Apresentação
O gerador eletrostático de Van de Graaff não sofreu alterações radicais desde que foi construído e apresentado por Robert Jamison Van de Graaff, no início de 1931.
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Seu layout básico consiste em:
1. um domo ou cúpula de descarga; 2. uma coluna de apoio; 3. dois roletes (superior e inferior); 4. dois pentes metálicos (superior e inferior); 5. uma correia transportadora; e 6. uma base para alojar o motor elétrico, fixar a coluna e o pente inferior.
A descrição que damos a seguir prende-se ao fato de que mesmo um pequeno gerador (construído com razoáveis cuidados) deverá prover, numa Feira de Ciências ou em salas de aula, horas de entretenimento e proveitosas experiências complementares.
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Faças e Não-Faças!
Antes de entrarmos nos detalhes e nas descrições, apresentaremos alguns faças e não-faças que foram dores de cabeça durante as construções de vários geradores de Van de Graaff.
Alguns poderão parecer óbvios, outros não. Em todo caso, vale a pena citá-los.
1. Quando trabalhamos com eletricidade estática, devemos ter sempre em mente que as pontas e os cantos afiados, devido ao poder das pontas (clique no texto em destaque para saber mais sobre isso), agirão como pontos de descarga e sangrarão a carga elétrica do domo de descarga, dando assim a impressão de que o GVDG não está funcionando.
Uma vez que um GVDG trabalha no princípio de tensões muito altas e correntes muito baixas, pode ser comparado a um revólver de esguichar água. Um esguicho de seringa fornece uma quantia muito pequena de água, porém, sob alta pressão, suficiente para fazer a água percorrer uma grande distância. Se um vazamento pequeno (um furinho) ocorrer na seringa que esguicha (equivalente a um canto vivo, afiado, em um GVDG), a água não irá mais tão longe. Assim, sempre que possível, todas as extremidades afiadas devem ser arredondadas, curvadas para dentro ou cobertas. É devido a esse poder das pontas que daremos preferência às cúpulas arredondadas e com a gola (contorno do furo feito na cúpula) voltada para dentro. Voltaremos a falar dessa gola.
Essas são as causas observadas em geradores cujas faíscas vão até a base --- há cabeças de parafusos expostas.
Essas são as causas observadas em geradores cujas faíscas vão até a base --- há cabeças de parafusos expostas.
2. Todos os tipos de substâncias estranhas podem causar contaminações (sujeira, graxa, sabões, limpadores, poeira etc.) e são causas suficientes para que um gerador possa deixar de funcionar. Certa vez, presenciamos a coluna de apoio de um gerador (supostamente limpa) brilhar como fogo vivo de eletricidade estática, enquanto o domo de descarga permanecia inativo. Se algumas partes precisam de limpeza, use componentes que realmente retirem toda a sujeira. A solução de amônia e água constitui um bom produto para limpeza (e sai barato também...).
3. Se seu GVDG não está funcionando a contento, a causa pode ser a seguinte: certos materiais que parecem ser bons isolantes elétricos, freqüentemente não o são. Com os níveis de tensões produzidas, até mesmo em pequenos geradores, muitos desses materiais (habitualmente tratados como isolantes) conduzirão eletricidade. Um isolante para os corriqueiros 110 V torna-se um condutor sob tensão de 20000 V ou mais!
4. Finalizamos esse faça e não-faça alertando-o sobre o carbono (grafite, carvão). O carvão das escovas, muito utilizado em pequenos motores elétricos, pode servir como meio para transferir eletricidade estática do domo para a base do aparelho.
Enquanto o motor funciona, a escova se desgasta e seu pó é lançado para fora através das aberturas do motor, empurrado pela ventoinha de refrigeração. Pó de carbono é quase invisível e, quando depositado sobre superfícies, até mesmo em pequenas quantias, pode criar um filme bom condutor de eletricidade.
Esse filme pode fazer um GVDG parar de funcionar. Carbono também é usado em plásticos e borrachas. Negro de fumo é freqüentemente acrescentado para tornar a borracha mais resistente ao ozônio e à deterioração ¾ ele confere à borracha sua cor preta ¾ e impede seu GVDG de funcionar. Carbono também é usado em muitos plásticos, pelas mesmas razões.
