Campo Eléctrico (Relâmpagos e trovões)
Introdução
No presente trabalho estão abordados conteúdos que falam de campo eléctrico, relâmpago e trovoada. Campo eléctrico é uma grandeza física vectorial que mede o módulo da força eléctrica exercida sobre cada unidade de carga eléctrica colocada em uma região do espaço sobre a influência de uma carga geradora de campo eléctrico. O sentido do campo eléctrico depende exclusivamente do sinal da carga eléctrica, por isso, importante notar que o campo eléctrico existe por meio de sua interacção com uma carga de prova, de modo que as que apresentam mesmo sinal, sofrerão uma repulsão, e as cargas, de sinais contrários, sofrerão uma atracção.
Sendo assim, quando o campo eléctrico é criado numa carga positiva ele, terá um sentido de afastamento ou repulsão, por sua vez, quando é gerado numa carga negativa ele, terá um sentido de aproximação ou de atracção.
Campo eléctrico
O Conceito do campo eléctrico é muito útil para descrever interaçcões a distância. Diz-se que uma carga eléctrica, Q, cria a sua volta um campo elétrico, se colocar no espaço a sua volta uma outra partícula com carga eléctrica q (carga de prova) ficando esta sujeita a uma força eléctrica, que é dada pela lei de coulomb:
Campo elétrico é uma grandeza física vetorial que mede o módulo da força elétrica exercida sobre cada unidade de carga elétrica colocada em uma região do espaço sobre a influência de uma carga geradora de campo elétrico.
O sentido do campo elétrico depende exclusivamente do sinal da carga elétrica, por isso, importante notar que o campo elétrico existe por meio de sua interação com uma carga de prova, de modo que as que apresentam mesmo sinal, sofrerão uma repulsão, e as cargas, de sinais contrários, sofrerão uma atração.
Sendo assim, quando o campo elétrico é criado numa carga positiva ele, terá um sentido de afastamento ou repulsão, por sua vez, quando é gerado numa carga negativa ele, terá um sentido de aproximação ou de atração.
Intensidade do Campo Elétrico
A intensidade do campo elétrico é medida através da seguinte fórmula, cuja força elétrica entre as cargas é inversamente à carga de prova:
onde:
E: campo elétrico
F: força elétrica
q: carga elétrica
No Sistema Internacional de Unidade, a intensidade do campo elétrico é medido em Newton por Coulomb (N/C), a força em Newton (N) e a carga elétrica em Coulomb (C).
Direção e sentido do vetor campo elétrico
O campo elétrico das cargas positivas sempre deve apontar para “fora” das cargas, na direção do seu raio, enquanto o campo elétrico das cargas negativas deve apontar para “dentro” delas.
Para facilitar a visualização do campo elétrico, desenhamos linhas cujas direções tangentes sempre indicam a direção e o sentido do campo elétrico. Essas linhas são chamadas de linhas de força.
Relâmpagos e trovões
Durante a formação de uma tempestade, verifica-se que ocorre uma separação de cargas elétricas, ficando as nuvens mais baixas eletrizadas negativamente, enquanto as nuvens mais altas se eletrizam positivamente.
Várias experiências realizadas por pilotos de avião voando perigosamente através de tempestades, comprovaram a existência desta separação de cargas. Podemos concluir que existe, portanto, um campo elétrico entre as nuvens mais baixas e mais altas. A nuvem mais baixa, carregada negativamente, induz na superfície terrestre uma carga positiva, criando um campo elétrico entre elas. À medida que se vão acumulando as cargas elétricas nas nuvens, a intensidade destes campos vai aumentando, acabando por ultrapassar o valor da rigidez dielétrica do ar.
Quando isso acontece, o ar torna-se condutor e uma enorme centelha elétrica (relâmpago) salta de uma nuvem para outra ou de uma nuvem para a Terra.
Esta descarga elétrica aquece o ar, provocando uma expansão que se propaga em forma de uma onda sonora que chega diretamente da descarga, como também pelas ondas refletidas em montanhas, prédios, etc.
Uma trovoada é a situação meteorológica caracterizada pela presença de raios e seu efeito acústico na atmosfera terrestre conhecida por trovão.
