fisica experimental

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Matéria: Física Experimental
Esse relatório foi nota 4 - valendo de 0 á 10
Não me responsabilizo, no caso tirarem nota baixa
PRINCÍPIO DO FUNCIONAMENTO DO ELETROSCÓPIO DE FOLHAS E A
DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS NUM CONDUTOR.
CONFIGURAÇÕES DAS LINHAS DE FORÇA ENTRE ELETRODOS
SUBMERSOS, PARA-RAIOS, GAIOLA DE FARADAY E CABOS COAXIAIS.

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PRINCÍPIO DO FUNCIONAMENTO DO ELETROSCÓPIO DE FOLHAS E A
DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS NUM CONDUTOR.
CONFIGURAÇÕES DAS LINHAS DE FORÇA ENTRE ELETRODOS
SUBMERSOS, PARA-RAIOS, GAIOLA DE FARADAY E CABOS COAXIAIS.
Relatório de Pesquisa apresentado a
Universidade Federal de Ouro Preto, como
parte das exigências da matéria de Física
Experimental , para obtenção de nota parcial
referente ao 1º relatório, sobre “O Princípio do
funcionamento do eletroscópio de folhas e a
distribuição de cargas num condutor e
configurações das linhas de força entre
eletrodos submersos, para-raios, gaiola de
faraday e cabos coaxiais.

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SUMÁRIO
1 Introdução Teórica........................................................................................ 4
2 Fundamentação Teórica ............................................................................... 5
2.1 Cargas elétricas................................................................................. 5
2.2 A lei de Coulomb ............................................................................... 5
2.3 Efeito corona...................................................................................... 6
2.4 Gerador de Van de Graaff ................................................................ 6
2.5 O que é o gerador de Van de Graaff ................................................. 7
3 Objetivos........................................................................................................ 7
4 Materiais e Métodos ...................................................................................... 8
4.1 Equipamentos roteiro A ..................................................................... 8
4.2 Equipamentos roteiro B ..................................................................... 8
4.3 Procedimento Experimental............................................................... 8
4.4 Pesquisa.......................................................................................... 11
5 Discussões e Resultados ........................................................................... 12
6 Conclusão.................................................................................................... 13
7 Referências.................................................................................................. 14

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1 Introdução Teórica
O gerador de Van de Graaff pe 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.
O gerador de Van de Graaff é uma máquina que utiliza uma correia Móvel
para acumular Tensão eletrostática muito alta na cavidade de uma esfera de
metal. O gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 200kV,
sua esfera tem 250 mm de diâmetro, é removível e dispõe de conexões para
aterramento.
A sustentação é construída em acrílico e possui articulação na ligação
com a base, mede 45 cm de altura. A correia de borracha tem 6 cm de largura e
se movimenta sobre 04 polias (19 m de diâmetro), acionada por um motor
elétrico de 1/8 de HP funcionado em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local de
energia e é munido de controle eletrônico de velocidade de rotação do motor.
O conjunto está fixado em uma base metálica cujas dimensões são
(40x30x2) cm. O conjunto é integrado por uma cuba de vidro, 7 eletrodos, 2
fixadores de eletrodos, 2 cabos de ligações e torniquete eletrostático.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

