Condutores, Isolantes, Processos de Eletrização, Eletrocóspios, Gerador de Van de Graaf

Condutores, Isolantes, Processos de Eletrização, Eletrocóspios, Gerador de Van de...

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Curso de Engenharia Mecatrônica

Laboratório de Física I – Relatório 01 Prof. Dr. Julio César Martins De Oliveira

Condutores, Isolantes, Processos de Eletrização, Eletroscópios e Gerador de Van de Graaff

Gabriel de Latorre Ribeiro 265071447 Marcelo Cristiano Granziolla 268071435 Paulo Ricardo Zambianco Campos 268071429 Rodrigo Rasera 268071430

Piracicaba-SP, 25 de agosto de 2008.

I. Introdução3
a) Fundamentos Teóricos3
b) Objetivos6
I. Materiais6
I. Procedimento Experimental6
a) Condutores e Isolantes6
b) Eletroscópio de folhas8
c) Pêndulo eletrostático9
d) Gerador de Van de Graaf9
IV. Conclusão10

I. Introdução a) Objetivo

Comprovar as características de condução de eletricidade em diversos meios. Observar processos de eletrização.

b) Fundamentos teóricos

Condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores. Os condutores são aqueles materiais nos quais a movimentação das cargas pode ocorrer livremente. Como um exemplo os metais são bons condutores de corrente elétrica os elétrons de suas camadas mais externas estão "frouxos". Nos isolantes os elétrons estão firmemente ligados e não são livres para vagar por entre os outros átomos do material. Conseqüentemente, não é fácil fazê-los fluir. Esses materiais são maus condutores de corrente elétrica, por exemplo, a borracha, o vidro ou um pedaço de madeira. Os semicondutores são materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores, o germânio e o silício são bons exemplos. Camadas finas de materiais semicondutores empilhadas juntas formam os transistores. Por fim, temos os supercondutores, materiais que a temperaturas muito baixas não oferecem resistência alguma a passagem de eletricidade, a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia e nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga. Foi descoberta 1911 por Kammerlingh ONNES que a observou no mercúrio sólido (à temperatura de 4,2 K).

Processos de eletrização Existem três tipos de Eletrização de corpos: 1. Eletrização por Atrito: Tem-se a eletrização por atrito quando se atrita dois corpos. Ex.: pegando-se uma régua e atritando-o com um pedaço de papel, observa-se através de experimentos que ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas, porem de sinais contrários.

2. Eletrização por Contato: Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, observa-se que ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal. Ex.: tendose uma esfera carregada e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se as esfera verifica-se que a esfera que estava neutra adquire a carga de mesmo sinal da outra carregada.

3. Eletrização por Indução: A indução ocorre quando se tem um corpo que está inicialmente eletrizado (A) 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 à do corpo eletrizado tendem a se aproximar do mesmo (B). 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.

Ligação Terra É o condutor cuja função é conectar à terra todos os dispositivos que precisarem utilizar seu potencial como referência. Em sistemas de potência, o terra possui as funções de: 1. Referência elétrica para a tensão, 2. Referência para sistemas de proteção, 3. Escoamento de excesso de energia, proveniente de sobretensões. 4. Proteção de pessoal e equipamentos, por equipotencialização do solo,

5. Transmissão de energia em modo monopolar, como em transmissão em corrente contínua ou distribuição rural.

Diz-se que um dispositivo está "aterrado" quando está conectado ao condutor designado à função de aterramento - o terra do circuito.

Pára-raios Pára-raios é um sistema de condutores metálicos que capta as descargas elétricas atmosféricas e as desvia para o solo a fim de evitar danos a edificações. Duas funções serão citadas a de proteção e a de descarga:

De Prevenção: Quando uma nuvem se aproxima de um pára-raios, ela induz cargas de sinal contrário no solo que fica eletrizado. Se nessa região existir um pára-raios, este, também ficará eletrizado, mas devido ao poder das pontas um maior número de cargas elétricas irá se concentrar na ponta do pára-raios. E após uma certa concentração, as cargas começam a serem ejetadas das pontas dos pára-raios, tornando-se, assim, íons e elétrons livres que agora viajam pelo ar. Então as nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que aos poucos vão neutralizando a própria nuvem. Este processo sendo lento, gradual e contínuo, as nuvens não conseguem concentrar uma quantidade suficiente de carga, não sendo capazes de provocar os raios, pois são incapazes de tornar o ar de isolante em condutor. De Proteção: Os raios sempre procuram o caminho mais fácil para chegar ao solo. Devido ao grande número de íons na ponta do pára-raios o líder desce por esse "caminho", pois, assim, ele precisará criar um menor número de íons para fechar o "circuito" e tornar o ar um condutor. Como os metais conduzem melhor a eletricidade, a descarga se completará pelo pára-raios, sendo dispersa pelo solo através do aterramento.

Poder das pontas O poder das pontas é um fenômeno que está relacionado com o conceito de rigidez dielétrica. Este fenômeno ocorre porque, em um condutor eletrizado a carga tende a se acumular nas regiões pontiagudas. Em virtude disso, o campo elétrico próximo a essas regiões do condutor é muito mais intenso que nas demais regiões. Disso resulta um aumento na força de repulsão elétrica entre as cargas. Isso faz com que as cargas elétricas se "empurrem" até que alguma delas "caia fora da ponta". Por esse motivo as cargas elétricas podem, com maior facilidade, escoar para fora do condutor e, se deslocam livremente pelo meio ambiente.

Rigidez dielétrica de um meio Quando se aumenta a quantidade de carga de um capacitor, o campo elétrico também aumenta. Se for suficientemente intenso, pode arrancar elétrons dos átomos do dielétrico, causando sua ionização. O valor máximo do campo elétrico que esse isolante suporta sem se ionizar é chamado de rigidez dielétrica do meio e ao se atingir esse valor, salta uma faísca entre as armaduras do capacitor, danificando-o. Foi exatamente essa propriedade que Franklin imaginou que acontecia na atmosfera e originava as descargas dos relâmpagos.

Pêndulo eletrostático e eletroscópio de folhas O pêndulo eletrostático e o eletroscópio de folhas são aparelhos utilizados para indicar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado ou não. O pêndulo pode ser usado para saber com qual carga certo material está carregado, por exemplo, carrega-se a esfera com carga positiva e a aproxima do material que se deseja saber a carga, se a esfera se aproximar (imagem c.1) o material contém carga negativa se repelir (imagem c.2) estão carregados com cargas de mesmo sinal.

Gerador de Van de Graaff O gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática que foi inventada pelo engenheiro Robert Jemison Van de Graaff por volta de 1929, com o propósito de produzir uma diferença de potencial muito alta (da ordem de 20 milhões de volts). A máquina foi logo empregada em física nuclear para gerar tensões muito elevadas necessárias em aceleradores de partículas.

I. Materiais

Cuba com água H2O Sal de cozinha NaCl

Açúcar Duas placas metálicas Suporte com quatro pilhas (gerador) Suporte com lâmpada (receptor) Cabos Eletroscópio de folhas Pêndulo eletrostático Gerador de Van de Graaf Materiais para serem testados como condutores (chapa de alumínio, pedaço de madeira, rolha, pedaço de vidro, grafite de lapiseira)

I. Procedimento Experimental a) Condutores e Isolantes

Neste experimento montamos um sistema usando o suporte com pilhas

(imagem a.1), o suporte com a lâmpada (imagem a.2), a cuba com H2O, cabos e as placas metálicas, para comprovar as características de condução em alguns meios como, água pura, água com açúcar e água com sal.

Imagem a.1 - suporte com pilhasimagem a.2 - suporte com lâmpada

Primeiro a cuba foi cheia com água pura o que fez com que a lâmpada não ascendesse, pois a água pura não é boa condutora de energia. (imagem a.3)

Em seguida foi adicionado açúcar na água da cuba mais o resultado foi o mesmo, a água com açúcar sofre dissociação de suas moléculas, porém não se formam íons e a solução não fez com que a lâmpada se ascendesse.

