FACULDADE DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS DE ITUVERAVA-SP

Airton Pereira de Carvalho Neto

ELETROSTÁTICA

Experimento I - Eletrização

Fevereiro de 2015.

Ituverava – SP

1

AIRTON P. CARVALHO NETO

ELETROSTÁTICA

Experimento I - Eletrização

O presente relatório está fundamentado em

experimentos práticos desenvolvidos em laboratório,

solicitado pelo Sr. Prof. Leonardo, como parte da

avaliação da disciplina de Física Geral e

Experimental III, do curso de Engenharia Mecânica,

da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de

Ituverava – FFCL. Sob coordenação do Sr. Prof.

Tadeu Tomio.

Fevereiro de 2015.

Ituverava – SP2

RESUMO

O presente relatório teve por objetivo identificar e analisar as reações eletrostáticas

através do atrito, contato e indução estudando assim seus princípios fundamentais.

Da mesma forma analisa o funcionamento da chamada gaiola de Faraday

(Blindagem eletrostática) e como ela pode desestruturar ondas eletromagnéticas,

podendo até mesmo interferir no funcionamento de um aparelho celular. Também

através deste relatório é feito uma correlação da eletrização por atrito com os raios e

relâmpagos, explicando seu significado, formação e descarga, conforme solicitado

pelo professor Leonardo.

Palavras-chave: Reações eletrostáticas. Gaiola de Faraday. Blindagem

eletrostática.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 5

2 REFERENCIAL TEÓRICO .......................................................................................7

2.1 MODELO ATÔMICO .............................................................................................7

2.2 CARGA ELÉTRICA ...............................................................................................9

2.3 ELETRIZAÇÃO ....................................................................................................10

2.3.1 PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO ...................................................................10

2.4 BLINDAGEM ELETROSTÁTICA (GAIOLA DE FARADAY) ................................12

3 EXPERIMENTOS ...................................................................................................14

3.1 MATERIAL UTILIZADO .......................................................................................14

3.1.1 ATIVIDADE I – ELETRIZAÇÃO POR ATRITO .................................................14

3.1.2 ATIVIDADE II – BLINDAGEM ELETROSTÁTICA (FARADAY) .......................14

3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ..................................................................14

3.2.1 ATIVIDADE I – Eletrização por atrito ................................................................14

3.2.2 ATIVIDADE II – Blindagem eletrostática (FARADAY) ......................................15

4 CONCLUSÃO ........................................................................................................16

5 REFERÊNCIAS ......................................................................................................17

6 ANEXOS ................................................................................................................18

6.1 RELÂMPAGOS ...................................................................................................18

6.1.1 TIPOS DE RELÂMPAGOS ...............................................................................19

6.2 RAIOS .................................................................................................................19

6.2.1 VOLTAGEM, CORRENTE E ENERGIA DE UM RAIO ....................................19

6.2.2 FASES DE UM RAIO .......................................................................................20

6.2.3 RAIOS ASCENDENTES ..................................................................................21

6.3 OS TROVÕES .....................................................................................................22

6.3.1 FORMAÇÃO .....................................................................................................22

6.3.2 CARACTERÍSTICAS ........................................................................................23

6.3.3 DURAÇÃO ........................................................................................................23

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1. INTRODUÇÃO

A eletrostática é a parte da Física responsável pelo estudo das cargas

elétricas em repouso. Ao longo da história, grandes pesquisadores como Tales de

Mileto conseguiram verificar a existência das cargas elétricas. Segundo Maurício

Ruv Lemes, foi Tales quem primeiro conseguiu verificar, em 600 a. C., que o âmbar,

após atritado, consegue atrair fragmentos de palha. Em 1672 o pesquisador alemão

Otto Von Guericke (1602 – 1686) conseguiu inventar a primeira máquina

eletrostática. Já por volta de 1729, Stephen Gray descobre que alguns corpos tem

propriedades condutoras de eletricidade. Charles Augustin de Coulomb (1736 –

1806) conseguiu medir a intensidade das forças de atração ou de repulsão entre as

cargas elétricas por volta de 1777, usando uma balança de torção e enunciou a Lei

de Coulomb tratando desta força.