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2.1 Cargas Elétricas
Chamam-se partículas fundamentais às partículas constituintes do átomo
(antigamente eram chamadas partículas elementares, mas, depois se descobriu
que várias delas podem se desdobrar em duas ou mais partículas, isto é, não
são elementares).
Atualmente conhecemos onze partículas fundamentais cuja existência
está definitivamente comprovada. Além dessas, há várias que foram
descobertas recentemente e cujas propriedades não são bem conhecidas.
Dentre elas as mais conhecidas são: o próton (carga ~1,6x10-19), o elétron
(carga ~-1,6x10-19) e o nêutron (carga nula). Diz-se que, quando o número de
prótons em um átomo é igual ao número de elétrons, este permanece neutro.
Esta condição é chamada de Equilíbrio Eletrostático.
No entanto, este equilíbrio pode ser desfeito. Isto é possível a partir de um
processo chamado de Eletrização, que pode ocorrer de três maneiras: atrito,
contato e indução. Para reproduzir estes processos é utilizado um equipamento
chamado Gerador de Van de Graaff ou gerador eletrostático de correia.
A matéria que constitui todos os materiais é constituída de átomos.
Os átomos são constituídos, pela concepção mais clássica, prótons, nêutrons e
elétrons. Sendo que a carga elétrica de cada um é respectivamente positiva,
neutra e negativa.
2.2 A Lei de Coulomb
Esta lei, formulada por Charles Augustin Coulomb, refere-se às forças de
interação (atração e repulsão) entre duas cargas elétricas puntiformes, ou seja,
com dimensão e massa desprezível.
“A força de atração ou de repulsão entre duas cargas é diretamente proporcional ao produto do
módulo das cargas elétricas e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas”.
• Expresse a lei de coulomb.
Essa lei enuncia que a intensidade da força eletrostática entre duas cargas
elétricas é diretamente proporcional ao produto dos módulos das cargas elétricas
e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
Podemos escrever:

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𝐹 = 𝑘 ×
𝑄1×𝑄2
𝑑2
Onde:
F → é a força elétrica entre as cargas
k → é a constante eletrostática no vácuo (ko = 9 x 109 N.m2/C2)
Q → carga elétrica
d → distância
As partículas fundamentais do átomo e suas respectivas cargas elétricas (em
Coulomb).
O átomo é constituído basicamente por três partículas fundamentais, o próton, o
nêutron e o elétron. Sendo que o nêutron possui carga neutra, o próton com
carga de 1.6 × 10−19
𝐶 positiva e o elétron mesma carga do próton, porém de
sinal contrário.
2.3 Efeito Corona
O efeito Corona é também conhecido como fogo de Santelmo. O efeito
corona é um fenômeno relativamente comum em linhas de transmissão com
sobrecarga. Devido ao campo elétrico muito intenso nas vizinhanças dos
condutores, as partículas de ar que os envolvem tornam-se ionizadas e, como
consequência, emitem luz quando a recombinação dos íons e dos elétrons.
2.4 Gerador de Van de Graaff
O Gerador Van de Graaff foi projetado e construído pelo engenheiro
americano, Robert Jemison Van de Graaff (1901 – 1967) que se dedicou ao
estudo e a pesquisa de Física Atômica.
Em 1931 o Gerador Eletrostático de Alta Voltagem (Gerador Van de
Graaff) já era usado para acelerar partículas, indispensável para desvendar a
constituição do átomo.
A máquina de Van de Graaff tinha bolas de alumínio com 4,5 metros de
diâmetro e produzia tensão de aproximadamente 2 milhões de volt e foram
montadas em trilhos para facilitar os respectivos deslocamentos.

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Os aceleradores de Van de Graaff sofreram desenvolvimento tecnológico
dando lugares ao hoje conhecido como “aceleradores Pelletron”.
2.5 O que é o gerador de Van De Graaff?
É um dispositivo que, ao armazenar cargas elétricas no seu terminal
esférico, pode gerar alta tensão (cerca de 100.000 volts).
Primeiramente, no contato entre a superfície interna da correia de
borracha com a do rolete inferior (PVC) ocorre separação de cargas elétricas: o
rolete fica negativo e a superfície interna da correia fica positiva.
Em segundo lugar, por Efeito Corona íons positivos do ar são depositados
na superfície externa da correia que são transportadas e recolhidas pelo terminal
esférico onde se acumulam gerando alta tensão elétrica.
O Gerador eletrostático tipo Van de Graaff, tem capacidade para 240 kV,
sua esfera removível tem 25cm de diâmetro e dispõe de conexões para
aterramento. A sustentação é construída em acrílico e possui articulação na
ligação com a base e mede 45 cm de altura. A correia de borracha tem 6 cm de
largura e se movimenta sobre 4 polias, que acionadas por um motor elétrico de
1/8 de HP funcionando em 110 ou 220 V, conforme a sua rede local de energia.
A rotação do motor é controlada de um circuito eletrônico. Todo o conjunto está
fixado em uma base metálica.
3 OBJETIVOS
O trabalho tem como objetivo o estudo da eletricidade analisando o
comportamento das cargas elétricas em repouso. São apresentados os
processos de eletrização de um corpo e os procedimentos para determinar se
um corpo está ou não eletrizado, através do eletroscópio de folhas. Assim como
descrever o funcionamento do torniquete elétrico.

