Gerador de Van de Graaff

Gerador de Van de Graaff

Gerador de Van de Graaff

O que é?

O gerador de Van de Graaff é uma máquina eletrostática que foi inventada pelo engenheiro estado-unidense descendente de holandeses, Robert Jemison van de Graaffpor volta de 1929. A máquina foi logo empregada em física nuclear para produzir as tensões muito elevadas necessárias em aceleradores de partículas.

Como Funciona?

O gerador básico com excitação por atrito é composto por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio. Os materiais mais usados para coluna são o acrílico ou o PVC. Os roletes são de materiais diferentes, ao menos um deles isolante (como Teflon e 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 entre a terra e a cúpula. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior; Assim cargas continuem a ser extraidas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.

O terminal pode atingir um potencial de vários milhões de Volts, no caso dos grandes geradores utilizados para experiências de física atômica, ou até centenas de milhares de Volts nos pequenos geradores utilizados para demonstrações nos laboratórios de ensino.

Geradores profissionais utilizam sistemas eletrônicos para depositar carga na correia, eliminando assim as instabilidades de desempenho causadas pela excitação por atrito e permitindo regulação precisa da tensão obtida. A operação dentro de câmaras de alta pressão contendo gases especiais permite maior densidade de carga na correia sem ionização, aumentando a corrente que carrega o terminal.

Seu layout básico consiste em:

1. Um domo ou cúpula de descarga;

2. Uma coluna de apoio;

3. Dois roletes (superior e inferior);

4. Dois pentes metálicos (superior e inferior);

5. Uma correia transportadora; e

6. Uma base para alojar o motor elétrico, fixar a coluna e o pente inferior.

Como Montar

Motor

Praticamente todos os pequenos motores disponíveis servirão para esse projeto. Um motor de toca-discos, de ventilador doméstico, de ventilador de computador, de máquina de costura etc. Como citamos anteriormente, aos poucos, fomos eliminando aqueles que utilizam escovas de carvão. Os motores de indução são os eleitos, mas, talvez, seja difícil achar um com as especificações certas.

Tipicamente, o motor deve apresentar o seguinte:

Velocidade: 3 000 rpm a 5 000 rpm : 1/10 HP a 1/4 HP.Tamanho do eixo: 1/4" a 3/8" de diâmetro x 1,25" a 1,5" de comprimento livre.Montagem: base de fixação plana. Um motor com base de fixação plana é preferível; caso contrário, deve-se recorrer a alças metálicas, as quais podem dar algum trabalho extra.

Cilindros ou Roletes

Os cilindros, junto com a correia, constituem o coração de um GVDG auto-excitado. Como mencionamos anteriormente, geradores eletrostáticos trabalham assentados no efeito triboelétrico. A série triboelétrica (uma lista abreviada é fornecida a seguir) nada mais é que uma lista de materiais ordenados segundo a carga relativa que adquirem quando atritados (ou separados) dois a dois. Os materiais mais comumente escolhidos para os cilindros estão nessa tabela.

mais positivo

arvidrofibra sintéticalãchumboalumíniopapel

Materiais que estão mais próximos do extremo mais negativo, têm uma disposição por assumir uma carga elétrica negativa. Os materiais mais próximos ao extremo mais positivo tendem a assumir carga elétrica positiva. Idealmente, os materiais da correia e do cilindro inferior devem estar entre o mais afastados possível dessa lista, enquanto o material do cilindro superior deve estar na região dos neutros.

Uma Nota em Relação à Polaridade de um Van de Graaff

Para uma dada combinação rolete inferior-correia-rolete superior, a polaridade do domo do GVDG fica determinada. Por exemplo, se a correia é de borracha, o rolete inferior é de plástico e o rolete superior é de alumínio, o domo ficará negativo. Usando o mesmo desenho, porém colocando-se o rolete de plástico como superior e o de alumínio como inferior, o domo ficará positivo.

neutro

algodãoaçomadeiraborrachacobreacetatopoliésterpoliuretanopolipropilenovinil (PVC)silicone

mais negativo

teflon

Para um modelo didático, pequeno, os roletes podem ser cilíndricos, com diâmetro ao redor dos 2,5 cm e algo como 3 cm a 4 cm de comprimento. 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 (a correia tende para a parte mais elevada). Ilustremos isso:

Um rebaixo de cerca de 4 graus em cada extremo (1/3) do cilindro é o bastante. Para esse serviço é recomendado o uso de um torno. O cilindro preso por um longo parafuso a uma furadeira de bancada e um esmerado trabalho de lixa podem produzir excelentes "barriletes".