Quando alguém menciona um Van de Graaff, a primeira coisa em que as pessoas pensam, freqüentemente, é o efeito de eriçar os cabelos. Embora isso não deixe de ser um experimento notável e atrativo, há outros experimentos diferentes, muitos deles até mais atrativos e esclarecedores, que podem ser feitos com a eletricidade estática.
Antes dessa fase de experimentos, apresentaremos, neste artigo, as estruturas dos dois modelos básicos dos geradores de Van de Graaff (GVDG).
Daremos maior ênfase ao primeiro, que é o tipo auto-excitado, por ser ele o mais comum e, com certeza, aquele em que as pessoas pensam quando um GVDG é mencionado.
Antes dessa fase de experimentos, apresentaremos, neste artigo, as estruturas dos dois modelos básicos dos geradores de Van de Graaff (GVDG).
Daremos maior ênfase ao primeiro, que é o tipo auto-excitado, por ser ele o mais comum e, com certeza, aquele em que as pessoas pensam quando um GVDG é mencionado.
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 que se separem.
Todos nós já experimentamos esse efeito alguma vez. O melhor exemplo, um pelo qual a maioria certamente já passou (especialmente em um dia seco e quente), é o que ocorre quando estamos caminhando sobre um piso atapetado e a seguir tocamos na maçaneta da porta ou em outro objeto metálico; ouvimos e sentimos uma pequena faísca saltar de nossos dedos. É comum ouvirmos essas crepitações ao tirarmos um vestuário de lã. Assim como os sapatos são afastados do piso atapetado, as roupas puxadas para longe de outras roupas, todos os demais materiais diferentes, quando separados, experimentam uma migração de elétrons de um para outro, tornando-se ambos eletrizados. Esse é o resultado do efeito triboelétrico --- a eletrização que ocorre ao separarmos materiais diferentes que estão bem juntos.
O segundo tipo de gerador é o sistema bombeado, borrifado ou ainda externamente excitado. Uma fonte de alimentação de alta tensão deposita elétrons na correia móvel. Esses elétrons são transportados até o domo de descarga. A forma física básica desses dois tipos são quase idênticas. Porém, não incluiremos muitas explicações ou desenhos para se construir esse tipo, porque a fonte de tensão requerida é cara ou de difícil montagem para os alunos. Além disso, são fontes perigosas para um manuseio por pessoas inexperientes. No entanto, para quem "mexe" com eletrônica, como o amigo Newton C. Braga, por exemplo, diretor técnico da revista Saber Eletrônica, essas fontes são brinquedinhos de expelir elétrons!
Projeto BásicoÉ possível construir um pequeno gerador com mínimas despesas, 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. O modelo baseia-se em GVDGs já construídos pelo autor, os quais funcionam em seus rendimentos máximos.
Na descrição desse projeto não incluímos detalhes profundos sobre certas partes. Por exemplo, não citaremos "use um motor da marca tal, modelo tal, número de série tal". Do mesmo modo, certas partes precisam ser fabricadas. Assim, optamos por expor as exigências gerais e dar ao construtor liberdade para obter, achar, mandar fazer, comprar, trocar etc. ou ele próprio fazer essas partes.
MotorPraticamente 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 etc. Como citamos anteriormente, aos poucos, fomos eliminando aqueles que utilizam escovas de carvão. Os motores de indução são os eleitos, mas, talvez, seja difícil achar um com as especificações certas.
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.
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.
(Se um motor com escovas de carvão for utilizado, o construtor deverá ter em mente que tal GVDG requererá limpezas mais freqüentes. Um pequeno ventilador de exaustão pode ser estrategicamente montado para remover e afastar o pó de carvão da correia e do tubo suporte.)
O autor já utilizou, com excelentes resultados, um motor de máquina de costura, que é praticamente todo blindado. Além disso, é dotado de um reostato (com discos de carvão), o qual permite controlar a velocidade de trabalho do motor. Esse tipo de reostato para controlar a velocidade do motor é um tanto "primitivo" (se bem que perfeitamente adaptado ao fim a que se destina --- máquina de costura). Ele foi substituído, mais tarde, por um dimmer com TRIAC (clique no texto em destaque para saber como montá-lo).
