INSTITUTO DE ENSINO SUPERIOR DO ESPÍRITO SANTO

FACULDADE DO ESPÍRITO SANTO

CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

CARLOS MAGNO DALMASO PETRI – 17174

EDILENE BRITES SOBRAL - 17119

FELIPE B. DE SIQUEIRA - 17173

MATHEUS COSTA - 17445

RODRIGO ALVARENGA - 17416

RUDNEY GUIMARÃES - 17148

WEVERTON LACHINI - 17338

TIAGO ALMEIDA - 17667

RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA DE FÍSICA:

ELETROSTÁTICA

CACHOEIRO DE ITAPEMIRIM

MAIO DE 2012

CARLOS MAGNO DALMASO PETRI – 17174

EDILENE BRITES SOBRAL - 17119

FELIPE B. DE SIQUEIRA - 17173

MATHEUS COSTA - 17445

RODRIGO ALVARENGA - 17416

RUDNEY GUIMARÃES - 17148

WEVERTON LACHINI - 17338

TIAGO ALMEIDA - 17667

RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA DE FÍSICA:

ELETROSTÁTICA

Relatório de aula prática

apresentado na disciplina de

Física III para obtenção de

nota. Professor orientador:

Gustavo Tosta Nicoli.

CACHOEIRO DE ITAPEMIRIM

MAIO DE 2012

INDICE

1. INTRODUÇÃO

2. OBJETIVO

3. REVISÃO

3.1. O Gerador de Van Der Graff

3.2. Funcionamento do Gerador de Van Der Graaff

3.3. Campo Elétrico

4. MATERIAS E PROCESSOS

4.1. Processos da Primeira Prática:

4.1.1 1º experimento:

4.1.2 2º experimento:

4.1.3 3º experimento:

4.1.4 4º experimento:

4.2 . Processos da Segunda Prática:

4.2.1 1º experimento:

4.2.2 2º experimento:

5. ASPECTOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

5.1 Resultados da Primeira Prática:

5.2 Resultados da Segunda Prática:

6. CONCLUSÃO

7. REFERÊNCIAS

1. INTRODUÇÃO

Os fenômenos eletrostáticos são conhecidos desde o tempo dos gregos. Naquela

época já se sabia que o âmbar, atritado com um pedaço de lã, era capaz de atrair

pequenos pedaços de fibra vegetal (palha, linho, etc.). E, durante vários séculos o

fenômeno foi considerado apenas como uma curiosidade natural.

Mas, em 1600, o médico inglês William Gilbert publicou o primeiro tratado a

respeito da eletricidade, no qual fazia referência às cargas elétricas geradas por atrito.

Seu trabalho deu origem às primeiras "máquinas eletrostáticas", que produziam

eletricidade pelo atrito de um disco de âmbar entre dois pedaços de pele de carneiro.

Mais tarde, em 1752, Benjamin Franklin chegava à conclusão de seus trabalhos

em eletricidade atmosférica, nos quais provava a existência de cargas elétricas no ar.

Estes conceitos básicos sobre a natureza da eletricidade levaram à conclusão de que as

máquinas eletrostáticas produziam e armazenavam cargas elétricas, sem contudo poder

movimentá-las, devido às propriedades isolantes dos materiais usados em sua

construção.

Só se conseguiu compreender as propriedades elétricas dos vários materiais

isolantes e condutores após o desenvolvimento das teorias a respeito do átomo.

Sabe-se, atualmente, que um determinado material é isolante porque o elétrons de seus

átomos não gozam de mobilidade, como acontece no caso dos átomos de metais, que

são bons condutores. Ao serem produzidas, as cargas permanecem na superfície do

material isolante, até que sejam retiradas por um corpo condutor.

Este fato é aproveitado para a construção dos geradores eletrostáticos do tipo

Van de Graaff; tendo aparecido em 1930, destinam-se a produzir voltagens muito

elevadas para serem usadas em experiências de física.

Sabemos que a evolução da física vem ocorrendo ao decorrer dos anos, este fato

se deve a grandes mentores e inventores. E o Engenheiro Van Der Graaff é um desses

responsáveis. O engenheiro Robert Jemison van de Graaff inventou por volta de 1929

uma maquina geradora eletrostática na qual levou seu sobre nome, gerador Van Der

Graff. A máquina foi logo empregada em física nuclear para produzir as tensões muito

elevadas necessárias em aceleradores de partículas.

