Wimshurst, A máquina eletrostática: Utilização de materiais de baixo custo e possibilidades de inserção/divulgação da física experimental.

## Wimshurst, A máquina eletrostática: Utilização de materiais de baixo custo e possibilidades de inserção/divulgação da física experimental.

Antonio Vieira Domingues Junior; Daniel Fernando Palaria; Evandro Silveira de Pontes; Isaías Marcos da Silva; Luís Augusto Alves.

IFSP campus São Paulo/ Licenciatura em Física/ Juneba31@hotmail.com IFSP campus São Paulo/ Licenciatura em Física/ palaria.ifsp@yahoo.com.br IFSP campus São Paulo/ Licenciatura em Física/ evanspontes@hotmail.com IFSP campus São Paulo/ Licenciatura em Física/ isaiasmarco@gmail.com IFSP campus São Paulo/ Licenciatura em Física/ luis\_aa@ig.com.br

## Resumo

Este artigo tem como objetivo mostrar as vantagens em construir a máquina de Wimshurst utilizando materiais de baixo custo, demonstrando a importância de aparatos experimentais, seja o projeto feito por alunos, professores ou pessoas interessadas em compreender o funcionamento de uma máquina que opere com princípios eletrostáticos. Com isso queremos também ressaltar a importância da divulgação científica e oferecer uma ferramenta que aproxime o conhecimento informal do cotidiano das pessoas e o conhecimento formal científico. Esta proposta de construção fornece também ferramentas de como utilizá-lo, os tipos de materiais de baixo custo empregados, obstáculos que podem ser encontrados e superados e alguns experimentos que podem associar a este gerador, além de ser um experimento portátil e desmontável, pois existe uma dificuldade em transportar algo muito grande quando está montado, sendo esse um fator que dificultaria na sua divulgação. Desta forma pretendemos despertar cada vez mais o espírito curioso e investigativo das pessoas envolvidas e facilitar o aprendizado de física através da física experimental.

Palavras-chave: máquina de Wimshurst, experimento de baixo custo e divulgação cientifica.

## Introdução

A eletrostática é um ramo do conhecimento físico fascinante. O fato de estar presente constantemente no cotidiano das pessoas, mesmo que passando muitas vezes despercebido, dá-lhe a característica de despertar a curiosidade e o espírito investigativo das pessoas, fazendo-as interpretar o fenômeno e procurar explicações para ele, mesmo que sejam explicações no âmbito pessoal e diferentes das propostas pelo modelo científico. Porém, mesmo com todas essas características, nem sempre conseguimos aproveitar todo o potencial que esse ramo tem a oferecer quando queremos ensinar essa área do conhecimento. Perrenoud (1999) destaca em saber construir ferramentas, essas que estimulem o desenvolvimento de competências que mobilizam um conjunto de recursos cognitivos, que podem propiciar ainda mais visualizações práticas, além do que vemos no nosso cotidiano, como pelos do corpo sendo atraídos pela tela da televisão que acabou de ser desligada, ou os pequenos estalos que podemos ouvir quando vestimos uma roupa de lã muito rapidamente, por exemplo. No ambiente escolar, sejam os professores, os alunos, os pais, em geral 'A grande maioria quase unanimemente defende a importância do laboratório no ensino' (Schmidt & Kawamura, 1993:366). Para nós

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

20 a 25 de janeiro de 2013

quando se trata de ensinar física, quanto mais ferramenta tiver para facilitar o processo de aprendizado, melhor será.

Nosso intuito com esse trabalho é o ensino e a divulgação científica para alunos de ensino fundamental, médio, superior ou mesmo para pessoas que tenham o interesse de estar mais em contato com a física experimental. Loureiro (2003) destaca que a divulgação científica é uma democratização do conhecimento científico, que traz consigo práticas científicas, legitimando e reforçando o perfil ideológico da ciência. Refletimos que a ciência não deve ser divulgada apenas no formalismo das escolas, mas também em locais de ensino informal, como museus científicos, feiras de ciências ou mesmo nas próprias casas das pessoas.

A máquina de Wimshurst nos seduziu devido à sua grandiosidade e os mistérios que a cercam, mistérios esses que fomos descobrindo durante sua construção e agora queremos compartilhar, mostrando as vantagens da utilização de experimentos como ele na divulgação científica. O fato de ser possível visualizar faíscas elétricas em um equipamento como esse é uma ótima ferramenta para se chamar a atenção das pessoas, podendo assim aprofundar na explicação do fenômeno e aproximá-lo dos fenômenos cotidianos que passam despercebidos.