Os cilindros, junto com a correia, constituem o coração de um GVDG auto-excitado. 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.
mais positivo
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ar
vidro fibra sintética lã chumbo alumínio papel |
Materiais que estão mais próximos do extremo mais negativo, têm uma disposição por assumir uma carga elétrica negativa. Os materiais mais próximos ao extremo mais positivo tendem a assumir carga elétrica positiva. Idealmente, os materiais da correia e do cilindro inferior devem estar entre o mais afastados possível dessa lista, enquanto o material do cilindro superior deve estar na região dos neutros.
Uma Nota em Relação à Polaridade de um Van de Graaff
Para uma dada combinação rolete inferior-correia-rolete superior, a polaridade do domo do GVDG fica determinada. Por exemplo, se a correia é de borracha, o rolete inferior é de plástico e o rolete superior é de alumínio, o domo ficará negativo. Usando o mesmo desenho, porém colocando-se o rolete de plástico como superior e o de alumínio como inferior, o domo ficará positivo.
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neutro
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algodão
aço madeira borracha cobre acetato poliéster poliuretano polipropileno vinil (PVC) silicone | |
mais negativo
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teflon
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Para ver detalhes teóricos do conjunto roletes-correia, vento elétrico, fogo de Sant'Elmo, plasma etc., basta clicar no texto em destaque: Roletes e Correia.
Para um modelo didático, pequeno, os roletes podem ser cilíndricos, com diâmetro ao redor dos 2,5 cm e algo como 3 cm a 4 cm de comprimento. Uma vez aberto o furo central nesses cilindros (no diâmetro correto para passar os eixos), eles devem ser "coroados". Coroar um cilindro é fazer rebaixos nos extremos de maneira que a região central fique ligeiramente mais alta que as extremidades. Esse procedimento manterá a correia centrada sobre o rolete enquanto ele funciona (a correia tende para a parte mais elevada). Ilustremos isso:
Um rebaixo de cerca de 4 graus em cada extremo (1/3) do cilindro é o bastante. Para esse serviço é recomendado o uso de um torno. O cilindro preso por um longo parafuso a uma furadeira de bancada e um esmerado trabalho de lixa podem produzir excelentes "barriletes".
Há outros recursos para fazer cilindros simples. Um deles é utilizar pedaços de canos plásticos usados nas redes domésticas de distribuição de água e colar discos em suas extremidades.
Nessa ilustração, o rolete inferior foi recoberto com uma tira de pano verde para mesas de snooker (feltro) e fixado com cola tipo Super Bonder. O rolete superior foi recoberto com uma tira de alumínio autocolante (tipo Contact).
Repare que os discos laterais têm diâmetro pouco superior ao dos canos, de modo a não permitir o escape da correia. Entretanto, os roletes tipo "barriletes" são os mais recomendados.
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O rolete inferior girará solidário ao seu eixo (o eixo é colocado sob pressão), que é comandado pelo motor. O rolete superior pode girar livremente sobre o seu eixo (rolete louco) ou, se o eixo for solidário ao rolete, é o eixo que girará livremente em seus mancais.
A maioria dos modelos escolares de GVDG (fornecidos em forma de kits) tem os dois roletes feitos de PVC (maciços, em forma de tarugos), sendo o inferior recoberto com feltro e o superior recoberto com folha de alumínio autocolante; a correia é de borracha de cor laranja.
Ao selecionar o material para a coluna de apoio, recomendamos o uso de 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).
Para esse cilindro é melhor usar uma correia de 4 cm de largura. 0,5 cm é uma boa espessura para a parede do tubo. Não esqueça que o eixo do cilindro superior deve repousar em um entalhe na boca desse tubo ou passar por orifícios praticados nele. Para sustentar esses cilindros, a força exercida pela borracha esticada, o peso do domo e a espessura da parede do tubo são fatores importantes. A fixação do domo nessa coluna é um assunto delicado, como veremos mais adiante.