De todos os fenômenos naturais, as tempestades repletas de raios,

relâmpagos e trovões é o que mais tem despertado interesse nas pessoas devido

não só ao espetáculo de luzes e fortes estrondos, más também ao seu grande poder

energético de destruição. Desde os tempos mais remotos, até os dias de hoje muitas

pessoas e cientistas buscam compreender e explicar tais fenômenos, essa busca

que passa por crenças religiosas, onde civilizações acreditavam que os raios eram o

sinal da ira dos deuses sobre os povos, também era demonstrada em histórias que

passavam de geração em geração outra crença muito difundida na Europa Medieval,

que, dizia que o badalar dos sinos das igrejas durante as tempestades afastaria os

raios. A superstição perdurou por muito tempo. Muitos campanários de igreja foram

atingidos e mais de uma centena de tocadores de sino foram mortos acreditando em

tal ideia. A superstição perde força somente no início do século XVIII.

Foi só a partir do século XVIII, com o experimento realizado pelo cientista

norte-americano Benjamin Franklin (1706-1790), que esses fenômenos passaram a

ser explicados através de uma visão científica, pois até então pouco ou quase nada

se sabia a respeito. O raio é uma demonstração natural de energia elétrica. Ele pode

destruir construções, queimar árvore e matar animais, inclusive pessoas. Os raios

representam descargas elétricas entre nuvens e o solo. Essa forte descarga de

energia produz calor, luz (relâmpago) e som (trovão).

5

O relâmpago é um exemplo comum más espetacular de fenômeno elétrico. As

interações eletromagnéticas mantêm os elétrons e os núcleos unidos para formar

átomos; mantém os átomos unidos para formar moléculas; e mantêm estas unidas

para formar objetos macroscópicos. As tempestades elétricas são perigosas por

várias razões: (1) se um relâmpago atingir o leitor ou um objeto que o leitor esteja

segurando, poderá produzir um choque fatal; (2) se um relâmpago atingir um objeto

próximo, parte da carga poderá saltar e atingir o leitor (um efeito conhecido como

descarga lateral); (3) se um relâmpago atingir o solo nas proximidades do leitor,

parte da carga produzida no solo poderá atravessar o corpo do leitor.

A pergunta que fica no ar é: Será que alguém pode ficar seguro contra raios

dentro de um carro durante uma tempestade? A blindagem eletrostática mostra que

sim, uma pessoa dentro de um carro atingido por um raio nada sofrerá, pois a

estrutura metálica do carro isola o seu interior das influencias elétricas externas.

O primeiro cientista a praticar esse fenômeno foi o físico experimental inglês

Michael Faraday (1791-1867). Para mostrar que em um condutor metálico, as

cargas se distribuem apenas em sua superfície externa, não exercendo, portanto

nenhuma ação nos pontos internos, Faraday mandou construir uma gaiola metálica,

que passou a ser conhecida como gaiola de Faraday. Ele Próprio colocou-se dentro

da gaiola e mandou seus assistentes eletrizarem-na intensamente.

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2.REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 – MODELO ATÔMICO

Toda a matéria que conhecemos é formada por moléculas. Esta, por sua vez,

é formada de átomos. Na antiguidade, acreditava-se que o átomo era indivisível e

maciço, mas no começo deste século ficou provado que ele é descontínuo, sendo

formado por partículas menores e estas, ainda, por subpartículas.

Um átomo é constituído de três partículas tidas como “elementares”, tal

conceito atualmente não é mais válido, visto que foi constatado por meio do Grande

Colisor de Hádrons, que existem partículas menores que os prótons. Entretanto,

ainda assim, por questões didáticas um átomo mantém-se como sendo composto

por três partículas elementares, caracterizadas pelas suas cargas elétricas e

massas, são elas:

Próton – partícula de carga elétrica positiva (+) situada no núcleo do átomo,

junto aos nêutrons. Tem massa convencionada em 1, sendo sua carga real

1,673·10−27 Kg. É constituído de dois quarks up e um quark down. Possui carga de

1,6·10-19 Coulombs (C), assim como os elétrons, porém estes possuem carga

contrária aos prótons.

Nêutron – partícula de carga elétrica neutra, encontra-se no núcleo junto com

os prótons. Tem massa convencionada em 1, sendo sua massa real 1,675·10−27 Kg.

É constituído por dois quarks down e um quark up. Possui carga de (-0,4±1,1)·10−21,

sendo esta teoricamente nula. Indispensável em todos os núcleos atômicos, pois

este é responsável por mantê-lo estabilizado, não estando presente apenas no

núcleo do isótopo de Hidrogênio 1H.