Com isto, este documento de aula pratica visa demonstrar alguns fenômenos

causados através de experimentos com o auxilio do gerador de Van Der Graff partindo

de conceitos adquiridos em aulas teóricas sobre física eletrostática e campo elétrico. O

relatório trará um detalhamento explicativo sobre o que é e como funciona o gerador e o

campo elétrico atuante.

2. OBJETIVO

O alvo desse relatório de aula prática e mostrar em delineies o que é e como

funciona o gerador de Van Der Graaff a partir de conceitos teóricos e práticos.

Simular reações reais do dia-a-dia no contato com o gerador seja com uma parte

do corpo humano ou com materiais e demonstrar visualmente a existência das linhas de

força através do mapeamento de campo elétrico gerado pela produção de uma tensão

com o gerador de Van de Graaff excitando eletrodos de formatos diferentes

3. REVISÃO

Fundamentalmente processou-se uma revisão bibliográfica acerca de temas

pertinentes à elaboração deste relatório de aula pratica laboratorial de física. Dentre os

assuntos abordados os principais serão mencionados e definidos a baixo, são eles: O

gerador de Van Der Graff; Funcionamento do gerador de van der graff e Campo

elétrico.

3.1. O GERADOR DE VAN DER GRAFF

Van der Graaff inventou o gerador 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 (NETTO, 2012).

O gerador de Van der Graaff é um gerador de corrente constante, enquanto que a

bateria é um gerador de voltagem constante, o que varia é a intensidade dependendo de

quais os aparelhos que são conectados (GARCÍA, 2012).

O gerador de Van der Graaff (FIGURA 1) é muito simples, consta de um motor,

duas polias, uma correia ou cinta, duas hastes ou terminais feitos de finos fios de cobre

e uma esfera oca onde se acumula a carga transportada pela cinta. A figura 2 mostra

cada parte do gerador.

Gerador de Van Der Graff (FIGURA 1)

Exemplo do gerador de Van der Graaff (FIGURA 2).

Na figura 1, é mostrada um esquema do gerador de Van der Graaff. Uma esfera

condutora metálica oca , está suspensa por suportes isolantes de plástico, atornilados em

um pé metálico conectado a terra. Uma correia borrachada (não condutora) se move

entre duas polias. A polia é acionada mediante um motor elétrico. Duas hastes são feitas

de fios condutores muito finos, estão situados a altura do eixo das polias. As pontas das

hastes estão muito próximas porem não tocam a cinta.

O ramo esquerdo da cinta transportadora se move para cima, transporta um fluxo

contínuo de carga positiva para o condutor oco. Ao chegar devido à propriedade das

pontas é criado um campo suficientemente intenso para ionizar o ar situado entre a

ponta e a cinta. O ar ionizado proporciona o meio para que a carga passe da cinta a

ponta e a seguir, ao condutor oco, devido à propriedade das cargas que são introduzidas

no interior de um condutor oco.

3.2. FUNCIONAMENTO DO GERADOR DE VAN DER GRAAFF

Seu funcionamento consiste da seguinte forma. Primeiramente se eletrifica a

superfície da polia inferior devido a que a superfície da polia e a cinta são feitos de

materiais diferentes. A cinta e a superfície do rolo cilíndrico (polia) adquirem cargas

iguais e de sinais contrário. Contudo, a densidade de carga é muito maior na superfície

da polia que na cinta, já que as cargas se estendem por uma superfície muito maior,

suponhamos que escolhido os materiais da cinta e da superficie do rolo de modo que a

cinta adquire uma carga negativa e a superfície da polia uma carga positiva, tal como se

vê na figura 3 e 4.

Vista em 3d do funcionamento do gerador (FIGURA 3).

Vista lateral do funcionamento do gerador (FIGURA 4).

Se uma agulha metálica é colocada próximo da superfície da cinta, a altura de

seu eixo é produzida um intenso campo elétrico entre a ponta da agulha e a superfície da

polia. As moléculas de ar no espaço entre ambos elementos se ionizam, criando uma

ponte condutora pela qual circulam as cargas desde a ponta metálica para a cinta. As

cargas negativas são atraídas para a superfície da polia, porém no meio do caminho se

encontra a cinta, e se depositam em sua superfície, cancelando parcialmente a carga

positiva da polia. Porem a cinta se move para cima, e o processo começa de novo.

A polia superior E atua em sentido contrário a inferior, não pode estar carregada

positivamente terá que ter uma carga negativa ou ser neutra (uma polia cuja superfície é

metálica).