Para comprar esse gerador eletrostático, o custo será elevado*. Esse seria um empecilho para que professores e outras pessoas interessadas o utilizassem. Sua construção caseira, embora complexa, reduz significativamente o custo, além de proporcionar a aprendizagem e a experiência agregada em cada fase desse processo. Com isso despertamos também o interesse do aluno e das pessoas envolvidas em sua construção, que terão curiosidade de saber como funcionará o objeto que estão montando, trabalhando assim o lado experimental da física, para poder compreender melhor o lado teórico.

Sendo enfatizada nas Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais - Ensino Médio - Física (PCN+) ' É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável '.

## Metodologia

Em um simples movimento de esfregar um canudo de refrigerante com um papel toalha, é capaz de encantar muitas pessoas, pois, quando o movimento é cessado e o canudo é aproximado de uma parede, as pessoas que estão vendo pela primeira vez o processo provavelmente se surpreenderão. Foi o que aconteceu conosco. Conforme comenta BACHELARD (1977), o sentido do problema, é que direciona para construção do espírito científico. Essa nossa indagação de como explicá-lo é carregada por nós até hoje em tudo que interagimos. Tudo que acontece ao nosso redor procuramos entender e relacionar com os nossos conhecimentos adquiridos ao longo do tempo, buscando principalmente os conceitos físicos.

A máquina do Wimshurst apareceu e se espalhou por todos os integrantes desse projeto. Ela conseguiu fazer o mesmo que o experimento do canudo de refrigerante: nos encantou. Procuramos explicá-la, pois o conhecimento empregado

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

nesse gerador é simples, é a eletrostática. Apesar de tudo, a sua compreensão para nós foi difícil e isso se tornou fundamental para nos dedicarmos em construí-la. Aumentamos a dificuldade, pois procuramos utilizar materiais de baixo custo e evidenciar sua importância na aprendizagem e divulgação, tanto formal quanto informal.

Partimos da necessidade da compreensão da função de cada componente da máquina. Não foi necessário inventar algo que não existe, então pesquisamos e fomos descobrindo cada vez mais sobre o seu funcionamento. Apesar de acharmos vários métodos de construção, explicação física do seu funcionamento em livros e artigos, a real importância de cada componente só foi possível testando empiricamente.

A definição mais difundida é que ' a máquina de Wimshurst é um dispositivo mecânico que, pelo processo da indução e polarização de cargas em condutores, separa cargas positivas de negativas acumulando-as, respectivamente, nos seus terminais esféricos e/ou nas Garrafas de Leyden (capacitores). Ela foi inventada pelo físico inglês James Wimshurst [1832 - 1903] em 1880 e reinou nos laboratórios até o surgimento do gerador eletrostático Van De Graaff em 1931 [1].'.

A foto abaixo é a nossa máquina de Wimshurst.

Foto 01: Máquina de Wimshurst

<!-- image -->

O disco isolante e o eixo superior foram o início da nossa investigação e construção. Nas nossas pesquisas, o gerador costuma ser construído com discos de acrílico, devido seu custo não ser elevado, ter uma alta resistência material e

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

elétrica, além de facilitar o seu uso didático, devido sua transparência. O eixo foi comprado em uma loja de lixo eletrônico, junto com as buchas de bronze, que servem para minimizar o atrito na rotação do disco. Nesse caso é possível substituir por rolamentos, no entanto existe uma dificuldade em conseguir o conjunto de rolamentos, eixos e buchas para a fixação no acrílico. Essa dificuldade surge, pois cada disco precisa rodar separadamente, a uma distância pequena entre eles. A rotação será controlada por uma manivela, que gira no mesmo sentido de um dos discos e em sentido inverso ao outro.

Reaproveitar, reciclar e paciência. Essas foram as palavras necessárias em nossa jornada, pois não encontramos nenhuma lista de material de baixo custo pronto ou de materiais usados com frequência em sua construção. Ajudou-nos as fotos que encontramos espalhados pela internet, foi possível deduzir e/ou imaginar o modo que era feito e o material que utilizava.

Ainda na loja de lixo eletrônico, encontramos eixos de impressoras com roletes de borracha, esses roletes nos serviram para separar os discos. Procuramos algo que poderíamos retirar e colocar sem estragar o eixo, além de não deixarem os discos deslizarem nele, devido o material ser de borracha, que tem uma alta aderência.

Na foto 01 são descriminadas as hastes neutralizadoras, que podemos dizer que são as artérias da máquina, pois sem elas nada funcionará. Em muitos livros, mencionam uma descrição do ângulo que formam com a horizontal. Por esse motivo, pensamos em uma haste que teríamos o controle de variar o ângulo, para conseguir relacionar com o seu funcionamento. Novamente utilizamos os roletes de borracha, pois a haste precisa ficar isolada eletricamente do eixo superior, para que não entre em curto circuito com a outra haste, então as fixamos nos roletes com auxilio da massa de epóxi e, devido à flexibilidade da borracha, é possível colocar e retirar as hastes do eixo, sem grandes dificuldades, além de possibilitar uma boa aderência ao eixo e variar o ângulo em relação a horizontal.