Há outros recursos para fazer cilindros simples. Um deles é utilizar pedaços de canos plásticos usados nas redes domésticas de distribuição de água e colar discos em suas extremidades.

O rolete inferior girará solidário ao seu eixo (o eixo é colocado sob pressão), que é comandado pelo motor. O rolete superior pode girar livremente sobre o seu eixo (rolete louco) ou, se o eixo for solidário ao rolete, é o eixo que girará livremente em seus mancais.

A maioria dos modelos escolares de GVDG (fornecidos em forma de kits) tem os dois roletes feitos de PVC (maciços, em forma de tarugos), sendo o inferior recoberto com feltro e o superior recoberto com folha de alumínio autocolante; a correia é de borracha de cor laranja. 

Coluna de Apoio

Ao selecionar o material para a coluna de apoio, recomendamos o uso de um tubo de plástico rígido. PVC e acrílico parecem ser os materiais preferidos pela maioria dos construtores. De modo geral, o tubo deve ter um diâmetro um pouco menor que o dobro do comprimento dos cilindros. Por exemplo, se o cilindro tem 5 cm de comprimento, então o tubo deve ter um diâmetro de cerca de 10 cm (tubo de 4 polegadas, nas medidas comerciais).

Para esse cilindro é melhor usar uma correia de 4 cm de largura. 0,5 cm é uma boa espessura para a parede do tubo. Não esqueça que o eixo do cilindro superior deve repousar em um entalhe na boca desse tubo ou passar por orifícios praticados nele. Para sustentar esses cilindros, a força exercida pela borracha esticada, o peso do domo e a espessura da parede do tubo são fatores importantes.

Escolha da Correia

Evite, para a correia, as borrachas de cor preta. As borrachas de cor preta têm maior possibilidade de conter "negro de fumo" – carvão, carbono.

Quando selecionar um material, procure um que tenha uma boa resistência ao ozônio. Durante a operação de um Van de Graaff, ambas as descargas elétricas, as provenientes do globo e as das escovas, produzirão ozônio. Ozônio (O3) é muito corrosivo, mesmo em pequenas quantidades; pode causar ferrugem, e borrachas e plásticos podem ser oxidados ou sofrerem apodrecimento. Neoprene é muito bom para resistir ao ozônio e pode ser comprado da maioria dos fornecedores de borracha. Além disso, pode ser achado na cor branca ou laranja claro, indicação de ausência de "negro de fumo".

Espessura da Correia

Que espessura uma correia deve ter? Uma boa regra é: quanto mais fina, melhor.

A própria correia não precisa ser espessa; de fato, quanto mais espessa for a correia, mais ela tenderá a sair dos cilindros. Conforme a velocidade do gerador aumenta, maior é a força centrípeta sobre a região da correia que passa acima do rolete superior e abaixo do rolete inferior. Essa força tende a afastar a correia do rolete, e a correia ficará instável em altas velocidades. Vamos entender assim: quanto menor a massa da correia, menor será sua tendência de se afastar dos roletes. Para ver esse efeito com mais clareza, proceda assim: amarre uma arruela a um fio de linha e gire-a em círculos. O puxão que você sente no fio, sua tração, tem praticamente a mesma intensidade que a força centrípeta desenvolvida na arruela pela sua rotação; quanto mais rápido girar, maior será a força que tende a arrancar o fio de sua mão.

A primeira coisa para lembrar é que a tira de borracha deve ser retangular (lados perfeitamente paralelos). Uma vez cortada a tira retangular, resta saber que comprimento precisa ter.

Obtido o comprimento final da correia, seus extremos devem ser colados. Não há uma fórmula exata para determinar o máximo comprimento que a correia deverá ter. A elasticidade da borracha, o comprimento global da montagem roletes-coluna, de modo geral, é que determinará o comprimento da correia acabada.

Uma regra básica é: a correia acabada (extremos já colados) deve ter um comprimento entre 2/3 e 3/4 da distância entre os centros dos roletes postos em seus devidos lugares.

Por exemplo: se a distância de centro a centro dos roletes é de 60 cm, então 3/4 desse comprimento equivalem a 45 cm (60 x 0,75 = 45). Se o material da correia é muito fácil de esticar (pequena constante de elasticidade), então 2/3 serão o recomendável (60 x 0,66 = 40). Apesar dessas referências, ainda resta a experimentação. Depois da correia acabada, instalada nos roletes, motor funcionando, se a correia tende a flutuar nos cilindros, então ela precisa ser encurtada. De experiência própria, é mais fácil encurtar uma correia do que perder material para fazer outra ¾ assim, é melhor manter o erro para o excesso a tentar prever o tamanho final.