Para esse cilindro é melhor usar uma correia de 4 cm de largura. 0,5 cm é uma boa espessura para a parede do tubo. Não esqueça que o eixo do cilindro superior deve repousar em um entalhe na boca desse tubo ou passar por orifícios praticados nele. Para sustentar esses cilindros, a força exercida pela borracha esticada, o peso do domo e a espessura da parede do tubo são fatores importantes. A fixação do domo nessa coluna é um assunto delicado, como veremos mais adiante.
Escolha da CorreiaComo mencionamos anteriormente, no item Faças e Não-Faças (Segurança no uso do gerador), evite, para a correia, as borrachas de cor preta. As borrachas de cor preta têm maior possibilidade de conter "negro de fumo" – carvão, carbono.
Quando selecionar um material, procure um que tenha uma boa resistência ao ozônio. Durante a operação de um Van de Graaff, ambas as descargas elétricas, as provenientes do globo e as das escovas, produzirão ozônio. Ozônio (O3) é muito corrosivo, mesmo em pequenas quantidades; pode causar ferrugem, e borrachas e plásticos podem ser oxidados ou sofrerem apodrecimento. Neoprene é muito bom para resistir ao ozônio e pode ser comprado da maioria dos fornecedores de borracha. Além disso, pode ser achado na cor branca ou laranja claro, indicação de ausência de "negro de fumo".
Espessura da CorreiaQue espessura uma correia deve ter? Uma boa regra é: quanto mais fina, melhor. A própria correia não precisa ser espessa; de fato, quanto mais espessa for a correia, mais ela tenderá a sair dos cilindros. Conforme a velocidade do gerador aumenta, maior é a força centrípeta sobre a região da correia que passa acima do rolete superior e abaixo do rolete inferior. Essa força tende a afastar a correia do rolete, e a correia ficará instável em altas velocidades. Vamos entender assim: quanto menor a massa da correia, menor será sua tendência de se afastar dos roletes. Para ver esse efeito com mais clareza, proceda assim: amarre uma arruela a um fio de linha e gire-a em círculos. O puxão que você sente no fio, sua tração, tem praticamente a mesma intensidade que a força centrípeta desenvolvida na arruela pela sua rotação; quanto mais rápido girar, maior será a força que tende a arrancar o fio de sua mão.
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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. Se houver ressonância entre a freqüência fundamental (ou de algum harmônico) da correia e a rotação dos cilindros, a amplitude da onda estacionária que se estabelece pode ser tal que a correia começará a bater na parede interna da coluna de apoio. Se isso acontecer, as providências possíveis são: alterar a velocidade do motor, alterar a tração na correia ou trocar a correia por outra de massa diferente.
Como Montar a Correia
Fazer uma correia não é realmente tão difícil como se poderia pensar. Com um pouco de paciência, algumas lâminas de aparelho para barbear --- tradicionalmente chamadas de giletes (há um termo em português para isso) --- ou facas com lâminas descartáveis e uma régua de aço podem ser feitas correias muito boas.
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A primeira coisa para lembrar é que a tira de borracha deve ser retangular (lados perfeitamente paralelos). Uma vez cortada a tira retangular, resta saber que comprimento precisa ter.
Obtido o comprimento final da correia, seus extremos devem ser colados. Não há uma fórmula exata para determinar o máximo comprimento que a correia deverá ter. A elasticidade da borracha, o comprimento global da montagem roletes-coluna, de modo geral, é que determinará o comprimento da correia acabada.
Uma regra básica é: a correia acabada (extremos já colados) deve ter um comprimento entre 2/3 e 3/4 da distância entre os centros dos roletes postos em seus devidos lugares.
Por exemplo: se a distância de centro a centro dos roletes é de 60 cm, então 3/4 desse comprimento equivalem a 45 cm (60 x 0,75 = 45). Se o material da correia é muito fácil de esticar (pequena constante de elasticidade), então 2/3 serão o recomendável (60 x 0,66 = 40). Apesar dessas referências, ainda resta a experimentação. Depois da correia acabada, instalada nos roletes, motor funcionando, se a correia tende a flutuar nos cilindros, então ela precisa ser encurtada. De experiência própria, é mais fácil encurtar uma correia do que perder material para fazer outra ¾ assim, é melhor manter o erro para o excesso a tentar prever o tamanho final.
