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Chuva elétrica de Kelvin
(Gerador eletrostático de gotas d'água - duas versões)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução
Veja como é possível construir um gerador eletrostático, dispositivo que produz uma tensão elétrica bastante alta, sem partes móveis e acionado pela energia de gotas pingando. Daí a denominação de chuva elétrica - uma brilhante idéia de Lorde Kelvin.
Gotas pingando a partir de um reservatório cheio de água (usamos um lata de óleo vazia, como reservatório) podem produzir milhares de volts. Parece coisa de mágico! A "mágica oculta" está no simples fato de que a água (assim como todos as demais substâncias!) é portadora de vasta quantidade de cargas positivas e negativas, em perfeito equilíbrio (cancelamento algébrico de cargas). Neste dispositivo, a energia potencial gravitacional das gotas de água é utilizada para desequilibrar as cargas elétricas das próprias gotas. Coisa de gênio.

Fundamentos da máquina Kelvin
A idéia básica é a seguinte:

A água está repleta de cargas "móveis", metade delas positiva e metade negativa. Um objeto eletrizado positivamente (veja ilustração), colocado próximo ao gotejador do reservatório, provocará separação das cargas na gota que inicia a queda (indução eletrostática). Cargas negativas ficam "presas", por indução, na extremidade inferior da gota, enquanto cargas positivas são repelidas para sua extremidade superior. Como a extremidade superior da gota não está isolada da terra (há toda a água do reservatório ligando-a ao próprio reservatório e à Terra), cargas negativas provenientes do solo sobem, neutralizando estas cargas positivas separadas por indução. Quando a gota se separa do gotejador, leva consigo carga elétrica negativa (a gota terá mais elétrons do que prótons). A carga positiva do gotejador (pois perdeu elétrons) é imediatamente anulada pela carga dos elétrons provenientes da Terra, via fio terra.

O interessante do ocorrido é que o corpo eletrizado positivamente (o indutor) não tem o seu desequilíbrio de cargas afetado, contudo, as gotas (o induzido) negativas serão criadas continuamente, desde que a água continue escoando. A energia elétrica origina-se do trabalho realizado pela gravidade (peso da gota), puxando a gota negativa para longe do gotejador aterrado e longe do condutor positivo (o indutor).

NOTA: A polaridade da gota pode ser invertida, bastando para tanto que o condutor indutor seja negativo. A descrição será exatamente igual à anterior, porém os sinais das cargas serão invertidos.

Suponha agora que você disponha de dois gotejadores, fixados lado a lado, como se ilustra na figura abaixo. Agora basta coletar as cargas das gotas eletrificadas que caem de um deles para carregar ainda mais o condutor indutor do outro, e vice-versa. Desse modo teremos uma eletrização auto-sustentada, num sistema multiplicador de cargas elétricas: as cargas dos indutores aumentam progressivamente e, com isso, aumentam também as cargas induzidas nas gotas.

Diagrama geral da máquina Kelvin

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As cargas negativas retiradas das gotas que tocam no reservatório inferior da esquerda serão partilhadas pelo indutor superior da direita e as cargas positivas retiradas das gotas que tocam no reservatório inferior da direita serão compartilhadas pelo indutor superior da esquerda. Os gotejadores são eletricamente interligados entre si e com a Terra.

Realmente, tal dispositivo criará uma significativa diferença de potencial, mesmo sem termos de eletrizá-lo previamente - as cargas elétricas provenientes da atmosfera incumbem-se desta eletrização inicial.

Montagem e operação
1) O suporte para todo o conjunto deve ser de material bom isolante. Barras ou tarugos de PVC podem ser utilizados. Suporte de madeira poderá ser utilizado, desde que bem seca ou muito bem envernizada. Os condutores devem ser fixados à estrutura de madeira mediante tarugos de PVC.

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<==== Visão geral da 'chuva elétrica'

Obs.: O isolamento entre os condutores e o suporte da máquina deve ser extremamente eficiente. Lâminas de vidro (de boa espessura) são recomendadas. Tiras de borracha branca (ou de cor clara) podem ser usadas para prender as lâminas de vidro nos suportes e os condutores nas lâminas. Não use borracha preta, ela tem alta concentração de "negro de fumo" que pode, sob altas tensões, torná-la condutora.

2) O reservatório de água do topo da montagem não precisa ser metálico - a própria água incumbe-se do movimento de cargas. Este reservatório pode ser fixado diretamente no suporte do conjunto. Convém aterrar este reservatório, mergulhando uma extremidade de um fio desencapado dentro da água e ligando a outra extremidade numa torneira, janela ou mesa metálica.

