Como funcionam os geradores Van de Graaff

Introdução





O equipamento estranho que eriça os cabelos de quem o toca se chama gerador Van de Graaff. O dispositivo parece uma grande bola de alumínio montada sobre um pedestal.

John Zavisa e seu filho experimentando o contato com um gerador Van de Graaff

Você
já se perguntou o que é esse dispositivo, como funciona, por que foi
inventado ou como você mesmo poderia construir um? Certamente não foi
inventado para eriçar o cabelo das pessoas. Você nunca se perguntou
como funcionam a eletricidade estática e a adesão estática?

Para entender o gerador Van de Graaff e como ele funciona é preciso entender a eletricidade estática. Quase todas as pessoas estão familiarizadas com a eletricidade estática, pois podem vê-la e senti-la no inverno. Em dias secos, a eletricidade estática pode se formar nos nossos corpos e fazer com que uma descarga passe deles para pedaços de metal ou para outras pessoas. Podemos ver, sentir e ouvir o som dessa descarga quando ela ocorre.

Raízes
A palavra "elétron", em inglês, vem da palavra grega amber.
Nas aulas de ciência, você deve ter feito alguns experimentos com eletricidade estática. Se você esfrega, por exemplo, um bastão de vidro em um pedaço de seda ou se você esfrega um pedaço de âmbar com lã, o vidro e o âmbar vão desenvolver uma carga estática que pode atrair pequenos pedaços de papel ou de plástico.

Para entender o que acontece quando seu corpo ou o vidro desenvolvem uma carga estática, pense nos átomos que formam tudo que podemos ver. Toda a matéria é formada por átomos, que são formados por partículas carregadas. Os átomos têm um núcleo formado por nêutrons e prótons e uma "carapaça" de elétrons que os envolve. Basicamente, a matéria tem carga neutra, isso significa que o número de elétrons e prótons é o mesmo. Se um átomo possui mais elétrons que prótons, tem carga negativa. Se tiver mais prótons que elétrons, tem carga positiva.

Alguns átomos mantêm seus elétrons presos mais firmemente que outros. O quão firme a matéria segura seus elétrons é o que determina seu lugar nas séries triboelétricas. Nas séries triboelétricas, se um material, em contato com outro, é mais apto a doar elétrons, é considerado mais positivo; se for mais propenso a "capturar" elétrons, é considerado mais negativo.

A tabela a seguir mostra as séries triboelétricas para muitos materiais que podem ser encontrados pela casa. Itens positivos estão acima e os negativos na parte de baixo:

* mãos humanas, geralmente úmidas - muito positivo
* pele de coelho
* vidro
* cabelo humano
* nylon
* lã
* pele
* chumbo
* seda
* alumínio
* papel
* algodão
* aço - neutro
* madeira
* âmbar
* borracha dura
* níquel, cobre
* latão, prata
* ouro, platina
* poliéster
* estireno (isopor)
* papel filme
* poliuretano
* polietileno (fita isolante)
* polipropileno
* vinil (PVC)
* silicone
* teflon - muito negativo

A posição relativa de duas substâncias nas séries triboelétricas determina como elas vão se portar quando entrarem em contato. Vidro esfregado por seda causa uma separação de carga, pois estão divididos por muitas posições na tabela. O mesmo se aplica ao âmbar e a lã. Quanto maior a separação na tabela, maior o efeito.

Quando dois materiais não condutores entram em contato, uma ligação química conhecida como adesão é formada entre eles. Dependendo de suas propriedades triboelétricas, um material pode "capturar" alguns elétrons do outro. Se os dois forem separados, um desequilíbrio de carga acontece. O material que capturou elétrons está com carga negativa e o que perdeu está com carga positiva. Esse desequilíbrio de carga é de onde a "eletricidade estática" vem. O termo "estática", nesse caso, é enganador, pois implica em "falta de movimento", quando na verdade é comum e necessário que exista um fluxo para que um desequilíbrio de cargas aconteça. O pequeno choque que você sente quando toca numa maçaneta é um exemplo desse fluxo.

A quantidade de carga depende dos materiais envolvidos e da quantidade de área de superfície que os une. Muitas superfícies, quando observadas com um microscópio de luz, parecem ásperas ou irregulares. Se essas superfícies fossem lisas para que mais contato pudesse acontecer, a carga (voltagem) certamente aumentaria.

