seu medidor. Uma correia de plsticotrabalhar melhor? Voc deveria usar muitas agulhas na escova ou poucas? Faa como indicamos, ligueseu Van de Graaff, mea a corrente produzida e voc ter as respostas.

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Com as devidas autorizaes das garotas!

Agradeo a participao. Lo

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Gerador Eletrostático de Van de Graaff - Feira de Ciências ..

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