Mini gerador de Van de Graaff

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br 

Objetivo
Muitos de nossos projetos requerem um alto potencial elétrico para seu funcionamento. As máquinas destinadas à produção de tais potenciais elétricos são os geradores eletrostáticos, dentre os quais citamos o gerador de Van de Graaff, a máquina eletrostática de Whimshurst, o eletróforo de Volta, a 'técnica do liga-desliga TV', entre outros modelos e variantes desses processos. Vários desses equipamentos já foram por nós abordados nessa Sala 11 (Eletrostática) e na Sala 22 (Motores Gerais).

Nesse novo projeto vamos construir, passo a passo, um mini-gerador de Van de Graaff que poderá produzir cerca de 15 000 volts em uma lata de refrigerante vazia. É um projeto modesto (e de baixo custo), porém capaz de produzir faíscas de 3 a 4 cm no dedo que se aproximar da lata de refrigerante 'carregada'. Tal faísca, pelo efeito de pele, é bastante inocente, não mais perigosa que aquela que poderá saltar de seus dedos para uma maçaneta após você ter atritado seus pés num tapete.

Usamos da lata de refrigerante por, além de sua facilidade de obtenção, não apresentar 'pontas' ou 'quinas' salientes as quais facilitariam o escoamento de cargas para o ambiente mas, sem dúvida, poderá ser substituída (com vantagens) por uma cúpula metálica esférica típica dos geradores tipo Van de Graaff ou ainda por utensílios metálicos de cozinha que não apresentem bordas vivas. Tenho encontrado em lojas de R$ 1,99 peças de alumínio com bordas arredondadas (copos, tigelas, etc.), as quais podem, perfeitamente, serem adotadas como cúpulas de tais geradores eletrostáticos. Veja nossas sugestões no final do projeto.

Material

1 lata de refrigerante vazia (sem a tampa superior)
1 prego pequeno ou eixo de aço (cerca de 4 cm)
1 fita de borracha (vermelha ou laranja) de 1,5 cm (largura) x 20 cm (comprimento)
1 fusível de vidro 500 mA, comum em equipamento eletrônico
1 pequeno motor DC para 1,5 ou 3,0 volts ('extraído' de um carrinho de brinquedo)
2 pilhas e seu porta-pilhas
1 conexão "T" de PVC, 3/4", marrom (para instalações hidráulicas)
1 luva de PVC de 3/4" 
20 cm de tubo de PVC marrom de 3/4"
20 cm de fio de luz, flexível, diâmetro 2 ou 3 mm
40 cm de fio encapado (cabinho 22) flexível
1 base de madeira de (2 x 10 x 15) cm
1 pedaço de lápis comum
Cola quente ou cola para tubos PVC
Furadeira, broca, serra, alicate, tesoura, fita adesiva, flanela etc.

Visual do material
Vejamos um visual geral de parte desse material que, à primeira vista, pode parecer algo complicado mas que, na verdade, poderá ser reunido facilmente em um par de horas.

Montagem
Vamos começar a coisa de baixo para cima. Para tanto, dê uma boa lixada na placa de madeira de (2x20x20) cm, que será a base de apoio do nosso GVDG e marque o centro dessa tábua.
Corte 6 cm de tubo de PVC de 3/4" e fixe-o bem perpendicularmente ao centro dessa tábua. Poderá usar cola quente, superbonder ou qualquer outra técnica que permita a boa fixação desse tubinho (1) na base de madeira. Uma boa opção é colar no tubinho um plugue (tampão) de 3/4" e aparafusar esse plugue na base; eis, à esquerda, o visual dos componentes dessa opção (que é a por mim adotada) : 

Esse tubinho (1) é quem sustentará o GVDG e permitirá sua remoção para trocar a correia (ilustração acima, à direita) e outros eventuais ajustes (para tanto bastará retirar a conexão T que será encaixada nesse tubinho).

Preparemos a unidade motora. Para tanto separe, com um serra de dentes finos, um cilindro de lápis de cerca de 2 cm de comprimento. Esse cilindro será o rolete inferior do gerador e deverá ser recoberto com uma camada de tecido (pode ser de feltro, pano de guarda-chuva, cetim etc.); basta passar um pouquinho de cola do cilindro e enrolar o pano (depois de seco faça os cortes para retirar as rebarbas). 
Espete esse cilindro de toco de lápis no eixo do motor (use um 'nadinha' de cola se não conseguir uma boa fixação); para isso empurre o grafite para fora. Esse motor + rolete deverá ser fixado no 'pé do T" da conexão de PVC de 3/4" (ele deverá ficar fixado, bem firme, nesse orifício central da conexão; use fita isolante ao redor do motor para ajustar seu diâmetro ao diâmetro interno do T ou outra técnica).
Eis como estamos:

O próximo passo é fazer a escova inferior do gerador. Para tanto, com furadeira e broca, faça um furo na lateral da conexão T, imediatamente abaixo do rolete, suficiente para passar o plástico que recobre o fio de luz, flexível, de 2 ou 3 mm de diâmetro. Descasque cerca de 1 cm numa extremidade desse fio e espalhe os fiozinhos internos desse fio fazendo uma espécie de vassourinha da largura do rolete inferior do gerador; corte esse fio flexível numa extensão de uns 10 cm; espete esse fio de dentro do T para fora, de forma que a vassourinha fique bem sob o rolete --- sem encostar nele! Cole o fio no orifício para bem fixá-lo na posição devida (ou use fita adesiva para prende-lo).
Estamos algo assim:

A seguir, deveremos cortar outro pedaço de tubo de PVC de 3/4" que será encaixado no buraco superior da conexão T o qual suportará, por sua vez, a luva de PVC de 3/4", que conterá o rolete superior e o prego, onde girará a tira de borracha. Corte o tubo de água de 3/4" para que fique com cerca de 6 cm de comprimento (lixe para ajusta-lo na conexão T e luva). Com a broca e furadeira faça um furo que atravesse de lado a lado, ao longo do diâmetro, a luva de PVC, a uns 1,5 cm da extremidade superior (o diâmetro desse furo deve permitir, com certa folga, a passagem do prego). Inicialmente usei um prego 12x12, depois troquei por um eixo de aço. Eis à, esquerda das ilustrações abaixo, os novos componentes da montagem e, à direita a visão dos trabalhos até o momento:

Agora é hora de ajustar a correia, ou seja, a tira de borracha, que deve passar pela polia inferior (toco de lápis recoberto com feltro) e pelo prego (sem estar demais apertada a ponto de travar o funcionamento do motor). Desse arranjo deverá sair o comprimento adequado da correia. Um tubinho de plástico rígido recobrindo o prego, permitirá um deslizar mais suave para a correia. Deve-se dar preferência para um tubinho de vidro retirado de um fusível já queimado (veja notas abaixo). Para retirar as partes metálicas desse fusível basta aquecer fortemente as extremidades metálicas (com a ponta de um soldador) e puxa-las com alicate.

Logo acima do prego (coisa de 3 mm) deverá ser feito outro orifício na lateral da luva (no lado 'perpendicular' ao eixo) para passar o fio da escova superior, do mesmo modo que foi feito com a escova inferior. A extremidade livre desse fio, do lado de fora da luva de PVC, deverá encostar no interior da lata de refrigerante (a lata de refrigerante é uma das opções para fazer a cúpula do mini-gerador de Van de Graaff).
Estamos assim:

Nota 1: O rolete superior pode ser feito do mesmo pedaço de lápis usado para fazer o rolete inferior. Corte um pedaço de 2 cm e retire a mina de grafite.
Nota 2: A tira de borracha amarela tem 1,5 cm de largura e as extremidades foram coladas diretamente uma contra a outra (sem superposição), usando cola epoxi -- superbonder, marca registrada da Loctite. Use fita adesiva 'durex' para segurar juntas as extremidades, na fase de colagem.
Nota 3: Na foto acima não mostramos a escova superior. Não vá esquecer dela! Veja foto abaixo.
Nota 4: A tira de borracha (já em forma de correia) é enfiada pela luva e abraça a polia inferior; a seguir será sustentada pelo prego (e pelo tubo de vidro ou rolete superior). Usando o tubo de vidro, o prego servira de mancal e usando o cilindro de lápis a luva servirá de mancal para o eixo de aço.

Retire a tampa superior da lata de refrigerante (cuidado com as rebarbas). Eu, particularmente, uso de uma lixadeira vertical para extrair essa tampa superior. Basta encostar a 'boca' da lata na lixadeira e 'comer' cerca de 1/2 mm do material. Depois ... lixa d'água.

Vamos 'fixar' a lata (cúpula) na nossa 'torre'. O diâmetro externo da luva de 3/4" é de cerca de 3 cm e o diâmetro da boca da lata de refrigerante é coisa de 5,2 cm; então, 5,2 cm - 3 cm = 2,2 cm. Metade disso será a folga entre a boca da lata e a luva. Vamos preencher isso com 'quadradinhos' de borracha (dessa comum, de apagar os erros feitos à lápis). Assim, para ficar um pouco apertado, você vai precisar de 4 'quadradinhos' de borracha  de 1,2 cm para colocar entre a borda interna da boca da lata e a luva.
E, finalmente, nosso mini-gerador de Van de Graaff!

Agora é só colocar para funcionar. Coloque duas pilhas no porta-pilhas e ligue aos fios vermelho e preto do motor. O ideal é usar uma fonte de alimentação ajustável de 0 --- 6  ou  0 -- 12 VDC e ajustar a tensão para o melhor ponto de funcionamento. Ligue a escova inferior, fio branco da foto acima, num ponto de terra (pode ser o mesmo terra da fonte de alimentação) como, por exemplo, uma janela metálica.

O 'esquema' do mini-gerador, para que você possa explicar o funcionamento em sua Feira de Ciências é:

Divirta-se! Ah! não esqueça de cobrir o rolete inferior com flanela (usei aquele tecido verde típico de mesa de bilhar).

Sugestões para "novos" mini-geradores de Van de Graaff

Sugestões recebidas via e-mail:

De Vivian Vidal Salles, recebi mensagens relativas à montagem desse projeto e, dentre elas, a dificuldade de encontrar a tal 'borracha vermelha'. Logo ela encontrou a solução; reproduzo sua mensagem e as fotos que enviou (e autorização para publicação). Meus agradecimentos à Vivian.

"Oii...td bomm? Era a correia sim o problema desse gerador. Liguei para várias borracharias e para a Casa da Borracha e ninguém tinha o que eu precisava (borracha amarelada). Assim, não tendo mais nenhuma alternativa, sabe aquelas toucas de natação de silicone, então fiz a correia com isso e deu certo. Porém, o motor gira com maior facilidade e já quebrei 2 vidros fusíveis "brincando" com a experiência. Tem alguma forma para tentar não quebrar o fusível? Valeu.... Segue fotos ...  Vivian."

NOTA: Vivian já recebeu a mensagem de retorno; exponho aqui: colocar um rolete (como o inferior) no lugar do vidro de fusível. Use um pedaço de lápis, retire o grafite e substitua esse por um prego (ou eixo de arame duro).