Descrição e conteúdos abordados
A garrafa de Leyden é um tipo de capacitor, que tem capacidade de acumular cargas eletrostáticas. Ele é feito com um pote de plástico contendo folhas amassadas de papel alumínio. Na tampa, está colada uma esfera de isopor, recoberta com papel alumínio, que está conectada a um fio de cobre que desce até o interior do pote, em contato elétrico com as folhas amassadas de papel alumínio. Assim, a superfície condutora da esfera está em contato com a parte interna do pote, e, portanto, estarão num mesmo potencial quando eletrizado. A parte externa do pote também está recoberta por papel alumínio e estará no potencial da terra, em contato com a mão quando a seguramos.
O valor da capacitância dessa garrafa de Leyden é da ordem de 0,25 nF.
Ela pode ser carregada por um Eletróforo de Volta, que ao se aproximar da esfera, gera faíscas através do ar. Estas faíscas ocorrem pela ionização do ar. Quando aproximamos o eletróforo da esfera da garrafa, haverá indução de cargas na esfera. Por causa do campo elétrico intenso entre o eletróforo e a esfera, elétrons serão “arrancados” dos átomos e moléculas que compõem o ar formando íons e elétrons livres. Nesse processo, os elétrons serão atraídos para o eletróforo e os íons positivos serão atraídos para a esfera da garrafa de Leyden. O deslocamento destas cargas pode provocar colisões com outras moléculas e causar outras ionizações, aumentando ainda mais o processo como um efeito “cascata”. É o mesmo efeito que ocorre numa descarga elétrica entre uma nuvem carregada e a Terra. A ionização transforma o ar que é um isolante elétrico, num condutor (plasma). Repetindo-se este procedimento várias vezes, podemos carregar a garrafa cada vez mais.
A faísca entre a bandeja e a garrafa fica mais forte quando seguramos na parte externa, na folha de alumínio que recobre a garrafa. Isto ocorre pois ao segurarmos na folha de alumínio que recobre a garrafa, a nossa mão atua como terra, que atrai ou induz quantidades maiores de cargas positivas (pois a esfera está negativa). Isto aumenta, na mesma proporção, a quantidade de cargas negativas induzidas na esfera, potencializando ainda mais a faísca após a ionização. Portanto, para carregarmos a garrafa mais rapidamente é necessário o aterramento, segurando a parte externa da garrafa.
Como vimos na etapa anterior, a descarga ocorre após um processo de ionização na qual o ar que se transforma de um isolante (gás) para um condutor elétrico (plasma).
Neste processo podemos verificar três fenômenos distintos: O raio, que é a descarga elétrica através do ar. O relâmpago, que é a luminosidade ocasionada pela excitação e de-excitação de átomos (efeito quântico). A excitação pode ocorrer pelas colisões entre as cargas e os átomos na qual elétrons de níveis mais baixos absorvem energia para saltar para níveis de maior energia. Quando voltam para os estados fundamentais, devolvem a energia absorvida na forma de fótons (luminosidade ou relâmpago).
O trovão é o barulho provocado pela repentina expansão do ar. Esta expansão ocorre devido ao aquecimento causado pelo plasma (gás ionizado em altas temperaturas) no momento da faísca. O aquecimento provoca agitação térmica das moléculas que produz uma brusca expansão do ar ocasionando uma onda de choque sonora.
Numa descarga atmosférica entre nuvens ou entre nuvem e a terra, ocorrem os mesmos efeitos, só que em escala muito maior.
Material Utilizado
- Pote de plástico
- Papel alumínio
- Fios de cobre flexível
- Fita dupla face
- Cola quente
- Fita adesiva
Equipamento doado por Claudio Hiroyuki Furukawa para o Laboratório de Demonstrações da UFPA.
Links Relacionados
Artigos em português:
- A Garrafa de Leyden - Antônio Carlos M. de Queiroz, UFRJ
- Garrafa de Leyden - Sala de Demonstrações de Física, UFMG
- Eletromagnetismo: Garrafa de Leyden - Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Unesp
- Garrafa de Leyden - Unesp
- Garrafa de Leyden - Museu Interativo da Física, UFPA
- A Garrafa de Leiden em uma perspectiva histórica - Física na Escola, v. 16, n. 2, 2018
- A bottle, eine Flashe, une bouteille: três versões para a garrafa de Leiden. Thiago B. Morais, José A.F. Pinto, e Ana P.B. da Silva. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 46, e20230380 (2024).
- Garrafa de Leiden - Wikipédia
Artigos em outros idiomas:
- The Leiden jar - Leiden University
- Leyden Jars - Europa-Universität Flensburg
- Let's Geek Out on the Physics of Leyden Jars - Wired
- The Leyden Jar - MIT Libraries
- Leyden Jar - Magnet Academy
- “Shocking” results from a Leyden jar experiment - Science Bob
- Invention of the Leyden jar - Britannica
- Leyden jar - Wikipedia
Vídeos em português:
- Experimentando: Garrafa de Leiden / Leyden jar - Laboratório de Demonstrações - UFPA (YouTube)
- Garrafa de Leyden - Fisica Universitária (YouTube)
- Gerador de Van de Graaff e garrafa de Leyden - Fisicalha (YouTube)
- Mostra de Ciências 2019 - Garrafa de Leyden T. 93 - Instituto Divina Providência (YouTube)
Vídeos em outros idiomas:
- Capacitor Demo: Dissected Leyden Jar - Physics Demos (YouTube)
- Leyden Jar - BYU Physics Demonstrations (YouTube)
- Dissectible Leyden Jar - BYU Physics Demonstrations (YouTube)
- Leyden jar explanation - UNSW Physics (YouTube)
- Leyden jar - Static electricity - Animated - jordi3736 (YouTube)
- Professor shocks himself on Why Is It So? - ABC Science (YouTube)
- Lesson 39 - Adventures with Electric Charges - Demonstrations in Physics - Professor Julius Sumner Miller (YouTube)
- MIT Physics Demo Dissectible Capacitor - physicsit (YouTube)
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