GERADOR ELETROSTÁTICO

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1 GERADOR ELETROSTÁTICO Est artigo irá mostrar como construir um grador ltrostático, projto muito famoso m firas d Ciências. É uma máquina muito intrssant dvido às pqunas faíscas qu gra, dmonstrando claramnt o fnômno da ltrização por atrito por indução. Givanildo Amorim* Márcio Mrcúrio* Vra Hnriqus* Wagnr Goms* Nívis d Dificuldad mcânica ltrônica informática custo Para ntndrmos como funciona st grador é fundamntal rcordarmos os métodos para ltrizar um corpo. O grand sgrdo dsta máquina stá m scolhr corrtamnt os matriais qu srão atritados. ELETRIZAÇÃO POR ATRITO Quando dois corpos stão m contato, pod ocorrr compartilhamnto d létrons ntr os átomos d suas suprfícis. Ao srm afastados, alguns átomos d um dtrminado mtal podm rtr um ou mais létrons dos átomos do outro matrial. Assim, os dois matriais ncssitam apnas tr um contato srm sparados para qu os létrons sjam trocados. Isso é o qu cria o dsquilíbrio da carga líquida ntr os objtos (figura 1). Entrtanto, o fito é ralçado xtrmamnt quando friccionamos os matriais, porqu ls s tocam sparam muitas vzs. Para obtr uma boa ltrização, é ncssário slcionar os matriais a srm atritados, porqu as ligaçõs químicas qu vão s stablcr dpndm dos lmntos qu compõm sss matriais. Isso ocorr porqu xistm átomos qu têm tndência a rcbr létrons outros 1 Dsquilíbrio da carga líquida ntr os objtos. com tndência a doar létrons. Como é o caso d nxofr cobr, por xmplo. Para facilitar o manusio dos divrsos matriais, foram construídas tablas qu mostram a tndência dsss matriais rcbrm ou doarm létrons, chamadas séris tribolétricas (vja a tabla 1). Matriais qu stão mais próximos do xtrmo mais ngativo têm disposição para assumir uma carga létrica ngativa. Os matriais mais próximos ao xtrmo mais positivo tndm a assumir carga létrica positiva. Portanto, ao construir su grador, você dv scolhr dois matriais das duas xtrmidads da tabla para maximizar a sparação das cargas. Por xmplo: atritar tflon com vidro ltriza mais do qu s você atritar papl com poliéstr. Em nosso grador ltrostático, ao girarmos a manivla, atritamos o cano d PVC com o fltro. Dssa forma, o PVC arranca os létrons do fltro ficando com mais létrons do qu prótons, portanto, com uma carga líquida ngativa. Dizmos ntão qu o PVC, qu ants ra nutro, agora stá ltrizado ngativamnt. Esss létrons vão rplir os létrons da placa mtálica (vja o box Condutors isolants ) para o lado mais distant do tubo, no lado próximo ao tubo (dvido à fuga dos létrons), surg uma concntração d cargas positivas (figura 2). 51