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4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Equipamentos roteiro A
• 01 estrutura principal do gerador eletrostático
• 01 cabeça esférica com 250 mm de diâmetro
• 01 suporte para eletroscópio com pino de pressão
• 01 cabo flexível, preto, 1m com pinos de pressão
• 01 mesa projetável com escala
• 01 fita adesiva
4.2 Equipamentos roteiro B
• 01 estrutura principal do gerador eletrostático
• 01 cabeça esférica com 250 mm de diâmetro
• 01 mesa projetável com escala
• 01 eletrodo pontual curto 78,50 mm
• 01 eletrodo reto 58,50 mm
• 01 eletrodo em anel menor 27mm
• 01 anel metálico
• 01 cabo flexível, preto, 1m com pinos de pressão
• 01 chá triturado
• 01 frasco de óleo de rícino
• 01 retroprojetor
4.3 Procedimento Experimental
A eletrizações por atrito (contato) com eletrização por indução, quando
dois corpos são atritados, pode ocorrer a passagem de elétrons de um corpo
para outro. Nesse caso diz-se que houve uma eletrização por atrito. Na
eletrização por atrito, os dois corpos envolvidos ficam carregados com cargas
iguais, em intensidade, porém de sinais contrários.
Na indução eletrostática ocorre apenas uma separação entre algumas
cargas positivas e negativas já existentes no corpo condutor.
Quando aproximamos dois corpos, A e B, as suas cargas negativas
repelem os elétrons livres do corpo neutro para posições mais distantes
possíveis. Dessa forma, o corpo fica com falta de elétrons numa extremidade e
com excesso de elétrons em outra. O fenômeno da separação de cargas num
condutor, provocado pela aproximação de um corpo eletrizado, esse fenômeno
é denominado indução eletrostática.

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Primeiramente foi fixado a haste do eletroscópio de folha na parte superior
da esfera do Gerador. Foi utilizado uma tira de papel laminado dobrada na haste
do eletroscópio. O mesmo foi ligado e assim observado o ocorrido na tira de
papel laminado e justificado em termo de distribuição de cargas. A montagem foi
realizada. Toda vez que o gerador era utilizado, depois de desligado um bastão
de teste era tocado na esfera, assim também se observava o acontecido.
Para uma segunda parte a esfera foi removida do gerador e encaixada na
cuba de acrílico. Tiras de papel alumínio foram coladas na parte externa e interna
da esfera. O gerador foi ligado novamente e observado o acontecido justificando
em termos de cargas elétrica, tanto internamente, quanto externamente.
Montagem.
Realizado a segunda parte foi montado um terceiro sistema onde
introduziu-se o torniquete elétrico na esfera do gerador como apresenta a figura
3. Ligado o aparelho, observou-se o ocorrido, justificando em função da
ionização das moléculas do ar e da 3ª Lei de Newton.
• Ionização das moléculas de ar submetidas à ação num campo
elétrico.
A conexão ligando uma placa à cúpula e outra à base do gerador (cabo
vermelho na placa móvel) com uma vela acessa entre elas. Ligue o gerador,
observando o ocorrido com a chama de vela. Faça variar a distancia entre as
placas capacitores e anote o observado.
Ao ligar o gerador, a chama começa a variar como se estivesse ventando,
e ao variar a distância entre as placas, nota se que a variação da chama fica
cada vez menor. Isso o corre pela força que a carga elétrica impõe quando a
distancia das placas é menor, diminuindo a variação da chama ao aumentar a
distância entre elas.
Sem a vela, aproxime novamente as placas e assopre entre as placas.
Observe o que ocorre com a ionização do ar entre elas e o observado.
A pressão do ar baixa, facilitando a ionização.
• Configuração das linhas de força entre eletrodos
As conexões elétricas entre os bonés da mesa projetável e o gerador.
Conecte magneticamente os eletrodos retos de forma a ficarem paralelos.
Deposite a placa sobre a mesa projetável com os eletrodos retos e coloque uma

