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sexta-feira, 9 de outubro de 2009

COMO FUNCIONA O RELÂMPAGO

As tempestades elétricas
Numa tempestade elétrica, as nuvens de tempestade estão carregadas como capacitores gigantes no céu. A parte superior da nuvem é positiva e a inferior negativa. Ainda não se entrou num acordo na comunidade científica sobre como a nuvem adquire essa carga, mas a descrição seguinte oferece uma explicação plausível.


Capacitores
Um capacitor é um dispositivo elétrico que consiste de duas superfícies condutivas separadas por um meio isolante (dielétrico). Quando se aplica uma voltagem às superfícies, a energia é armazenada no campo elétrico resultante da separação de cargas das superfícies.

Você pode criar um simples capacitor separando duas folhas de papel alumínio com um filme plástico. A qualidade do capacitor é controlada pelo tamanho das duas folhas, pela qualidade de isolamento do plástico e por sua grossura: quanto mais próximas as duas folhas de alumínio estão, melhor é o capacitor. Um bom e grande capacitor pode facilmente armazenar eletricidade o bastante para derreter uma chave de fenda.

A nuvem funciona como um capacitor enorme. A parte superior e a parte inferior da nuvem são como as duas folhas de alumínio. Enormes quantidades de eletricidade podem ser armazenadas dentro desse capacitor.
No processo do ciclo da água, a umidade pode se acumular na atmosfera. Esse acúmulo é o que vemos como nuvem. As nuvens podem conter milhões e milhões de gotículas d'água e gelo suspensos no ar. Como o processo de evaporação e condensação continua, essas gotículas enfrentam muitas colisões com a umidade que está no processo de condensação, enquanto sobe. Além disso, a umidade que sobe pode se chocar com o gelo ou com a neve que está caindo em direção à terra ou que está na parte inferior da nuvem. A importância desses choques é que eles retiram os elétrons da umidade que está subindo, criando, assim, uma separação de carga.

Os elétrons recém arrancados se unem na parte inferior da nuvem, dando a ela a carga negativa. A umidade que está subindo e que acabou de perder um elétron carrega uma carga positiva para a parte superior da nuvem. Além dos choques, o resfriamento tem um papel importante. Quando a umidade que está subindo depara com temperaturas mais baixas na parte superior da nuvem e começa a gelar, a parte resfriada fica negativamente carregada e as gotículas que não estão congeladas se tornam positivamente carregadas. Nesse ponto, as correntes de ar ascendentes têm a capacidade de remover as gotículas positivamente carregadas do gelo e carregá-las para a parte superior da nuvem. A parte congelada restante normalmente desceria para a parte inferior da nuvem ou continuaria descendo até o chão. Combinando os choques com o resfriamento, podemos começar a entender como uma nuvem pode adquirir a separação extrema de carga que é necessária para que um relâmpago ocorra.

O campo elétrico



Onde houver uma separação de carga em uma nuvem, também haverá um campo elétrico associado. Assim como a nuvem, esse campo é negativo em sua região inferior e positivo na superior.

A força ou intensidade do campo elétrico está diretamente relacionada à quantidade de carga reunida na nuvem. Como os choques e resfriamentos continuam acontecendo e as cargas da parte inferior e superior da nuvem aumentam, o campo elétrico fica cada vez mais intenso: tão intenso, na verdade, que os elétrons da superfície da Terra são afastados para o interior dela pela forte carga negativa da parte inferior da nuvem. Essa repulsão de elétrons faz com que a superfície da Terra adquira uma forte carga positiva.

Tudo que se precisa agora é de um caminho condutivo para que o inferior negativo da nuvem entre em contato com a superfície positiva da Terra. O forte campo magnético, sendo, de alguma forma, auto-suficiente, cria esse caminho.

A ionização do ar
A descrição que segue também é exatamente o que acontece quando usamos um gerador Van de Graaff. Se você gosta muito de brincar com relâmpagos, um VDG (gerador Van de Graaff) definitivamente é a forma mais segura para isso e pode proporcionar horas de diversão.