2 T1 Divrsas scalas para a mdida. ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO S você aproximar um objto mtálico da placa, os létrons dst mtal também srão rplidos, mas agora su corpo (qu é um bom condutor), prmitirá qu ls fluam para a trra. Você pod prcbr qu houv sparação d cargas, mas não houv contato. Ess tipo d ltrização é chamado ltrização por indução. A faísca Mas isto não é tudo. À mdida m qu você for girando o rolt, a carga líquida no rolt aumnta, consqüntmnt, mais létrons são rplidos para a trra, aumntando assim a intnsidad do campo létrico criado plas cargas (vja o box Campo létrico ). Esta situação prmanc até qu o campo létrico atinja um valor 2 O PVC arranca os létrons do fltro. alto o suficint para vncr a rigidz dilétrica do ar (vja o box Rigidz dilétrica ). S você utilizar um mtal pontiagudo para aproximar da placa, isso srá consguido mais facilmnt, pois o campo létrico é mais intnso m rgiõs d mnor raio. A razão disso é qu as cargas s stndm ao máximo sobr a suprfíci do condutor a xtrmidad d uma ponta CONDUTORES E ISOLANTES Em um mtal os létrons das camadas mais xtrnas ficam fracamnt ligados ao núclo atômico, sndo facilmnt arrancados. Matriais com stas caractrísticas são chamados condutors porqu prmitm a fácil movimntação dos létrons. Um mio também pod sr considrado condutor s prmitir a formação o fluxo d íons (átomos qu prdram a nutralidad). Um matrial m qu os létrons são fortmnt CAMPO ELÉTRICO Campo létrico é uma rgião ond uma carga létrica xprimnta uma força. A força é dvida à prsnça d outras cargas na rgião. Para ntndr mlhor o campo létrico, você pod fazr uma analogia com o campo gravitacional da Trra. Ao rdor do planta xist o campo gravitacional ao rdor das cargas há o campo létrico. A difrnça é qu além d a força létrica sr muito sr muito maior qu a gravitacional, la pod sr atrativa ou rpulsiva nquanto qu a força gravitacional é só atrativa. RIGIDEZ DIELÉTRICA A rigidz dilétrica corrspond ao maior valor do campo létrico aplicado a um isolant sm qu l s torn um condutor. Essa rigidz varia d um matrial para outro. No caso do ar, sua rigidz dilétrica E val crca d 3 x 10 6 N/C, assim, quando um campo létrico no ar ultrapassar ss valor, l dixa d sr isolant torna-s condutor. aguda stá o mais long possívl da maior part da suprfíci. Algumas cargas da placa na xtrmidad da ponta podm dar uma dnsidad d carga significativa, consqüntmnt, um campo alto. Logo, nsta rgião d campo com alta intnsidad, uma carga solta (um létron ou um íon) no ar é aclrada plo campo a carga ating vlo- ligados ao núclo é chamado isolant, pois não prmit uma fácil movimntação dos létrons. 52

3 CUIDADOS COM A MÁQUINA Todas as atividads do corpo humano são rguladas por impulsos létricos. Dvido a isso, nosso corpo é muito snsívl à passagm d corrnt létrica. As corrnts létricas qu causam problmas para o corpo humano têm intnsidads a partir d 2 ma, para corrnt altrnada, 5 ma, para corrnt contínua, o fito dpnd também do tmpo d duração dssa corrnt. Em gral, os choqus na máquina ltrostática não causam problmas, dvido à sua curta duração. No ntanto, você dvrá tomar muito cuidado no caso d dsjar utilizar a máquina para carrgar capacitors, pois ls podm acumular carga suficint para produzir corrnts capazs d causar dsd dors musculars até parada cardíaca. COMO OCORRE UM RAIO Há muitas torias qu xplicam a formação dos raios. A toria mais acita hoj plos cintistas, é a qu xplica a formação dos raios a partir da ltrização das nuvns. A ltrização das nuvns ocorrria através do choqu ntr as partículas d glo água nla contidas. Dvido às corrnts d convcção dntro da nuvm, partículas d glo água sofrm colisõs nstas colisõs las podm prdr ou ganhar létrons, formando íons. cidad suficint para golpar outro átomo. Como rsultado s produzm mais mais íons. Tmos assim uma dscarga ou uma faísca. É por ss motivo qu você dv vitar quinas nas parts mtálicas da sua máquina ltrostática. O fato d a faísca tr surgido significa qu o campo létrico na rgião ficou tão intnso qu vncu a rigidz dilétrica do ar st, qu ra isolant tornou-s condutor. Para qu isso ocorra é ncssário qu o campo proporcion uma difrnça d potncial d V para cada cntímtro d ar atravssado pla faísca. Sabndo isto, você podria stimar a voltagm d um raio qu ocorr ntr a trra uma nuvm qu stja a mtros d altura? MONTAGEM Nas páginas sguints stão ilustradas as principais tapas d cons- S, dvido a fators como vnto gravidad, as cargas assim formadas s acumularm m xtrmos opostas da nuvm, a msma funcionará como um capacitor. Ess acúmulo d cargas podrá induzir outras na suprfíci trrstr produzindo um campo létrico ntr a trra a nuvm. S ssa suprfíci tivr uma ponta (uma árvor, um pára-raios, ou você) la facilitará uma dscarga produzindo aquilo qu conhcmos como raio. trução do grador, montado com matriais d fácil acsso. A idéia é srvir d rfrência para qu o litor faça o su grador com os matriais qu tivr a mão com as informaçõs dscritas até aqui. Caso o litor não possua habilidad no manusio dos matriais frramntas aqui dscritos, pça ajuda para alguém mais xprint. TESTANDO O GERADOR Após a montagm, a primira coisa a sr obsrvada é s o tubo d PVC stá sndo ltrizado, quando giramos a manivla. Vrificamos isso aproximando o braço do tubo nquanto ss gira. S a ltrização stivr boa prcbrmos os pêlos do braço srm atraídos plo tubo; s isso não ocorrr, o matrial do fltro podrá star influnciando, o tubo podrá star girando sm ncostar-s ao fltro, a vlocidad d rotação dvrá star muito baixa ou a umidad rlativa do ar podrá star muito alta. Uma vz qu o tubo stivr ltrizado, ajust o coltor d cargas próximo ao tubo aproxim um objto mtálico na outra xtrmidad da chapa. S surgirm pqunas faíscas, o grador stará funcionando; s não, a distância ntr a chapa o tubo podrá star grand ou o matrial da chapa podrá não sr um bom condutor. D prfrência, utiliz o cobr. CONCLUSÃO Com sta montagm, o litor podrá grar pqunas faíscas comprovar o fnômno físico da ltrização por atrito por indução. Além disso, as soluçõs mcânicas aqui aprsntadas, crtamnt, srão útis m outras montagns qu l podrá vir a fazr. f Mais informaçõs Givanildo Amorim, Márcio Mrcúrio, Vra Hnriqus Wagnr Goms fazm part do grupo Exprimntando - Eltromagntismo, do Profis, um spaço d apoio, psquisa coopração d profssors futuros profssors d Física, do Instituto d Física da USP. Para mais informaçõs acss: 53