Outro fator importante na eletrostática é a umidade. Se estiver muito úmido, o desequilíbrio de carga não permanecerá por um tempo útil. Lembre-se que a umidade é a medida da quantidade de água no ar. Se esta quantidade estiver alta, a umidade revestirá a superfície do material, fazendo um caminho de baixa resistência para o elétron fluir. Esse caminho permite que as cargas se “recombinem” e assim neutralizem o desequilíbrio. Da mesma forma, quando está muito seco, a carga pode aumentar até níveis extraordinários, ou seja, até dezenas de milhares de volts.

Causas das cargas elotroestáticas
As cargas eletrostáticas não são causadas por fricção. Muitos presumem ser assim. Esfregar um balão na cabeça ou arrastar os pés no tapete vão criar uma carga. A eletrostática e a fricção são relacionadas na maneira em que ambas são produto da adesão. Esfregar dois objetos, por exemplo, pode aumentar a carga eletrostática porque uma área maior de superfície fica em contato, mas a fricção sozinha não tem nada a ver com a carga.
Dependendo do tipo de sola dos seus sapatos e do material do piso em que você está pisando, cria-se uma voltagem suficiente para fazer a carga pular para a maçaneta da porta, deixando-o neutro. Você deve lembrar do velho comercial do "agarrão estático". As roupas na secadora criam uma carga eletrostática. A secadora cria um ambiente de baixa umidade que gira, fazendo com que as roupas entrem em contato e separem-se continuamente. A carga pode facilmente ser alta o suficiente para fazer com que o material se atraia e "grude" em superfícies com cargas opostas, por exemplo, seu corpo ou outras roupas. Um método usado para remover a "estática" é vaporizar as roupas com um pouco de água. Aqui novamente, a água faz com que a carga disperse, deixando o material neutro.

Quando há sujeira no ar, este se parte muito mais fácil na presença de um campo elétrico. Isso significa que a sujeira permite que o ar fique ionizado mais facilmente. O ar ionizado é apenas ar que perdeu um ou mais de seus elétrons. Quando isso acontece, é chamado de plasma, que é um condutor muito bom. De forma geral, adicionar impurezas ao ar melhora a sua condutividade. Impurezas no ar causam o mesmo efeito que a umidade. Nenhuma dessas condições é desejável para a eletrostática. Geralmente, a presença dessas impurezas no ar significa que elas também estão presentes nos materiais que você está usando. Assim, é possível saber como estão as condições do material. Os materiais geralmente vão se partir como o ar, só que muito mais rápido.

Agora que você aprendeu algo sobre eletrostática e eletricidade estática, é fácil de entender o propósito do gerador Van de Graaff. Um gerador desse tipo é um dispositivo projetado para criar eletricidade estática e torná-la disponível para experimentos.

O físico americano Robert Jemison Van de Graaff inventou o gerador Van de Graaff em 1931. O dispositivo, que leva seu nome, tem a capacidade de produzir voltagens extremamente altas, até 20 milhões de volts. Van de Graaff inventou o gerador para fornecer a alta energia necessária para os primeiros aceleradores de partículas. Nos Estados Unidos, esses aceleradores de partículas eram conhecidos como esmagadores de átomos por acelerar partículas subatômicas a grandes velocidades e depois as "esmagar" contra os átomos do alvo. As colisões resultantes criavam outras partículas subatômicas e radiação de alta energia como os raios X. A capacidade de criar essas colisões de alta energia é o fundamento das físicas nuclear e de partículas.

Os geradores Van de Graaff são descritos como dispositivos eletrostáticos de corrente constante. Quando uma carga é colocada num gerador desse tipo, a corrente (amperagem) continua a mesma. É a voltagem (tensão) que varia com a carga. No caso desse gerador, conforme você se aproxima do terminal de saída (esfera) com um objeto aterrado, a voltagem diminui, mas a corrente permanece a mesma. De maneira oposta, as baterias são conhecidas como dispositivos de "voltagem constante" porque, quando são ligadas a um circuito, a voltagem permanece a mesma. Um bom exemplo é a bateria do carro. Uma bateria de carro totalmente carregada produz cerca de 12,75 volts. Se você acender os faróis e checar a voltagem, verá que ela continua relativamente a mesma. Ao mesmo tempo, a corrente vai variar com a carga. Seus faróis, por exemplo, necessitam de 10 ampères, mas seus limpadores de pára-brisas podem necessitar de somente 4 ampères. Independentemente do que você ligar, a voltagem continuará a mesma.

