Motor eletrostático de garrafas

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

- Apresentação - Material necessário - Fontes de energia - Montagem do rotor - Montagem dos estatores - Montagem das pontas - Fazendo funcionar - O mistério do experimento - Variações do experimento - Não funcionou?

Material necessário

. Base de material isolante (plástico, vidro ou madeira seca bem envernizada).
. Três garrafas de refrigerante de 2 litros, pelo menos uma delas com tampa.
. Folha de alumínio (papel-alumínio simples ou com face gomada).
. Agulha de tricô rígida (cobertura plástica, com alma de aço), nº 3 ou nº 3,5.
. Ilhós (macho; tipo um arrebite oco).
. Dois pedaços de fio de cobre rígido (fio 1,5 mm², desencapado) de 20 cm de comprimento cada um.
. Supercola.

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Fontes de Energia Eletrostática
Para um funcionamento perfeito, esse motor requer tensão mínima de 5.000 volts DC (do inglês Direct Current, ou CC - Corrente Contínua). Essa tensão pode ser obtida de diferentes fontes de energia eletrostática (consulte o seu professor sobre qual dessas fontes poderá ser disponibilizada para esse experimento): gerador eletrostático de Van der Graaff ou VDG (de melhor rendimento), máquina eletrostática de Wimshurst, gerador de íons negativos, antena sustentada por balão (balão de hidrogênio suportando fio com agulhas no topo), eletróforo grande (requer umidade zero), máquina eletrostática de Kelvin (máquina de gotas de água; que faz o motor girar em baixa velocidade), técnica do liga-desliga a tevê (fonte eletrônica de alta-tensão DC)  e até mesmo com um balão de borracha atritado contra um tecido de flanela. Para Feiras de Ciências em escolas, é recomendável o gerador eletrostático de Van der Graaff, seja tocado à manivela ou motorizado. Várias dessas fontes são apresentadas em nossa Sala 11. Aos mais 'chegados' em eletrônica, apresentamos na Sala 15, diversos geradores elétricos de alta tensão (usando flyback ou bobina automotiva de indução).

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Montagem do rotor

1. Ache o centro exato do fundo da garrafa de refrigerante que irá funcionar como rotor. Faça nesse ponto um furo de diâmetro ligeiramente maior que a espessura da agulha de tricô. Recomenda-se que esse furo seja feito com furadeira elétrica e broca na medida correta. Tire todas as rebarbas.

2. Ache o centro exato da tampinha da garrafa e faça nesse ponto um furo de diâmetro igual ao do ilhós macho. Este ilhós (talvez não seja esta a denominação correta) é simplesmente um apoio metálico para a ponta da agulha de tricô; é um mancal no qual a agulha se apoia.

3. Introduza, de dentro para fora, o ilhós no furo da tampinha, observando se ficou bem apertado nesse orifício. Se necessário, fixe o ilhós na tampinha com supercola (à base de cianoacrilato, como Superbonder, ou à base de epóxi, como Araldite) ou massa epóxi (como Durepóxi de secagem rápida). Atenção: Não deixe entrar cola dentro do ilhós!

4. Rosqueie a tampinha na garrafa com firmeza. Introduza, em seguida, a agulha de tricô pelo orifício no fundo da garrafa e leve a ponta até tocar o fundo do ilhós. Recomenda-se que o plástico da ponta da agulha seja retirado, deixando para fora apenas 1,5 cm da alma de aço dessa agulha. A extremidade livre dessa ponta de aço deve ser desbastada com lima fina para tomar uma forma arredondada.
Faça, então, o primeiro teste de rotação da garrafa ao redor da agulha apoiada no ilhós. Segure firme a parte da agulha que restou fora da garrafa e faça a garrafa girar. A garrafa deve girar livremente, com atrito quase zero. 
Atenção: Essa etapa deve ser muito bem trabalhada, pois desse ajuste vai depender quase todo o funcionamento do motor.
Nota: O ideal seria se esse mancal (ilhós) fosse de vidro, tal qual o 'gargalo' de uma ampola de injeção, facilmente obtida na sucata de farmácias (veja Atenção 2, abaixo).

