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Gerador de Van de Graaff

O gerador Van de Graaff é uma máquina eletrostática desenvolvida pelo engenheiro estado-unidense descendente de holandeses, Robert Jemison van de Graaff em 1931. Este aparelho foi desenvolvido com o objetivo de gerar altas tensões em corrente contínua para aceleradores de partículas essenciais para a pesquisa em Física Nuclear. Posteriormente esta máquina se tornou uma importante ferramenta educacional usada em salas de aula e laboratórios para demonstrar os conceitos de eletrostática.

Descrição

A Máquina consiste essencialmente de uma esfera oca posicionada acima de uma coluna feita de material isolante. Uma correia também constituída de material isolante, transporta cargas continuamente entre a terra e o terminal de alta tensão. As cargas são coletadas através de um pente metálico ligado a esfera. A deposição das cargas é feita por meio do estabelecimento de uma diferença de potencial de alguns milhares de Volts entre a correia de transporte, e o pente metálico. A tensão máxima alcançada é limitada pela qualidade dos isolantes, e pelo efeito corona. Conforme a carga é transportada ao terminal de alta tensão, seu valor aumenta segundo a lei:

${dV \over dt}={i \over C}$

A taxa de variação da tensão com relação ao tempo é igual ao quociente entre corrente $i$ e a capacitância $C$ (a capacitância entre as esfera e a terra).

O gerador trabalha com uma tensão de equilíbrio a qual se varia controlando a corrente transferida pela correia, ou por corrente oriunda de carga externa. Devido ao efeito corona, para produzir tensões elevadas (da ordem de 2 ou 3 milhões de Volts) um gerador de Van de Graaff precisaria ter grandes dimensões tornando sua construção onerosa, no entanto é possível reduzir este inconveniente construindo-o dentro de um tanque cheio de ar a pressão elevada, de modo a ser possível construi-los em dimensões menores mantendo-se a produção de tensões elevadas necessárias a sua aplicação em pesquisas núcleares. Em seu uso para fins didáticos não é necessário construi-lo em tanques a altas pressões, pois o efeito visual já pode ser obtido com alguns milhares de Volts.

História

Antes da época de Faraday, geradores eletrostáticos já eram amplamente conhecidos. No entanto os desenvolvimentos industriais ocorridos no século XIX encontraram nos princípios de eletromagnetismo de Faraday suas bases fundamentais, dado que a disseminação das máquinas elétricas foi uma das grandes revoluções tecnológicas deste período e diferentemente das máquinas eletrostáticas. Os novos dispositivos trabalhavam com cargas elétricas em movimento, deste modo a técnica moderna de alta tensão evoluiu quase completamente sob essa influência.

Transformadores têm sido usados, com a adição de retificadores e capacitores quando se deseja obter corrente continua. Esses dispositivos eletromagnéticos são bastante adequados para a produção de grandes correntes dentro da faixa geral de tensões correspondentes a fenômenos extra-nucleares. Existem, no entanto, dificuldades inerentes a extensão de tais dispositivos na faixa de tensões extremamente altas que são exigidas pela física nuclear, essas dificuldades incluem a enorme despesa e tamanho de tais geradores, exigidos pelos requisitos de isolamento. Também existe a limitação de que a eficiência da alta tensão alternada já que os dispositivos diminuem rapidamente sua eficiência energética à medida que tensões mais altas são obtidas, por causa das correntes de carga parasitas que são necessárias para trazer o aparelho a um alto potencial a cada ciclo, mesmo que nenhuma energia seja consumida por ele.

Dentre diversas formas de obtenção de tensões elevadas, um gerador eletrostático de alta tensão pareceu ser uma opção promissora, uma vez que os métodos eletrostáticos geram diretamente uma tensão unidirecional estável, como é desejado. A simplicidade máxima foi buscada no desenvolvimento do design do gerador em desenvolvimento. Nesse sentido, em 1929, Van de Graaff após seu retorno de Oxford para os Estados Unidos, ingressou no Laboratório Palmer na Princeton University como um Bolsista de Pesquisa. Durante a década de 1930, percebeu-se o potencial do movimento de cargas elétricas como forma de atingir tensões elevadas, o desafio então seria como coletar cargas em movimento em uma correia em movimento. Tal desafio foi resolvido fazendo o correia entrar dentro de uma esfera onde as cargas são armazenadas, deste modo as cargas são naturalmente direcionadas a superfície dessa esfera.