Para nós o coração da máquina são os setores metálicos fixado no disco de acrílico. Como em um bom condutor, existem vários elétrons livres [2], isso facilita no processo de separação das cargas, por contato e indução. São nesses setores metálicos que as cargas são induzidas e separadas, para serem coletadas nos pentes e armazenadas nos capacitores ou nos terminais esféricos da máquina. Percebemos então que quanto melhor o condutor nos setores metálicos, melhor será o processo de indução. O mais utilizado para esse item é o cobre, porém a dificuldade em comprar, cortar e moldar é grande para quem não tem recursos financeiros e suporte de ferramentas para esse trabalho. Optamos por usar mini colheres, geralmente utilizadas para festas (devido o preço), para adoçar o café e entre outros. Normalmente possui uma descrição simples como, mini colheres de metal ou de inox. Devido ao seu formado já ser arredondado [3], e possuir uma grande porcentagem de ferro, isso facilitou na escolha, apesar de não ser um excelente condutor, após o processo de indução ter iniciado, tem um grande rendimento.

A ligação entre as mini colheres metálicas e as hastes neutralizadoras, se dão por intermédio das escovas condutoras, são pequenos e finos fios elétricos. Devido à facilidade utilizamos inicialmente fios de cobre. Entretanto com essa configuração a máquina não funcionou. Substituímos as escovas de cobre por fios encontrados na blindagem de cabos coaxial, utilizados por antenas, que são

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

emaranhados fios de alumínios. Partimos da ideia de que, o contato com materiais diferentes poderia eletrizar os extremos das hastes neutralizadora, devido o atrito. Deste modo impediria o surgimento de uma corrente na haste neutralizadora, necessária para o seu bom funcionamento.

Uma vez que as mini colheres estão eletrizadas, as coletas dessas cargas se dão pelo poder das pontas [3]. A máquina possui dois pares de pentes, em um deles as colheres estão eletrizadas positivamente, induzindo os pentes a ficarem carregados negativamente, logo a garrafa de Leyden [4] conectado a esse terminal, ficará positiva e o inverso acontece no outro lado.

Sabemos que capacitores ligados em série, somam-se o potencial elétrico do sistema [5], isso fica evidente na máquina de Wimshurst. Quando ligamos a parte metálica externa da garrafa de Leyden, neutralizamos as cargas induzidas no seu exterior, percebe-se empiricamente uma faísca maior em seu terminal esférico, contudo quando não ligamos em série, dependendo da capacidade da máquina e da garrafa, é provável uma descarga no próprio capacitor, tendo um limite para o armazenamento.

No geral, a maioria dos materiais foi doada, pois não tinham mais utilidades Um exemplo foi o próprio disco de acrílico, que apresentava uma forma irregular e estava bastante riscado, porém cortamos o acrílico em formato circular e foi polido. A tábua de madeira foi reaproveitada de um guarda roupa que seria descartado. Logo, nosso objetivo no decorrer de sua construção foi de coletar materiais que aparentemente não tinha mais nenhuma função além do descarte. Contudo os demais componentes foram obtidos em lojas de matérias de utensílios domésticos e de construção.

Tabela 01: Lista de Materiais

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Resultados

No decorrer do texto, percebe-se que algumas indagações, críticas e reflexões de sua montagem, da operação e da base teórica, estão muito presente em todo esse desenvolvimento.

Despertar essas indagações foi um dos nossos principais objetivos. Por exemplo, saber que dois materiais condutores com potenciais elétricos diferentes, ao entrarem em contanto tendem a ficar com o mesmo potencial elétrico [3]. Esse conceito físico é essencial para entendermos que há uma eletrização das escovas ao entrarem em contado com as mini colheres. E é através da construção da máquina eletrostática que tais discussões são problematizadas e, de acordo com Thomas Kuhn (1975), podemos refletir através daquele conhecimento formal do mecanismo de funcionamento do gerador, permitindo o processo contextualização e a construção de cada componente e sua relação, fazendo com que o aprendiz se envolva e se dedique a soluções dos problemas.

Outra questão levantada no início do projeto era de como transportá-lo, pois o intuído é que qualquer pessoa possa construí-lo e tenha condições de leva-lo para qualquer lugar, praticando indiretamente a divulgação do aparato. Abaixo temos a máquina desmontada, ocupando pouco espaço e facilitando o transporte.

Foto 02: Máquina de Wimshurst desmontada.

<!-- image -->

## Aparatos experimentais

Depois de construído é possível realizar várias experiência de eletrostática, pois agora possuímos um gerador eletrostático, fornecendo cargas elétricas para o nosso sistema.

