O Gerador Van de Graaff É um artefato que funciona graças a fenômenos eletrostáticos, e cuja função é reproduzir enormes potenciais elétricos, da ordem dos megaeletronvolts (MeV), para acelerar partículas subatômicas. Tais potenciais estão concentrados em suas partes superiores, onde se encontram esferas metálicas ocas características..
Foi inventado em 1929 pelo físico americano Robert J. Van de Graaff, construindo modelos de diferentes tamanhos e capacidades elétricas. Um dos maiores, criado em 1933 e visto na imagem abaixo, é capaz de atingir um potencial elétrico de 5MeV; cinco vezes menos do que o atualmente alcançável (25,5MeV).
O potencial do gerador Van de Graaff é tão alto que ocorrem descargas elétricas no ar ao redor de suas esferas metálicas. Essas descargas são produto do desequilíbrio das cargas elétricas, pois as esferas adquirem cargas elétricas muito negativas ou muito positivas; tudo dependendo dos materiais e seus designs.
Este dispositivo é bastante popular no ensino de física e eletricidade. Isso porque os voluntários, ao tocarem as esferas ou as cúpulas metálicas dos pequenos geradores, experimentam um levantamento involuntário dos cabelos, que lembra uma eletrocussão..
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Na imagem acima temos as peças convencionais para um gerador Van de Graaff. Possui uma moldura vertical encimada por uma esfera oca ou cúpula de metal (1). No interior, temos uma faixa ou correia (4 e 5) confeccionada em material polimérico e isolante, como por exemplo o tubo cirúrgico.
Esta correia move-se constantemente entre dois rolos: um superior (3) e um inferior (6). Da mesma forma, cada rolo fixou uma escova de metal (2 e 7) que esfrega a superfície da correia. O movimento da correia é ativado por um motor elétrico conectado à base do gerador.
Como pode ser visto na imagem, a esfera do gerador está carregada positivamente (+). Portanto, ele precisa de elétrons para suprir o desequilíbrio elétrico. É aqui que os elétrons (-) que saem do gerador acabam carregando negativamente um dispositivo metálico próximo (8); para finalmente produzir uma descarga elétrica (9) na direção da cúpula de metal.
O choque elétrico pode ocorrer tanto na direção da cúpula, quanto na direção do dispositivo; o último ocorre quando é a cúpula que está carregada negativamente.
O gerador Van de Graaff pode ser carregado positivamente ou negativamente. O símbolo da carga dependerá da natureza triboelétrica dos materiais de que a correia e a tampa do rolo inferior são feitas..
Por exemplo, se o rolo inferior for revestido de náilon, mas a correia for de borracha, então a série triboelétrica deve ser checada para saber qual material receberá e qual doará os elétrons assim que entrarem em contato..
Assim, como o náilon é mais positivo, ou seja, por ser mais alto na série triboelétrica do que a borracha, ele perderá elétrons enquanto a borracha os ganhará. Portanto, a correia acabará deslocando ou mobilizando cargas negativas quando o motor do gerador for acionado..
Enquanto isso, se o rolo inferior for coberto com silicone, acontecerá o contrário: a correia perderá elétrons, pois o silicone é mais negativo do que a borracha na série triboelétrica. E consequentemente, a correia irá deslocar ou mobilizar cargas positivas (como na imagem já descrita).
Triboeletricidade é apenas um dos muitos fenômenos elétricos (corona e efeitos fotoelétricos, cubo de gelo de Faraday, campos elétricos, etc.) que ocorrem no gerador Van de Graaff. Mas o ponto principal é que ele pode mover, mobilizar ou "bombear" cargas elétricas em direção à cúpula de metal..
Uma vez que o rolo inferior é carregado negativamente após o motor ser ativado, e a correia positivamente, os elétrons do rolo começam a repelir aqueles na face externa da correia. Esses elétrons migram, pelo ar, em direção à escova inferior, de onde serão conduzidos em direção à terra ou a outro dispositivo..
A correia carregada positivamente atinge o rolo superior, que tem uma natureza triboelétrica oposta ao rolo inferior; isto é, em vez de ser carregado negativamente, ele deve perder elétrons e, portanto, também se tornar carregado positivamente. Assim, a carga positiva se move em direção ao rolo superior e, finalmente, em direção à escova superior em contato direto com a cúpula de metal.
Os elétrons da escova superior são transportados para o rolo para neutralizar as cargas. Mas esses elétrons vêm da superfície da cúpula de metal. Portanto, a cúpula também adquire uma carga positiva.
A cúpula, de acordo com suas dimensões, atingirá um potencial máximo. Depois disso, as cargas elétricas devem ser equilibradas. Sendo muito positivo, ele receberá elétrons de uma fonte com carga muito negativa - o dispositivo que recebe os elétrons da escova inferior. Assim, uma descarga elétrica (faísca) é produzida a partir do dispositivo (negativa) em direção à cúpula de metal (positiva).
Quanto maiores os potenciais elétricos atingidos, proporcionais às dimensões do gerador, mais intensas serão as descargas elétricas reproduzidas. Observe que se eles não fossem tão grandes, os elétrons não poderiam viajar através do ar, um meio dielétrico não condutor.
Se a esfera metálica estiver carregada positivamente e alguém tocá-la, seu cabelo também ficará carregado positivamente. Cargas iguais se repelem e, portanto, os cabelos ficarão em pé e separados uns dos outros. Este fenômeno é usado para fins educacionais em cursos onde a eletrostática é introduzida.
Assim, geradores Van de Graaff de pequeno porte são usados para chamar a atenção dos observadores quanto à postura de seus cabelos; ou na contemplação de choques elétricos, réplicas fiéis daquelas que vemos nos filmes de ficção científica.
Quando a cúpula concentra muitas cargas elétricas, é gerado um potencial capaz de acelerar as partículas subatômicas. Para isso, o gerador Van de Graaff é usado para reproduzir raios X em estudos medicinais e física nuclear..
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