A segunda coisa é que, quando os extremos da correia são cortados, eles devem resultar perpendiculares aos bordos. Há um método simples para cortar e colar uma correia: antes de decidir pelo comprimento final, é melhor praticar com restos de borracha (mesmo que sejam emendados com Super Bonder).
Pratique, também, o uso da cola de secagem rápida (Super Bonder ou equivalente) para unir os extremos da fita. Vejamos a técnica de colagem.
Primeiro coloque a tira de borracha (cortada com régua de aço e faca de lâmina descartável ou gilete), com comprimento em excesso, sobre uma superfície plana (fig.1). A seguir dobre um extremo da correia para sua região central e então dobre o outro extremo para o mesmo lugar (fig.2). Isso lhe dará duas camadas de correia com os extremos que se encontram no meio. Superponha os dois extremos (cerca de 2 cm) de forma a ter três camadas de borracha superpostas na região central (fig.3). Deslize um pedaço de material resistente debaixo dos dois extremos superpostos; assim, quando os extremos forem cortados, a lâmina não atingirá a terceira camada de borracha (fig.4). Usando a lâmina nova e a régua de aço posta perpendicularmente aos bordos, efetue o corte. As extremidades resultarão em perfeita coincidência, prontas para a colagem final (fig.5).
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Retire o pedaço de material resistente e coloque em seu lugar um pedaço de fita adesiva dupla face. Uma face gruda na borracha debaixo e na superfície plana (e serve de apoio) e a outra face receberá os extremos a serem colados. Deixe apenas uma das extremidades presa na fita adesiva, passe uma fina camada de cola de cianoacrilato (Super Bonder, marca registrada da Loctite Corp.) na extremidade livre e a ajuste com todo capricho junto à outra extremidade presa à fita adesiva. Agora a fita adesiva manterá tudo no lugar até a secagem final da cola.
Após tudo isso teremos uma fita contínua, de espessura uniforme, em forma de loop.
Teste: enfie um lápis dentro do loop para manter a fita na vertical. Verifique se não ocorrem dobras e se há paralelismo entre as duas partes.
Nota: a superposição das extremidades "retas" da correia, na colagem, produzirá o inevitável "ploc-ploc-ploc", cada vez que a emenda descontínua passar pelos cilindros. Se a superposição for inevitável (quando a cola não está segurando devidamente), o recomendado é cortar as extremidades da correia em ângulo de 45o ou 60o. Isso permitirá uma passagem mais suave pelos roletes. Nessas situações, a cola recomendada é a utilizada nos consertos de câmaras de pneus de bicicleta.
EscovasO gerador de Van de Graaff tem duas escovas virtuais para transferência de cargas. A palavra "escovas" seria melhor substituída por "pontas", uma vez que, quando se fala em escova, há exata idéia de algo que entra em contato com outro corpo. As escovas dos motores universais são realmente escovas, pois estão em permanente contato com o anel de terminais do rotor. Manteremos a palavra "escovas" por comodidade de expressão --- e viva a língua portuguesa!
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A primeira fica localizada na base, sob o rolete inferior e próxima à face externa da correia. A segunda escova fica localizada sobre o cilindro superior e próxima à face externa da correia.
O melhor material para fazer as escovas é a tela de metal, aquela usada em telas de janelas.
Basicamente, as escovas têm 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). Se usar um cordão de força de três fios para o motor (plugue de 3 pinos – um dos pinos é o terra da residência), essa escova deve ser ligada ao fio-terra do cordão.
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A escova superior deve ser ligada, elétrica e internamente, ao domo de descarga. O espaçamento das escovas deve ser ajustado com o motor girando --- deverá existir um espaço de ar entre as pontas das escovas e a superfície externa da correia.
Cúpula de DescargaO "segredo" do porquê um GVDG consegue acumular boa quantidade de cargas elétricas e atingir altíssimos potenciais está no modo como a carga é colocada na cúpula. Se você quer saber como isso é feito, basta clicar sobre o texto em destaque: Teoria sobre a esfera do GVDG.
Na parte construtiva, a cúpula ou domo de descarga ideal para o GVDG requer trabalho de torno e repuxo. É serviço de profissional.