Elétron – partícula de carga elétrica negativa (-), que se dispõe em orbita ao

redor do núcleo, na eletrosfera, o que gera o denominado campo eletrônico, o qual

pode ser eletrostático ou eletrodinâmico. Tem massa real de 9,1093897·10-31 Kg,

que é teoricamente descartada. A carga dos elétrons é oposta a dos prótons,

entretanto é numericamente igual à carga dos últimos em módulo, sendo igual a --

1,6·10-19 C.

7

Figura 1: Modelo do átomo

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/figuras/carga2.gif

Para um átomo ser “estável” é indispensável que o número de carga dos

prótons e elétrons seja igual, é importante salientar que apesar de cargas iguais, as

massas são distintas. A eletrosfera é atraída pelo núcleo devido às cargas elétricas

opostas. A eletrosfera é atraída pelo núcleo devido às cargas elétricas opostas. A

eletrosfera tem carga elétrica negativa equivalente à carga elétrica positiva dos

prótons do núcleo. Por isso, quando há uma mesma quantidade de prótons e

elétrons diz-se que o átomo é eletricamente neutro.

De acordo com a Mecânica Quântica ainda há algumas propriedades

inerentes a todo átomo. Sendo alguma delas:

Os prótons e nêutrons devem estar agrupados em uma massa central

(núcleo) onde equilibram-se as forças de repulsão elétrica (+) e as forças de

atração gravitacionais (massas).

Os elétrons, por não terem massa, movimentam-se em órbitas ao redor deste

núcleo (região chamada eletrosfera).

A quantidade de elétrons deve ser igual à de prótons, para manter a

neutralidade elétrica do átomo.

Na eletrosfera os elétrons distribuem-se em 7 camadas (denomina- das K, L,

M, N, O, P, Q), que são análogas as "cascas de uma cebola".

Cada camada pode conter um limite máximo de elétrons, conforme seu

"tamanho" (K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 32, P = 18, Q = 2).

As camadas são preenchidas a partir do núcleo e a última não tem mais que

8 elétrons.

8

O diâmetro do átomo chega a ser até 100.000 vezes maior que o diâmetro do

núcleo.

2.2 – CARGA ELÉTRICA

Se pudéssemos separar os prótons, nêutrons e elétrons de um átomo, e

lançá-los em direção à um imã, os prótons seriam desviados para uma direção, os

elétrons a uma direção oposta à do desvio dos prótons e os nêutrons não seriam

afetados. Esta propriedade de cada uma das partículas é chamada carga elétrica.

Os prótons são partículas com cargas positivas, os elétrons tem carga

negativa e os nêutrons tem carga neutra.

Um próton e um elétron têm valores absolutos iguais embora tenham sinais

opostos. O valor da carga de um próton ou um elétron é chamado carga elétrica

elementar e simbolizado por .

A carga elétrica de um corpo pode ser descrita como sendo o desequilíbrio

entre a quantidade de prótons e elétrons deste, afinal quando estes estão em

equilíbrio a carga elétrica será nula. E em caso contrário, quando há desequilíbrio,

estes podem ter carga positiva, quando houver um número menor de elétrons, ou

negativa, quando o número de elétrons for maior que o número de prótons.

A unidade de medida adotada internacionalmente para a medida de cargas

elétricas é o coulomb (C).

A carga elétrica elementar é a menor quantidade de carga encontrada na

natureza, comparando-se este valor com coulomb, têm-se a relação:

A unidade coulomb é definida partindo-se do conhecimento de densidades de

corrente elétrica, medida em ampère (A), já que suas unidades são

interdependentes.

Um coulomb é definido como a quantidade de carga elétrica que atravessa

em um segundo, a secção transversal de um condutor percorrido por uma corrente

igual a 1 ampère.

9

A falta e/ou o excesso de elétrons em um corpo é consequência do fato dos

elétrons, que diferente dos prótons, são dinâmicos, possuindo capacidade de

transferir-se de um corpo a outro, assim como locomover-se na eletrosfera do

próprio átomo. Então, quando um corpo que estava originalmente neutro passa a ter

carga negativa ou positiva, significa que ele ganhou ou perdeu elétrons,

respectivamente. Quando isto corre este passará a possuir uma carga Q, a qual

pode ser calculada por meio da equação 1.