Imagem a.3 – a lâmpada não ascende

A água da cuba foi trocada, e na nova água foi dissolvido sal de cozinha (NaCl). O novo meio gerado passou a ser condutor, pois quando dissolvemos NaCl em água ele sofre dissociação iônica, originando íons

Na+ e Cl- , a solução agora iônica ou eletrolítica passa a conduzir energia fazendo com que a lâmpada se ascenda. (imagem a.4)

Imagem a.4 – a lâmpada ascende

Também foram feitos testes de condutividade de energia em alguns materiais, os resultados obtidos foram:

- Pedaço de madeira → não é condutor

- Chapa de alumínio → é condutor

- Rolha → não é condutor

- Vidro → não é condutor

- Grafite de lapiseira → é condutor b) Eletroscópio de folhas

O eletroscópio de folhas usado é composto por um erlenmeyer tampado por uma rolha por onde é passado um fio condutor que tem em suas extremidades uma esfera metálica do lado de fora e duas finíssimas folhas de alumínio do lado de dentro. As folhas de alumínio se encontram inicialmente abaixadas e encostadas, pois o eletroscópio ainda está neutro (imagem b.1), ao encostar a esfera superior a um corpo carregado (gerador de Van de Graaf), esse induz cargas no sistema, e as folhas se separam rapidamente (imagem b.2), pois adquirem cargas do mesmo sinal, e o eletroscópio fica eletricamente carregado.

Imagem b.1 imagem b.2 c) Pêndulo eletrostático

O pêndulo eletrostático é formado por uma base não condutora e uma esfera de metal pendurada por uma linha também não condutora. Em nosso experimento ele foi associado ao gerador de “Van de Graaf”, pois usamos o gerador como fonte de energia. Primeiramente, aproximamos o pêndulo do gerador e ele foi atraído pelas cargas (imagem c.1) o que indica que eles estavam carregados com cargas diferentes, a partir do momento que o pêndulo toca o gerador eles se repelem (imagem c.2), porque ao se tocarem o pêndulo adquiriu a mesma carga do gerador de “Van de Graaf”

Imagem c.1imagem c.2

d) Gerador de “Van de Graaf”

Um gerador e Van de Graaf básico é formado por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio também de material isolante (imagem d.3). Os roletes são de materiais diferentes um do outro por exemplo um rodete de teflon e o outro de alumínio para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia. O motor gira os roletes, que ficam eletrizados e atraem cargas opostas para a superfície externa da correia através das escovas. A correia transporta essas cargas até a cúpula. A cúpula faz com que a carga elétrica, não gere campo elétrico sobre o rolete superior; Assim cargas continuam a ser extraidas da correia como se estivessem indo para terra Dois fenomenos são observados com o gerador em funcionamento, um é o efeito de arrepiar os cabelos de quem toca na cúpula (imagem d.1), pois o cabelo fica eletrizado com cargas da mesma polaridade, que conseqüentemente se repelem. Outro fenomeno são as faíscas geradas quando se aproxima um bastão de metal á cúpula, as faísca surgem devido a diferença de potencial entre a cúpula e p bastão (imagem d.2) A tensão obtida pelo dispositivo é diretamente proporcional ao raio do terminal esférico (cúpula). Por exemplo, 1 m de raio produzirá cerca de 1 MV

Imagem d.1 ILUSTRATIVO DO

IV. Conclusão

Chegamos à conclusão de que água pura (H porque a condutividade elétrica se deve aos fluxos de migração de íons e essa não possui íons livres para migrar. Assim como água com açúcar também não conduz, em água mais não produz íons já que esta substancia molecular (não-iônico). O sal de cozinha dissolvido em água, ao contrário das soluções anteriores conduz corrente elétrica, pois esta sofre dissociação de suas moléculas originando íons Na+

Imagem d.1imagem d.2

1 esfera de metal, 2 eletrodo esfera, com uma escova na ponta para assegurar a ligação entre a esfera e a correia, 3 rolete superior, 4 lado positivo da correia, 5 lado negativo da correia, 6 rolete inferior, 7 eletrodo inferior, 8 bastão esfera usado para descarregar a cúpula, 9 faísca produzida pela diferença de potencial

Imagem d.3

Chegamos à conclusão de que água pura (H2O) não conduz energia a condutividade elétrica se deve aos fluxos de migração de íons e essa não possui íons livres para migrar. Assim como água com açúcar também não conduz, o açúcar sofre dissociação iônica quando dissolvido em água mais não produz íons já que esta substancia é um composto iônico).

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