Cabe agora à pessoa que construiu o gerador elaborar seus próprios experimentos associados a ele. Além de sua própria criatividade, temos uma divulgação grande em relação a experimentos eletrostática. A seguir daremos alguns exemplos de experimentos que podemos associar.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Ressaltamos a importância de encontrar um material que seja isolante e que possua uma estrutura capaz de suportar uma pessoa. Pois isolada eletricamente do chão, poderá realizar várias experiências envolvendo ela e compreender melhor o comportamento da eletricidade estática.

## Torniquete eletrostático

Com esse experimento acoplado ao gerador, é possível associar alguns fenômenos da eletrostática, como poder das pontas, vento eletrostático e força elétrica.

## Gaiola de Faraday

Um dos mais famosos experimentos de eletrostática. Consiste basicamente carregar uma caixa ou um cilindro metálico sem tampa, com barbantes amarrados dentro e fora da caixa, onde ao ser eletrizado é evidenciando através do barbante o campo elétrico nulo em seu interior. E através da criatividade é possível realizar várias experiências com ele e desenvolvendo teorias condizentes para a observação.

Foto 03: Torniquete Eletrostático.

<!-- image -->

Foto 04: Gaiola de Faraday.

<!-- image -->

## Lâmpada fluorescente

Como acender uma lâmpada queimada? É possível demostrar tal fenômeno descarregando o gerador nos polos da lâmpada.

## Conclusões

A demonstração visual de fenômeno físico agrada aos olhos do participante do processo de aprendizado. A máquina de Wimshurst que foi proposta nesse trabalho consegue chamar a atenção devido ao fato do fenômeno ali demonstrado ser bastante aparente, e, ainda assim, poder ser ligado à fenômenos cotidianos. Sua construção caseira permite aprendizado também de outros fenômenos, como a condutividade elétrica e a capacitância de uma garrafa de Leyden, por exemplo. Sua facilidade de transporte permite também a construção de uma ferramenta para se levar diretamente à sala de aula, podendo ser facilmente usada, tanto em turmas de ensino fundamental e médio, quanto até mesmo em turmas de ensino superior, assim como exibições em feiras cientificas e museus.

Essa construção estabelece um elo forte na divulgação cientifica e no aprendizado, trabalhando com materiais de baixos custos e com a fascinação da física, especificamente a eletrostática. Sendo uma colaboração significativa para um olhar crítico no desenvolvimento do aprendizado da ciência e como algo aparentemente complexo se torna simples e aplicável no cotidiano.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Notas

- [1] - Departamentos de Física da UNESP - Show de Física. Disponível em http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99\_Explor\_Eletrizacao/paginas%20htmls/Maqui na%20Wimshurst.htm. Acesso em 10/10/2012.
- [2] - GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física). Física 3:
- Eletromagnetismo. São Paulo, EDUSP, 1991. 46p.
- [3] - Paul G. Hewitt (2002) Física Conceitual, 9ª Editora Bookman. Páginas 387 a 401.
- [4] - PIETROCOLA, M; POGIBIN, A.; ANDRADE, R.; ROMERO, T. R.. Física em Contextos. Volume 3 - Eletricidade e Magnetismo Ondas Eletromagnéticas Matéria e Radiação. São Paulo: editora FTD, 2010. V.3. Página 44.

[5] - ANNA, Blaidi S.; MARTINI, Gloria; REIAS, Hugo Carneiro; SPINELLI, Walter. Conexões com a Física. Volume 3 - Eletricidade: Física do século XXI. São Paulo: Editora Moderna, 2010. Página 190.

## Referências

PERRENOUD, Philippe. Construir as competências desde a escola. Porto Alegre: Artes Médicas, 1999.

SCHMIDT, I. P. &amp; KAWAMURA, M.R. O papel do laboratório no ensino de Física Atas do X SNEF. Londrina/Pr. 1993. Páginas 366-368.

Loureiro, J. M. M.. Museu de ciência, divulgação científica e hegemonia. Ciência da Informação, Brasília, v. 32, n. 1, p. 88-95, jan./abr. 2003.

Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais - Ensino Médio - Física (PCN+). Página 22. Disponível em http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/ciencian.pdf. Acesso 09/09/2012.

BACHELARD, G. Epistemologia. Rio Janeiro: Zahar, 1977.

Kuhn, Thomas S. (1975) A Estrutura das Revoluções Científicas. Tradução de Beatriz Vianna Boeira e Nelson Boeira. São Paulo: Editora Perspectiva

QUEIROZ, A.C., Máquinas de Influência disponível em: http://www.coe.ufrj.br/~acmq/wimport.html. Acesso em 10/04/2012.

H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica - 3 Eletromagnetismo. Edição 1ª ED. 1997, 3ª Reimpressão 2003.

Jearl Walker; David Halliday; Robert Resnick, Fundamentos de Física Vol. 3, 8ª ed., 2009.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_