(1)

onde n, é o número de elétrons; e, é a carga elementar de valor |e| = 1,6·10 -19 C.

Sendo Q representado pela unidade de medida Coulomb (C).

2.3 – ELETRIZAÇÃO

Eletrizar um corpo significa transferir ou retirar elétrons deste, de modo que

seja possível gerar uma alteração em suas cargas elétricas originais, um exemplo

disto, é fazer com que um corpo neutro torne-se eletricamente negativo.

2.3.1 – PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

Existem três modos principais de eletrização: por contato, por atrito e por

indução.

Atrito: Processo conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e que

consiste em se atrair corpos inicialmente neutros; durante a fase do atrito ocorre a

transferência de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica

eletrizado positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se negativamente.

Figura 2: Eletrização por atrito entre lã e bastão de vidro

http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/atrito.jpg

10

Na eletrização por atrito os corpos sempre se eletrizam com cargas iguais

mas de sinais contrários. Os sinais que as cargas irão adquirir depende, dos tipos de

substâncias que serão atritadas.

Contato: Um corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente

carregado.

Figura 3: Eletrização por contato

http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/contato.jpg

Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de mesmo

sinal.

Indução eletrostática: Um corpo é eletrizado apenas pela aproximação de

um outro corpo previamente eletrizado, todavia, para que esta eletrização se

mantenha é necessário de utilizar de um simples artifício, sem o qual o corpo volta

ao seu estado anterior.

Figura 4: Eletrização por indução eletrostática

http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/inducao.jpg

11

Na eletrização por indução, o corpo induzido sempre se eletriza com carga de

sinal contrário à do corpo indutor.

2.4 – BLINDAGEM ELETROSTÁTICA (GAIOLA DE FARADAY)

A blindagem eletrostática foi comprovada, em 1936, por Michael

Faraday (1821-1867) através de um experimento que ficou conhecido como

a gaiola de Faraday.

A Gaiola de Faraday, nada mais é, do que uma blindagem elétrica.

Resumindo, seria uma superfície condutora que envolve e delimita uma região do

espaço, impedindo em certas situações a entrada de perturbações produzidas por

campos elétricos ou eletromagnéticos externos. A blindagem é feita com um material

condutor, que funciona impedindo a entrada de campos eletrostáticos ou

eletromagnéticos de onda que sejam superiores ao tamanho da malha. Quanto mais

o comprimento da onda se aproximar do tamanho da malha, a blindagem vai

deixando de ser eficaz. Um condutor, quando carregado, tende a espalhar suas

cargas uniformemente por toda a sua superfície. Se esse condutor for uma esfera

oca, por exemplo, as cargas irão se espalhar pela superfície externa, pois a repulsão

entre as cargas fazem com que elas se mantenham o mais longe possível umas das

outras. Os efeitos de campo elétrico criados no interior do condutor acabam se

anulando, obtendo assim um campo elétrico nulo. O mesmo acontece quando o

condutor não está carregado, mas está em uma região que possui um campo

elétrico causado por um agente externo. Seu interior fica livre da ação desse campo

externo, fica blindado. Esse efeito é conhecido como blindagem eletrostática. Alguns

dos princípios eletromagnéticos envolvidos estão nas leis de Faraday:

1ª lei de Faraday - Nos condutores em equilíbrio a eletricidade é distribuída

apenas na superfície externa; no seu interior não há traço de eletricidade.

2ª lei de Faraday – No equilíbrio elétrico a força elétrica no interior dos

condutores completamente fechados e desprovidos de corpos eletrizados é nula.

A gaiola de Faraday produz uma “blindagem eletrostática” pois o campo

elétrico externo produz uma redistribuição dos elétrons livres do condutor, resultando

no acúmulo de cargas negativas sobre uma parte da superfície e cargas positivas

sobre outra parte. Isto produz um campo elétrico que se superpõe ao campo inicial,

de tal modo que o campo total é igual a zero em todos os pontos da gaiola, 12

produzindo também uma alteração da forma das linhas de campo nas vizinhanças

da caixa. Aplicações Ela serve para proteger instrumentos e aparelhos de grande

sensibilidade, garantir a segurança de instalações perigosas como locais de

preparação de explosivos, é usada como proteção de edifícios contra descargas

atmosféricas. Também outras aplicações são: o gabinete de um computador, um

forno de microondas, um carro, um avião.

