Prof.
Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Apresentação
Este
motor eletrostático simples foi construído com três garrafas
plásticas (PET) de refrigerante de 2 litros e folha de alumínio
- material esse inteiramente caseiro. Funciona com corrente elétrica
de intensidade de fração de um microampère, mas pode girar
com velocidade bastante alta, mesmo acima de 1.000 rpm!
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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).
. 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, máquina
elétrica com tubo de PVC, 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.
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Montagem
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.
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.
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, 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.: 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:
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.
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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.
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 GVDG 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.
Creio
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 são os melhores e mais
eficientes modos de divulgar a Ciência e sua Escola.
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