O forte campo elétrico "quebra" o ar ao redor da nuvem, permitindo que a corrente flua numa tentativa de neutralizar a separação de carga. A "quebra" do ar cria um caminho que provoca um curto-circuito na nuvem/terra como se houvesse uma longa vara de metal conectando-as. Veja como a "quebra" funciona.

Quando o campo elétrico se torna muito forte (na casa das dezenas de milhares de volts por centímetro), as condições são perfeitas para o início da "quebra" do ar. O campo elétrico faz com que o ar ao seu redor se separe em íons positivos e elétrons, assim o ar fica ionizado. Tenha em mente que a ionização não significa que há mais carga negativa (elétrons) ou positiva (núcleos atômicos positivos/íons positivos) do que antes. Essa ionização só significa que os elétrons e os íons positivos estão mais afastados do que estavam em sua estrutura molecular ou atômica original. Essencialmente, os elétrons foram retirados da estrutura molecular do ar não ionizado.


A importância dessa separação/retirada é que os elétrons agora estão livres para se mover muito mais facilmente do que podiam antes da separação; então, esse ar ionizado (também conhecido como plasma) é muito mais condutivo do que o ar (anteriormente) não ionizado. A capacidade ou liberdade de movimentação dos elétrons é o que faz que qualquer material seja um bom condutor de eletricidade. Muitas vezes os metais são citados como núcleos atômicos positivos cercados por uma nuvem de elétrons, o que faz de muitos deles bons condutores de eletricidade.

Esses elétrons têm uma mobilidade excelente, o que permite que a corrente elétrica flua. A ionização do ar ou do gás cria plasma com propriedades condutivas parecidas com as dos metais. O plasma é a ferramenta que a natureza tem para neutralizar a separação da carga em um campo elétrico. Os leitores familiarizados com a reação química do fogo se lembrarão de que a oxidação tem um importante papel.

A oxidação é o processo pelo qual um átomo ou uma mólecula perde um elétron ao se unir com o oxigênio. Resumindo, o átomo ou a molécula é modificado de um potencial positivo mais baixo para um mais alto. Bastante interessante, o processo de ionização (que cria o plasma) também acontece por meio da perda de elétrons. Com essa comparação, podemos ver o processo de ionização como a "marcação de um caminho" através do ar para que o relâmpago siga, parecido com cavar um túnel dentro de uma montanha para que um trem passe.

Depois do processo de ionização, o caminho entre a nuvem e o solo começa a se formar. A seguir, aprenda sobre "líderes escalonados", ou seja, canais (caminhos) de ar ionizado.

Líderes escalonados

Uma vez iniciado o processo de ionização o plasma se forma e o caminho não é criado instantaneamente. Na realidade, há muitos caminhos separados de ar ionizado se originando na nuvem. Eles são chamados de "líderes escalonados".


Foto da NASA
Os líderes escalonados se propagam em direção à Terra em etapas, que não têm que resultar numa linha reta. O ar pode não se ionizar igualmente em todas as direções. Poeira ou impurezas (qualquer objeto) no ar podem fazer com que o ar se "quebre" mais facilmente em uma direção, dando melhores condições para o líder escalonado alcançar a Terra mais rapidamente naquela direção. O formato do campo elétrico também pode afetar muito o caminho de ionização. Esse formato depende da localização das partículas carregadas, que, nesse caso, estão localizadas na parte inferior da nuvem e na superfície do solo. Se a nuvem for paralela à superfície da Terra e a área for pequena o bastante para que a curvatura da Terra seja insignificante, as posições das duas cargas se comportarão como duas placas paralelas carregadas. As linhas de força (fluxo elétrico) geradas pela separação de cargas serão perpendiculares à nuvem e à Terra.

Linhas de fluxo sempre irradiam perpendicularmente da superfície da carga antes de se movimentar em direção a seu destino (localização da carga oposta). Sabendo disso, podemos dizer que, se a superfície inferior da nuvem não for reta, as linhas de fluxo não serão uniformes. Tente o seguinte: desenhe dois pontos nas extremidades opostas de uma bola de basquete. Em seguida, desenhe, na bola, uma linha que conecte os dois pontos. A curvatura da linha é parecida com as linhas de fluxo de um campo elétrico não uniforme. A falta da força uniforme pode fazer com que os líderes escalonados sigam um caminho que não seja uma linha reta até o solo.