5. Você deverá, agora, fixar a agulha no centro da base isolante. Primeiramente corte a saliência no pé da agulha (deixe a garrafa de lado para essas operações). Faça, no centro da base, um orifício com um diâmetro ligeiramente menor que o diâmetro da agulha. Fixe o pé da agulha nesse orifício com muita firmeza (use alicate), formando um eixo vertical. Coloque a garrafa-rotor nesse eixo e teste novamente com que facilidade se dá a rotação. Uma gotinha de lubrificante colocada no ilhós pode ajudar.

6. Para preparar as tiras de papel-alumínio que devem ser coladas no rotor, proceda como explicamos a seguir. Corte uma tira de papel-alumínio de 28,5 cm de comprimento por 18 cm de largura. Divida essa tira, ao longo de seu comprimento, em três novas tiras iguais - teremos três tiras de 9,5 cm por 18 cm. Coloque as três tiras uma sobre a outra e, com uma tesoura, arredonde os cantos. Com cola para borracha fixe as três tiras ao redor da garrafa-rotor, deixando um espaçamento uniforme entre elas (cerca de 1,25 cm).

Dicas
a) Com uma lâmina, cortar o rótulo plástico da garrafa e dividi-lo em três partes, dando o devido espaçamento entre uma e outra - esses pedaços de rótulo serão um bom guia para se cortarem as tiras de alumínio;
b) É mais prático comprar um pedaço de papel-alumínio que já vem gomado em uma das faces (aliás, o alumínio desse papel é mais espesso que o comumente vendido em rolos para uso doméstico). Existem folhas de revestimento, tipo 'Contact', aluminizadas. Essas são as recomendadas.
Atenção 1.: Se você optar pela colagem do papel-alumínio comum com cola de sapateiro ou de borracha, as bolhas que ficarem devem ser perfuradas com alfinete e o papel alisado com uma colher. Está pronto o rotor.

Atenção 2: Em uma das montagens feitas pelo autor desse artigo, o mancal de ilhós foi substituído pelo gargalo de uma ampola de injeção (dessas que o farmacêutico corta com uma serrinha e joga no lixo!), com resultados excelentes. O atrito despertado entre aço e vidro é bem menor que aquele que se origina entre o aço e o metal do ilhós.

Eis as fotos de algumas das montagens do autor:

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Montagem dos estatores
1. Cole tiras de papel-alumínio ao redor de cada garrafa-estator, como se fossem rótulos do refrigerante. Os próprios rótulos das garrafas servirão de molde para o corte do papel-alumínio. Não deixe bolhas, fure-as com alfinete e alise com uma colher. O papel-alumínio gomado ainda é a melhor opção. Deixe pelo menos 2 cm livres próximo aos fundos das garrafas.

2. Fixe os fundos das garrafas-estatores na base de apoio do motor eletrostático usando cola de silicone ou à base de epóxi de secagem rápida. Cada estator deve ficar cerca de 1,25 cm distante do rotor.

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Montagem das pontas de escoamento
1. Faça um S em uma das extremidades de cada fio de cobre rígido (fio 1,5 mm2, descascado).

2. Fixe cada S bem no meio de cada estator, usando fita gomada (fita isolante ou de embalagem) e deixe o restante do fio bem horizontal. Cuidado para que a cola não penetre entre o S e o alumínio, formando um isolante entre eles. Essas pontas de escoamento funcionarão como "escovas", semelhantes àquelas das máquinas eletrostáticas de Whimshurt.

3. As pontas dos fios devem ficar próximas do rotor, mas sem tocar nele!

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Fazendo funcionar
São necessários pelo menos 5.000 volts DC para o bom funcionamento do motor. Como já dissemos, esta "alta" tensão está disponível em diversas máquinas eletrostáticas. O gerador eletrostático de Van der Graaff, quer movido a motor quer a manivela, é sem dúvida o mais recomendado nesta categoria de geradores. Todavia, os geradores eletrônicos de alta tensão são mais confiáveis.

