FEIRA DE CIÊNCIAS


DETECTOR DE CARGAS “ELETROSCÓPIO DE FOLHAS”


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Liliane do Nascimento Pereira [libarbiegirl@hotmail.com]

Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul – UEMS

Última atualização: 26/08/2009

INTRODUÇÃO


Dando continuidade nas experiências sobre eletricidade, temos a próxima experiência denominada: Detector de Cargas “Eletroscópio de Folhas”.

Partindo disto, temos o inventor do “Eletroscópio de Folhas” chamado de Francis Hauksbee (1666-1713), também conhecido como Francisco Hawksbee, foi um décimo oitavo século Inglês cientista, e um membro da Royal Society conhecido por seu trabalho sobre a eletricidade e eletrostáticas repulsas. Em 1705, Hauksbee tinha descoberto que se ele, colocando uma pequena quantidade de mercúrio no vidro de sua versão modificada do Otto von Guericke (é um gerador) e evacuar o ar a partir dele e, em seguida, causar um encargo a ser construída em cima da bola, um brilho era visível e que ele colocou a sua mão sobre a parte exterior da bola. Pareceu-me ser semelhante à St.Elmo´s Fire. Este efeito mais tarde se tornou a base da Neon iluminação e lâmpadas de vapor de mercúrio. Este efeito mais tarde se tornou a base da Neon iluminação e lâmpadas de vapor de mercúrio. Em 1709 ele publicou físico-mecânicas Experiências sobre vários assuntos em que muito do seu trabalho científico é somados.


Figura 1: Gerador construído por Francis Hauksbee. From Physico-Mechanical Experiments , 2nd Ed., London 1719 De físico-mecânicas Experiments, 2nd ed., London 1719.

Alguns conceitos básicos se fazem importantes para esta introdução e também para se entender a experiência que será relatada abaixo:

Eletroscópio: O eletroscópio é um aparelho que se destina a indicar a existência de cargas elétricas, ou seja, identificar se um corpo está eletrizado. Os eletroscópios mais comuns são o pêndulo eletrostático ( experiência anterior) e o eletroscópio de folhas ( tema desta experiência).

Eletroscópio de folhas: O eletroscópio de folhas é composto por uma garrafa transparente isolante, fechada por uma rolha igualmente isolante. Na parte de cima, uma esfera metálica. No interior, duas finíssimas folhas metálicas, de ouro ou de alumínio. Se o eletroscópio estiver neutro, suas folhas estarão abaixadas. A aproximação de um corpo carregado à esfera superior induz cargas no sistema, e as folhas se separam, por possuírem cargas de mesmo sinal. Se esse corpo carregado tocar a esfera superior, o eletroscópio também ficará eletricamente carregado.

Construção de eletroscópios de folhas: Eletroscópios de folhas são instrumentos extremamente simples e muito úteis na experimentação com eletrostática. O princípio de funcionamento deles é simples, quando carregados as folhas inferiores móveis se repelem, afastando-se mais na medida que aumenta a carga acumulada nelas. Em um teste com uma fonte de tensão calibrada foi constatado que tensões a partir de 300 a 400 volts são suficientes para provocar este afastamento de maneira perceptível.

Processos de Eletrização: Existem três tipos de eletrização de corpos: por atrito; por contato; por indução.

Eletrização por atrito: A eletrização por atrito é dada quando atrita-se dois corpos, como por exemplo, o caso realizado nas outras experiências, ou seja, o canudo atritado com o papel higiênico, ambos ficam carregados com a mesma quantidade de cargas, porém de sinais contrários.

Eletrização por contato: Quando dois corpos condutores entram em contato, sendo um neutro e outro carregado, ambos ficam carregados com cargas de mesmo sinal ( como visto na experiência do Pêndulo Eletrostático), como exemplo, têm-se um bastão carregado e uma esfera neutra inicialmente, ao tocar-se a esfera com o bastão verifica-se que a esfera adquire a carga de mesmo sinal daquela presente no bastão.

Série Triboelétrica: Um mesmo objeto poderá eletrizar-se por atrito positivamente ou negativamente dependendo do material com o qual foi atritado. Por exemplo: o canudo de plástico quando atritado com o papel, fica eletrizado negativamente. Já o bastão de vidro quando atritado com o papel, fica eletrizado positivamente. Isso ocorre porque o papel cede elétrons para uns e retira elétrons de outros.

