O gerador

Agora que você aprendeu algo sobre eletrostática e eletricidade estática, é fácil de entender o propósito do gerador Van de Graaff. Um gerador desse tipo é um dispositivo projetado para criar eletricidade estática e torná-la disponível para experimentos.

O físico americano Robert Jemison Van de Graaff inventou o gerador Van de Graaff em 1931. O dispositivo, que leva seu nome, tem a capacidade de produzir voltagens extremamente altas, até 20 milhões de volts. Van de Graaff inventou o gerador para fornecer a alta energia necessária para os primeiros aceleradores de partículas. Nos Estados Unidos, esses aceleradores de partículas eram conhecidos como esmagadores de átomos por acelerar partículas subatômicas a grandes velocidades e depois as "esmagar" contra os átomos do alvo. As colisões resultantes criavam outras partículas subatômicas e radiação de alta energia como os raios X. A capacidade de criar essas colisões de alta energia é o fundamento das físicas nuclear e de partículas.

Os geradores Van de Graaff são descritos como dispositivos eletrostáticos de corrente constante. Quando uma carga é colocada num gerador desse tipo, a corrente (amperagem) continua a mesma. É a voltagem (tensão) que varia com a carga. No caso desse gerador, conforme você se aproxima do terminal de saída (esfera) com um objeto aterrado, a voltagem diminui, mas a corrente permanece a mesma. De maneira oposta, as baterias são conhecidas como dispositivos de "voltagem constante" porque, quando são ligadas a um circuito, a voltagem permanece a mesma. Um bom exemplo é a bateria do carro. Uma bateria de carro totalmente carregada produz cerca de 12,75 volts. Se você acender os faróis e checar a voltagem, verá que ela continua relativamente a mesma. Ao mesmo tempo, a corrente vai variar com a carga. Seus faróis, por exemplo, necessitam de 10 ampères, mas seus limpadores de pára-brisas podem necessitar de somente 4 ampères. Independentemente do que você ligar, a voltagem continuará a mesma.

Existem dois tipos de geradores Van de Graaff: para carregar, um deles usa uma fonte de energia de alta voltagem e o outro usa correias e cilindros para carregar. Falaremos aqui sobre o último tipo.

Esse tipo de gerador é feito de:

• um motor
• dois cilindros
• uma correia
• duas montagens de escovas
• um terminal de saída (geralmente uma esfera de metal ou alumínio)

Você pode ver essas peças na imagem abaixo.

Quando o motor é ligado, o cilindro inferior (carregador) começa a girar a correia. Como a correia é feita de borracha e o cilindro inferior coberto com fita de silicone, ele começa a produzir uma carga negativa enquanto a correia gera uma carga positiva. É fácil entender porque esse desequilíbrio de cargas acontece olhando nas séries triboelétricas: o silicone é mais negativo que borracha; portanto, o cilindro inferior captura elétrons da correia enquanto esta passa por ele. É importante perceber que a carga no cilindro é muito mais concentrada do que a carga na correia. Por causa dessa concentração de carga, o campo elétrico do cilindro é muito mais forte do que o da correia no lugar onde o cilindro e a escova inferior se juntam. A carga negativa mais forte começa agora a fazer duas coisas:

1. repelir os elétrons próximos das pontas da montagem da escova inferior - os metais são bons condutores, pois eles são basicamente átomos positivos cercados por elétrons fáceis de mover. A montagem da escova agora tem pontas de fio que estão carregadas positivamente, porque os elétrons foram para longe das pontas, na direção da ligação e do suporte do motor;
2. tirar moléculas de ar próximas dos seus elétrons - quando um átomo perde seus elétrons, é chamado de plasma, o quarto estado da matéria. Assim, temos elétrons livres e átomos de ar positivamente carregados entre o cilindro e a escova. Os elétrons são repelidos do cilindro, que tem poucos elétrons, e atraídos para as pontas da escova enquanto os átomos positivos são atraídos para o cilindro negativamente carregado.

Os núcleos atômicos (com carga positiva) das moléculas de ar tentam se mover na direção do cilindro negativamente carregado, mas a correia está no caminho. Agora ela está “revestida” pela carga positiva, que as leva para longe do cilindro.

Enquanto houver ar entre o cilindro inferior e a montagem da escova, o gerador Van de Graaff continuará a carregar a correia. Teoricamente, o gerador pode continuar a carregar para sempre. Infelizmente, sujeira e outras impurezas no ambiente vão limitar a verdadeira carga que se desenvolve na esfera.

A correia, como a deixamos, está positivamente carregada e girando em direção ao cilindro superior e à montagem da escova superior. Como foi usado nylon para o cilindro superior, este quer repelir a carga da correia. A montagem da escova superior é conectada à parte interna da esfera e fica próxima ao cilindro superior e à correia. Os elétrons na escova se movem para as pontas dos fios, pois são atraídos para a correia, que está positivamente carregada. Uma vez que o ar se quebra como antes, os núcleos atômicos positivos do ar são atraídos para a escova. Ao mesmo tempo, os elétrons livres no ar vão para a correia. Quando um objeto carregado encosta no interior de um recipiente de metal, o recipiente fica com toda a carga, deixando o objeto neutro. O excesso de carga aparece na superfície de fora do recipiente. Nesse caso, o recipiente é a esfera. É através desse efeito que o gerador Van de Graaff é capaz de atingir suas imensas voltagens. Para o gerador, a correia é o objeto carregado, entregando continuamente uma carga positiva para a esfera.

Um último lembrete antes de você construir seu gerador: normalmente, um material neutro é usado para o cilindro superior, para que a correia torne-se neutra quando a esfera sugar a carga em excesso. Como foi usado um cilindro superior de nylon, que é positivo nas séries triboelétricas, a correia entrega mais carga positiva e torna-se negativa. Essa é uma técnica usada para duplicar sua corrente. A correia é positiva em um dos lados conforme se aproxima do cilindro superior e negativa do outro lado à medida que se aproxima do cilindro inferior.