Considerando essas possibilidades, fica óbvio que existem vários fatores que afetam a direção do líder escalonado. Ensinaram-nos que a menor distância entre dois pontos é uma linha reta, mas, no caso dos campos elétricos, as linhas de força (linhas de fluxo) podem não seguir a distância mais curta, uma vez que a distância mais curta nem sempre representa o caminho de menor resistência.

Agora temos uma nuvem eletricamente carregada com líderes escalonados sempre crescendo, que se esticam, em estágios, em direção à Terra. Eles são fracamente iluminados por um brilho púrpuro, e podem surgir outros líderes em áreas onde os líderes originais se dobram ou viram. Uma vez iniciado, o líder continuará até que a corrente flua, não interessando se o líder original vai chegar antes no chão ou não. O líder tem, basicamente, duas possibilidades: continuar crescendo em etapas de plasma crescente ou esperar pacientemente em sua atual condição de plasma até que outro líder atinja um alvo.

O líder que atingir o solo primeiro colhe as recompensas da jornada, formando um caminho condutivo entre a nuvem e o solo. Esse líder não é a descarga do relâmpago; ele apenas mapeia o caminho que aquela descarga seguirá. A descarga é o fluxo da corrente elétrica bem forte e repentino, que se move da nuvem para o solo.

As descargas conectantes positivas e a explosão do ar



Conforme os outros líderes se aproximam da Terra, os objetos da superfície começam a responder ao forte campo elétrico. Eles alcançam as nuvens "desenvolvendo" descargas conectantes positivas. Essas descargas conectantes também têm uma cor púrpura e parecem ser mais intensas nas extremidades pontiagudas. O corpo humano produz essas descargas conectantes quando está sujeito a um forte campo elétrico como o de uma nuvem de tempestade. De fato, qualquer coisa na superfície da Terra tem potencial para enviar uma descarga conectante. Uma vez produzidas, elas não continuam crescendo em direção às nuvens. Unir esse espaço é trabalho dos líderes escalonados em sua queda. As descargas conectantes esperam pacientemente, esticando-se para cima conforme os líderes escalonados se aproximam.

O que está prestes a acontecer é o real encontro de um líder escalonado com uma descarga conectante. Conforme discutido anteriormente, a descarga conectante que o líder escalonado atinge não é necessariamente a que está mais perto da nuvem. É muito comum que os raios atinjam o solo mesmo que haja uma árvore, um poste de luz ou qualquer outro objeto por perto. O fato de o líder escalonado não fazer um caminho reto permite que isso aconteça.

Após o encontro, o ar ionizado (plasma) completou sua jornada até o solo, deixando um caminho condutor da nuvem ao solo. Com esse caminho completo, a corrente flui entre o solo e a nuvem. Essa descarga de corrente é a forma de a natureza tentar neutralizar a separação de cargas. A luz que vemos quando essa descarga acontece não é a descarga do relâmpago, mas sim seus efeitos locais.

Tipos de raios
Sempre que há uma corrente elétrica, há calor associado a essa corrente. Desde que a quantidade de corrente elétrica em uma descarga de relâmpago seja enorme, também será enorme a quantidade de calor. Na verdade, o raio de um relâmpago é mais quente do que a superfície do Sol. Esse calor é a real causa do brilho branco-azulado que vemos.

Quando o líder e a descarga conectante se encontram, deixando fluir a corrente (a descarga do relâmpago), o ar ao redor dela fica extremamente quente, tão quente que realmente explode, porque o calor faz que o ar se expanda muito rapidamente. A explosão é seguida pelo que conhecemos como trovão.

