UM ISOLANTE PODE SE TORNAR CONDUTOR
Como
sabemos, os dielétricos ( ou isolantes ) são substâncias nas quais os elétrons
estão presos aos núcleos dos átomos,
isto è , não existem cargas livres na estrutura interna destes materiais.
Suponha,
entretanto, que um campo elétrico seja aplicado a um corpo isolante colocando-o,
por exemplo, entre duas placas eletrizadas. Nestas condições, uma força
elétrica atuará sobre todos os elétrons do isolante, tendendo a arrancá-los de
seus átomos. Se a intensidade do campo elétrico não for muito grande, os
elétrons continuarão ligados aos núcleos de seus átomos e a força elétrica
provocará apenas uma polarização do dielétrico.
Aumentando-se
a intensidade do campo aplicado ao isolante, o valor da força que atua nos
elétrons também aumenta. È fácil prever que, certo valor do campo elétrico,
esta força será suficiente para arrancar um ou mais elétrons de cada átomo,
isto é, eles passarão a ser elétrons livres em sua estrutura, ele terá se
transformado em um bom condutor de eletricidade, Este processo pode ocorrer com
qualquer isolante, dependendo apenas do valor do campo elétrico aplicado.
O QUE É RIGIDEZ DIELÉTRICA
O maior
valor do campo elétrico que pode ser aplicado a um isolante sem que ele se
torne condutor é denominado rigidez do dielétrico do material. A rigidez dielétrica varia de um material para
outro, pois, como era de esperar, alguns materiais suportam campos muito
intensos mantendo-se ainda como isolante, enquanto outros tornam-se condutores
mesmo sob a ação de campos elétricos da intensidades relativamente baixas.
Assim,
verifica-se experimentalmente que a rigidez dielétrica do vidro pirex é 1,4x 106
N/C , enquanto a da mica ( malacacheta) pode atingir 100x106 N/C. Já
a rigidez dielétrica do ar é bem menor , valendo cerca de 3x106 N/C.
Então, enquanto a intensidade do campo elétrico aplicado a uma massa de ar for
inferior a 3x106 N/C,
este ar será isolante, Quando o campo aplicado ultrapassar este calor, o ar se
tornará um condutor.
A CENTELHA ELÉTRICA
Estas
ideias permitem-nos entender um fenômeno que observamos muito frequentemente em
nossa vida: uma centelha elétrica que salta de um corpo eletrizado para outro,
colocado próximo a ele. Consideremos, por exemplo, duas placas eletrizadas com
cargas de sinais contrários, separadas por uma camada. Se o campo elétrico
criado por estas placas inferior a 3x106 N/C, o ar entre elas
permanecerá isolante e impedirá que haja passagem de carga de uma placa para
outra, entretanto, se o campo elétrico torna-se maior do que este valor, isto
é, se intensidade do campo ultrapassar o valor da rigidez dielétrica do ar ,
este se tronará condutor. Como dissemos,
nestas condições o ar possuirá um grande número de elétrons livres,
apresentando íons positivos e negativos. Estes íons são atraídos pelas placas e
movimentam-se através do ar fazendo com que haja uma descarga elétrica de uma placa
para a outra. Esta descarga vem acompanhada de uma centelha ( emissão de luz) e
de um pequeno ruído ( um estalo) causado pela expansão do ar que se aquece com
a descarga elétrica.
Portanto,
sempre que observamos uma “falsa elétrica” saltar de um corpo para outro (do
pente para o cabelo, de uma roupa de náilon para o corpo, e entre os terminais
de um interruptor elétricos etc.), podemos concluir que a rigidez dielétrica do
ar situado entre estes corpos foi ultrapassada e ele se tornou um condutor.
O RELÂMPAGO E O TRAVÃO
A
situação que acabamos de analisar é semelhante ao que ocorre no aparecimento de
um raio em uma tempestade que, como você sabe, vem acompanhada de um relâmpago
e de um trovão.
Durante
a formação de uma tempestade, verificar-se ocorre uma separação de cargas
elétricas, ficando as nuvens mais baixas eletrizadas negativamente, enquanto as
mais altas adquirem cargas positivas. Varias experiências, alguns realizadas
por pilotos voando perigosamente através de tempestades, comprovaram a
existência desta separação de cargas (os processos que provocam esta separação
são complicados e não nos preocuparemos em descrevê-las).
Podemos
concluir que entre as nuvens existem um campo elétrico. Além disso, estando a
nuvem mais baixa, ela induz uma carga positiva na superfície da Terra e, portanto,
entre a nuvem e Terra estabelece-se também um campo elétrico. À medida que vão
se avolumando as cargas elétricas nas nuvens, as intensidades destes campos vão
aumentada, acabando por ultrapassar o valor da rigidez dielétrico do ar. Quando
isto 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, originando o trovão. Nosso ouvido é atingido não só pela onda
sonora que chega diretamente da
descarga, com também pelas ondas sonora refletidas em montanhas, prédio etc.
Por este motivo, geralmente não percebemos o trovão como um estalo único mas
com aquele ribombar característico.
O QUE É “ PODER DAS PONTAS “
Um
fenômeno interessante, relacionado com conceito de rigidez dielétrica e que
examinaremos a seguir, denomina-se pode
das pontas. Há mais de duzentos anos os cientistas observaram que em
condutor que apresenta em sua superfície uma região pontiaguda dificilmente se
mantém eletrizada, pois a carga elétrica fornecida a ele escapa através da ponta.
