GARRAFA DE LEYDEN: PEÇAS, OPERAÇÃO, EXPERIMENTOS - FISICA - 2024

A garrafa de Leyden é uma garrafa ou frasco de vidro fino, que contém uma folha de metal bem ajustada por dentro e outra película de metal bem ajustada por fora.

É o primeiro dispositivo elétrico da história que servia para armazenar cargas elétricas simplesmente ao tocá-lo, seja pela haste ou pela folha externa, com uma barra previamente carregada por fricção (efeito triboelétrico) ou por indução eletrostática. Uma fonte de tensão, como uma célula ou bateria, também pode ser usada.

Figura 1. A figura mostra uma garrafa típica de Leyden. A folha interna é uma das placas do capacitor e a folha externa é a outra placa. Fonte: Wikimedia Commons. Ramo

História

A invenção da garrafa de Leyden é creditada a Pieter van Musschenbroek, Professor de Física da Universidade de Leyden em 1745. Independentemente e simultaneamente, o inventor alemão Ewald Georg von Kleist também conseguiu armazenar eletricidade estática com garrafas semelhantes, antecipando o Holandês.

Musschenbroek teve a ajuda de um advogado chamado Cunaeus, que ele convidou para seu laboratório em Leyden. Este personagem sagaz foi o primeiro a perceber que a carga se acumulava segurando o frasco com a mão enquanto a barra ou agulha estava sendo carregada com a máquina eletrostática.

Depois que o professor Musschenbroek surpreendeu a todos com sua invenção, a próxima melhoria na garrafa de Leyden, como o dispositivo foi finalmente batizado, foi feita em 1747 graças a John Bevis, um médico, pesquisador e, por último, mas não menos importante, o astrônomo que descobriu a Nebulosa do Caranguejo.

Bevis observou que se você cobrisse a parte externa da garrafa com uma folha fina, não havia necessidade de segurá-la com a mão.

Ele também percebeu que não era necessário encher com água ou álcool (a garrafa de Musschenbroek original estava cheia de líquido) e que era necessário apenas cobrir a parede interna da garrafa com papel alumínio em contato com a haste que atravessa a rolha.

Experimentos posteriores revelaram que mais carga se acumulou conforme o vidro se tornava mais fino e a superfície de metal adjacente mais extensa.

Peças

As partes de uma garrafa de Leyden são mostradas na figura 1. O vidro atua como isolante ou dielétrico entre as placas, além de servir para dar-lhes o suporte necessário. As placas são geralmente folhas finas de estanho, alumínio ou cobre.

Um isolante também é usado para fazer a tampa do frasco, por exemplo, madeira seca, plástico ou vidro. A tampa é perfurada por uma haste de metal da qual pende uma corrente que serve para fazer o contato elétrico com a placa interna.

Materiais necessários para fazer a garrafa de Leyden

- Frasco de vidro, sendo o mais fino possível

- Folha metálica (alumínio, estanho, cobre, chumbo, prata, ouro) para cobrir separadamente, a parte interna e externa da garrafa.

- Cobertura de material isolante furado.

- Haste de metal para passar pela tampa perfurada e que na extremidade interna possui uma corrente ou cabo que faz contato metálico com a folha interna da garrafa. A outra extremidade da haste geralmente termina em uma esfera, para evitar arcos elétricos devido às cargas acumuladas nas extremidades.

Figura 2. Partes de uma garrafa de Leyden. Fonte: Wikimedia Commons.

Funcionamento

Para explicar o acúmulo de carga elétrica é necessário começar estabelecendo a diferença entre isoladores e condutores.

Os metais são condutores porque os elétrons (portadores de carga elementar negativa) podem se mover livremente dentro deles. O que não significa que o metal esteja sempre carregado, na verdade ele permanece neutro quando o número de elétrons é igual ao número de prótons.

Em contraste, os elétrons dentro dos isoladores não têm a mobilidade típica dos metais. Porém, ao esfregar entre diferentes materiais isolantes, pode acontecer que os elétrons da superfície de um deles passem para a superfície do outro.

Voltando ao frasco de Leyden, de forma simplificada é uma folha metálica separada por um isolante de outra folha condutora. A Figura 3 mostra um esquema.

Figura 3: Diagrama simplificado da garrafa de Leyden e como ela adquire a carga. Fonte: Fanny Zapata.

Suponha que a placa externa seja aterrada, seja manualmente ou por um fio. Quando abordada por uma haste que foi carregada positivamente por fricção, a haste conectada à placa interna torna-se polarizada. Isso leva a uma separação de cargas no conjunto da placa interna da haste.

Os elétrons da placa externa são atraídos pelas cargas positivas da placa oposta e mais elétrons chegam à placa externa vindos do solo.

Quando esta conexão é interrompida, a placa fica carregada negativamente e quando a haste é separada, a placa interna fica carregada positivamente.