A segunda coisa é que, quando os extremos da correia são cortados, eles devem resultar perpendiculares aos bordos. Há um método simples para cortar e colar uma correia: antes de decidir pelo comprimento final, é melhor praticar com restos de borracha (mesmo que sejam emendados com Super Bonder).

Pratique, também, o uso da cola de secagem rápida (Super Bonder ou equivalente) para unir os extremos da fita. Vejamos a técnica de colagem.

Retire o pedaço de material resistente e coloque em seu lugar um pedaço de fita adesiva dupla face. Uma face gruda na borracha debaixo e na superfície plana (e serve de apoio) e a outra face receberá os extremos a serem colados. Deixe apenas uma das extremidades presa na fita adesiva, passe uma fina camada de cola de cianoacrilato (Super Bonder, marca registrada da Loctite Corp.) na extremidade livre e a ajuste com todo capricho junto à outra extremidade presa à fita adesiva. Agora a fita adesiva manterá tudo no lugar até a secagem final da cola.

Após tudo isso teremos uma fita contínua, de espessura uniforme, em forma de loop.

Teste: enfie um lápis dentro do loop para manter a fita na vertical. Verifique se não ocorrem dobras e se há paralelismo entre as duas partes.

Nota: a superposição das extremidades "retas" da correia, na colagem, produzirá o inevitável "ploc-ploc-ploc", cada vez que a emenda descontínua passar pelos cilindros. Se a superposição for inevitável (quando a cola não está segurando devidamente), o recomendado é cortar as extremidades da correia em ângulo de 45o ou 60o. Isso permitirá uma passagem mais suave pelos roletes. Nessas situações, a cola recomendada é a utilizada nos consertos de câmaras de pneus de bicicleta.

Escovas

O gerador de Van de Graaff tem duas escovas virtuais para transferência de

cargas. A palavra "escovas" seria melhor substituída por "pontas", uma vez que, quando se fala em escova, há exata idéia de algo que entra em contato com outro corpo. As escovas dos motores universais são realmente escovas, pois estão em permanente contato com o anel de terminais do rotor. Manteremos a palavra "escovas" por comodidade de expressão --- e viva a língua portuguesa!

A primeira fica localizada na base, sob o rolete inferior e próxima à face externa da correia. A segunda escova fica localizada sobre o cilindro superior e próxima à face externa da correia.

O melhor material para fazer as escovas é a tela de metal, aquela usada em telas de janelas.

Basicamente, as escovas têm a mesma largura da correia. Depois que o material é cortado na largura indicada, repique com uma tesoura várias camadas dos fios horizontais; isso deixará pontas (farpas) de maior comprimento voltadas para a correia. Monte as escovas bem próximo à correia, mas sem tocarem nela. A escova inferior deve ser ligada eletricamente à terra (condutor aterrado). Se usar um cordão de força de três fios para o motor (plugue de 3 pinos – um dos pinos é o terra da residência), essa escova deve ser ligada ao fio-terra do cordão.

A escova superior deve ser ligada, elétrica e internamente, ao domo de descarga. O espaçamento das escovas deve ser ajustado com o motor girando --- deverá existir um espaço de ar entre as pontas das escovas e a superfície externa da correia.

Cúpula de Descarga

O "segredo" do porquê um GVDG consegue acumular boa quantidade de cargas elétricas e atingir altíssimos potenciais está no modo como a carga é colocada na cúpula. Se você quer saber como isso é feito, basta clicar sobre o texto em destaque: Teoria sobre a esfera do GVDG.

Na parte construtiva, a cúpula ou domo de descarga ideal para o GVDG requer trabalho de torno e repuxo. É serviço de profissional.

É constituída por duas superfícies hemisféricas (calotas esféricas) que se ajustam perfeitamente devido a encaixes trabalhados nas bordas. Esses hemisférios podem ser feitos com chapas de alumínio com 1 mm ou 1,5 mm de espessura, repuxadas num torno para adquirirem a forma de hemisférios; trabalho muito parecido com os repuxos para fazer cúpulas de lustres, de lâmpadas de quintal etc.

A parte inferior, que é fixada no alto da coluna de apoio, tem uma gola voltada para dentro. Isso facilita todo o trabalho de fixação com parafusos metálicos e arruelas de borracha (que minimizam as vibrações). Aqui os parafusos podem ser usados por ficarem dentro do globo.