Aqueles cientistas não conseguiram uma explicação satisfatória para este fato e
simplesmente o denominaram poder das pontas.
Atualmente
sabemos que o fenômeno do poder das pontas ocorre porque, em um condutor eletrizado,
a carga tende a se acumular nas regiões pontiagudas. Um bloco metálico com uma carga elétrica que,
como sabemos, distribui-se em sua superfície. Observe, entretanto, que esta
distribuição não é uniforme, onde há uma ponta acentuada, há um grande acúmulo
de carga elétrica e em que é uma região quase plana, a concentração de carga é
muito menor. Em virtude desta distribuição, o campo elétrico próximo às pontas
do condutor é muito mais intenso do que nas proximidades das regiões mais
planas, os vetores que representam o campo elétrico em cada ponto próximo ao
condutor foram traçados de acordo com este resultado.
Assim,
se aumentarmos continuamente a carga elétrica no condutor, a intensidade do
campo elétrica em torno dele aumentará também gradativamente. È fácil perceber,
então, que não região mais pontiaguda o valor da rigidez dielétrica do ar será ultrapassado,
antes que isto ocorra nas demais regiões, Portanto, será nas proximidades da
região pontiaguda que o ar se tornará condutor e, consequentemente, será
através da ponta que a carga do bloco metálico se escoará.
Mesmo
que um corpo metálico esteja pouco eletrizado, o campo elétrico próximo a uma
ponta ser muito elevado. È por isso que quando um condutor possui uma ponta
muito acentuada, não conseguimos dar a ele uma carga apreciável , pois o campo
elétrico próximo a esta ponta facilmente
ultrapassa a rigidez dielétrica do ar. Para que isto não ocorra , quando
desejarmos acumular certa carga elétrica na superfície de um condutor, devemos
dar a ele uma forma arredondada ( sem pontas).
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* Esta
é a explicação do ribombar de um trovão que encontram em alguns texto, como,
por exemplo em “ The flyin circus of Physics”, de J, Walker.
Em outros textos, como na Enciclopédia Britânia, este fenômeno é atribuído a uma causa
diferente: a descarrega elétrica ocorre ao longo de uma espécie de canal, que
se forma na atmosfera no momento do raio, e que atinge ás vezes. Vários
quilômetros de comprimento,uma pessoa, na Terra, recebe inicialmente o som
proveniente da parte mais baixa da descarga e , sucessivamente , os sons que se
originam nas partes do canal mais afastadas da pessoa. Daí, o fato de o travão
pode se ouvido durante um certo intervalo de tempo, provavelmente, as duas
cousas apontadas sejam ambas responsáveis pelo retumbar do trovão.
COMO FUNCIONAM OS PÁRA-RAIOS
O poder
das pontas encontra uma importante aplicação na construção dos para-raios que, como
você deve saber, foi inventado pelo cientista americano Benjamin Franklin no
século XVIII.
Este Cientista
observou que os relâmpagos eram muito semelhante ás centelhas elétricas que ele
via saltar entre dois corpos eletrizados em laboratório. Suspeitou, então, que
os raios fossem enormes centelhas causadas por eletricidade que, por algum
processo, desenvolvia-se, nas nuvens. Para verificar sua hipótese, ele realizou
uma perigosa experiência que se tornou famosa. Durante uma tempestade, Franklin
empinou uma papagaio de papel na tentativa de transferir a eletricidade , que
ele acreditava existir nas nuvens, para alguns aparelho de seu laboratório.
Ligando a linha do papagaio a este aparelho, Franklin verificou que eles
adquiriam carga elétrica. Comprovando que as nuvens realmente estavam
eletrizadas.
Conhecendo
o fenômeno do poder das pontas Benjamin Franklin tece, então, a ideia de
construir um dispositivo que exercesse uma proteção contra os efeitos
desastrosos que os raios costumam provocar. Este dispositivo, o para-raios,
consiste essencialmente em uma ou várias pontas metálicas, e deve ser colocado
no ponto mais elevado do local a ser protegido. O para-raios é ligado à Terra
por meio de um bom condutor (fio metálico grosso), que normalmente termina em
uma grande placa enterrada no solo.
Quando
uma nuvem eletrizada passa sobre o local onde o para-raios foi colocado, o
campo elétrico estabelecido entre a nuvem e a Terra torna-se muito intenso nas
proximidades de suas pontas. Então, o ar em torno das pontas ioniza-se,
tornando-se condutor e fazendo com que a descarga elétrica se processe através
destas pontas. Em outras palavras, há maior probabilidade de o raio “cair” ( como se diz popularmente) no para-raios
do que em outro local da vizinhança, Naturalmente como o para-raios está ligado
ao solo, a carga elétrica que ele recebe da nuvem é transferida para a Terra sem causar danos. Estudos
estatísticos mostram que a ação protetora do para-raios se estende a uma
distancia aproximadamente igual ao dobro de sua altura,
Fonte: Luiz, Antônio Máximo
Ribeiro da, Beatriz Alvarenga Álvares, Física
vol 3- São Paulo;Scpione,2006
