Aulas 5 a 8 Projeto Tempestades

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Brasil, o País dos Raios
Alunas: 
Camila Gasparin
Karine Bresolin
Tairine Favretto
Retomando a discussão do último encontro..
O que vocês entendem por raios?
Sabem a causa deles?
 Por que o impacto direto de um raio costuma ser fatal?
O raio pode cair duas vezes no mesmo local?
Que lugares são seguros em uma tempestade de raios? E quais não são?
Como o raio se forma?
Qual a função do para-raios? 
...
Modelização
Para estudar o raio consideramos: 
Uma descarga elétrica entre as nuvens, ou seja, movimento de elétrons (corrente)
Vamos considerar a nuvem como uma placa quadrada, e a porção de Terra sob ela também
Entre as placas há um material dielétrico: o ar
Então, o raio é como uma descarga de elétrons entre as placas de um capacitor
Tipos de cargas e interações...
Interação entre duas cargas...
As forças atuantes formam um par de ação e reação
Matematicamente..
Onde:
E = campo elétrico
k = constante eletrostática
Q = carga elétrica
d = distância à carga
Vetor campo elétrico devido à n partículas:
Dielétricos...
Dielétrico é um material isolante. 
Quando sob um campo elétrico forte (módulo de alto valor) se polarizará e se comportará como um condutor. Exemplos: ar, água destilada, papel, madeira, etc.
Polarização...
Sob a ação de um campo elétrico alterar a simetria de distribuição de carga atômica levemente
O que realmente acontece: 
Com a aplicação de um campo elétrico suficientemente grande os elétrons passam a ter energia suficiente para se “deslocar” entre os átomos e moléculas. Ou seja, passam da camada (ou banda) de valência para a de condução.
Capacitor...
Um capacitor é formado por duas superfícies de mesma simetria (duas placas quadradas, retangulares, esféricas..) que são eletrizadas e assim, serve para acumular carga. (Diferem de pilhas por estas funcionarem por reações químicas).
Capacitância...
Se tivermos vácuo entre as placas dizemos que a capacitância é dada por:
 