Existem dois tipos de geradores Van de Graaff: para carregar, um deles usa uma fonte de energia de alta voltagem e o outro usa correias e cilindros para carregar. Falaremos aqui sobre o último tipo.

Esse tipo de gerador é feito de:

* um motor
* dois cilindros
* uma correia
* duas montagens de escovas
* um terminal de saída (geralmente uma esfera de metal ou alumínio)

Você pode ver essas peças na imagem abaixo.







Quando o motor é ligado, o cilindro inferior (carregador) começa a girar a correia. Como a correia é feita de borracha e o cilindro inferior coberto com fita de silicone, ele começa a produzir uma carga negativa enquanto a correia gera uma carga positiva. É fácil entender porque esse desequilíbrio de cargas acontece olhando nas séries triboelétricas: o silicone é mais negativo que borracha; portanto, o cilindro inferior captura elétrons da correia enquanto esta passa por ele. É importante perceber que a carga no cilindro é muito mais concentrada do que a carga na correia. Por causa dessa concentração de carga, o campo elétrico do cilindro é muito mais forte do que o da correia no lugar onde o cilindro e a escova inferior se juntam. A carga negativa mais forte começa agora a fazer duas coisas:

1. repelir os elétrons próximos das pontas da montagem da escova inferior - os metais são bons condutores, pois eles são basicamente átomos positivos cercados por elétrons fáceis de mover. A montagem da escova agora tem pontas de fio que estão carregadas positivamente, porque os elétrons foram para longe das pontas, na direção da ligação e do suporte do motor;
2. tirar moléculas de ar próximas dos seus elétrons - quando um átomo perde seus elétrons, é chamado de plasma, o quarto estado da matéria. Assim, temos elétrons livres e átomos de ar positivamente carregados entre o cilindro e a escova. Os elétrons são repelidos do cilindro, que tem poucos elétrons, e atraídos para as pontas da escova enquanto os átomos positivos são atraídos para o cilindro negativamente carregado.

Os núcleos atômicos (com carga positiva) das moléculas de ar tentam se mover na direção do cilindro negativamente carregado, mas a correia está no caminho. Agora ela está “revestida” pela carga positiva, que as leva para longe do cilindro.

Enquanto houver ar entre o cilindro inferior e a montagem da escova, o gerador Van de Graaff continuará a carregar a correia. Teoricamente, o gerador pode continuar a carregar para sempre. Infelizmente, sujeira e outras impurezas no ambiente vão limitar a verdadeira carga que se desenvolve na esfera.

A correia, como a deixamos, está positivamente carregada e girando em direção ao cilindro superior e à montagem da escova superior. Como foi usado nylon para o cilindro superior, este quer repelir a carga da correia. A montagem da escova superior é conectada à parte interna da esfera e fica próxima ao cilindro superior e à correia. Os elétrons na escova se movem para as pontas dos fios, pois são atraídos para a correia, que está positivamente carregada. Uma vez que o ar se quebra como antes, os núcleos atômicos positivos do ar são atraídos para a escova. Ao mesmo tempo, os elétrons livres no ar vão para a correia. Quando um objeto carregado encosta no interior de um recipiente de metal, o recipiente fica com toda a carga, deixando o objeto neutro. O excesso de carga aparece na superfície de fora do recipiente. Nesse caso, o recipiente é a esfera. É através desse efeito que o gerador Van de Graaff é capaz de atingir suas imensas voltagens. Para o gerador, a correia é o objeto carregado, entregando continuamente uma carga positiva para a esfera.

Um último lembrete antes de você construir seu gerador: normalmente, um material neutro é usado para o cilindro superior, para que a correia torne-se neutra quando a esfera sugar a carga em excesso. Como foi usado um cilindro superior de nylon, que é positivo nas séries triboelétricas, a correia entrega mais carga positiva e torna-se negativa. Essa é uma técnica usada para duplicar sua corrente. A correia é positiva em um dos lados conforme se aproxima do cilindro superior e negativa do outro lado à medida que se aproxima do cilindro inferior.