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fina cada de óleo na placa de petri. Espalhei, uniformemente um pouco de erva
de chá sobre o óleo.
Ligue o gerador apenas o tempo necessário para o alinhamento das
partículas. Antes de gerador ligado. Após o gerador ligado.
Conforme o aspecto das linhas de força entre os dois eletrodos retos (com
cargas de sinais contrários).
Os eletrodos possuem cargas elétricas pontuais de mesmo modulo e
sinais opostos. Sob a influência do campo elétrico gerado por essas cargas, a
erva de chá foi se orientado de acordo com as linhas de forças, caracterizando
a configuração o campo elétrico entre os dois eletrodos.
No experimento figura onde o campo elétrico E é mais intenso.
O campo elétrico é mais intenso na proximidade das placas (eletrodos).
Trace o vetor E que melhor representa o campo elétrico no desenho.
O que acontece com a densidade das linhas de força do campo elétrico
na região mais central das placas paralelas?
Na região central das placas paralelas a densidade das linhas de força
aumenta significativamente em relação aos outros pontos da cuba, devido aos
eletrodos, um de polo negativo e outro de polo positivo, estarem ligados as
placas de metal paralelas, gerando um campo elétrico uniforme.
Faça a mesma conexão anterior, agora sem os eletrodos paralelos.
Antes do gerador ligado. Após o gerador ligado.
Desenhe o aspecto das linhas de força entre os dois eletrodos retos (com
As linhas de campo não possuem uma uniformidade (não estão
paralelos), visto que o campo elétrico se forma de acordo com o formato dos
eletrodos. Sabendo que as linhas de corrente possuem o mesmo sentido do
campo elétrico, ou seja, do polo positivo para o polo negativo, perto dos eletrodos
há tanto convergência quanto divergência, polo negativo e polo positivo
respectivamente, das linhas de corrente.
O campo elétrico é mais intenso na proximidade dos eletrodos. Trace o
vetor E que melhor representa o campo elétrico no desenho.
Faça a mesma conexão anterior, agora com o eletrodo circular grande e
o eletrodo pontual. (haste curva, presa pelo furo no centro da placa e conectada
ao eletrodo por magnetismo).

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As linhas de campo continuam sem uniformidade (não estão paralelos), e
o campo elétrico se forma de acordo com o formato dos eletrodos. Sempre as
linhas de corrente possuem o mesmo sentido do campo elétrico, ou seja, do polo
positivo para o polo negativo.
Faça a mesma conexão anterior, agora novamente com os eletrodos
paralelos, porém com o eletrodo circular pequeno ao centro.
Dentro do anel não existe campo elétrico, não gerando assim uma
ordenação das linhas de campo, ou seja, ficam com interferência, caótico.
• O poder das pontas e o torniquete elétrico
A esfera do gerados de Van de Graaff, e em seguida, o torniquete (o
centro dele bem em cima da ponta da agulha de forma que ele ficasse na
horizontal). Descreva o funcionamento do torniquete elétrico em função do poder
das pontas, da ionização das moléculas de ar e da terceira lei de Newton. Devido
ao poder das pontas, ionização (troca de elétrons) e a terceira Lei de Newton. A
toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: as ações
mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em
sentidos opostos, fazendo com que o torniquete gire.
4.4 Pesquisa
Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na
atmosfera. Ele é consequência do movimento de elétrons de um lugar para outro.
Os elétrons se movem tão rapidamente que fazem o ar ao seu redor se iluminar,
resultando em um clarão, e se aquecer, provocando o som do trovão. Os raios
se formam quando certa região de uma nuvem acumula excesso de carga
elétrica, positiva ou negativa. Se isso ocorre, o raio é o meio de desfazer a
tensão, por meio da transmissão da eletricidade.