Existe a possibilidade de mudar a polaridade das cargas que transporta a cinta

mudando os materiais da polia inferior e da cinta. Se a cinta é feita de borracha, e a

polia inferior é feita de nylon coberto com uma camada de plástico, na polia é criada

uma carga negativa e a borracha positiva. A cinta transporta para cima a carga positiva.

Esta carga como já foi explicado, passa a superfície do condutor oco.

Se é usada um material neutro na polia superior E a cinta não transporta cargas

para baixo. Se é usado nylon na polia superior, a cinta transporta carga negativa para

baixo, esta carga vem do condutor oco. Deste modo, a cinta carrega positivamente o

condutor oco tanto em seu movimento ascendente como descendente.

3.3. CAMPO ELÉTRICO

Potencial elétrico – superfície equipotencial - é a propriedade com que um corpo

energizado tem de conseguir 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 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 (CARVALHO, 2012).

Campo elétrico – linha de força - Um campo elétrico é o campo de força

provocada por cargas elétricas (eletrons, protons ou ions) ou por um sistema de cargas.

Cargas elétricas num campo elétrico estão sujeitas a uma força elétrica. A fórmula do

campo elétrico é dada pela relação entre a força elétrica F e a carga de prova q.

O conceito de Campo Elétrico pode ser obtido a partir da Lei de Coulomb:

Quadro 1 – Lei de Coulomb.

Características das Linhas de Campo Elétrico. Define-se campo elétrico como

uma alteração colocado no espaço pela presença de um corpo com carga elétrica, de

modo que qualquer outra carga de prova localizada ao redor indicará sua presença.

Através de curvas imaginárias, conhecidas comumente pelo nome de linhas de campo,

visualiza-se a direção da força gerada pelo corpo carregado. As características do campo

elétrico são determinadas pela distribuição de energias ao longo de todo o 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. Pode-se

imaginar o campo como um armazém de energia causadora de possíveis movimentos. É

usual medir essa energia por referência à unidade de carga, com o que se chega à

definição de potencial elétrico, cuja magnitude aumenta em relação direta com a

quantidade da carga geradora e inversa com a distância dessa mesma carga. A unidade

de potencial elétrico é o volt, equivalente a um Coulomb por metro. A diferença de

potenciais elétricos entre pontos situados a diferentes distâncias da fonte do campo

origina forças de atração ou repulsão orientadas em direções radiais dessa mesma fonte.

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. As figura 5 e 6 representam a expressão acima para uma carga positiva e uma

carga negativa.

Vetor da carga Positiva (FIGURA 5).

Vetor da carga negativa (FIGURA 6).

4. MATERIAIS E PROCESSOS.

Em seguida processou-se uma aula pratica de laboratório para a execução dos

experimentos, foram utilizados os seguintes materiais.

Gerador de Van de Graaff;

Objeto soldado em forma de cata-vento com quatros ligados a o eixo;

Recipiente de vidro;

Um rolo largo de fita adesiva;

Óleo de rícino;

Sementes de grama;

Papel alumínio;

Lâmpada fluorescente queimada;

Dois eletrodos metálicos com uma extremidade virada em forma de L;

Dois fios com conectores;

Retro projetor.

Depois da determinação dos matérias que foram utilizados nos ensaios, iniciou-

se os métodos para os ensaios. O Laboratório estava com o ar ligado para que a

umidade do ar fosse baixa em seguida foi feito aterramento de um fio na parte inferior

do gerador de Van Der Graff. Ouve dois procedimentos na pratica, os mesmo estão

sendo especificados abaixo.

4.1 PROCESSOS DA PRIMEIRA PRÁTICA:

4.1.1 1º Experimento:

Primeiramente foram desligadas as luzes do laboratório e em seguida foi ligado

o gerador de Van Der Graff, neste inicio de ensaio já foi possível ver descargas

elétricas luminosas em forma de raios saindo da cúpula de alumínio do gerador

pos aproximação da mão, à distância para que tal fenômeno ocorra era de

aproximadamente 2 cm da cúpula.

Foi possível perceber que se uma pessoa estiver com a mão na esfera metálica e

uma outra pessoa se aproximar dela a descarga o atingira através de

extremidades de contato com o corpo da pessoa que segura a esfera.

Percebe-se através do ensaio que o cabelo da pessoa que segura a esfera fica

esticado e levantado.

4.1.2. 2º Experimento:

No segundo ensaio ainda com o gerador de Van Der Graff, Foram utilizados

papel alumínio picado. Os papeis alumínio foram colocados no interior do rolo

de fita adesiva sobre a esfera do gerador de Van Der Graff desligado, papando a

lateral que não estava em contato direto com a esfera com a mão, ligou-se então

o gerador. Ao ligar o gerador os papeis picados voaram em todas as direções

formando um alinhamento que saia do centro da cúpula para sua extremidade.