Se tivermos um dielétrico entre as placas a permissividade terá valor maior que .
Então, , e assim a capacitância terá um valor maior.
Para o ar, , ou seja, , onde d = distância entre as placas, e A = área das placas.
Eletricidade na atmosfera...
Ler o texto e discutir em grupos (15 minutos)
Descargas Elétricas
O que são descargas elétricas?
Quando o campo resultante Er for tal que vença a rigidez dielétrica do meio (dado por εo ou k) haverá uma descarga de elétrons da placa negativa para a placa positivamente carregada.
Princípio da Superposição
Como vimos, na existência de n cargas teremos um campo elétrico e uma força elétrica resultantes:
Er = E1 + E2 + … + En
Fr = F1 + F2 + … + Fn
Corrente Elétrica
A corrente elétrica é o deslocamento ordenado (em média) dos portadores de carga (0s elétrons), e é causada por uma ddp.
Cargas no solo
Quebra da Rigidez Dielétrica
Quebra da Rigidez Dielétrica
É o valor do campo elétrico (E) para o qual há ionização do meio entre as placas do capacitor, isto transforma o isolante em condutor. Como consequência, os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos pelas cargas positivas induzidas no solo, formando um “canal condutor”.
Gerador de Van der Graaf
O campo elétrico (E) terá módulo (magnitude) de forma a vencer a rigidez dielétrica do meio (ar). Neste momento, pelo campo elétrico, o ar existente na atmosfera entre o solo e a nuvem se ioniza e permite a descarga.
Para a demonstração, vejamos o experimento a seguir.
O que sabemos hoje...
Uma descarga elétrica começa quando a rigidez dielétrica do ar é quebrada em um dado local na atmosfera 
Essa quebra é dada pelo campo elétrico gerado pela nuvem eletricamente carregada, ou seja, nosso capacitor
Com o rompimento do isolamento do ar, se inicia uma “avalanche” de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas.
Assim, tudo começa com um clarão chamado “degrau guia” ou “líder escalonado”, que se inicia na nuvem e se move para baixo muito rapidamente (a um sexto da velocidade da luz!)
Este clarão percorre aproximadamente 50 metros e para, permanece parado por aproximadamente 50 microssegundos, e percorre mais 50 metros, ou seja, um novo degrau. Ele se move numa série de degraus em direção a terra, ao longo de um caminho.
Neste guia existem cargas negativas provenientes da nuvem, toda a coluna esta repleta de cargas negativas, e o ar se torna ionizado pelas cargas rápidas que produz o guia, então o ar se torna um condutor através do caminho traçado
No momento em que o guia toca o chão, temos um “fio” condutor negativamente carregado que percorre todo o caminho até a nuvem 
Os elétrons na base do guia se amontoam, deixando para trás as cargas positivas que atraem mais cargas negativas da parte superior do guia, as quais caem sobre ele, e assim sucessivamente
Finalmente, todas as cargas numa parte da nuvem correm pela coluna de uma forma rápida e energética
Então, o relâmpago que vemos corre para cima a partir do chão
Na verdade, este raio é muito mais brilhante do que o degrau guia, e é chamado de “descarga conectante” ou “raio de retorno”
Este raio produz luz extremamente brilhante e libera calor
E ainda é responsável pela rápida expansão do ar que gera o trovão
A corrente em um relâmpago tem um máximo da ordem de 10.000 A, e carga de aproximadamente 20 C
Modelização...
Como vimos anteriormente:
Vamos considerar a nuvem como uma das placas do capacitor carregada negativamente
A área sob a nuvem será a outra placa do capacitor, com carga positiva induzida
O raio será considerado uma movimentação de elétrons da nuvem para a Terra, ou seja, uma descarga no capacitor 
Entre as placas do capacitor há um dielétrico (ar), e sua rigidez é quebrada quando há um certo número de cargas nas placas, gerando o campo elétrico que permite a descarga
Continuando a modelizar...
Pela grande dimensão da área das nuvens podemos desconsiderar a interferência das bordas das “placas” do capacitor no fenômeno, ou seja, desconsideramos o efeito da eletrização das bordas das nuvens 
As Cumulonimbus têm diâmetro entre 5 e 25 milhas, ou seja, 8 a 39 km, e altura que pode ir além de 17km
Então, temos a base da nuvem como um quadrado de lados 30 km e área 900 km²
A área de atuação na superfície da Terra idem
A distância entre as placas, ou seja, entre a base da nuvem e a superfície da Terra considerada é de 6 km. 
Quando começa a separação de cargas, campos elétricos muito intensos se desenvolvem, e nesta região o ar pode se tornar ionizado
O tratamento será na situação limítrofe para a descarga entre as placas do capacitor (o raio)
Pode-se considerar o campo elétrico uniforme entre as superfícies consideradas como placas porque não há pontos preferenciais para acúmulo de carga
Também desconsideramos a força atrativa entre as “placas” do capacitor
Lembrando: ao aproximar cargas de mesmo sinal elas se repelem, assim, conforme a base da nuvem vai ficando carregada, elas repelem as cargas negativas da superfície da Terra, ou seja, esta vai ficando carregada positivamente
O tratamento do campo elétrico gerado pelas cargas em ambas as “placas” será o mesmo, pois a placa em uma é induzida pela outra, então, a quantidade de cargas será a mesma e usa-se o Princípio de Superposição para estabelecer qual o Campo Elétrico gerado (pois temos mais de uma carga)
Vamos calcular?
Qual..
número de elétrons descem à terra quando há um raio?
a corrente do raio?
a carga transferida pelo raio?
Vamos considerar os valores da diferença de potencial (V):
Valor mínimo: 20 milhões de Volts
Valor máximo: 100 milhões de Volts
Máximos e mínimos:
 
 
Crenças e Lendas
Castigo dos Deuses
Espelhos atraem raios?
Raios e a Origem da Vida
Aspectos sociais e geográficos
Documentário “Fragmentos de Paixão”:
Os diversos aspectos ligados a essa troca que se passa
entre nuvens e solo virou tema de um documentário produzido no Brasil. O filme Fragmentos de Paixão estreia no grande circuito de cinemas em 11 de outubro.A produção da jornalista Iara Cardoso usou seis personagens para ilustrar o tema. Eles viram suas vidas serem transformadas em decorrência dessas descargas elétricas. O condutor da narrativa é o maior especialista em raios do Brasil, Osmar Pinto Júnior, coordenador do Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe). Além do aspecto humano, o filme considera também os lados científico, histórico e cultural ligados ao fenômeno meteorológico.
Cartilha de Proteção 
Obrigado pela atenção