Há fontes eletrostáticas que oferecem dois terminais de acesso (um + e outro -) e, nesses casos, basta interligar esses terminais com os estatores do motor eletrostático. Se você usar uma máquina de Van der Graaff, ligue um dos estatores à esfera superior e o outro à base de metal do gerador. Se sua fonte apresenta apenas um dos terminais, ligue-o a um dos estatores; o outro estator, neste caso, deve ser aterrado, o que pode ser feito ligando-o ou a uma torneira, ou a uma pia de metal, ou a uma janela metálica ou até mesmo ao terminal de terra de uma tomada de 110 volts AC (do inglês Alternate Current, ou CA - Corrente Alternada). Use lâmpada néon para identificar o terminal de terra da tomada.

Em alguns casos, o simples toque com o dedo no estator livre aterrado é suficiente para o rotor começar a girar. Uma placa metálica (ou uma grelha de churrasqueira) colocada no chão e ligada ao estator livre é outra opção.

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O mistério do experimento

Por que a garrafa-rotor gira?

Se a garrafa-rotor gira, e cada vez mais velozmente, é porque deve haver um torque proporcionado por força na periferia dessa garrafa. De onde vêm essas forças que originam o torque? É aqui que entra a eletrostática. O estator ligado ao pólo positivo da fonte eletriza-se positivamente, e o outro estator, negativamente. Por meio das pontas de escoamento, as cargas dos estatores são encaminhadas às placas de alumínio do rotor. É nessa fase que utilizamos o "poder das pontas". A placa abaixo da ponta positiva torna-se positiva e a placa abaixo da ponta negativa torna-se negativa.

Ocorre um par resultante de repulsões tangenciais (torque): o estator positivo repele a placa-rotor positiva e o estator negativo repele a placa-rotor negativa. Com a repetida passagem de cada placa-rotor pelas proximidades das pontas de escoamento, ocorrem minúsculas faíscas (eflúvios) que se encarregam das trocas de polaridades, mantendo sempre na posição tangencial cargas de mesmo sinal e suas conseqüentes repulsões. Como o torque é contínuo, a velocidade do rotor continuaria aumentando sempre. Na prática, isso não ocorre, pois, numa dada rotação, o rotor estabiliza por causa da resistência viscosa (arraste) imposta a ele pelo ar, que se torna turbulento junto ao rotor.

Se o motor inteiro pudesse ser colocado para girar no vácuo, esse aumento de velocidade ocorreria realmente, se não fosse pelo fato de que uma faísca não pode existir no vácuo - ela pode ocorrer apenas onde há ar, mesmo rarefeito, pois é o ar que se transforma em plasma que efetua a condução das cargas elétricas. Seria necessário, nesse caso, dotar as extremidades das pontas de escoamento de uma espécie de "pente" de fios muito finos e flexíveis, e estes deveriam tocar as placas do rotor, funcionando como verdadeiras escovas. Um novo tipo de atrito, então, apareceria, limitando de qualquer maneira a velocidade de rotação.

Nota: Esse motor eletrostático com dois estatores (fixos) e o rotor com três seções é uma cópia exata de um pequeno motor DC do tipo bobina-ímãs. Se você já abriu um desses motorzinhos, deve ter reparado que o rotor apresenta três seções (três enrolamentos) ligados a três comutadores, dois ímãs laterais e um par de escovas. A corrente elétrica polariza as seções do rotor com o mesmo tipo de pólo que os ímãs fixos, e um par de forças magnéticas tangenciais determinam a rotação do rotor, por repulsão.

No nosso motor, substituímos a corrente elétrica por cargas elétricas estacionárias, os campos magnéticos por campos elétricos, os ímãs por estatores eletrizados e as escovas por pontas de escoamento.

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Variações do experimento
Comentários sobre o experimento original

Mexi novamente no motor eletrostático de três garrafas e, como a experimentação é um processo maravilhoso, aqui estão as novidades.