O trovão é a onda de choque irradiando ao longo do caminho da descarga. Quando o ar esquenta, ele se expande rapidamente, criando uma onda de compressão que se propaga pelo ar ao redor. Essa onda de compressão se manifesta na forma de uma onda sonora, o que não significa que o trovão seja inofensivo. Pelo contrário, se você estiver perto o bastante, conseguirá sentir a onda de choque, uma vez que ela sacode as redondezas. Saiba que, quando acontece uma explosão nuclear, normalmente a maior parte da destruição é causada pela energia da onda de choque, que se move rapidamente. Na verdade, a onda de choque que produz o trovão de uma descarga do relâmpago pode causar danos à população e às estruturas. Esse perigo é maior quando você está perto da descarga do relâmpago, porque a onda de choque é mais intensa ali, depois diminuindo com a distância. A física nos ensina que o som viaja bem mais devagar do que a luz: por isso, vemos a luz antes de ouvirmos o trovão. No ar, o som viaja 1,6 km a cada 4,5 segundos e a luz viaja a 300 mil quilômetros por segundo.

Descargas múltiplas
Você está sentado em seu carro e vê o brilho de uma descarga do relâmpago. A primeira coisa que você percebe são muitas outras ramificações que brilham ao mesmo tempo que a descarga principal. Em seguida, você nota que a descarga principal pisca ou se turva algumas vezes mais. Os ramificações que você viu eram, na verdade, os líderes escalonados que estavam conectados ao líder que atingiu o alvo.



Foto cedida Biblioteca de fotos NOAA, Biblioteca Central NOAA; OAR/ERL/National Severe Storms Laboratory (NSSL)
Múltiplas descargas de relâmpagos de nuvens para o solo e de nuvens para nuvens

Quando ocorre a primeira descarga, a corrente flui na tentativa de neutralizar a separação de cargas, o que exige que a corrente, associada à energia dos líderes escalonados, também flua para o solo. Os elétrons dos outros líderes escalonados, estando livres para se mover, fluem por meio do líder pelo caminho da descarga. Então, quando ocorre uma descarga, os líderes escalonados estão fornecendo corrente e exibindo as mesmas características de calor do real caminho da descarga. Depois da descarga original, é normal que ocorra uma série de descargas secundárias, que apenas seguem o caminho da descarga principal; os outros líderes escalonados não participam dessa descarga.

Na natureza, o que vemos normalmente não é o que acontece, e esse é definitivamente o caso das descargas secundárias. É bem possível que a descarga principal seja seguida por 30 a 40 descargas secundárias. Dependendo do intervalo de tempo entre elas, vai parecer que estamos vendo uma descarga principal de longa duração ou uma descarga principal seguida de outras luzes ao longo do caminho da descarga principal. Essas condições são facilmente compreensíveis se nos dermos conta de que as descargas secundárias podem acontecer enquanto ainda podemos ver o brilho da descarga principal, o que daria a impressão de que o brilho do relâmpago principal durou mais do que realmente durou. As descargas secundárias também podem acontecer depois do brilho da descarga principal terminar, dando a impressão de que ela está piscando.

Agora você conhece a mecânica da descarga de um relâmpago. É incrível pensar que toda a atividade, desde o início da ionização até a ocorrência da descarga, acontece em uma fração de segundo. As câmeras de alta velocidade usadas para tirar fotos de relâmpagos têm captado as descargas conectivas positivas. Se você quiser observar esse fenômeno em um ambiente seguro, construa um gerador Van de Graaff e o faça funcionar em uma sala escura. Quando você se aproximar do gerador, as pontas de seus dedos começarão a brilhar em cores púrpuras como a do líder escalonado ou da descarga conectante.
Tipos de descargas e relâmpagos

* Da nuvem para o solo: já apresentado


Foto cedida Biblioteca de fotos NOAA, Biblioteca Central NOAA; OAR/ERL/National Severe Storms Laboratory (NSSL)
Relâmpago da nuvem para o solo

* Do solo para a nuvem: o mesmo que o tipo anterior, exceto que normalmente um objeto alto e preso à terra inicia a descarga em direção à nuvem.


Foto cedida NASA
Relâmpago do solo para a nuvem

* De nuvem para nuvem: também segue os mesmos mecanismos já apresentados, exceto que a descarga viaja de uma nuvem para outra.