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; trabalho muito parecido com os repuxos para fazer cúpulas de lustres, de lâmpadas de quintal etc.
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.
Eis a ilustração da cúpula ideal.
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Se uma cúpula de descarga especificamente projetada não está disponível, então outras cúpulas alternativas (clique no texto em destaque para ver nossas sugestões) poderão ser construídas. O recurso usado pelo autor em uma de suas montagens é o apresentado a seguir.
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Consiga duas taças esportivas com diâmetro superior a 20 cm. Elas são, em geral, confeccionadas em latão, anodizadas ou niqueladas. Retire-as do suporte. Você terá duas calotas esféricas, cada uma com um orifício de cerca de 4 mm no vértice. Feche um desses orifícios com um arrebite de cabeça larga, limando e lixando cuidadosamente (para não riscar a calota), de modo a deixá-lo quase como parte integrante da calota. Essa será a calota superior.
Na outra calota, que será a inferior, deve ser praticado um grande orifício (com ferramenta adequada), por onde passará justo o tubo de suporte do GVDG. Procure não deixar qualquer rebarba de material nesse corte. Arredonde as bordas com lixa. Use cantoneiras em L para fixar o tubo suporte nessa calota inferior. Os arrebites tipo pop são os indicados.
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Para minimizar o poder das pontas nas bordas desse orifício, o autor adaptou uma argola de alumínio maciço (não recordamos se foi proveniente de uma pulseira ou de um puxador de cortinas) de diâmetro interno igual ao diâmetro externo do tubo.
De início, nas primeiras experimentações, a calota superior foi simplesmente apoiada na inferior e fixada com fita isolante. Mais tarde, com o auxílio de um amigo torneiro, foi feito um perfeito trabalho de encaixe nos dois hemisférios. Ele retirou o material em excesso nas duas bordas (havia uma espécie de bainha saliente), rebaixou ligeiramente uma das bordas e repuxou a outra. Ficou excelente.
Montagem do GVDGAgora que todos os componentes foram descritos, é hora de reuni-los.
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Comecemos pelo motor e rolete inferior. O rolete pode ser fixado diretamente, sob pressão, ao eixo do motor (se ele for suficientemente comprido) ou ter um eixo próprio, sendo então adaptado ao eixo do motor por meio de um pequeno pedaço de tubo plástico flexível, conforme ilustramos.
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Dependendo do motor (rotação, por exemplo), alguns montadores preferem adaptar polias aos dois eixos e acoplá-las com correia de máquinas de costura. O tubo de sustentação deve ter próximo à sua base um furo que permita a introdução desse rolete. Essa montagem admite alterações. O importante é que fique tudo muito bem alinhado e isento de vibrações durante o funcionamento.
O conjunto rolete + eixo + tubo plástico deve ser removido por permitir a colocação da correia. Dentre os materiais da série triboelétrica, optamos pelo PVC para a confecção dos dois roletes e recobrimos o inferior com uma tira de feltro, sem superposição, fixada com Super Bonder.
O material mais simples para a base e demais apoios (motor, escova e controle de velocidade), onde tudo foi fixado, é a madeira envernizada. Os critérios para eles são: (a) onde a coluna de sustentação será fixada; (b) onde o suporte da escova será montado; (c) onde ficará o motor e seu controle de velocidade. Tudo deve ser pensado visando a um modo fácil de substituir componentes avariados e à limpeza de tubo e correia de tempo em tempo.
O desenho geral do GVDG é que ditará quão robusto o tubo e a base devem ser. A coluna de sustentação para um pequeno gerador pode ser fixada na base com chapinhas metálicas em ângulo reto ou braçadeiras convenientes, mas um maior precisará de um layout mais elaborado. Uma vez fixada a coluna, verifique se o rolete ficou bem posicionado no centro do tubo.
O próximo passo é a colocação da correia. Passe-a por baixo do rolete inferior, segurando a montagem toda; estique-a para cima (pode-se usar uma alça de barbante para isso); deslize o rolete superior para o seu devido lugar e deixe assentar. Confira bem esse assentamento e o alinhamento da correia. Gire a correia com a mão e observe se trabalha corretamente. Se, até aqui, tudo estiver em ordem, pode-se ligar o motor em baixa rotação.