Se você é um conhecedor de mecânica, pode construir um pequeno gerador Van de Graaff com despesas mínimas, uma vez que as peças podem ser obtidas no comércio ou podem ser fabricadas. Por outro lado, você pode comprar o equipamento ou um gerador pronto. Acesse os links no final desse artigo para ter mais idéias. O que vem a seguir é uma lista de materiais que podem ser usados na construção de um gerador Van de Graaff.

* Motor - motor usado com 1/3 hp e 1.780 rpm.
* Correia - um pedaço de tubo cirúrgico. NÃO USE BORRACHA PRETA! A correia deve ser isolante.
* Cilindro inferior - um pedaço de nylon com 7,6 cm de diâmetro e 7,6 cm de comprimento, com uma coroa no meio. O cilindro foi perfurado para segurar um eixo de motor com chave de 5/8 de polegada e coberto com fita de silicone, disponível em lojas de ferragens; use 25mm de largura e 20mm de espessura.
* Cilindro superior - um pedaço de nylon com 5 cm de diâmetro e 5 cm de comprimento, com uma coroa no meio.
* Escova superior e inferior - dois pedaços de tiras trançadas de aterramento.
* Esfera - duas tigelas de salada de aço inoxidável apoiadas sobre as bordas uma da outra.

Cilindros
Pode-se usar a técnica do cilindro negativo/positivo. Os resultados são muito melhores do que os de um cilindro neutro. Saiba que materiais quer usar e depois procure nas lojas de ferragens. Existem materiais na lista triboelétrica que são facilmente encontrados. Evite usar folhas de alumínio ou qualquer outro metal que possa quebrar ou lascar. Se o alumínio lascar, vai se prender na correia, causando um curto-circuito no gerador. Você deve colocar uma coroa nos cilindros, faça a saliência do meio como um pequeno barril. Uma vez aberto o furo central nesses cilindros no diâmetro correto para passar os eixos, eles devem ser "coroados". Coroar um cilindro é fazer rebaixos nos extremos de maneira que a região central fique ligeiramente mais alta que as extremidades. Esse procedimento manterá a correia centrada sobre o rolete enquanto ele funciona.

Correia
O tubo cirúrgico funciona muito bem. É durável, fácil de manter limpo e de trabalhar. Compre o tubo em uma boa loja de ferragens ou de suprimentos médicos. Será preciso cortar o tubo para fazer uma correia lisa. Use uma tesoura ou infle o tubo. Faça um círculo e sobreponha as pontas levemente. Faça um corte com 45º de ângulo sobre as pontas, cortando até o fim. Junte as extremidades e cole-as com cola de borracha. Esse procedimento ajuda a correia a passar pelos cilindros.

Lembre-se de que a correia não pode ser condutora. Evite usar qualquer material que seja preto, pois provavelmente contém carbono, que é condutor em altas voltagens que o gerador Van de Graaff desenvolve. A largura da correia deve ser o mais próxima possível da do cilindro para garantir que a escova "revista" a correia e não perca carga para o cilindro.

Escovas
As escovas precisam ser de um material condutor como o metal. Quanto menores e mais afiadas forem as pontas da escova, melhor é a sua performance. Tente variar a distância entre as escovas e os cilindros. Não deixe que as escovas entrem em contato com a correia. Isso criará fragmentos e sua correia será destruída. Separar os fios finos dos fios de aterramento funciona bem e é recomendado.

Motor
O motor é o aspecto menos crítico do gerador Van de Graaff. Obviamente, você quer um com potência suficiente para girar a correia. Procure em lojas de conserto de motores. Praticamente todos os pequenos motores disponíveis servirão para esse projeto. De preferência, não use um que desenvolva menos de 1000 rpm. A velocidade determina a rapidez com que o gerador se carrega, não confunda com a quantidade de carga que é produzida.

Esfera
Qualquer esfera oca de metal serve.

Construção
Segue dica de montagem:

1. monte o cilindro inferior no eixo do motor;
2. monte a escova inferior no suporte do motor;
3. feche a unidade inferior.