Foto cedida Biblioteca de fotos NOAA, Biblioteca Central NOAA; OAR/ERL/National Severe Storms Laboratory (NSSL)
Relâmpago de nuvem para nuvem

Tipos de relâmpago

* Relâmpago normal: já apresentado.
* Relâmpago difuso: um relâmpago normal que é refletido nas nuvens.
* Relâmpago de calor: um relâmpago normal próximo ao horizonte, que é refletido por nuvens altas.
* Relâmpago bola: um fenômeno no qual o relâmpago forma uma bola, que se move lentamente e pode queimar objetos em seu caminho antes de explodir ou apagar.
* Red sprite: uma explosão vermelha que acontece acima das nuvens de tempestade, atingindo alguns quilômetros de comprimento (em direção à estratosfera).
* Blue jet: uma explosão azul, em forma de cone, que acontece acima do centro de uma nuvem de tempestade e se movimenta para cima (em direção à estratosfera) em alta velocidade.

Pára-raios
Os pára-raios foram originalmente desenvolvidos por Benjamin Franklin. Um pára-raios é muito simples: é uma vara de metal pontuda, colocada no teto de uma construção (geralmente com 2 cm de diâmetro) e é conectada a um enorme fio de cobre ou de alumínio de mesma espessura. Esse fio, por sua vez, é conectado a uma rede condutiva enterrada no solo.

O objetivo dos pára-raios normalmente é mal compreendido. Muitas pessoas acreditam que eles "atraem" os relâmpagos, ao passo que é melhor dizer que eles fornecem um caminho de menor resistência até o solo, que pode ser usado para conduzir as enormes correntes elétricas quando ocorrem as descargas dos relâmpagos. Se cai um raio, o sistema tenta tirar a corrente elétrica perigosa da estrutura e levá-la seguramente para o solo. O sistema tem a capacidade de lidar com enormes correntes elétricas. Se a descarga do relâmpago atingir um material que não é bom condutor, esse material sofrerá um grande dano por causa do calor. O sistema de pára-raios é um excelente condutor e, por isso, permite que a corrente flua para o solo sem causar nenhum dano por causa do calor.

O relâmpago pode "pular". Esse "pulo" está associado ao potencial elétrico do alvo da descarga do relâmpago em relação ao potencial da Terra. O relâmpago pode ocorrer e então "procurar" um caminho de menor resistência, pulando para objetos ao redor que forneçam melhores caminhos para o solo. Se o relâmpago acontecer perto do pára-raios, o sistema terá um caminho de resistência muito baixa e poderá então receber um "pulo", desviando a corrente da descarga para o solo antes que ele cause ainda mais danos.

Como você pode ver, o objetivo do pára-raios não é atrair os raios, mas sim fornecer uma opção segura para eles. Isso pode parecer meio chato, mas não será se você levar em conta que os pára-raios só se tornam importantes no momento em que um raio cai ou imediatamente após. Independentemente da existência ou não de um pára-raios, a descarga do relâmpago ainda acontecerá.

Se a estrutura que você está tentando proteger estiver ao ar livre, numa área plana, normalmente você usará um sistema de proteção contra relâmpagos que tenha um pára-raios bastante alto, mais alto do que a estrutura a ser protegida. Se a área estiver em um forte campo elétrico, o pára-raios alto pode começar a enviar descargas conectantes positivas, na tentativa de dissipar o campo elétrico. Embora não se possa garantir que o pára-raios sempre vá conduzir o relâmpago que foi descarregado numa área próxima, a probabilidade é grande. Novamente, o objetivo é fornecer um caminho de baixa resistência até o solo numa área que tenha a possibilidade de receber a descarga de um relâmpago. Essa possibilidade vem da força do campo elétrico gerado pelas nuvens de tempestade.

Segurança numa tempestade

Mais de mil pessoas são atingidas por raios todos os anos nos Estados Unidos e, delas, mais de 100 morrem em decorrência do acidente. O relâmpago não é coisa com a qual se brinque.