Uma aplicação mais prática é o uso de para-raios em edifícios. São formados

por uma ligação metálica de cobre ou alumínio que liga a extremidade superior de

um edifício, (formando a gaiola de Faraday), e aos condutores enterrados no solo,

dissipando a descarga e desviando-a de possíveis alvos. Outra aplicação prática é o

forno microondas, que também funciona como uma gaiola de Faraday. Ele não deixa

sair as microondas que esquentam os alimentos, pois tem as suas superfícies

metálicas, e na porta, onde geralmente há um vidro para observar os alimentos, há

uma malha metálica que no conjunto total com as outras paredes, impede a

passagem das ondas.

Dizem os historiadores que, quando Faraday revelou a sua descoberta à

comunidade científica da época, os seus colegas zombaram da sua teoria. Faraday

acabara de se tornar pai de um saudável bebê. Para provar as suas convicções, ele

pegou no seu filho e, cobrindo-lhe os olhos com um pano escuro, colocou-o dentro

de uma gaiola metálica. Diante das autoridades científicas, Faraday ligou um

autotransformador, cujo secundário estava próximo da gaiola aterrada. Após elevar

a tensão para milhares de Volts, várias descargas (raios) atingiram a gaiola. Quando

o transformador foi desligado, retirou o seu filho ileso da gaiola, para espanto de

todos. O princípio de Faraday é utilizado tanto para alta quanto para baixa tensão.

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3. EXPERIMENTOS

3.1 – MATERIAL UTILIZADO

3.1.1 – ATIVIDADE I – ELETRIZAÇÃO POR ATRITO

- Duas moedas (ex. R$ 0,50)

- Um palito de fósforo comum

- Um copo descartável

- Uma bexiga

3.1.2 – ATIVIDADE II – BLINDAGEM ELETROSTÁTICA (FARADAY)

- Dois celulares habilitados em estado de funcionamento normal

- Um pedaço de papel alumínio (aprox. 20x20 cm)

3.2 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.2.1 – ATIVIDADE I – Eletrização por atrito

O experimento da atividade I consiste em equilibrar uma moeda sobre a outra

de forma que uma permaneça deitada e a outra em pé sobre ela, em seguida é

necessário equilibrar também o palito de fósforo sobre a moeda superior. Feito isso

coloca-se o copo com a “boca” virada para baixo sobre o conjunto moedas-palito

para protegê-los de qualquer influência de ventos próximos.

A bexiga deve ser enchida e atritada no cabelo por várias vezes, quanto

menos umidade existir no ambiente melhor será. Feito isso, aproxima-se a bexiga do

copo sem empurrá-lo, e verifica-se a reação do conjunto que está dentro do copo.

1. Depois de observar a reação do conjunto que está dentro do

copo, o que se pode notar?

Após atritar a bexiga no cabelo e aproximá-la do copo, nota-se que o conjunto se

move.

2. Porque isso acontece?

Com o atrito da bexiga no cabelo, acontece um processo de eletrização onde ocorre

uma troca eletrônica, de modo que a bexiga e o cabelo terão cargas opostas. Por

convenção, considera-se que o cabelo doa elétrons à bexiga, ou seja, a bexiga

14

passa a ter excesso de cargas negativas, e ao aproximar do copo, isso fará com que

o palito seja atraído por conter suas cargas positivas.

3.2.2 – ATIVIDADE II – Blindagem eletrostática (FARADAY)

O experimento da atividade II consiste em fazer primeiramente uma ligação

entre os dois celulares para se ter certeza de que estão em pleno funcionamento e

se comunicando normalmente. Em seguida, após encerrar a ligação de teste, faz-se

uso da folha de papel alumínio embrulhando um dos aparelhos de forma que fique

totalmente coberto sem partes à mostra.

Com o outro celular, efetua-se uma ligação para o aparelho celular que está

embrulhado, e verifica-se as reações encontradas.

1. Depois de efetuar a ligação qual o resultado observado?

Ao efetuar uma ligação com um dos celulares embrulhado no papel alumínio

é recebido uma resposta da operadora de telefonia informando que o celular

chamado está fora da área de cobertura, mesmo o celular estando ainda ligado

dentro da proteção de alumínio.