4.1.3. 3º Experimento:

Para o terceiro ensaio foi utilizada uma lâmpada fluorescente queimada do tipo

bastão. Neste ensaio também foi utilizado o gerador de Van Der Graff. O

procedimento se iniciou com o ligamento do gerador, posteriomente seguramos

uma extremidade da lâmpada (parte do vidro) com a mão, e então aproximamos

a outra extremidade na cúpula. Notamos então que a lâmpada queimada

acendeu, emitindo uma luz fraca e que piscava continuamente. Também

realizando o ensaio com uma mão na cúpula e outra segurando a lâmpada o

resultado é o mesmo.

4.1.4. 4º Experimento:

No ultimo ensaio dessa primeira etapa utilizamos uma armação metálica

semelhante ao símbolo do nazismo ou a um cata vento e o gerador. Ao

colocamos o eixo do objeto metálico em contato com o a esfera notou-se que ele

girava constantemente.

4.2. PROCESSOS DA SEGUNDA PRÁTICA:

4.2.1. 1º Experimento:

Na segunda prática foram utilizados além do gerador, um retro projetor,

recipiente de vidro, óleo de rícino, sementes de grama e uma estrutura metálica

que tinha dois pólos metálicos ligados a dois fios que saiam do gerador de Van

Der Graff.

Primeiramente foi colocado o recipiente de vidro contendo óleo de rícino sobre

o retro projetor. Então foi posicionado um dos eletrodos na superfície do óleo no

centro, logo em seguida foram jogados sementes de grama dentro do recipiente

contendo o óleo e o eletrodo. Conectou-se um fio que saia do gerador que estava

desligado no eletrodo.

Depois da montagem do ensaio o retro projetor e o gerador foram ligados. Foi

possível perceber que ouve um alinhamento na movimentação das sementes de

grama que partia da extremidade do eletrodo e que se estendiam em direção a

margem do recipiente de vidro.

4.2.2. 2º Experimento:

Na segunda experiência acrescentou-se um segundo eletrodo dentro do

recipiente de vidro, esse segundo eletrodo foi conectado a um fio de

aterramento. Os dois eletrodos foram distanciados um do outro dentro do

recipiente de vidro. As sementes de grama foram desorganizadas na superfície

do óleo. Quando o gerador de Van Der Graff foi ligado às sementes de grama se

alinharam de forma que partiam de um eletrodo ao outro.

5. ASPECTOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

O resultado obtido nos procedimentos da primeira e segundo pratica são

apresentados a seguir em tópicos separados para facilitar a assimilação.

5.1. RESULTADOS DA PRIMEIRA PRÁTICA

No primeiro experimento, ouve eletrização por indução. A indução ocorre

quando se tem um corpo que esta inicialmente eletrizado e que é colocado próximo a

um corpo neutro. Com isso, a configuração das cargas do corpo neutro se modifica de

forma que as cargas de sinal contrário (positivo e negativo) tendem a se aproximar mais

da outra. Porém, as de sinais contrários tendem a ficar o mais afastado possível. Ou seja,

na indução ocorre a separação entre algumas cargas positivas e negativas do corpo

neutro ou corpo induzido. Com isto, ao aproximarmos a mão que tem cargas positivas e

negativas na esfera do gerador ligado que por sua vez esta positiva, produzira faíscas e

estalos que são causados pelo deslocamento e expansão do ar aquecido. A transferência

de eletros de um porco para o outro é denominada descarga elétrica, que é o

rompimento de elétrons no ar.

Quando uma pessoa coloca a mão na cúpula do gerador de Van Der Graff a

eletrização da pessoa por contato faz com que por indução, se acumulem cargas de

mesmo sinal que da esfera nos pontos extremos do corpo humano, no caso os cabelos.

Assim, todos os fios de cabelo ficam eletrizados tendo à mesma polaridade da esfera,

conseqüentemente se repelem, provocando o eriçamento total ou parcial do cabelo.

No caso dos papeis metálicos picados, quando o gerador é ligado ocorrem

transferências contínuas de cargas elétricas para a esfera, o potencial elétrico gerado é o

mesmo gerado também para os papeis alumínio que por sua vez se repelem por possuir

polaridade igual ao da cúpula. Desta forma a distribuição regular das cargas no corpo da

esfera forma um campo elétrico de direção radial e com orientação para o centro da

mesma.