Por volta de 1760, J.C. Wilcke observou que os materiais poderiam ser dispostos em uma seqüência em função de sua capacidade de ganhar ou perder elétrons, como está representado abaixo:

Série Triboelétrica

vidro

mica

madeira

papel

âmbar

plástico

Atritando de baixo para cima temos eletrização positiva e decima para baixo temos eletrização negativa.

Atritando esses materiais entre si, verifica-se que os materiais que estiverem mais acima na série, ficarão eletrizados positivamente (perderão elétrons para o outro), quando atritados com qualquer outro que o segue e, ficará eletrizado negativamente (recebe elétrons do outro) ao ser atritado com aqueles que os precedem. Tomemos como exemplo o papel: quando atritado com o canudo de plástico, fica eletrizado positivamente, ou seja, o papel doa elétrons para o canudo. O contrário acontece quando o papel é atritado com vidro, ele fica eletrizado negativamente, ou seja, rouba elétrons do vidro. Essa seqüência é chamada de triboelétrica.

Material Isolante: São materiais que possuem grande dificuldade em ceder ou receber elétrons livres. Tal fato ocorre porque na última camada dos átomos que compõem o material, chamada de camada de valência, os elétrons estão fortemente ligados ao átomo.

Material Condutor: São os materiais que possuem muita facilidade em ceder e receber elétrons, pois em sua camada de valência os elétrons têm uma fraca ligação com átomo.
Assim como existe os condutores e isolantes, existe também um meio termo entre eles que são os chamados semicondutores. Esse tipo de material, como o silício (Si) e o germânio (Ge), é muito utilizado na indústria eletrônica.


3° EXPERIÊNCIA: DETECTOR DE CARGAS “ELETROSCÓPIO DE FOLHAS”

Experiência realizada no dia 13 de Agosto de 2009 na Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, no Laboratório de Ensino de Física pelas acadêmicas: Liliane do Nascimento Pereira do terceiro ano noturno e Ana Paula Langaro do primeiro ano noturno, do curso de Licenciatura em Física com orientação do professor Nilson Oliveira da Silva. Todos os materiais utilizados na experiência são de fácil acesso e manuseio, para qualquer pessoa consiga realizar o experimento.


MATERIAL UTILIZADO:


Figura 2: Material utilizado na experiência, começando da direita temos o adesivo epóxi, régua, folha de papel alumínio, bola de isopor, canudo de plástico, 13cm de arame fino, um vidro, duas folhas de papel alumínio com 3cm cada, 1cm de fio de cobre (número 28) e por fim o papel higiênico.


POCEDIMENTO EXPERIMENTAL

1° passo: Faça um furo na tampa do vidro com a mesma espessura do arame. Para isso, esquente o arame e faça o furo com auxilio de um adulto.


Figura 3: Processo realizado para furar a tampa do vidro utilizando o próprio arame.

Dobre-o na forma de um gancho, fixe-o na tampa com adesivo epóxi e espere secar (duas horas para ela secar).


Figura 4: Arame dobrado em forma de um gancho.


Figura 5: Fixação do arame na tampa com o adesivo epóxi.

Corte duas tiras finas de papel alumínio de 3 cm de comprimento e prenda-as com o fio de cobre. Depois que a cola estiver seca, coloque as tiras de papel alumínio no gancho.


Figura 6: Duas tiras de papel alumínio com 3cm de comprimento cada, presas com 1cm de fio de cobre (número 28), colocadas no gancho.

Tampe o vidro. Por último, encape uma bola de isopor com papel alumínio e fixe-o no arame.


Figura 7: Tampando o vidro.



Figura 8: Bola de isopor antes de ser encapada com papel alumínio.


Figura 9: Bola de isopor encapada com papel alumínio.



Figura 10: Fixação da bola de isopor encapada com papel alumínio no arame.

2° passo: Atrite o canudo com um pedaço de papel higiênico (lembrando, que este processo deve ser feito algumas vezes para que o canudo fique bem eletrizado), e aproxime e afaste o canudo da esfera, sem tocá-la. Observe o que acontece com as tiras de alumínio.


Figura 11: Começo do processo de atrito do canudo.



Figura 12: Término do processo de atrito do canudo.


Figura 13: Aproximação do canudo eletrizado da esfera.



Figura 14: Foto retirada na hora da aproximação do canudo eletrizado na esfera.


Figura 15: Foto retirada na hora do afastamento do canudo eletrizado da esfera.

