Gerador Van de Graaff

O Gerador Van de Graaff

Breve História

Robert Jemison Van de Graaff (1901-1967) foi um físico americano e construiu o gerador que leva seu nome. Um fato curioso e que Van de Graaff teve aulas de radiação com Marie Curie na Universidade de Sorbonne, em Paris, no período em que esteve La, entre 1924 e 1925.

Na época, a motivação para construir um gerador de altas voltagens era que físicos experimentais, como Ernest Rutherford, precisava acelerar partículas a energias suficientemente altas para desintegrar o núcleo atômico.

O primeiro gerador, que atingia ate 80.000V, foi feito em 1929 na Universidade de Princeton, onde lecionava. Em 1933, já no Massachusetts Institute of Technology, Van de Graaff construiu um gerador muito maior, que podia chegar ate 7 milhões de volts, como mostrado na Figura abaixo.

 O gerador Van de Graaff é um gerador eletrostático que usa uma correia móvel para acumular altas voltagens em uma esfera oca de metal.

Um gerador desse tipo é um dispositivo projetado para criar eletricidade estática e torná-la disponível para experimentos.

 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.

Um gerador Van de Graaff simples consiste de uma correia feita de borracha ou de outro material dielétrico flexível que se move sobre dois roletes de metal, sendo uma deles cercado por uma esfera oca de metal [A]. Duas escovas de metal [B] e [F] que são posicionadas respectivamente próximos a parte inferior do rolete inferior e dentro da esfera, acima do rolete superior. A escova [B] é conectada à esfera e a escova [F] a terra.

Quando o motor é ligado, o rolete inferior (carregador) começa a girar a correia. Uma vez que a correia é feita de borracha e a parte inferior do rolete é coberta com uma fita de silicone, o rolete inferior começa a acumular uma carga negativa, enquanto que a correia uma carga positiva. Você pode entender porque este desequilíbrio de cargas ocorre consultando a tabela tribo elétrica, ou seja, o silicone é mais negativo do que a borracha, logo o rolete inferior irá capturar elétrons da correia quando ela passar por ele.

É importante saber que a carga no rolete é muito mais concentrada do que a carga na correia que é relativamente grande e está em movimento; e devido a esta concentração de carga o campo elétrico no rolete é muito mais intenso do que o campo elétrico na correia na região aonde se encontram o rolete e a escova inferior. Assim, a intensa carga negativa do rolete começa a fazer duas coisas:

1.    Repelir os elétrons perto das pontas da escova inferior. Metais são bons condutores devido à mobilidade de seus elétrons. A escova agora tem as pontas dos seus fios positivamente carregadas, porque seus elétrons afastaram-se das pontas indo para a conexão com o motor (solo).

2.    As moléculas de ar começam a ser separadas de seus elétrons. Quando uma átomo é separado dos seus elétrons, ele é chamado de plasma, o quarto estado da matéria. Os elétrons do rolete ionizam (retiram elétrons) as moléculas do ar, deixando a região entre o rolete e a escova com elétrons livres e átomos do ar positivamente carregados. Os elétrons do ar são repelidos pela carga negativa do rolete, ao mesmo tempo em que são atraídos pelas cargas positivas nas pontas da escova, enquanto os átomos positivos do ar são atraídos pelo rolete negativamente carregado.

Os átomos positivamente carregados das moléculas de ar tentam mover-se para o rolete negativamente carregado, porém “batem” na correia móvel que está no meio do caminho deles, sendo então levados para cima, afastando-se do rolete, por uma correia “cheia” de cargas positivas. Enquanto existir ar entre o rolete inferior e a escova, o gerador Van der Graaff continuará a carregar a correia, teoricamente, para sempre. Infelizmente a poeira e outras impurezas do meio limitam a eletrização que se desenvolve na esfera.

Voltemos a correia: Conforme foi dito, a correia está positivamente carregada e indo em direção ao rolete superior e escova superior. Se o rolete superior for revestido com uma fita de nylon, ele irá repelir a carga positiva que se encontra na correia. Os elétrons da escova superior movem-se para as pontas de seus fios, pois são atraídos pela correia positivamente carregada. Novamente os átomos do ar são ionizados: os elétrons do ar se movem para a correia, e os átomos positivos das moléculas de ar são atraídos para a escova. Uma vez que a escova superior está conectada a parte interna da esfera, esta irá retirar toda a carga da escova, deixando-a neutra. O excesso de carga retirado irá assim se distribuir uniformemente na superfície da esfera oca, deixando-a positivamente carregada. É através desse efeito que o gerador Van de Graaff é capaz de obter enormes voltagens por causa da correia carregada que continuamente eletriza a esfera oca.

Geralmente, material neutro é utilizado no rolete superior, a fim de que a correia fique neutra após a esfera retirar o excesso de carga. O nylon usado no rolete superior (positivo na série tribo elétrica) faz com que a correia forneça mais carga positiva e depois fique com carga negativa. Esta é uma técnica usada para dobrar a sua corrente. A correia é positiva de um lado  quando se aproxima do rolete superior e negativa do outro lado, quando se aproxima do rolete inferior.

O ciclo se repete, porque a correia desce negativamente carregada, fazendo com que a esfera fique cada vez com mais carga, porém como ocorrem perdas, existe um limite para o carregamento da esfera.

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Abaixo um vídeo mostrando o funcionamento do gerador de Van de Graaff

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Nesse vídeo, podemos observar as partes do gerador