1. Primeiro experimento. Preparei um novo rotor com seis tiras de papel-alumínio (em lugar de três, conforme o protótipo), de 4 x 18 cm e afastamento entre elas de 1,3 cm. Coloquei o novo rotor entre os estatores já prontos e... a rotação aumentou 100%. Sucesso!

2. Segundo experimento. Preparei um novo rotor sem nenhuma tira de papel-alumínio, só a garrafa plástica. Coloquei a garrafa-rotor entre os estatores já prontos, liguei o VDG (que é um modelo pequeno, com esfera de 10 cm de diâmetro) e ela girou! Dessa vez, o próprio plástico da garrafa ficou eletrizado por influência e rodou.

3. Terceiro experimento. Agora ficou bastante claro para mim que as tiras de papel-alumínio das garrafas-estatores também podiam ser dispensadas. Enchi de água duas garrafas plásticas limpas (3 cm abaixo do gargalo) e enfiei um fio de cobre desencapado dentro de cada uma e liguei nas correspondentes pontas de escoamento. Liguei o VDG e... rodou para valer! Creio que a mesma rotação conseguida no primeiro experimento. A garrafa até canta ao atritar-se contra o eixo de madeira envernizada (que coloquei em substituição à agulha de tricô) no orifício do fundo da garrafa-rotor. Não há dúvida de que esse é o motor eletrostático mais simples possível: três garrafas de refrigerante, um eixo de madeira dotado de um alfinete na extremidade superior, um ilhós, dois pedaços de fio de cobre... e água!

Bem, é isso aí. Já montei uns vinte tipos de motores eletrostáticos. Estou me aprimorando nisso.

Acredito até que vou fundar (via Internet) um clube que só mexa com altas-tensões: VDG, Tesla e motores eletrostáticos.

Usei meu VDG pequeno, pois vi que resolvia o problema, mas tenho outro com cúpula de 30 cm de diâmetro (duas taças esportivas de cobre encaixadas uma na outra). É um estouro!

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Não funcionou?

E se o motor não girar?

A intenção deste anexo é prevenir certas falhas e "gatos" bastante comuns em montagens caseiras.

É raro um dispositivo caseiro funcionar logo na primeira vez. A ansiedade é, em geral, uma das causas mais freqüentes, chegando-se a esquecer até mesmo daquilo que é mais corriqueiro, como "espetar" o plugue na tomada!

De início perguntamos:
Que fonte de energia você está usando para acionar o motor?

Antes de se aventurar com fontes mais fracas, tais como balões de borracha atritados com flanela (veja o parágrafo 2 do experimento principal, onde citamos eletróforos, máquina eletrostática de Kelvin, etc), comece usando fontes mais fortes como uma máquina de Van der Graaff ou o "truque" de ligar e desligar a tevê (ou um monitor antigo de computador).

É sempre bom começar com uma fonte boa e, depois dos devidos ajustes, tentar com outras mais fracas - porém não menos empolgantes. Esses motores funcionam com corrente muito baixa, porém com tensões altas (são necessários, no mínimo, 5.000 volts DC). Isso pode ser facilmente conseguido com fontes eletrostáticas robustas. Obs.: As pilhas não podem fazer isso, a menos que você tenha pelo menos 4.000 delas associadas em série para obter os 5.000 V!

Além da fonte, há outros possíveis contratempos: "Sua garrafa-rotor gira livremente? Muito, muito livremente?" Pois é, deve ser assim, o atrito deve ser mínimo. Um bom teste é dar um ligeiro impulso para que a garrafa-rotor entre em rotação e, uma vez abandonada, deve dar pelo menos umas cinco voltas por conta própria. Verifique o ponto de contato entre a ponta metálica da agulha e o ilhós. Se necessário, troque o ilhós por um mancal de vidro (gargalo de ampola de injeção, conforme sugerimos). Não use a tampa plástica, tentando fazer um rebaixo no seu centro para apoiar a agulha; a tampa é muito frágil e vai acabar sendo perfurada. A garrafa-rotor deve girar muito livremente, caso contrário as forças eletrostáticas não conseguirão movê-la.