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5 DISCUSSÕES E RESULTADOS
As cargas são acumuladas através de indução pela correia e da escova
inferior, as cargas são recolhidas e espalhadas por toda cabeça esférica por
estar conectada juntamente a cabeça esférica a lâmina de alumínio também
fica carregada e ocorre o movimento de repulsão entre as fitas.
No eletrodo com o laminado, pode observar que, quando ligado, há uma
repulsão entre a esfera e o laminado, saindo de suas condições normais pelo
fato de terem cargas iguais, quando desligado, não há transferência de carga,
portanto não há repulsão nem atração entre os materiais. Isso se dá pelo fato
de as duas fitas terem uma polaridade igual ao do campo elétrico do gerador,
fazendo com que as duas fitas se afastem, juntamente com o afastamento da
esfera e também, lâmina é induzida positivamente através da cabeça esférica
então se repelem entre elas por estarem carregadas com mesma carga.
Ao tocar com o bastão de teste o gerador de Van de Graaff desligado,
visualmente não acontece nada, porém, o bastão serve como um fio terra que
descarrega o gerador. A pessoa que manuseia o bastão de teste não sente o
choque porque a área de contato é maior decorrente da forma como é
segurado o bastão.
Quando o gerador está ligado, ocorre uma ionização do ar, que faz com
que ocorra a transferência de elétrons, sendo denominada como descarga
elétrica, visualmente tida como os raios. O ar funciona como um dielétrico, e a
diferença de potencial entre a esfera e o bastão de teste faz com que ocorra
uma ruptura dielétrica do ar, que libera energia em forma de fóton.
Distancia máxima da mão até a esfera, para a qual ainda ocorra
descarga. A rigidez dielétrica do ar (Ear=1,5*106 V/m) e calcular a diferença de
potencial entre a esfera e a mão do experimentador usando a expressão “
ΔV=E*Δd ”.
Estando opostamente carregadas a esfera com cabo e a cabeça esférica
aproximando os dois ocorrem descargas elétricas.
No dia em que realizou o experimento o ar estava relativamente seco e a
temperatura ambiente se mantinha em torno de mais ou menos 27°C. Nestas
condições a descarga estava ocorrendo a uma distância máxima de 4,0 cm
aproximadamente. Isto significa que a diferença de potencial entre a mão do
experimentador e a esfera calculada era de: ΔV=1,5x106 * 4,0x10-2 V, então
resultado ΔV= 60 kV.
Com a esfera sobre a cuba acrílica e os papeis laminados dentro e fora
da esfera, foi feito as conexões elétricas necessárias para essa segunda parte
do experimento. Então, internamente não tem nenhum efeito e externamente
por ser um bom condutor as fitas metálicas ficaram eletrizadas ocorre mesmo
conectado ao cabo a esfera encima da bancada fica carga baixa.
Foi observado que a tira de laminado na superfície da esfera saiu de sua
condição normal, tendo como motivo a geração de campo na superfície da

