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Máquina Eletrostática de Wimshurst
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
A eletricidade é o resultado da existência de carga elétrica nos átomos que constituem a matéria. Um átomo é composto por prótons (cargas positivas), elétrons (cargas negativas) e nêutrons, (não possuem carga). Os prótons e os nêutrons ficam no interior do núcleo do átomo, os elétrons ficam na eletrosfera ao redor do núcleo. A eletricidade está presente a todo tempo ao nosso redor e até em nós mesmos.
O projeto foi elaborado com o intuito de provar, na pratica, a eletrostática, uma das três partes do estudo da eletricidade, encontrada na física, e demonstrar o comportamento de cargas elétricas em uma meio que se obtém energia, a Máquina de Winshurst.
Visamos construir uma maquina de Wimshurst em um prazo de doze semanas utilizando nossos conhecimentos previamente adquiridos em eletrodinâmica, que serão devidamente combinados com novas informações e técnicas a serem obtidos pelo grupo através de pesquisas e experimentos.
Esta máquina é constituída de dois contra discos rotativos, barras metálicas, duas escovas dianteiras e duas traseiras, cordões que interligam as duas escovas, capacitores, fita adesiva de alumínio, polias, coletores de cargas, suportes isolantes, faiscadores e varas de latão.
Os dois discos rotativos são feitos de Acrílico onde são fixados diversos setores metálicos, que por terem a borda arredondada, diminuem a perda de energia pelo Efeito Corona.
As barras metálicas, também chamadas de barras neutralizadoras, são cruzadas uma em relação à outra em um ângulo de aproximadamente 60º, e possuem em suas extremidades escovas feitas com fios metálicos.
As duas escovas dianteiras e duas traseiras ficam posicionadas na extremidade das barras metálicas, essas escovas tocam os setores da maquina enquanto os discos giram. Quando um setor metálico passa por uma escova ocorre uma influencia pelo disco oposto e por indução eletrostática as cargas elétricas que antes estavam opostas às do disco são atraídas para ele. Essa estrutura gera cargas crescentes nos setores, e as tensões sobem até que ocorra o faiscamento.
Os cordões que interligam as duas escovas são feitos de borracha. Um deles foi montado cruzado com o intuito que os discos girem em sentidos opostos.
Nesse projeto existem duas garrafas de leyden, que são capacitores. Os capacitores possuem a propriedade de armazenar energia potencial elétrica. São sistemas formados por dois condutores (placas) com cargas iguais e opostas. Esses são elementos vitais nos circuitos eletrônicos. Em microeletrônica os capacitores microscópicos formam os bancos de memória dos computadores. Eles apresentam-se em uma grande variedade de tamanhos e formas ( Figura ...); de placas paralelas, cilíndricos e esféricos.
Figura 2. .......................................
Todo capacitor possui uma capacitância (C), que é uma propriedade elétrica dos capacitores, e é uma medida da quantidade de carga que precisa ser acumulada nas placas de um capacitor para produzir uma certa diferença de potencial(ddp) entre elas. Quanto maior a capacitância, maior a carga necessária. É definida como, C = q/V, onde C é a capacitância, q a carga e V a diferença de potencial.
Figura......................
As garrafas de Leyden utilizadas nesse projeto são capacitores cilíndricos.
Figura...................................
A Figura..... mostra um capacitor cilíndrico de comprimento L formado por dois cilindros coaxiais de raios a e b. Supondo que L >> b de modo que os efeitos das bordas sobre o campo elétrico (a “distorção” do vetor E que ocorre nas extremidades dos cilindros) podem ser desprezados.
onde ds = dr. Da relação C = q/V é obtido:
devido às constantes reversões de polaridade a que eram sujeitas e à alta isolação elétrica requerida para operação eficiente. O elegante projeto da máquina de Wimshurst resolve estes dois problemas, por evitar o uso de superfícies indutoras fixas e por apresentar altas tensões apenas nas vizinhanças dos coletores de carga.
A energia elétrica pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho por meio de cargas elétricas. Ela é obtida através de varia formas, sendo conduzidas principalmente por fios, nos casos mais avançados, por meio dos mesmos subterrâneos. Pode ser gerada através de fontes renováveis como a força das águas, dos ventos. A energia elétrica também pode ser transformada por meio de equipamentos. A máquina de wimshurst é um gerador eletrostático, ou seja, é através dela que se faz gerar uma energia livre, sem fios, onde podemos chegar a altas tensões.