4 Eixo Manivla Para a bas utiliz um pdaço d madira d aproximadamnt 3 cm d spssura aprovit as sobras para os suports latrais. Para mlhorar a sustntação prnda dois pqunos pdaços d madira m cada um dos suports, utilizando prgos cola, fix com parafusos. Us um cano d PVC d 4 polgadas duas garrafas PET d 2 litros, scolhidas para ntrarm bm justas no cano. Para diminuir o atrito, adapt rolamntos qu s ncaixm justos na tampa da garrafa. Para fixar na strutura d madira, utilizamos o rolamnto para fazr uma marcação no suport latral ntão cortamos a madira d manira qu o rolamnto s ncaix prfitamnt no rcort. Para a construção da manivla utilizamos um pdaço d cabo d vassoura, um pdacinho d madira, um tubinho d plástico parafusos com arrulas. Escolhmos um cabo qu s ncaixass justo na boca da garrafa, o cortamos d modo qu fiqu 4 cm para fora, aproximadamnt. Para fixar na garrafa, basta um pquno prgo para travar o cabo. Fix o pdacinho d madira na ponta do cabo do outro lado coloqu um parafuso um tubinho d plástico, qu dv ntrar folgado. Para fixar a part suprior do rolamnto no suport d madira, us uma chapa mtálica fina (1mm), rcortando-a d modo qu form uma braçadira parafus no suport. 54

5 Suport do fltro para atrito Para garantir qu o tubo d PVC s mantnha m contato com o fltro durant a rotação, é ncssário um dispositivo para mantr o fltro prssionado contra o tubo. Ess arranjo é fito com uma pquna tábua rtangular com o msmo comprimnto do tubo, parafusos com borbolta duas molas. Faça dois furos na tábua um rbaixo para cada um: na part suprior, o furo dvrá sr largo o suficint para apoiar a cabça do parafuso, o diâmtro mnor (na part infrior), dvrá dixar o parafuso passar livrmnt. Us outro pdaço d madira, ond passarão os dois parafusos. Coloqu as molas nos parafusos, ncaix-os nos furos, finalmnt rosqui as borboltas. Dssa forma, conform soltamos ou aprtamos as borboltas, aproximamos ou afastamos o fltro o tubo d PVC. O coltor Usa-s uma pquna chapa d cobr (d msmo comprimnto do tubo d PVC). Em um dos lados dvm sr fitos pqunos corts com uma tsoura (para mlhorar a transfrência d cargas). Est lado ficará próximo ao tubo. O outro lado dvrá tr suas pontas arrdondadas. O tubinho d plástico é fixado na bas do grador com parafuso arrula. Para sustntar a chapa, utiliza-s um tubo d PVC (4 cm), cuja altura dv alcançar a mtad do diâmtro do tubo grand. Como suport, pod-s usar um tubinho vazio d plástico (d vitamina) qu s ncaix justo no tubinho d PVC. Na tampa do tubinho fixa-s a chapa d cobr com uma sfra d latão com um parafuso (pod sr um puxador d gavta). Mcatrônica Fácil nº18 - Stmbro