Para uma trovoada se formar é necessário que exista elevação de ar húmido numa atmosfera instável. A atmosfera fica instável quando as condições são tais que uma bolha de ar quente em ascensão pode continuar a subir porque continua mais quente do que o ar ambiente. (A elevação do ar quente é um mecanismo que tenta restabelecer a estabilidade. Do mesmo modo, o ar mais frio tende a descer e a afundar-se enquanto se mantiver mais frio do que o ar na sua vizinhança.) Se elevação de ar é suficientemente forte, o ar arrefece (adiabaticamente) até temperaturas abaixo do ponto de orvalho e condensa, libertando calor latente que promove a elevação do ar e "alimenta" a trovoada. Formam-se cumulonimbus isolados com grande desenvolvimento vertical (podendo ir até 10 ou 18 mil metros de altitude) alimentado pelas correntes ascendentes de ar.
As trovoadas podem-se formar no interior das massas de ar (a partir da elevação do ar por convecção - comum em terra nas tardes de Verão - quando o aquecimento da superfície atinge o seu pico - e sobre o mar nas madrugadas de inverno, quando as águas estão relativamente quentes); por efeito orográfico - (a barlavento das grandes montanhas) ou estar associadas a frentes - sendo mais intensas no caso das frentes frias.
As trovoadas mais fortes são geradas quando ar quente e húmido sobe rapidamente, com velocidades que podem chegar aos 160 km por hora, até altitudes mais elevadas e mais frias. Em cada momento há na ordem de 2000 trovoadas em progresso sobre a superfície da Terra. Os relâmpagos surgem quando as partículas de gelo ou neve de uma nuvem começam a cair de grande altitude em Direcção à superfície e correspondem à libertação de energia devida à diferença de carga entre as partículas.
Formação de um trovão
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 expande-se e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersónica, com uma velocidade várias vezes superior à 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 que se propaga a grandes distâncias. Essa constitui o trovão audível.
Características de um trovão
Os meios materiais onde se propagam os trovões são o solo e o ar. A frequência dessa onda sonora, medida em Hertz, varia de acordo com esses mesmos meios materiais, sendo maior no solo do que no ar.
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 muito superior à velocidade do som através do 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 em volta do canal do relâmpago.
A energia acústica ou energia sonora gasta para provocar esses estrondos é proporcional à frequência do som. A maior parte dela, cerca de 2/3 do total, gera os trovões no solo e o restante (1/3) provoca o som do trovão no ar. Mesmo assim, eles costumam ser muito violentos, como podemos perceber.
Duração de um trovão
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.
Formação de trovoadas
Para uma trovoada se formar é necessário que exista elevação de ar húmido numa atmosfera instável. A atmosfera fica instável quando as condições são tais que uma bolha de ar quente em ascensão pode continuar a subir porque continua mais quente do que o ar ambiente. (A elevação do ar quente é um mecanismo que tenta restabelecer a estabilidade. Do mesmo modo, o ar mais frio tende a descer e a afundar-se enquanto se mantiver mais frio do que o ar na sua vizinhança).
Se a elevação de ar é suficientemente forte, o ar arrefece até temperaturas abaixo do ponto de orvalho e condensa, libertando calor latente que promove a elevação do ar e «alimenta» a trovoada. Formam-se cumulonimbos isolados com grande desenvolvimento vertical (podendo ir até 10 a 18 mil metros de altitude) alimentados pelas correntes ascendentes de ar.
São geralmente associados a esses cumulonimbos os intensos fenómenos em que consiste uma trovoada: relâmpagos, trovões, rajadas de vento, inundações, granizo e, por vezes tornados.
Diferença entre raios, relâmpagos e trovões e como eles acontecem
Benjamin Franklin, ao realizar sua famosa experiência com uma pipa, descobriu que o raio é uma descarga elétrica. Ela é produzida entre uma nuvem e a terra ou mesmo entre uma nuvem e outra. É uma descarga intensa e visível, chegando a formar um clarão arroxeado, o relâmpago. Ela pode também vir acompanhada de uma onda sonora, o trovão.
Os raios têm a sua origem na formação das nuvens. Quando ocorre o ciclo da água, no momento de sua ascensão ao céu por meio da evaporação, na condensação e na sua precipitação, ocorre uma troca de carga entre as partículas de água que se chocam.