Não use madeira para o fechamento: ela é fácil de ser trabalhada, mas absorve umidade do ar, o que pode ter um efeito contrário no gerador. Faça a "capa" com plástico. Plaxiglas de lojas de ferragens funciona muito bem. Lembre-se de deixar um acesso para colocar a correia no cilindro e deixe uma abertura na parte de cima para ligá-la ao cilindro superior.

Para a montagem da coluna foi usado um tubo de PVC de 15 cm de diâmetro e 81 cm de comprimento. Monte uma ponta do tubo na parte de cima do suporte e faça furos na outra ponta. Você coloca o cilindro superior na parte de cima do tubo com um parafuso ou grampo passando por eles.

Dependendo de como o cilindro superior for montado ao tubo, talvez seja necessário ligá-lo à correia antes de montá-lo. Depois disto é só unir a outra ponta ao cilindro inferior e fechar o suporte.

Finalmente, você está pronto para montar a esfera e a escova superior. Para fazer isso, corte o fundo de uma das tigelas de salada. Use uma “ligação de metal” condutora para ter certeza que o aterramento trançado se prenda ao interior dos recipientes. Em seguida, coloque as tigelas em um redutor de PVC de 15 cm para 10 cm. Insira a ponta de 10 cm do redutor no furo da tigela e use silicone como vedação. Agora, direcione a ponta da escova da correia de aterramento para dentro do redutor e monte tudo. Talvez você tenha que trabalhar um pouco para conseguir a melhor distância de separação na montagem do cilindro superior.

Finalmente, tudo que você tem que fazer é colocar o redutor sobre o PVC. Certifique-se de que a escova esteja virada para a correia e do mesmo lado que a escova inferior. Você tem seu próprio gerador Van de Graaff.

É uma boa idéia aterrar um pedaço de fio ao suporte do motor, porque você pode tocar a outra ponta na esfera quando o desligar. Isso vai impedir que você leve um pequeno, porém desagradável choque quando tocar no interruptor. Caso queira descarregar a esfera sem ter que desligá-lo, tenha em mente que se você não segurar a ponta do fio durante o processo, vai receber um choque ao pegá-lo.

Existem milhões de experimentos interessantes que você pode fazer com seu novo gerador Van de Graaff, mas vamos nos concentrar naquele que fará seus “cabelos ficarem em pé”. Faça com que o participante da experiência fique sobre uma superfície isolada. É muito importante que a pessoa esteja isolada em relação ao chão. Se a carga não puder se formar na pessoa, seu cabelo não ficará em pé. Agora, faça com que a pessoa coloque a mão na esfera. Ligue o gerador e veja-o funcionar.

Ajuda
Se parecer que o gerador Van de Graaff não está carregando devidamente, certifique-se de que ele esteja limpo. Evite óleos e qualquer outro tipo de impureza. Para retirar a umidade use um secador de cabelos. Todos estes cuidados melhoram o desempenho do gerador. Para fazer um teste no equipamento uma sugestão é usá-lo no escuro. Se houver um vazamento você verá centelhas violeta-azuladas saindo. Elimine-o com fita, epóxi, silicone ou uma combinação dos três.
Quando o gerador Van de Graaff começa a carregar, ele transfere a carga para quem o estiver tocando. Como os folículos capilares dessa pessoa estão sendo carregados com o mesmo potencial, eles tentam repelir uns aos outros. É por isso que os cabelos ficam em pé. Não faria diferença se a polaridade do gerador fosse invertida. Enquanto a pessoa estiver isolada, a carga vai aumentar, presumindo, logicamente, que o cabelo esteja limpo e seco.

Um gerador Van de Graaff desse tipo vai criar centelhas de cerca de 25 a 30 cm de comprimento. Uma experiência muito interessante é tocar no gerador e apontar para as venezianas de alumínio na janela. A carga faz com que elas se movam. É possível fazer isso a cerca de 2,4 m de distância facilmente. É interessante também brincar com bolas de sabão perto de um gerador Van de Graaff. Inicialmente elas são atraídas pelo gerador e flutuam direto para ele; quando o gerador as carrega, flutuam para longe por causa da repulsão. Existem muitas coisas divertidas que você pode fazer com o seu gerador Van de Graaff. Use sua imaginação.