Se você estiver ao ar livre durante uma tempestade, procure sempre um abrigo adequado. Não corra riscos: o relâmpago pode usar você como caminho para a Terra com a mesma facilidade que usa qualquer outro objeto. Um carro ou uma construção seriam abrigos apropriados. Se você não tiver para onde ir, deve evitar se abrigar embaixo de árvores, pois elas atraem raios. Deixe seus pés o mais unidos possível e se abaixe com a cabeça o mais baixo que puder, sem tocar no chão.

Nunca deite no chão. Depois da descarga de um relâmpago atingir o chão, há um potencial elétrico que irradia a partir do ponto de contato. Se seu corpo estiver nessa área, a corrente pode passar por você - e isso é uma coisa que você nunca vai querer. Isso poderia causar uma parada cardíaca, sem falar nos danos e queimaduras em outros órgãos. Deixando seu corpo o mais baixo possível e minimizando o contato com o chão, você pode diminuir a possibilidade de se machucar por causa de um relâmpago. Se uma descarga de relâmpago ocorrer próximo a você, a corrente teria uma dificuldade muito maior para atravessar seu corpo nessa posição.

Se você estiver dentro de casa, não fale ao telefone. Se você precisar ligar para alguém, use um telefone sem fio ou um telefone celular. Se o raio atingir a linha do telefone, a descagra elétrica viajará para todos os telefones da linha; se você estiver segurando o aparelho, o raio poderá atingi-lo.

Fique longe de tubulações (banheira, chuveiro). Um raio consegue atingir uma casa ou um local próximo a ela e transmitir uma descarga elétrica aos canos de metais utilizados no encanamento. Já não é mais tão perigoso quanto antigamente, porque hoje, geralmente, os encanamentos são feitos de PVC (cloreto de polivinil). Se não souber de que material seu encanamento é feito, espere até a tempestade passar.

Verdadeiro x falso

* Ben Franklin foi atingido por um raio
De jeito nenhum! Ao contrário do que às vezes dizem os livros escolares, o Sr. Franklin foi muito sortudo de ter sobrevivido a sua experiência. A faísca que ele viu ocorreu pelo fato do sistema pipa/chave estar em um forte campo elétrico. Se o sistema tivesse sido atingido, o Sr. Franklin certamente teria morrido. Como todos sabemos, sua experiência foi extremamente perigosa e não pode ser repetida.

* A borracha dos pneus o mantêm seguro dentro do carro porque ela não conduz eletricidade
Não! Em fortes campos elétricos, os pneus de borracha na realidade se tornam mais condutivos do que isolantes. O motivo pelo qual você está seguro num carro é que o raio viajará pela superfície do veículo e então irá para o solo, pois o veículo age como uma gaiola de Faraday (em inglês). Michael Faraday, físico britânico, descobriu que uma gaiola de metal protegeria os objetos que estivessem dentro dela se fosse atingida por uma descarga de alta voltagem. O metal, sendo um bom condutor, direcionaria a corrente ao redor dos objetos e a descarregaria seguramente no solo. Esse processo de proteção é amplamente usado atualmente para proteger os circuitos integrados eletrostaticamente sensíveis do mundo eletrônico.

* Os objetos mais altos sempre são os atingidos pelos raios
É verdade que os objetos mais altos estão mais perto das nuvens, mas, como já foi apresentado, o raio pode atingir o solo perto de um objeto alto. Objetos altos podem ter maior probabilidade de serem atingidos, mas, quando o assunto é relâmpago, não podemos prever nada.

* Protetores de oscilação de voltagem irão salvar seus produtos eletrônicos (TV, VCR, PC) se um raio atingir sua linha de força
De jeito nenhum! Os protetores de oscilação de voltagem atuam contra oscilações de voltagem na linha da companhia de eletricidade, mas não contra raios. Para realmente se proteger contra danos causados por raios, você precisa de um descarregador. Ele usa um espaço cheio de gás, que funciona como um circuito aberto para baixas voltagens, mas o gás fica ionizado e conduz em altas voltagens. Se o raio atingir a linha que você estiver protegendo, o buraco cheio de gás conduzirá a corrente de forma segura para o solo.

Fonte: www.howstuffworks.com

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