Descarga em Gases

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Objetivo
Entender o conceito de carga elétrica. Estudaremos a estrutura do átomo e as partículas portadoras de carga elétrica que o constituem. O que acontece com um próton em presença de outro próton, e que ocorre com os elétrons, e o que acontece entre um próton e um elétron.
Conheceremos o gerador Van de Graaff e eletricidade estática em geral. Quando o gerador Van de Graaff começa a carregar, ele transfere a carga para quem o estiver tocando e portanto entenderemos o fenômemo da carga elétrica.
Além disso, poderemos identificar os eletrodos ânodo e cátodo, classificar os gases dentro da família dos condutores, concluir a importância da pressão, que um gás é submetido, e também, a condição que a distância entre os eletrodos afeta sobre a capacidade de condução elétrica do gás. Assim poderemos descrever as condições necessárias para que se estabeleça uma descarga elétrica através de um gás a alta pressão.
Lista de Materiais
- Um gerador eletrostático do tipo Van der Graaff. O gerador básico com excitação por atrito é composto por uma correia de material isolante, dois roletes, uma cúpula de descarga, um motor, duas escovas ou pentes metálicos e uma coluna de apoio. 
- Uma esfera metálica com bastão;
- Uma conexão com pinos banana.
Procedimentos da experiência
	Ligando o sistema, aguardamos alguns minutos e aproximando a costa de uma das mãos na esfera maior; sentimos eriçar os pelos da mão, a esfera já se encontra bem carregada, aproximando a esfera menor a cerca de 1 cm ou um pouco mais da esfera maior, vemos a faísca elétrica entre elas.	
	Os materiais que foram utilizados para a coluna podem o acrílico ou o PVC. Os roletes são de materiais diferentes, ao menos um deles isolante, para que se eletrizem de forma diferente devido ao atrito de rolamento com a correia. O motor gira os roletes, que ficam eletrizados e atraem cargas opostas para a superfície externa da correia através das escovas. A correia transporta essas cargas entre a terra e a cúpula. A cúpula faz com que a carga elétrica, que se localiza no exterior dela, não gere campo elétrico sobre o rolete superior; Assim cargas continuem a ser extraídas da correia como se estivessem indo para terra, e tensões muito altas são facilmente alcançadas.
	O terminal pode atingir vários milhões de “volts", conforme no nosso experimento, que foi cerca de 240.000 volts. A operação dentro de câmaras de alta pressão contendo gases especiais permitiu maior densidade de carga na correia sem ionização, aumentando a corrente que carrega o terminal.
	Materiais que estão mais próximos do extremo mais negativo, têm uma disposição por assumir uma carga elétrica negativa. Os materiais mais próximos ao extremo mais positivo tendem a assumir carga elétrica positiva. Os materiais da correia e do cilindro inferior devem estar entre o mais afastados possível dessa lista, enquanto o material do cilindro superior deve estar na região dos neutros. Por exemplo, se a correia é de borracha, o rolete inferior é de plástico e o rolete superior é de alumínio, o domo ficará negativo. Usando o mesmo desenho acima, porém colocando-se o rolete de plástico como superior e o de alumínio como inferior, o domo ficará positivo.
	A cabeça esférica do gerador (polo positivo) funcionará como um eletrodo denominado ânodo. Sua base inferior (com orifício de conexão, sem ligação à terra) é o eletrodo negativo, denominado cátodo. Existem casos em que o ânodo e o cátodo se encontram confinados, podendo ser submetidos a variação controlada de pressão. Nestes casos se verifica que: 
 - diminuindo a pressão, a condutividade elétrica do gás aumenta;
 - para uma pressão fixa, diminuindo a distância entre os eletrodos, a capacidade de o gás se tornar condutor, aumenta.
Em suma, um gás depende da pressão a que está submetido e da distância entre os eletrodos nele imersos para se enquadrar como condutor ou isolante. Dessa forma podemos responder as perguntas:
1 - O que se entende por campo elétrico? Por que dizemos que o campo elétrico é um campo conservativo?
	É o campo de força provocado por cargas elétricas ou por um sistema de cargas, que estão sujeitas a uma força elétrica. Em geral ocorrendo em uma certa região do espaço, chamado de campo elétrico. As grandezas físicas que dão origem aos campos, são chamadas de fontes do campo. Em corpos eletrizados, o campo que é considerado é o elétrico que tem como fonte a carga elétrica. O campo elétrico é conservativo o que quer dizer que em um caminho fechado se cumpre.
2 - O que se entende por linhas de força de um campo elétrico?
	É a finalidade de representar o campo elétrico através de diagramas. Suponhamos uma carga pontual positiva Q criando um campo elétrico no espaço em torno dela, em cada ponto deste espaço temos um vetor, cujo módulo diminui à medida que nos afastamos da carga. Na figura estão representados estes vetores em alguns pontos em torno de Q. Consideremos os vetores 1, 2, 3 etc., que tem a mesma direção, e tracemos uma linha passando por estes vetores e orientada no mesmo sentido deles, como mostra a figura esta linha é, então é tangente a cada um dos vetores 1, 2, 3 etc. Uma linha como esta é denominada linha de força do campo elétrico. 
3 - Cite três propriedades das linhas de força do campo elétrico.