2. Porque isso acontece?

Quando um corpo condutor de eletricidade é eletrizado por meio de algum

dos processos de eletrização, as cargas elétricas são distribuídas uniformemente em

sua superfície. Isso acontece porque as cargas elétricas tendem a afastar-se, de

acordo com o princípio da repulsão entre cargas de mesmo sinal, até atingirem uma

condição de repouso, o equilíbrio eletrostático.

Uma das propriedades de um condutor em equilíbrio eletrostático é que o campo

elétrico em seu interior é nulo justamente pela sua distribuição de carga. Esse

fenômeno é conhecido como blindagem eletrostática

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4. CONCLUSÃO

Muitos efeitos que presenciamos ao redor de nós são, no fundo, o resultado

de forças eletromagnéticas e ações eletrostáticas. Por exemplo, as plantas verdes

absorvem a luz solar, uma forma de onda eletromagnética, e convertem a energia

em energia potencial eletromagnética sob a forma de moléculas de carboidrato – a

base de quase toda vida na Terra.

O atrito causado pela colisão de diferentes tamanhos de partículas de gelo

dentro das nuvens são responsáveis por haver transferências de cargas.

Os fenômenos eletrostáticos, como o campo, forças e cargas eletroestática

foram constatados ao longo da prática laboratorial. Esta prática possibilitou uma

melhor aplicação e compreensão da Lei de Coulomb, assim como dos princípios

básicos da eletrostática. Sendo ainda possível trabalhar com o Potencial Elétrico e

com o campo elétrico, que recebeu especial ênfase devido a sua importância e

complexidade. Analisando por fim os efeitos da blindagem eletrostática e das Leis de

Faraday, e sua importante aplicação no nosso dia a dia.

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5. REFERÊNCIAS

[1] - http://www.infoescola.com/fisica/eletrostatica/

[2] - http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/

[3] - http://www.mundoeducacao.com/fisica/blindagem-eletrostatica.htm

[4] - http://www.brasilescola.com/fisica/blindagem-eletrostatica.htm

[5] - http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/noticias/release.php?id=16

[7] - HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física 3.

8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

[8] – KELLER, Frederick J.; GETTYS, W. Edward; SKOVE, Malcolm J. Física,

volume 2. Ed. São Paulo: Makron Books, 1999.

Figura1. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br/.../Eletrostatica/figuras/carga2.gif>.

Figura2. Disponível em: <http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/atrito.jpg>.

Figura3. Disponível em: <http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/contato.jpg>.

Figura4. Disponível em: <http://servlab.fis.unb.br/matdid/1_1999/Vildinei/inducao.jpg>.

Figura5. Disponível em: <http://www.ghcc.msfc.nasa.gov/images/lightning.gif>.

Figura6. Disponível em: <http://agencia.fapesp.br/.../15373>.

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6 – ANEXOS

6.1 – RELÂMPAGOS

De uma forma geral, os relâmpagos consistem de uma descarga elétrica

transiente de elevada corrente elétrica através da atmosfera. Em geral, essas

descargas são consequências das cargas elétricas acumuladas (C) nas cúmulo-

nimbos e ocorrem quando o campo elétrico excede localmente o isolamento

dielétrico do ar (>3 milhões de volts por metro) (MENDES e DOMINGUES, 2002).

Os relâmpagos não ocorrem apenas nas nuvens de tempestades, eles

também acontecem nas tempestades de neve, tempestades de areia, e nas

erupções vulcânicas. Acontecem também na atmosfera, em explosões nucleares, no

fundo dos oceanos e nos longos cabos condutores levados próximos as nuvens por

foguetes ou aviões, porém esses relâmpagos são gerados artificialmente. Nesses

últimos anos tem-se utilizado bastante este processo afim de estudos das

características dos relâmpagos, que ajudam a prever o instante e o local provável de

sua queda. No entanto os resultados obtidos através desse processo devem ser

visto com bastante cuidado, pois se deve levar em consideração que os relâmpagos

artificiais podem divergir dos relâmpagos naturais.