Capacitores ou capacitores

A garrafa de Leyden foi o primeiro capacitor conhecido. Um capacitor consiste em duas placas de metal separadas por um isolante e são bem conhecidas na eletricidade e na eletrônica como elementos de circuito indispensáveis.

O capacitor mais simples consiste em duas placas planas de área A separadas por uma distância d muito menor que o tamanho das placas.

A capacidade C de armazenar carga em um capacitor de placa plana é proporcional à área A das placas e inversamente proporcional ao espaçamento d entre as placas. A constante de proporcionalidade é a permissividade elétrica ε e são resumidas na seguinte expressão:

O capacitor formado pela garrafa de Leyden pode ser aproximado por duas placas cilíndricas concêntricas com raios a internos e raio b para a placa externa e altura L. A diferença nos raios é justamente a espessura do vidro d que é a separação entre as placas.

A capacidade C de um capacitor de placa cilíndrica é dada por:

Como se pode deduzir dessa expressão, quanto maior o comprimento L, maior a capacidade do dispositivo.

Capacidade da garrafa de Leyden

No caso em que a espessura ou separação d é muito menor do que o raio, então a capacidade pode ser aproximada pela expressão das placas planas da seguinte forma:

Na expressão anterior, p é o perímetro da placa cilíndrica e L é a altura.

Independentemente da forma, a carga máxima Q que um capacitor pode acumular é proporcional à tensão de carga V, sendo a capacidade C do capacitor a constante de proporcionalidade.

Q = C ⋅ V

Garrafa de Leyden caseiro

Com materiais disponíveis em casa e alguma habilidade manual, você pode imitar o Professor Musschenbroek e construir uma garrafa de Leyden. Para isso você precisa:

- 1 frasco de vidro ou plástico, como maionese.

- 1 capa isolante de plástico perfurada através da qual será passado um fio rígido ou cabo.

- Tiras rectangulares de folha de alumínio de cozinha para cobrir, colar ou aderir no interior e no exterior do frasco. É importante que o revestimento de alumínio não atinja a borda do pote, pode ser um pouco mais alto que a metade.

- Um cabo flexível sem isolamento que se une ao interior da haste, de forma a entrar em contacto com a folha de alumínio que cobre o interior da parede da garrafa.

- Esfera metálica (fica no topo da tampa para evitar o efeito de picos).

- Cabo sem isolamento que se fixará na chapa externa de alumínio.

- Régua e tesoura.

- Fita adesiva.

Obs: Outra versão que evita o trabalho de colocar a folha de alumínio por dentro é encher a garrafa ou jarro com uma solução de água e sal, que servirá como prato interno.

Processo

Cubra a garrafa por dentro e por fora com as tiras de papel alumínio, se necessário elas são fixadas com a fita adesiva, tomando cuidado para não ultrapassar muito o meio da garrafa.

- Fure a tampa com cuidado para passar o fio ou cabo de cobre sem tampa isolante, para colocar a folha de alumínio interna da garrafa em contato com o exterior, onde a esfera condutora deve ser colocada logo acima da tampa.

- Mais fio sem isolamento é usado para amarrar a capa externa e fazer uma espécie de cabo. Todo o conjunto deve ser semelhante ao mostrado nas figuras 1 e 4.

Figura 4. Garrafa de Leyden. Fonte: F. Zapata.

Experimentos

Assim que a garrafa de Leyden for construída, você pode experimentá-la:

Experimento 1

Se você tiver uma TV ou monitor antigo com tela de raios catódicos, poderá usá-lo para carregar a garrafa. Para fazer isso, segure a garrafa com uma mão pela placa externa, enquanto traz o cabo que conecta a parte interna para perto e toca a tela.

O cabo amarrado por fora deve ficar próximo ao cabo que vem de dentro da garrafa. Observe que ocorre uma faísca, mostrando que a garrafa ficou eletricamente carregada.

Experimento 2

Se você não tiver uma tela adequada, pode carregar a garrafa de Leyden segurando-a perto de um pano de lã que acabou de retirar da secadora. Outra opção para a fonte de carga é pegar um pedaço de tubo de plástico (PVC) que foi previamente lixado para remover a graxa e o verniz. Esfregue o tubo com uma toalha de papel até que esteja suficientemente carregado.

Referências

1. Garrafa de Leyden. Recuperado de: es.wikipedia.org
2. Instrumentos elétricos. Leyden Jar. Recuperado de: Brittanica.com
3. A Endesa educa. Experiência: garrafa de Leyden. Recuperado de: youtube.com.
4. Leyden Jar. Recuperado de: en.wikipedia.org.
5. A física do jarro de Leyden em "MacGyver". Recuperado de: wired.com
6. Tippens, P. Physics: Concepts and Applications. 516-523.