Gerador de Van de Graaff

Van de Graaff, Robert J.

Em 1929, um físico americano Robert Jemison Van de Graaff construiu um gerador eletrostático, que servia para eletrizar qualquer objeto que entrasse em contato, ou até mesmo apenas se aproximasse do gerador, tal invenção ficou conhecido como Gerador Van Graaff, em homenagem ao engenheiro. E até os dias de hoje não sofreu nenhuma alteração por qualquer outro inventor.

No gerador de um motor movimenta uma correia isolante que passa por duas polias, uma delas acionada por um motor elétrico que faz a correia se movimentar. A segunda polia encontra-se dentro da esfera metálica oca (cúpula). Através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador de alta tensão. A correia eletrizada transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde elas são coletadas por pontas metálicas e conduzidas para a superfície externa da esfera. Como as cargas são transportadas continuamente pela correia, elas vão se acumulando na esfera, assim eletrizando o que tocar nela.

Por esse processo, a esfera pode atingir um potencial de até 10 milhões de volts, no caso dos grandes geradores utilizados para experiências de física atômica, ou milhares de volts nos pequenos geradores utilizados em laboratórios de ensino.

O gerador auto-excitado trabalha segundo princípios do efeito triboelétrico. Esse termo refere-se ao fenômeno que ocorre quando dois materiais diferentes estão bem juntos e então são puxados para o lado oposto, se repelindo.

Quando alguém menciona um Van de Graaff, a primeira coisa em que as pessoas pensam, freqüentemente, é o efeito de arrepiar os cabelos (pelo fato de estarem eletrizados com cargas de mesmo sinais).

O gerador é um objeto simples e super legal por trabalhar com conceitos básicos da física, como a de eletrização por indução por exemplo, e também por ser de interesse de crianças à adultos, sendo cientistas, físicos ou leigos.

Robert Jemison Van de Graaff, nasceu em 20 de dezembro de 1901 e faleceu em 16 de janeiro de 1967. Ele foi um físico americano, conhecido por seu design e construção de geradores de alta tensão, por este fato trabalhou como professor na Universidade de Princeton.

Montando o seu próprio gerador:

             É possível construir um pequeno gerador em casa, uma vez que suas partes podem ser obtidas no comércio ou podem ser fabricadas. O modelo descrito é para um gerador com uma correia de 2 cm a 3,5 cm de largura, uma cúpula de descarga com cerca de 20 cm a 35 cm de diâmetro e algo entre 40 cm e 65 cm de altura. 

            Cilíndros

Os cilindros, junto com a correia, constituem o coração de um gerador de Van Graaff. 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.

Motor

Praticamente todos os pequenos motores disponíveis servirão para esse projeto. O autor já utilizou motor de toca-discos, de ventilador doméstico, de ventilador de computador, de máquina de costura e muitos outros.

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.

Coluna

Ao selecionar o material para a coluna de apoio, é recomendado usar 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).

Correia

Evite, para a correia, as borrachas de cor preta. As borrachas de cor preta têm maior possibilidade de conter carvão ou carbono (fumo negro), o que não é bom para nós nesta experiência. Quando selecionar um material, procure um que tenha uma boa resistência ao ozônio. Quanto mais fina a correia melhor! A espessura, o comprimento útil da correia entre os dois cilindros e a tração a que está submetida são os fatores que irão comandar as vibrações estacionárias na correia.

Escovas

As escovas têm que ter 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).

Cúpula

O "segredo" do porquê um gerador de Van Graaff consegue acumular boa quantidade de cargas elétricas e atingir altíssimos potenciais está no modo como a carga é colocada na cúpula, a qual 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.

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.

Este trabalho critico foi realizado pelos alunos Julia Manzo, Marcela Borges, Rafael Negreiros, Priscila Palau e Talia Cócca do Colégio Universitas – Ensino Médio em Santos, SP.