Um relâmpago dura em média um terço do segundo, embora tenha sido

notados valores variando de um a dois décimos de segundos. Dentro deste intervalo

de tempo, a corrente elétrica sofre grandes variações, podendo ser atingidos picos

de 30 mil ampères durante períodos menores que um décimo de milésimos de

segundo. O resultado disto é a transferência ao longo do canal de uma carga elétrica

com uma média de 20 coulombs. Em alguns casos, menos de 1% ultrapassa a

corrente excede 200 mil ampères. Esta corrente passa por um canal com um

diâmetro de poucos centímetros e um comprimento em média de 3 quilômetros, e a

temperatura chega a atingir cerca de 30 mil graus Celsius, com valor igual a cinco

vezes a temperatura na superfície do Sol, e a pressão, valores de 10 atmosferas, ou

seja dez vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.

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6.1.1 – TIPOS DE RELÂMPAGOS

Existem diferentes tipos de relâmpagos eles ocorrem: a) da nuvem para o

solo, b) do solo para a nuvem, c) dentro da nuvem, d) da nuvem para qualquer ponto

da/na atmosfera, denominados descargas no ar, e) entre as nuvens e f) da nuvem

para cima.

6.2 – RAIOS

“Raio é o caminho luminoso da descarga atmosférica, às vezes utilizada, mais

formalmente, para designar uma descarga para o solo” (MENDES e DOMINGUES,

2002).

A energia eletromagnética produzida pelo raio, está numa faixa de frequência

que vai de algumas dezenas de hertz até o visível, sua intensidade máxima está por

volta de 5 quilohertz. Mesmo sendo um valor pequeno, essa radiação é grande o

suficiente para produzir vários fenômenos. Por exemplo, na faixa de algumas

centenas de quilohertz até algumas centenas de mega-hertz, estas ondas acabam

dando interferências em alguns aparelhos, principalmente em radio e televisão. A

emissão de radiação na faixa do visível, de uma região de até 1 metro de diâmetro

ao redor do canal, tem energia luminosa suficiente que daria para iluminar por volta

de um minuto, uma cidade com uma população de aproximadamente 200 mil

habitantes.

6.2.1 – VOLTAGEM, CORRENTE E ENERGIA DE UM RAIO.

Uma das características do raio é que em pouco tempo, por volta de 2

segundos, ele pode emitir várias descargas elétricas. Se várias descargas ocorrem

em um curto período de tempo, logo o tempo de duração de uma única descarga é

muito menor, chegando a ser frações de milésimos de segundos.

Um raio tem uma voltagem de 100 milhões a 1 bilhão de volts, já a sua

corrente é suficientemente para fazer com que 30 mil lâmpadas de 100 W funcionem

ao mesmo tempo, e em alguns casos a corrente do raio chega até 30 mil ampères.

19

De toda a energia produzida pelo raio, apenas uma pequena parte dela é

transformada em energia elétrica, a grande maioria desta energia é destinada para a

luz que é emitida, no som e no calor produzido por ele. Mesmo o raio tendo valores

elevados de corrente e voltagem, a sua duração é muito pequena, sendo assim a

energia elétrica gasta por ele e em torno de 300 kWh, energia suficiente para

apenas alimentar uma lâmpada de 100W por um período de 4 meses.

6.2.2 – FASES DE UM RAIO

Um raio começa com pequenas descargas dentro da nuvem. Estas descargas

liberam os elétrons que começarão seu caminho de descida em direção ao solo.

Esse caminho de descida é tortuoso e truncado em passos de 50 metros, como que

buscando o caminho mais fácil. Esta busca de uma conexão com a terra é muito

rápida (3x 108 m/s) e pouco luminosa para ser visto a olho nu (SABA, 2001).

Figura 5: Fases de um raio.

http://www.ghcc.msfc.nasa.gov/images/lightning.gif

A figura 5 mostra uma descarga elétrica liberada por uma nuvem de

tempestade que é conhecida como líder escalonado. Quando o líder escalonado

está a certa altura do solo, ele atrai uma outra descarga elétrica de carga oposta,

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chamada de descarga conectante. A união dessas duas cargas dá origem ao canal

do raio, caminho esse que por ser ionizado é altamente condutor. A descarga de

retorno, neste mesmo instante, dá-se então origem a uma grande potência onde

muita luz é liberada, temos então um raio.

6.2.3 – RAIOS ASCENDENTES

Os raios ascendentes são em geral artificiais, no sentido de responder às

alterações ambientais produzidas pela atividade humana. Eles se originam devido a

construções elevadas, como torres de telecomunicação, ou pára-raios de edifícios

altos. Em função de suas altitudes, essas estruturas podem concentrar em seus

topos uma grande quantidade de carga elétrica induzida e de sinal oposto à carga

da base de uma nuvem de tempestade que passa sobre ela. Com isso, durante uma

tempestade, inicia-se uma descarga na estrutura que se propaga em direção à

nuvem.