Se uma cúpula de descarga especificamente projetada não está disponível, então outras cúpulas alternativas (clique no texto em destaque para ver nossas sugestões) poderão ser construídas. O recurso usado pelo autor em uma de suas montagens é o apresentado a seguir.

Para minimizar o poder das pontas nas bordas desse orifício, o autor adaptou uma argola de alumínio maciço (não recordamos se foi proveniente de uma pulseira ou de um puxador de cortinas) de diâmetro interno igual ao diâmetro externo do tubo.

De início, nas primeiras experimentações, a calota superior foi simplesmente apoiada na inferior e fixada com fita isolante. Mais tarde, com o auxílio de um amigo torneiro, foi feito um perfeito trabalho de encaixe nos dois hemisférios. Ele retirou o material em excesso nas duas bordas (havia uma espécie de bainha saliente), rebaixou ligeiramente uma das bordas e repuxou a outra. Ficou excelente.

Montagem do GVDG

Agora que todos os componentes foram descritos, é hora de reuni-los.

Comecemos pelo motor e rolete inferior. O rolete pode ser fixado diretamente, sob pressão, ao eixo do motor (se ele for suficientemente comprido) ou ter um eixo próprio, sendo então adaptado ao eixo do motor por meio de um pequeno pedaço de tubo plástico flexível, conforme ilustramos.

Dependendo do motor (rotação, por exemplo), alguns montadores preferem adaptar polias aos dois eixos e acoplá-las com correia de máquinas de costura. O tubo de sustentação deve ter próximo à sua base um furo que permita a introdução desse rolete. Essa montagem admite alterações. O importante é que fique tudo muito bem alinhado e isento de vibrações durante o funcionamento.

O conjunto rolete + eixo + tubo plástico deve ser removido por permitir a colocação da correia. Dentre os materiais da série triboelétrica, optamos pelo PVC para a confecção dos dois roletes e recobrimos o inferior com uma tira de feltro, sem superposição, fixada com Super Bonder.

O material mais simples para a base e demais apoios (motor, escova e controle de velocidade), onde tudo foi fixado, é a madeira envernizada. Os critérios para eles são: (a) onde a coluna de sustentação será fixada; (b) onde o suporte da escova será montado; (c) onde ficará o motor e seu controle de velocidade. Tudo deve ser pensado visando a um modo fácil de substituir componentes avariados e à limpeza de tubo e correia de tempo em tempo.

O desenho geral do GVDG é que ditará quão robusto o tubo e a base devem ser. A coluna de sustentação para um pequeno gerador pode ser fixada na base com chapinhas metálicas em ângulo reto ou braçadeiras convenientes, mas um maior precisará de um layout mais elaborado. Uma vez fixada a coluna, verifique se o rolete ficou bem posicionado no centro do tubo.

A seguir, instale o rolete superior. O desenho do rolete superior é que ditará como ele será montado na coluna. A montagem mais simples é cortar duas aberturas pequenas no topo do tubo para o eixo do cilindro descansar nelas. Duas arruelas elásticas ou dois pinos enfiados em orifícios nas extremidades desse eixo impedirão que o cilindro deslize para fora das aberturas na coluna. Fique atento à montagem dos roletes ¾ quando tudo estiver pronto, verifique se estão alinhados na vertical e paralelos entre si. Se não houver perfeito alinhamento, a correia tenderá a deslizar para um de seus extremos. As coroas dos roletes tentarão minimizar esse efeito, mas tudo tem seus limites...

O próximo passo é a colocação da correia. Passe-a por baixo do rolete inferior, segurando a montagem toda; estique-a para cima (pode-se usar uma alça de barbante para isso); deslize o rolete superior para o seu devido lugar e deixe assentar. Confira bem esse assentamento e o alinhamento da correia. Gire a correia com a mão e observe se trabalha corretamente. Se, até aqui, tudo estiver em ordem, pode-se ligar o motor em baixa rotação.

Repare em tudo. Já deve ser percebida a presença de um campo eletrostático ao redor da coluna de sustentação (notadamente pelos pelinhos do braço que ficam eriçados). Se a correia não traciona corretamente, ajuste os apoios do rolete superior até que tudo fique em ordem.

Se a correia se comporta bem da velocidade mínima até a máxima (pois está em perfeito alinhamento), é hora de colocar a escova superior (lembre-se de que ela deve estar eletricamente ligada à cúpula) e fechar o globo. Para impedir a queda da metade superior do domo, no caso de simples ajuste de um sobre o outro, passe uma fita isolante para fixá-lo. O GVDG está pronto para ser testado.

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