Quando a nuvem se forma, as cargas negativas se concentram na sua parte inferior, enquanto as positivas vão para o topo. Quando ocorre essa separação de cargas na nuvem, cria-se um campo elétrico. Ele também apresenta carga elétrica negativa na sua parte inferior e positiva na superior. Sua força está diretamente relacionada à quantidade de carga da nuvem. À medida que aumenta sua carga, mais forte fica o campo elétrico. A intensidade chega a tal ponto que os eletrões existentes na superfície da terra são empurrados para seu interior, tamanha é a carga negativa na parte inferior da nuvem. Com os eletrões repelidos, a superfície da terra passa a ter uma carga positiva de grande força.
Para ocorrer a descarga elétrica entre a carga negativa do inferior da nuvem e a superfície positiva da terra, é preciso que haja um caminho condutivo, que será criado pelo próprio campo magnético. É o fenômeno da ionização do ar, que o transforma em um bom condutor de energia.
O campo elétrico forte “quebra” o ar em volta da nuvem, fazendo com que a corrente possa fluir e tentar neutralizar a separação de cargas. Isso ocorre porque o campo separa os iões positivos dos eletrões negativos no ar ao seu redor, tornando-o ionizado (também conhecido como plasma). Com o afastamento dessas partículas, os eletrões podem se movimentar mais facilmente e essa liberdade de movimento o torna material bom condutor de eletricidade. A corrente elétrica pode fluir e começa a formar um caminho entre nuvem e solo.
Esses caminhos pelo ar ionizado são conhecidos como líderes escalonados. Eles caminham em direção a terra em etapas. Esse processo não ocorre necessariamente em linha reta, já que obstáculos no ar podem fazer com que ele se “quebre” com mais facilidade em direções diferentes, fazendo com que os líderes escalonados escolham esse caminho para chegar até o solo.
Os líderes escalonados vão crescendo em estágios e na direção da superfície da terra. O líder que atinge primeiro o solo mapeia um caminho condutivo entre a nuvem e a terra. Ele ainda não é a descarga elétrica, apenas abre o caminho para ela.
À medida que os líderes escalonados vão se aproximando do solo, os objetos que estão em sua superfície começam a responder ao campo elétrico. Começam a seguir em direção à nuvem descargas conectastes positivas. Qualquer coisa que esteja na superfície tem o potencial de produzir essas descargas, inclusive o corpo humano. Eles se conectam às nuvens por meio dos líderes escalonados.
Quando um líder escalonado encontra uma descarga conecta-te, forma-se um caminho condutor, por onde são descarregadas as correntes elétricas, os raios. A energia dispensada gera grande calor, tornando o raio mais quente do que a superfície solar. É ele quem gera o intenso clarão branco-arroxeado que chamamos de relâmpago. Quando a corrente flui, o ar a sua volta esquenta de tal forma que explode, já que expande muito rapidamente. A explosão gera uma onda sonora, o trovão.
Experiência de gaiola de faraday
Gaiola de Faraday foi um experimento conduzido por Michael Faraday para demonstrar que uma superfície condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior dado que as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora (o que é fácil de provar com a Lei de Gauss), como exemplo podemos citar o Gerador de Van de Graaff.
No experimento de Faraday foi utilizada uma gaiola metálica, que colocou um isolante e uma cadeira de madeira e sentou-se, deu-se uma descarga elétrica, e nada aconteceu a ele, e provou que um corpo dentro da gaiola poderia permanecer lá, isolado e sem levar nenhuma descarga elétrica pois os eletrões distribuem em sua parte exterior da superfície.
Conclusão
Durante a elaboração do trabalho concluímos que O Conceito do campo eléctrico é muito útil para descrever interacções a distância. Diz-se que uma carga eléctrica, Q, cria a sua volta um campo eléctrico, se colocar no espaço a sua volta uma outra partícula com carga eléctrica q (carga de prova) ficando esta sujeita a uma força eléctrica, O campo eléctrico forte “quebra” o ar em volta da nuvem, fazendo com que a corrente possa fluir e tentar neutralizar a separação de cargas. Isso ocorre porque o campo separa os iões positivos dos electrões negativos no ar ao seu redor, tornando-o ionizado (também conhecido como plasma). Com o afastamento dessas partículas, os electrões podem se movimentar mais facilmente e essa liberdade de movimento o torna material bom condutor de electricidade. A corrente eléctrica pode fluir e começa a formar um caminho entre nuvem e solo.
Bibliografia
- Manual de Física 11ª classe Longman;
- Manual de Física 11ª classe Plural editora;
- www.semnegativa.blogspot.com