Figura 6: Descargas atmosféricas, que partem do solo e se propagam em

direção a nuvens, podem causar grandes prejuízos para estruturas elevadas, como

geradores de energia eólica (Elat/Inpe).

http://agencia.fapesp.br/raios_ascendentes_sao_registrados_pela_primeira_vez_no_brasil/15373

Os pesquisadores afirmam que estudos poderão estimar qual a frequência e

quais as condições (como a altura das estruturas e os tipos de nuvens e

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tempestades) para que o fenômeno ocorra. A pesquisa também poderá aprimorar os

sistemas de detecção de descargas atmosféricas que monitoram a incidência de

raios no Brasil. Em alguns países, como o Japão, raios ascendentes têm trazido

grandes prejuízos quando atingem turbinas de geração eólica, e em um cenário em

que este tipo de geração de energia tem grandes chances de expansão e aplicação

no Brasil, torna-se relevante intensificar as pesquisas no país que apresenta a maior

incidência de raios do mundo.

Poucos países possuem imagens deste fenômeno, entre eles os EUA, o

Canadá, o Japão e a Áustria. Ainda assim, há pouco conhecimento sobre a física e

as características dos raios ascendentes, o que torna este registro ainda mais

importante para as pesquisas. 

A equipe do ELAT responsável por este estudo é composta pelo pesquisador

Dr. Marcelo Saba e os mestrandos Carina Schumann e Jeferson Alves.

6.3 – OS TROVÕES

As ondas sonoras geradas pelo movimento das cargas elétricas na atmosfera

são denominadas trovões. Resultado do aumento da temperatura do ar por onde o

raio passa, os trovões podem ser perigosos, nas proximidades de onde o fenômeno

acontece. Entretanto, na maioria dos casos, causam apenas medo aos mais

sensíveis.

6.3.1 – FORMAÇÃO

O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal

durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil

graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se

expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de

choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som

no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido

humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores,

essa constitui o trovão audível.

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6.3.2 – CARACTERÍSTICAS

Os meios de propagação dos trovões são o solo e o ar. A frequência dessa

onda sonora, medida em Hertz, varia de acordo com esses meios, sendo maiores no

solo. A velocidade do trovão também varia com o local onde se propaga.

O trovão ocorre sempre após o relâmpago, já que a velocidade da luz é bem

maior que a do som no ar. O que escutamos é a combinação de três momentos da

propagação da descarga no ar: primeiro, um estalo curto (um som agudo que pode

ensurdecer uma pessoa) gerado pelo movimento da Descarga de Retorno no ar.

Depois, um som intenso e de maior duração que o primeiro estalo, resultado

da entrada ou saída da descarga no solo e por último, a expansão de sons graves

pela atmosfera ao redor do canal do relâmpago. Podemos ter uma percepção do

som diferente, mas essa ordem é a mesma. Por isso, é muito perigoso ficar próximo

ao local de queda de um relâmpago. A energia acústica ou energia sonora gasta

para provocar esses estrondos é proporcional a frequência do som. A maior parte

dela, cerca de 2/3 do total, gera os trovões no solo e o restante (1/3) provoca som do

trovão no ar. Mesmo assim, eles costumam ser bem violentos, como podemos

perceber. Por causa da frequência, os trovões no ar são mais graves (como batidas

de bumbo). Aqueles estalos característicos dos trovões, os sons bastante agudos,

além de dependerem da nossa distância à fonte, se relacionam com as deformações

do canal e de suas ramificações. Quanto mais ramificado o canal, maior o número

de estalos no trovão. Se o observador estiver próximo do relâmpago (a menos de

100 metros, por exemplo) o estalo será parecido a de uma chicotada. Isso está

associado a onda de choque que antecede a onda sonora.

6.3.3 – DURAÇÃO

A duração dos trovões é calculada com base na diferença entre as distâncias

do ponto mais próximo e do ponto mais afastado do canal do relâmpago ao

observador. Por causa dessa variação de caminhos, o som chega aos nossos

ouvidos em instantes diferentes. Em média, eles podem durar entre 5 e 20

segundos. 

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