Eletricidade estática

Para entender o gerador Van de Graaff e como ele funciona é preciso entender a eletricidade estática. Quase todas as pessoas estão familiarizadas com a eletricidade estática, pois podem vê-la e senti-la no inverno. Em dias secos, a eletricidade estática pode se formar nos nossos corpos e fazer com que uma descarga passe deles para pedaços de metal ou para outras pessoas. Podemos ver, sentir e ouvir o som dessa descarga quando ela ocorre.

RaízesA palavra "elétron", em inglês, vem da palavra grega amber.

Nas aulas de ciência, você deve ter feito alguns experimentos com eletricidade estática. Se você esfrega, por exemplo, um bastão de vidro em um pedaço de seda ou se você esfrega um pedaço de âmbar com lã, o vidro e o âmbar vão desenvolver uma carga estática que pode atrair pequenos pedaços de papel ou de plástico.

Para entender o que acontece quando seu corpo ou o vidro desenvolvem uma carga estática, pense nos átomos que formam tudo que podemos ver. Toda a matéria é formada por átomos, que são formados por partículas carregadas. Os átomos têm um núcleo formado por nêutrons e prótons e uma "carapaça" de elétrons que os envolve. Basicamente, a matéria tem carga neutra, isso significa que o número de elétrons e prótons é o mesmo. Se um átomo possui mais elétrons que prótons, tem carga negativa. Se tiver mais prótons que elétrons, tem carga positiva.

Alguns átomos mantêm seus elétrons presos mais firmemente que outros. O quão firme a matéria segura seus elétrons é o que determina seu lugar nas séries triboelétricas. Nas séries triboelétricas, se um material, em contato com outro, é mais apto a doar elétrons, é considerado mais positivo; se for mais propenso a "capturar" elétrons, é considerado mais negativo.

A tabela a seguir mostra as séries triboelétricas para muitos materiais que podem ser encontrados pela casa. Itens positivos estão acima e os negativos na parte de baixo:

• mãos humanas, geralmente úmidas - muito positivo
• pele de coelho
• vidro
• cabelo humano
• nylon
• lã
• pele
• chumbo
• seda
• alumínio
• papel
• algodão
• aço - neutro
• madeira
• âmbar
• borracha dura
• níquel, cobre
• latão, prata
• ouro, platina
• poliéster
• estireno (isopor)
• papel filme
• poliuretano
• polietileno (fita isolante)
• polipropileno
• vinil (PVC)
• silicone
• teflon - muito negativo

A posição relativa de duas substâncias nas séries triboelétricas determina como elas vão se portar quando entrarem em contato. Vidro esfregado por seda causa uma separação de carga, pois estão divididos por muitas posições na tabela. O mesmo se aplica ao âmbar e a lã. Quanto maior a separação na tabela, maior o efeito.

Quando dois materiais não condutores entram em contato, uma ligação química conhecida como adesão é formada entre eles. Dependendo de suas propriedades triboelétricas, um material pode "capturar" alguns elétrons do outro. Se os dois forem separados, um desequilíbrio de carga acontece. O material que capturou elétrons está com carga negativa e o que perdeu está com carga positiva. Esse desequilíbrio de carga é de onde a "eletricidade estática" vem. O termo "estática", nesse caso, é enganador, pois implica em "falta de movimento", quando na verdade é comum e necessário que exista um fluxo para que um desequilíbrio de cargas aconteça. O pequeno choque que você sente quando toca numa maçaneta é um exemplo desse fluxo.

A quantidade de carga depende dos materiais envolvidos e da quantidade de área de superfície que os une. Muitas superfícies, quando observadas com um microscópio de luz, parecem ásperas ou irregulares. Se essas superfícies fossem lisas para que mais contato pudesse acontecer, a carga (voltagem) certamente aumentaria.

Outro fator importante na eletrostática é a umidade. Se estiver muito úmido, o desequilíbrio de carga não permanecerá por um tempo útil. Lembre-se que a umidade é a medida da quantidade de água no ar. Se esta quantidade estiver alta, a umidade revestirá a superfície do material, fazendo um caminho de baixa resistência para o elétron fluir. Esse caminho permite que as cargas se “recombinem” e assim neutralizem o desequilíbrio. Da mesma forma, quando está muito seco, a carga pode aumentar até níveis extraordinários, ou seja, até dezenas de milhares de volts.

Causas das cargas elotroestáticasAs cargas eletrostáticas não são causadas por fricção. Muitos presumem ser assim. Esfregar um balão na cabeça ou arrastar os pés no tapete vão criar uma carga. A eletrostática e a fricção são relacionadas na maneira em que ambas são produto da adesão. Esfregar dois objetos, por exemplo, pode aumentar a carga eletrostática porque uma área maior de superfície fica em contato, mas a fricção sozinha não tem nada a ver com a carga.

Dependendo do tipo de sola dos seus sapatos e do material do piso em que você está pisando, cria-se uma voltagem suficiente para fazer a carga pular para a maçaneta da porta, deixando-o neutro. Você deve lembrar do velho comercial do "agarrão estático". As roupas na secadora criam uma carga eletrostática. A secadora cria um ambiente de baixa umidade que gira, fazendo com que as roupas entrem em contato e separem-se continuamente. A carga pode facilmente ser alta o suficiente para fazer com que o material se atraia e "grude" em superfícies com cargas opostas, por exemplo, seu corpo ou outras roupas. Um método usado para remover a "estática" é vaporizar as roupas com um pouco de água. Aqui novamente, a água faz com que a carga disperse, deixando o material neutro.

Quando há sujeira no ar, este se parte muito mais fácil na presença de um campo elétrico. Isso significa que a sujeira permite que o ar fique ionizado mais facilmente. O ar ionizado é apenas ar que perdeu um ou mais de seus elétrons. Quando isso acontece, é chamado de plasma, que é um condutor muito bom. De forma geral, adicionar impurezas ao ar melhora a sua condutividade. Impurezas no ar causam o mesmo efeito que a umidade. Nenhuma dessas condições é desejável para a eletrostática. Geralmente, a presença dessas impurezas no ar significa que elas também estão presentes nos materiais que você está usando. Assim, é possível saber como estão as condições do material. Os materiais geralmente vão se partir como o ar, só que muito mais rápido.