Atenção: No geral, essas altas tensões não são prejudiciais ao organismo humano em razão da baixíssima corrente elétrica envolvida no fenômeno (na casa dos microampères). A surpresa causada pela faísca na pele pode desencadear atitudes desastrosas da pessoa que a recebeu, principalmente com relação ao mobiliário e equipamentos nas proximidades.

Como sempre, os portadores de marca-passo devem ser avisados para se afastar de todos os aparelhos geradores de altas tensões.

3) Os bicos gotejadores não necessitam ser metálicos; podem ser usados conta-gotas de vidro ou plástico. Pode-se dispor de uma torneirinha ou um estrangulador para ajustar o gotejamento.

4) O reservatório inferior, que recebe as gotas neutras, também pode ser de plástico. Dispondo de uma bombinha d'água (movida a pilhas), pode-se bombear a água desse reservatório para aquele do topo da montagem. Isso traz comodidade ao funcionamento contínuo do gerador eletrostático de Kelvin (principalmente quando utilizado em exposições).

5) Os condutores indutores, que irão determinar a separação de cargas nas gotas dos bicos dos gotejadores, devem estar suficientemente próximos deles, mas sem tocá-los.

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Os indutores podem ter vários formatos: um anel feito de um grosso fio de cobre ou alumínio, uma caneca de alumínio com o fundo abaulado e com um orifício central (fixada com este orifício para cima), uma lata de refrigerante sem fundo e sem tampa etc.

 

Deve-se sempre evitar bordas afiladas e rebarbas nestes condutores. No caso da caneca com orifício "no fundo", deve-se repuxar as bordas desse furo "para dentro" da caneca.

6) Os condutores inferiores, que irão recolher as cargas elétricas das gotas, devem funcionar como "coletores de Faraday", ou seja, "cargas depositadas no interior de um condutor metálico transferem-se imediatamente para a superfície externa deste". As gotas devem bater no interior desses recipientes, transferindo suas cargas para a superfície exterior e saindo neutras.

Várias técnicas podem ser adotadas para se conseguir esse efeito:

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(a) adaptar um funil metálico dentro do recipiente condutor, tendo o cuidado para deixar o bico do funil ainda no interior do recipiente;

 

(b) (b) colocar uma tela metálica abaulada dentro do recipiente e alguns fios pendurados para orientar a gota (neutra) em sua queda final;

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(c) usar canecas de alumínio (iguais às indutoras), com o fundo abaulado para dentro e orifício central; neste orifício deve-se adaptar um tubo gotejador de material isolante, como se ilustra ao lado.

7) Interligar os condutores, em cruz, com fios de cobre encapados, desencapando-os apenas nos pontos de contato e nas extremidades.

8) Nas extremidades dos fios devem ser ligadas esferas de latão ou alças, que servirão como terminais (bornes) para os experimentos.

Uma vez iniciado o gotejamento, aguarde alguns segundos para que a alta tensão apareça. Para visualizar se o aparelho está se carregando, algumas tirinhas finas de papel (ou mesmo pedaços de linha de costura) podem ser grudadas nas canecas. Se as extremidades livres dessas tiras começarem a se afastar dos condutores, eles estarão se carregando. Tempo úmido, como sempre acontece em Eletrostática, atrapalha o experimento (um secador de cabelos pode ser usado para minimizar a causa).

Toque uma das canecas com suavidade e escute o crepitar de minúsculas faíscas elétricas. Obtenha uma pequena lâmpada néon (lâmpada de "teste" dos eletricistas); segure-a por um de seus terminais e toque uma caneca com o outro terminal, você deverá ver um flash laranja escuro. Toque, com este terminal livre da lâmpada, ora uma ora outra caneca; você deverá perceber as faíscas e lampejos. Não ligue diretamente os dois terminais da lâmpada néon, um em cada condutor da montagem; haveria descargas rápidas demais para serem observadas e logo a carga toda desaparece. Se você colocar um resistor de 500 000 ohms (ou 1/4W, carvão retirado de um velho rádio ou obtido em lojas de componentes eletrônicos) em série com a lâmpada, contudo, poderá observar lampejos intermitentes - você terá montado um circuito de relaxação. Outro modo de visualizar lampejos intermitentes, sem o resistor, é fixar um dos terminais da lâmpada num dos condutores em cruz e posicionar o outro bem próximo ao outro condutor; de tempo em tempo a lâmpada dará um lampejo.

Sugestão
Se nada disso acontecer, os problemas poderão ser:

(a) a umidade atmosférica está alta demais (tente passar o jato do secador de cabelo pela estrutura);

(b) seu dispositivo está tendo dificuldade para "decidir" que condutor será positivo e qual será negativo (a umidade é a principal causa disso). Para sanar este problema, esfregue um pente no cabelo e encoste o pente em uma das canecas (pode-se usar um balão de borracha pré-atritado com uma blusa de lã, um bastão de vidro que tenha sido esfregado com seda etc.). Este procedimento definirá a carga inicial de cada condutor.