Repare em tudo. Já deve ser percebida a presença de um campo eletrostático ao redor da coluna de sustentação (notadamente pelos pelinhos do braço que ficam eriçados). Se a correia não traciona corretamente, ajuste os apoios do rolete superior até que tudo fique em ordem.
Se a correia se comporta bem da velocidade mínima até a máxima (pois está em perfeito alinhamento), é hora de colocar a escova superior (lembre-se de que ela deve estar eletricamente ligada à cúpula) e fechar o globo. Para impedir a queda da metade superior do domo, no caso de simples ajuste de um sobre o outro, passe uma fita isolante para fixá-lo. O GVDG está pronto para ser testado.
Uma vez que o gerador já está montado e com o motor ligado, o construtor poderá verificar imediatamente se a unidade está funcionando ou não. Ele poderá ouvir, ver (pelo faiscamento) e sentir as cargas elétricas estáticas que vêm da cúpula de descarga.Se o gerador parece não estar trabalhando, pode haver várias razões do porquê ele não funciona. De início, apague todas as luzes e observe a região acima das pontas da escova inferior --- um brilho azulado deve ser visto. Se há brilho na escova inferior, ótimo; cargas estão sendo transferidas para a correia. Agora observe, ainda no escuro, todas as superfícies externas do gerador; os fluxos azulados que podem aparecer denunciam as fontes de sangria da carga elétrica. Até mesmo partículas de sujeira podem aparecer como pontos de descarga indesejáveis. Limpe tudo e reinicie os testes. Um simples fio de linha, preso com durex no globo, permitirá visualizar a carga acumulada no domo.
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Há uma técnica muito boa para você conversar com seu GVDG e perguntar a ele qual a melhor solução para o melhor desempenho; para tanto, basta clicar no texto em destaque: Converse com seu GVDG.
Outra razão do baixo desempenho do aparelho é a umidade. Umidade alta atrapalha substancialmente seu correto funcionamento. Os dias frios são mais recomendados para realizar esses experimentos. Um secador de cabelos, usado com cautela para não danificar seus componentes, poderá ser utilizado para eliminar as gotículas de água que aderiram na correia, tubo e domo.
Detalhes, recursos e teorias
Poder das pontas
Vejamos, de início, alguns parâmetros relacionados a uma esfera metálica isolada e ligada a um gerador eletrostático de Van de Graaff.
Vejamos, de início, alguns parâmetros relacionados a uma esfera metálica isolada e ligada a um gerador eletrostático de Van de Graaff.
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O potencial elétrico da fonte é V, mantido constante. Ao interligarmos o GVDG com a esfera 1, ocorre transferência de cargas elétricas até que a esfera adquira o mesmo potencial elétrico V. A quantidade de carga extra (Q1) que essa esfera recebe depende exclusivamente da capacitância da esfera (C1) naquele meio envolvente (supostamente, o ar), uma vez que o potencial está definido (V). Essas grandezas se relacionam assim:
Q1 = C1 . V
A densidade elétrica superficial de carga (D1) nos indicará quanto de carga estará distribuída, por unidade de área. Seu cálculo se faz por meio da expressão:
D1 = Q1 / A1
onde A1 é a área da superfície esférica dada por:
A1 = 4.¶.R12.
Assim,
A capacitância da esfera isolada (C1), é função exclusiva do raio da esfera (R1) e do meio envolvente (de constante eletrostática K), assim relacionados:
C1 = R1 / K
Levando-se para a expressão de D1, obtemos:
onde agrupamos em <alfa> todas as constantes em questão
O que observamos é que a densidade elétrica de cargas é inversamente proporcional ao raio da esfera. Em outras palavras, quanto menor o raio, maior será a concentração de cargas por unidade de área (mantidas constantes as demais grandezas envolvidas).
Essa densidade de cargas é um excelente indicador da intensidade de campo elétrico em cada região do corpo eletrizado. No caso de uma esfera isolada, com distribuição uniforme de cargas, o campo elétrico também terá uma distribuição regular ao redor da esfera, o que teria, em uma representação por linhas de campo, o seguinte aspecto:
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