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esfera, tendendo a movimentar-se na direção radial da esfera. Essa eletrização
por contato gera uma transferência parcial de carga devido a diferença de
potencial existente entre os polos. A tira de dentro não se moveu, devido ao
fato de dentro de um condutor não haver campo elétrico, referenciando a lei de
Gauss que diz que se uma carga em excesso é introduzida em um condutor, a
carga se concentra na superfície pois o interior continua a ser neutro.
Com o torniquete na esfera, gerando um campo elétrico, o torniquete,
como não tem uma forma esférica, será uma superfície equipotencial, variando
a densidade de cargas e campo elétrico de ponto a ponto. Próximo as pontas
do torniquete, a densidade de carga e campo elétrico é mais elevado, gerando
uma diferença de potencial, ionizando o ar, que possuem cargas de mesmo
sinal das pontas. Com isso, a rotação do torniquete se deve a ação e reação de
repulsão entre as pontas e o ar.
Para a realização das atividades propostas neste roteiro, foi necessário
a compreensão do conceito de potencial elétrico, definido como sendo a
quantidade de trabalho preciso para deslocar uma carga unitária de um ponto
de referência a um ponto específico contra o campo elétrico. Importa referir que
o ponto da referência se localiza na superfície da terra, contudo, pode ser
indicado qualquer ponto do campo elétrico para tal. Além disso, usamos o
conceito eletrização que consiste em tornar um corpo portador de carga elétrica
líquida, podendo ser positiva ou negativa.
Dentro os processos de eletrização, temos a eletrização por atrito em
que os corpos se eletrizam sempre com cargas elétricas de sinais contrários,
eletrização por contato em que há perdas e ganhos de cargas, sendo que o
número de cargas elétricas que uma esfera perder, deve ser a mesma
quantidade que a outra ganhou e por fim eletrização por indução eletrização
por indução, onde não ocorre contato físico entre corpos envolvidos, sendo que
o resultado depende da forma que o processo é feito.
Durante a prática, com ajuda de eletroscópio que é um dispositivo que
possibilita ver a eletricidade, ficou evidente ver a existência das cargas elétricas
e como funciona a repulsão e atração das cargas.
6 CONCLUSÃO
Pode-se concluir que o experimento atingiu o objetivo proposto para o
aprendizado, de forma que através de uma configuração simples conseguiu-se
visualizar com clareza a formação dos campos elétricos pelas linhas
equipotenciais formadas pelo campo elétrico gerado e pôde-se notar o seu
comportamento diante de cada mudança estabelecida através da troca de
configuração e disposição dos materiais usados nos experimentos, assim sendo
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, constatou-se assim, a existência do campo elétrico e fez-se

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o seu mapeamento com o auxílio do erva de chá por sobre o óleo. Com o
conhecimento teórico de Campo Elétrico, vislumbra-se pelos experimentos
realizados sua ação prática que condiz com a ação teórica. Com relação ao
alinhamento da erva de chá, ao contrário dos materiais condutores, os dielétricos
podem armazenar energia em seu interior. Somente com a aplicação de um
campo elétrico é que as cargas positivas e negativas se deslocam buscando um
alinhamento na direção das linhas de força do campo em uma formação, por
esta razão é que as partículas de erva de chá se alinham quando energizados
os eletrodos.
7 REFERÊNCIAS
ÉFísica. Disponível em: http://efisica.if.usp.br/moderna/materia/particulas-
fundamentais/> Acesso em: 19 de agosto de 2016.
InfoEscola. Disponível em: <http://www.infoescola.com/fisica/gerador-de-van-
de-graaff/> Acesso em 18 de agosto de 2016.
HALLIDAY, David; RESNIK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física
3: Eletromagnestismo. 4ed.:LTC.1960. Disponível em:
https//umadosedeinteligencia.files.wordpress.com/2014/09/física_3_haliday.pdf.
Acesso em: 17/08/2016.
InfoEscola. Disponível em: <http://www.infoescola.com/eletricidade/a-lei-de-
coulomb/> Acesso em 18 de agosto de 2016.
SóFísica. Disponível em:
<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/leidecoul
omb.php> Acesso em 17 de agosto de 2016.
HALLIDAY; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física. 8. ed.
Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.a, 2009.

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