Garrafa de Leiden (Furukawa)

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.

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