Observação
Como já salientamos, a energia eletrostática obtida é proveniente do trabalho da queda das gotas. Conforme a energia elétrica armazenada aumenta, a água tem que realizar cada vez mais trabalho para acrescentar um pouco mais de desequilíbrio de cargas nas canecas. As gotas, cada vez mais eletrizadas, sentem cada vez mais as forças de repulsão das canecas (também cada vez mais carregadas).

Com esse aumento de tensão, as gotas começarão a sair do gotejador cada vez mais lentamente, pois tendo cargas de sinal igual o do indutor próximo, serão repelidas e, em suas quedas, poderão até alterar seus trajetos, pois as forças de repulsão passam a admitir uma componente horizontal devido às imperfeições das bordas e a centralização do gotejamento.

CUIDADO
A água deve sempre gotejar e NUNCA fazer um fio de água. Se a água sair das canecas inferiores fazendo fios, eles servirão para descarregar ambas as canecas, pois funcionarão como autênticos fios terra. Quedas, só em gotas!

DETALHE 
Os sinais (+) e (-), assim como as palavras "negativo" e "positivo" colocadas nas figuras servem apenas de referência. Os sinais das cargas, realmente, irão depender da própria atmosfera ao iniciar o funcionamento (sem estímulo externo ou atritando-se um pente com o cabelo e encostando-o no coletor, por exemplo).

Ao trabalhar com altas tensões tenha toda sua atenção voltada ao trabalho!

Modelo em "linha"
A "chuva elétrica", ou gerador eletrostático de gotas, de Kelvin, pode ter sua montagem 'em linha', como se ilustra.

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Chuva elétrica com montagem "em linha".

1- Gotejador principal: não precisa ser metálico; pode-se ligar uma mangueirinha no reservatório principal de água e, na extremidade desta mangueirinha, adaptar um conta-gotas de plástico ou vidro. Este gotejador pode até mesmo ser um pulverizador, de onde saiam várias gotas por segundo; o importante é sair em gotas (ou gotículas) --- não pode ser um fio de água!

2 - Primeiro Indutor (que aqui batizamos de positivo): pode ser feito em forma de toróide (formato de um biscoito do tipo "rosquinha"), um anel de fio de cobre ou alumínio grosso, uma lata sem fundo e sem tampa ou uma caneca de alumínio com o fundo abaulado (para fora) e com furo central (é importante que as bordas deste furo seja rebaixadas para dentro). Fixar esta caneca (de boca para baixo) com material isolante na armação de apoio.

3 - Gota transportando carga negativa, desde sua saída do bico do gotejador.

4 - Primeiro Coletor (de cargas negativas, em nossa ilustração): pode ser feito de uma lata sem tampa e sem fundo, dotada de uma tela interna e de um funil de plástico abaixo dela. As gotas que saem por este funil já deixaram sua carga elétrica na superfície externa deste coletor.

5 - Funil de eletrização por indução. O que ocorre com a gota, ao sair do bico deste funil, é o mesmo fenômeno que ocorre no bico do gotejador principal. Ele deve ser metálico e aterrado.

6 - Segundo Indutor (de sinal oposto ao do primeiro indutor). Mesmos comentários do primeiro indutor.

7 - Gota transportando carga positiva proveniente do funil de eletrização.

8 - Segundo Coletor de cargas (de sinal oposto ao primeiro coletor): mesmos comentários do primeiro coletor.

9 - Receptor final de gotas neutras: neste receptor pode-se instalar uma pequena bomba d'água (tipo motor usado em limpadores de pára-brisa de automóveis) para retornar a água ao reservatório principal.

10 - Aterramento das partes do conjunto (fio de cobre 16).

11 - Ligação entre primeiro indutor, segundo coletor e terminal para ensaios: use fio de cobre 16 e solde uma esfera de latão como terminal de ensaio.

12 - Ligação entre primeiro coletor, segundo indutor e terminal para ensaios: idem 11.

ISOLAÇÃO
Tome cuidados especiais quanto ao material isolante usado para fixar todas as partes da montagem que devem ficar isoladas. O material não deve absorver umidade. Tarugos de Styrofoam, Masonite, madeira etc., absorvem a umidade do ar e comprometem o desempenho da máquina. Dê preferência ao PVC ou varetas com as quais são confeccionadas os caniços de pesca. A versão "em linha" pode ser adequadamente sustenta por linhas de pesca (excelente isolante elétrico).


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