Quan�dade Componente Preço 2 Discos de acrílico R$ 80, 2 Placas de metais R$30, 4 Escovas de metal R$30, 2 Cordões de borracha R$15, 2 Capacitores R$30, 1 Rolo de Papel alumínio R$3, 4 Polias R$120, 4 Coletores de carga (peças metálicas) R$15, 2 Suporte isolante (acrílico) R$20, 2 Varas de latão R$11, 4 Bolas de Latão R$14, Total --------------------------- R$368,
Eletrostática é a parte da Física que estuda o comportamento das cargas elétricas em si e os processos pelos quais as mesmas se eletrizam. A eletricidade foi descoberta pelos gregos em aproximadamente 600 a.C, quando estes observaram que uma pedra de âmbar, ao ser atritada com lã, adquiriu a capacidade de atrair para si pequenos objetos. Ao ser atritado com seda, um bastão de vidro adquire essa capacidade graças à passagem das cargas elétricas de um corpo para o outro quando estes se encontram eletrizados. A partir daí foram propostas diversas teorias para justificar tais fenômenos elétricos. Atualmente é concebido que todos os corpos são formados de átomos, os quais são constituídos elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e os nêutrons se encontram localizados na parte central do átomo, denominado núcleo, e ao redor desde, movem-se os elétrons. Quando colocados próximos, um elétron e um próton experimentam entre eles um fenômeno de atração. Porém quando se encontram perto de algum semelhante, eles se repelem. Estes comportamentos são idênticos aos observados entre os bastões de vidro e os panos de lã.
Para explicá-los associa-se aos prótons e aos elétrons uma propriedade física denominada carga elétrica. Os prótons e os elétrons apresentam efeitos elétricos opostos. Por esse motivo, há duas espécies de cargas elétricas: positiva (carga elétrica do próton) e negativa (carga elétrica do elétron) Os nêutrons não tem carga elétrica. Em um átomo, o numero de prótons é igual ao numero de elétrons, e o átomo, como um todo, é eletricamente neutro. Ao atritarmos o bastão de vidro e o pano de lã, ocorreu uma troca de elétrons entre o bastão e o pano de lã, de modo que um ficou com falta de elétrons e o outro com excesso de elétrons. Os corpos que apresentam excesso ou falta de elétrons são chamados de corpos eletrizados.
Denomina-se Maquina Eletrostática qualquer dispositivo capaz de produzir eletricidade estática
Atualmente as máquinas eletrostáticas são pouco conhecidas, com muito de sua história esquecida, apesar de que os conhecimentos adquiridos com seu desenvolvimento permitiram a criação de inúmeras aplicações que conhecemos: impressoras jato de tinta, pára-raios, copiadoras de documentos, filtros para chaminés de fábricas são apenas alguns.
Sabendo que o trabalho leva um tempo relativamente grande para ficar pronto, e, sem desconsiderar possíveis imprevistos, o trabalho foi realizado seguindo o cronograma a seguir:
Semanas Acontecimentos 1ª Formação do grupo e discussão sobre os temas; 2ª Escolha do tema: “Máquina de Wimshurst”; 3ª Pesquisa sobre o assunto; 4ª Pesquisa sobre o assunto; 5ª Pesquisa sobre o assunto; 6ª Pesquisa de preços dos materiais a serem utilizados; 7ª Encomenda de materiais não disponíveis em nossa região; 8ª Compra dos materiais disponíveis em nossa regição; 9ª Construção da maquina de Wimshurst; 10ª Construção da maquina de Wimshurst.
A Máquina de Winshurst, apesar de ter sido inventada há mais de um século atrás, até hoje é importante para um novo aprendizado, onde se obtém na pratica a teoria.
Apesar de não ser muito conhecida, a máquina foi de uma extraordinária importância para a atualidade.
Pesquisas e estudos aprimorados de matérias encontradas na física, já anteriormente citadas, foram essenciais para a montagem do projeto.
http://www.china-capacitores.com/port-capacitores-produtos.html - acessado em 19/06/
http://www.coe.ufrj.br/~acmq/wimport.html - acessado em 21/04/
http://www.teclas.org/chispas/Wimshurst3 - acessado em 10/05/
http://www.faiscas.net/prmaq.html - acessado em 15/05/ 2011
http://www.faiscas.net/segmaq.html - acessado em 15/05/ 2011
http://www.faiscas.net/tercmaq.html - acessado em 17/05/ 2011
http://www.faiscas.net/quarmaq.html - acessado em 24/05/ 2011
GUIMARÃES, L.A, Fonte Boa, M., Eletricidade e Ondas Física para o 2o grau , São Paulo, editora Harbra, 1998
LEI DE DIRETRIZES E BASES 9394/96, Ministério da Educação, disponível em
http://portal.mec.gov.br, 2005
MÁXIMO, A., Alvarenga, B., Física , Volume Único, São Paulo, Editora Scipione, 1997
QUEIROZ, A.C., Máquinas de Influência disponível em: http://www.coe.ufrj.br /~acmq/ wimport.html, em dezembro 2005
HALLIDAY, D., RESNICK, R. e WALKER, J., Fundamentos de Física 3 (Eletromagnetismo), 8ª edição, LTC, Rio de Janeiro, 2009.
SEARS, F., ZEMANSKY, M. W., YOUNG, H. D. e FREEDMAN, R. A., Física III, 12ª Edição, Pearson Education do Brasil, São Paulo, 2008.