Falemos das pontas de escoamento.

Os fios de cobre devem estar diretamente encostados nas tiras de papel-alumínio das garrafas-estatores. Podem ser fixados com fita adesiva, fita isolante ou fitas gomadas; deve-se, entretanto, tomar cuidado para que tais "gomas" ou "colas" não penetrem entre os fios e as tiras de papel- alumínio. Uma boa técnica é colocar sobre o S do fio de cobre (que é a extremidade a ser fixada no estator) uma rodela de papel-alumínio (ou uma chapinha fina de estanho) e, a seguir, cobrir com fita adesiva.

Não esqueça que as pontas de escoamento fazem parte das garrafas-estatores, mas que suas extremidades livres devem situar-se, aproximadamente, no plano transversal que contém o eixo da garrafa-rotor, perto da superfície desta, mas sem tocá-la. Esse ajuste de distância é muito importante e vai depender muito da tensão utilizada. Tensão alta - maior distância; tensão mais baixa - menor distância.

Se pequenas faíscas saltarem entre as pontas dos comutadores a garrafa-rotor, produzindo um chiado, não se espante, tudo está normal. Mesmo que você não enxergue as faíscas, o seu chiado as denuncia. São esses "pentes" de gás ionizado (que podem ser vistos como pequenas faíscas) entre as pontas e o rotor que farão o papel de escovas em seu motor. A ausência de chiado indica que a tensão está muito baixa ou que há problemas de indesejáveis fuga de cargas em alguma parte da montagem. Com um bom Van der Graaff, essa distância entre pontas de escoamento e rotor poderá ser de 2 a 5 cm.

Cuidado com objetos metálicos próximos, eles sofrem o fenômeno de indução e diminuem o potencial do gerador e do motor.

Tenha certeza de que exista um caminho completo entre a fonte de alimentação e o motor, sem fugas através de fios desencapados (somente a extremidade dos fios que alimentam o motor deve estar desencapada e em contato direto com a base do motor).

Para que não haja dúvidas quanto ao escoamento indesejado de cargas, por que você não fixa os estatores sobre pires de plástico ou de louça? É uma sugestão.

Verifique se não há faísca saltando entre as garrafas-estatores e a garrafa-rotor. Se houver, o espaçamento entre elas deve ser aumentado. Esse espaçamento é importante para o bom funcionamento do motor, pois as forças eletrostáticas decrescem abruptamente com a distância.

Cada tipo de fonte requer um reajuste nesse espaçamento (e entre o rotor e os estatores e também entre o rotor e as pontas de escoamento). Só cole definitivamente as garrafas-estatores na base após ter certeza do bom funcionamento do motor com a sua fonte de alimentação. Em geral, 1 a 1,5 cm é o espaçamento adequado.

Mais um problema:
a umidade relativa do ar.

Se ela está alta, ao redor dos 90%, é possível que estejam ocorrendo fugas da própria fonte para a terra e das tiras de papel-alumínio para a terra (através do plástico das garrafas e da base). Isso pode ser resolvido usando de um secador cabelo no conjunto todo. (Cuidado, não mantenha o secador por muito tempo sobre as garrafas, pois o plástico poderá amolecer e se deformar.)

Para testar como anda a umidade por ocasião de seu experimento, corte algumas tiras de lenço de papel e fixe-as com pequeno pedaço de fita 'durex' em sua máquina de eletrizar. Em funcionamento, essas fitas devem elevar-se bastante sobre o terminal eletrizado.

Bem, parece-me que essas recomendações são suficientes para que você tenha bastante sucesso com seu experimento, na dúvida, entre em contato com o autor: leobarretos@uol.com.br .

Promova e divulgue as Feiras de Ciências, elas encerram as melhores e mais eficientes técnicas de divulgação científica. Lute pela existência de bons laboratórios em sua Escola!

Fotos na Feira de Ciências de Frutal-MG

Detalhe da fonte de alimentação de alta tensão usada para acionar o motor eletrostático de garrafas.