O primeiro modelo construido sob este princípio, atingiu tensões de 89.000 Volts. Em 1933 após melhorias em seu projeto original, em uma reunião do instituto americano de Física foi possível atingir 1 milhão de volts demonstrando o grande potencial de seu aparelho. Em seguida, Karl Compton, então presidente da MIT, tomou conhecimento das realizações de Van de Graaff em Princeton e convidou-o a retornar ao MIT como um associado de pesquisa. Foi lá que Van de Graaff construiu sua primeira grande máquina em um hangar de aeronave. A máquina usava duas esferas de alumínio polido, cada uma com 15 pés de diâmetro, montado em colunas de 25 pés de altura com 6 pés em diâmetro. As colunas foram montadas em caminhões ferroviários que colocaram-nas 43 pés acima do nível do solo. Cada esfera tinha seu próprio gerador, Um configurado para carregar positivamente o outro com cargas negativas, de modo que a tensão entre as duas esferas era o dobro do gerador sozinho. A máquina foi exibida em 28 Novembro de 1933 e produziu 7 milhões de volts. A conquista foi relatado em uma história no The New York Times em 29 de novembro de 1933 intitulado: “Homem lança parafuso de 7.000.000 volts. Em 1935, Van de Graaff recebeu a patente US No. 1.991.236 para sua invenção.

Aplicações Educacionais

O gerador de Van de Graaff em sua forma mais simples é visto como um excelente instrumento didático, por sua simplicidade de construção e facilidade de operação. Este gerador tornou-se um aparelho de demonstração ideal da máquina eletrostática. Os geradores eletrostáticos de alta tensão Van de Graaff são usados ​​em escolas públicas e universidades para ensinar os princípios básicos da carga eletrostática de alta tensão e as leis da eletrostática. O gerador Van de Graaff é extremamente útil porque produz campos elétricos fortes o suficiente para serem medidos, manipulados, sentidos diretamente e tocados. Os seres humanos sempre foram fascinados por raios e grandes faíscas, por isso esta máquina sempre foi a vitrine ideal e muito apreciada em importantes exposições, museus e centros de ciências. Os geradores Van de Graaff de mesa desenvolvem mais de 200.000 Volts e os modelos de piso oferecem até 1.000.000 Volts de descargas elétricas de alta tensão.

Demonstrações:

Com o Gerador de Van de Graaf é possível fazer interessantes demonstrações que podem ser feitas com um van de Gerador de Graaff. Essas demonstrações podem facilitar a compreensão conceitos importantes da eletrostática como a carga elétrica, os campos elétricos, a força elétrica dentre outros, listamos aqui algumas dessa demonstrações:

Faíscas - Quando a haste de descarga aterrada é trazido para perto da cúpula do coletor, relâmpago as descargas ocorrerão, acompanhadas por um som crepitante. Tente variar a distância entre a varinha e o coletor para ver o diferentes tipos de faíscas que o gerador pode produzir.

Vento Iônico - Prenda um pequeno pedaço de arame ou um clipe de papel não dobrado ao lado do gerador esfera. Dobre o fio de forma que ele aponte para fora. Quando o gerador está funcionando, um fluxo de ar carregado é expelido. Este fluxo é um Feixe de íons genuíno. Vai eletrificar distante superfícies, acionará tubos fluorescentes à distância, o fluxo também pode ser demonstrado posicionando uma chama, ou fumaça na direção do fluxo. Atenção: nunca direcione o feixe de íons para um computador, pode induzir descargas eletrostáticas dentro do aparelho, danificando-o. A demonstração também pode ser feita com o dedo em riste.

''Cabelos em pé'' - Escolha um voluntário de preferência com longos e secos. Descarregue completamente o gerador antes de começar. Faça o voluntário ficar em uma ponto isolante e coloque uma mão sobre o gerador. O voluntário não deve tocar a mesa ou qualquer outra coisa e também não deve estar usando uma jaqueta, chapéu ou camadas de roupas largas. Estes pode servir a pontos de descarga. Ligue o gerador e espere. O cabelo do voluntário começará a levitar por repulsão eletrostática. Quando você é feito desligar o gerador. Diga ao voluntário para retire a mão dela. Descarregue o gerador com a varinha de descarga. Diga ao seu voluntário para "sacudir" as cargas em excesso antes de deixar o ponto isolante. Isso irá reduzir ou eliminar o choque.

Demonstrações sobre repulsão elétrica - Coloque uma pilha de pratos de torta no gerador e ligue-o. As placas vão subir uma de cada vez por repulsão eletrostática como se fossem OVNIs. Sopre bolhas de sabão na esfera do gerador, eles serão inicialmente atraídos, mas depois será carregado pelo vento iônico e será repelido violentamente, eles também serão atraídos por qualquer outro objeto. Rasgue longas tiras estreitas de jornal e cole-os no coletor com fita adesiva, ligue o gerador, as tiras tentarão alinhar com o campo eletrostático.

As possibilidades de experiências que podem ser realizadas como esses dispositivo são amplas e vão muito além do que foi descrito neste verbete.