3° passo: Agora encoste o canudo eletrizado na esfera. Observe o que acontece com as tiras de alumínio.


Figura 16: Encostando o canudo eletrizado na esfera.


Figura 17: Foto retirada no momento em que é encostado o canudo eletrizado na esfera.

Após os três passos concluídos, observa-se que ao aproximar ou encostar o canudo eletrizado na esfera encapada com alumínio as tiras de papel alumínio afastam-se umas das outras.

Por quê isto ocorre?

Quando aproximamos o canudo eletrizado negativamente da esfera, as cargas negativas da esfera são repelidas e acumulam-se nas tiras de alumínio. A esfera então apresenta excesso de cargas positivas e as tiras excesso de cargas negativas. Como as duas tiras ficam eletrizadas com cargas iguais, elas se repelem. Ao afastar o canudo eletrizado do eletroscópio, as tiras juntam-se novamente, porque as cargas se redistribuem voltando às posições anteriores à aproximação do canudo.

Já quando encostamos o canudo eletrizado negativamente na esfera, cargas negativas do canudo são transferidas para ela. Com isso, tanto a esfera quanto as tiras ficam com excesso de cargas negativas e, conseqüentemente, as tiras se separam. Observe que afastando o canudo, as tiras continuam separadas porque eletrizamos o eletroscópio por contato, isto é, houve transferência de carga do canudo para a esfera e dela para as tiras de alumínio.


PERGUNTAS E RESPOSTAS:

      1. Depois que o eletroscópio estiver eletrizado, o que fazer para as tiras se juntarem novamente? Basta que você encoste a mão na esfera, pois quando isso é feito, os elétrons em excesso, escoam pelo seu corpo até a Terra, assim a esfera ficará neutra.

      2. Mais aí a Terra ficará eletrizada? Não. Como o planeta Terra possui uma enorme superfície, o efeito das mesmas torna-se imperceptível, pois o excesso de cargas vai se espalhar por toda superfície da Terra.

      3. E se o eletroscópio estivesse eletrizado positivamente, como neutralizá-lo? Da mesma forma, encostando a mão na esfera, porém, neste caso, os elétrons livres da Terra passariam através do seu corpo até a esfera, neutralizando-a.

      4. Com esse eletroscópio podemos determinar o sinal da carga de um objeto eletrizado? Sim. Como exemplo temos a eletrização de um canudo de plástico com papel higiênico, o canudo fica eletrizado negativamente. Por outro lado, se eletrizarmos um bastão de vidro com papel higiênico, ele ficará eletrizado positivamente.



Figura 18: Processo realizado para fazer com que a esfera fique neutra novamente.


OBSERVAÇÕES:

BIBLIOGRAFIA


ALUNOS ONLINE, Seu Portal de Educação. Isolantes e Condutores. Disponível em: <http://www.alunosonline.com.br/fisica/isolantes-e-condutores/>.

Acesso em: 18 de Junho de 2009, às 16:10s.

FEIJO, Luiz Alberto. Experimentos com Alta Tensão: Eletroscópios – Construção de Eletroscópio de Folhas. 08 de Junho de 2007. Disponível em: <http://www.teclas.org/chispas/Eletroscopios>. Acesso em: 09 de Junho de 2009, às 15:36s.

MARTINS, José Eduardo; PINTO, Kelson Rosa; E SILVA, Wander de Moura – Universidade de Brasília – UNB. Eletroscópio de Folhas - Guia de Construção – O que é? Instituto de Física – Licenciatura em Física – Noturno. Materiais Didáticos para o Ensino de Física.

Disponível em: <http://servlab.fis.unb.br/matdid/12000/kelwan/eletro/eletroscopio.html>.

Acesso em: 09 de Junho de 2009, às 16:26s.

NUNES, Luiz Antônio de Oliveira; ARANTES, Alessandra Riposati. Física em casa. São Carlos: USP/Instituto de Física, 2006.

WIKIPÉDIA, A enciclopédia livre.

Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletrosc°/°C3°/°B3pio>.

Acesso em: 09 de Junho de 2009, às 16:00s.

WIKIPÉDIA, A enciclopédia livre. Redirecionado de Francis Hauksbee. Disponível em: <http://translate.google.com.br/translate?hl=pt-BR&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/FrancisHauksbee&ei>.

Acesso em: 10 de Junho de 2009, às 14:59s.