O Fato pelo qual a lâmpada fluorescente queimada acende acontece porque

como o potencial elétrico gerado pela esfera carregada tem simetria radial conforme já

citado no parágrafo à cima, ao aproximamos uma extremidade da lâmpada o potencial

das duas pontas será diferente aparece entre as extremidades que eletriza o gás no

interior da lâmpada liberando energia na forma de luz. Com isto, a lâmpada só emitirá

luz até o limite onde a mão entra em contato com a lâmpada por causa da diferença de

potencial.

Na parte do ensaio que se utilizou uma armação em forma de cata vento foi

possível observar e concluir que a rotação gerada pelo gerador sob a armação fixada

sobre um ponto negativo acontece devido à produção de vento elétrico em torno de cada

ponta da armação metálica. Os íons positivos e as moléculas neutras de ar que se

deslocam, ao se chocarem com as pontas, exercem forças sobre elas. Essas forças

colocam a armação em forma de cata vento para girar no sentido contrario ao das

pontas.

5.2. RESULTADOS DA SEGUNDA PRÁTICA

No experimento envolvendo óleo de rícino, sementes de grama e o gerador de

Van Der Graaff, na qual foi usado apenas um eletrodo, a configuração originada pela

carga positiva do eletrodo ligado ao gerador mostra que ouve um alinhamento das

sementes de rícino em forma de um espiral partindo do centro do eletrodo para as

bordas do prato. Neste experimento podemos confirma que pólos positivos causam uma

força de repulsão.

No segundo experimento na qual foram usados dois eletrodos, sendo um ligado a

maquina de Van Der Graaff e o segundo aterrado o resultado foi um pouco diferente do

primeiro já que ouve repulsão do pólo positivo. No segundo ensaio após ligarmos o

gerador às partículas de grão de grama se alinharam de forma que partiam do eletrodo

ligado ao gerador e que se encontravam no eletrodo aterrado. Os pólos positivos causam

repulsão entre as partículas e os pólos negativos causam retração nos grãos, com isso o

eletrodo aterrado puxou a carga positiva do eletrodo magnetizado com o gerador. Foi

possível perceber que no eletrodo positivo ouve a dispersão de algumas linhas de

partículas, essa dispersão se deve ao fato de que não avisa concentração de forças

contrarias perto dessas extremidades.

Conclui-se neste experimento também que cada geometria do eletrodo

proporciona um campo elétrico diferente.

6. CONCLUSÃO

Concluímos que de tudo o que foi explicado e descrito o trabalho atingiu os seus

principais objetivos que eram mostrar o que é e como funciona o gerador de Van Der

Graaff, através dos ensaios experimentais feitos em laboratório e assuntos teóricos

abordados pelo professor.

Portanto pode-se comprovar que as linhas de força são sempre perpendiculares

às superfícies metálicas dos eletrodos desta forma nunca podendo ser paralelas aos

mesmos, pois as linhas demonstram o trajeto do campo elétrico de um eletrodo ao outro

como que se formando uma ponte entre eles para a circulação da corrente elétrica.

Com o conhecimento teórico de Campo Elétrico obtido a principio, vislumbra-se

pelos experimentos realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica.

O experimento foi muito satisfatório com aprendizado e como forma de se

demonstrar como funciona o Gerador de Van de Graaff e colocar em prática a teoria

para se entender melhor os fenômenos físicos.

7. REFERÊNCIAS

GARCÍA, Ángel Franco. Eletromagnetismo: O gerador de Van der Graaff.

Disponível em:

<http://www.fisica.ufs.br/egsantana/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.ht

m> . Acesso em: 19 maio 2012.

EVANGELISTA, André Geraldo; SILVA, Fabiana Da; RIBEIRO, Renata

Priscila Fonseca. RELATORIO VAN DE GRAAF: PROCEDIMENTO

EXPERIMENTAL. Disponível em:

<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABML8AF/relatorio-van-graaf-fisica-

iii> . Acesso em: 19 maio 2012.

NETTO, Prof. Luiz Ferraz. Gerador eletrostático de Van de Graaff.

. Disponível em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala11/11_03.asp> .

Acesso em: 19 maio 2012.

CARVALHO, Thomas. Fisica: Campo eletrico. Disponível em:

<http://www.infoescola.com/fisica/campo-eletrico/> . Acesso em: 19 maio

2012.

Sala de Física, leitura de Física, Gerador de Vande Graaff.

<http://www.geocities.ws/saladefisica5/leituras/vandegraaff.html> Acesso em:

19 maio 2012.