	Em uma linha de força, tanto o potencial elétrico, como os campos elétricos sempre irão variar. Mesmo a linha de força não sendo retilínea, o campo irá ter uma direção alterada, as propriedades são as seguintes:
1- (Propriedade) O potencial sempre irá decrescer no sentido da linha de força. Vejamos: 
• Quando um campo elétrico for formado por uma carga positiva, o seu potencial elétrico também será positivo e a equação usada para descobrir o potencial elétrico que decresce é a seguinte: 
• Quando um campo elétrico for formado por uma carga negativa, o seu potencial elétrico também será negativo e a equação usada para descobrir o potencial elétrico que cresce é a seguinte: 
2- (Propriedade) As linhas de força de um campo elétrico não podem ser fechadas. Vejamos: 
Considerando uma linha de força fechada e representada por L. Considerando também que essa linha parta do ponto A, e realiza um percurso até chegar ao ponto B, que coincide com o ponto A. Vejamos na figura abaixo:
3 - (Propriedade) Duas linhas de força de um mesmo campo elétrico nunca se cruzam. A demonstração dessa propriedade se faz por absurdo. Suponhamos que duas linhas de força (1) e (2) se cruzassem no ponto A. Como em cada ponto o vetor campo é tangente à linha de força, concluiríamos que existiria um vetor tangente à linha de força (1), e um vetor tangente à linha de força (2). Logo, no mesmo ponto A existiriam dois campos, em cada ponto só existe um vetor campo, perfeitamente determinado em intensidade, direção e sentido.
Analisando algumas linhas de força de um suposto campo elétrico do desenho abaixo:
- Observamos que quanto mais próxima de Q mais intensa será a força sobre a "carga de prova q" e, inversamente, será tanto menos intensa quanto mais afastada de Q. Sendo assim, a "Lei do Inverso do Quadrado da Distância", ou seja, a expressão (1/d²). Na figura acima, temos P3 como região mais intensa do campo elétrico.
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	A orientação do vetor campo elétrico E nos pontos assinalados de P1 a P5, ficariam da seguinte forma:
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	Caso abandonássemos uma carga no interior deste campo, trace as possíveis trajetórias que a mesma teria se a carga fosse positiva.
	- Caso abandonássemos uma carga no interior deste campo, trace as possíveis trajetórias que a mesma teria se a carga fosse negativa.
Com relação a montagem do experimento, responderemos as seguintes questões:
1 – Explique o processo de formação e acúmulo de cargas no gerador eletrostático.
Resposta: Como o motor faz movimentar uma correia isolante que passa por duaspolias, uma delas é ativada por um motor elétrico que movimenta a correia. A segunda polia encontra-se dentro da esfera metálica oca. Através de pontas metálicas a correia recebe carga elétrica de um gerador de alta tensão. A correia eletrizada transporta as cargas até o interior da esfera metálica, onde elas são coletadas por pontas metálicas e conduzidas para a superfície externa da esfera.
2) Descreva e explique o fenômeno ocorrido ao se aproximar a esfera metálica da cúpula do gerador eletrostático.
Resposta: O gerador está em funcionamento e aproxima-se a esfera menor da cabeça do aparelho então vão surgir descargas elétricas e estampidos. Quando ocorre descargas através da formação de um fio canal ionizado no ar, o ar inteiro desse canal atinge temperaturas muito elevadas. Esse mesmo ar no interior do canal estava na temperatura ambiente antes da descarga e, portanto há um rápido aumento de temperatura do gás dentro do canal no momento da descarga. O aumento brusco da temperatura de um gás faz a pressão crescer. Portanto, o ar dentro do canal, devido à elevação da pressão se expande violentamente, produzindo uma expansão brusca. O estampidos ouvidos são a decorrência dessa expansão brusca, uma pequena explosão que gera uma onda sonora. A expansão brusca do canal ionizado é então uma verdadeira explosão, gerando uma onda sonora de grande intensidade, o trovão, na experiência os estampidos do gerador são as representações do trovão da natureza.
3) Justifique o fato de mistura gasosa envolvente (ar atmosférico) passar de isolante para condutor de eletricidade. Faça uma comparação com o fenômeno dos relâmpagos que ocorrem durante uma tempestade.
Resposta: O ar tem uma resistência muito alta impedindo que a corrente passe por ele. Mas para tensões muito altas, como por exemplo uma raio, o ar vira um condutor. Comportamento semelhante a um material dielétrico. Um gerador de Vand de Graff produz uma tensão alta suficiente para "atravessar" o ar. 
4) Justifique o ruído e a cor azulada verificada durante a descarga elétrica ocorrida no ar. Qual é o sentido do raio azulado produzido (da cúpula para o bastão ou do bastão para a cúpula)?
Resposta:Os ruídos ocorrem quando a descarga através da formação de um fino canal ionizado no ar, o ar no interior desse canal atinge temperaturas muito elevadas, como é bem sabido, ao aumentar bruscamente a temperatura de um gás, a pressão cresce. Portanto, o ar dentro do canal, devido à elevação da pressão se expande violentamente, produzindo uma expansão brusca. Como a descarga ocorre devido à eletricidade estática em nuvens, o canal ionizado é muito maior e a energia liberada é muitas ordens de grandeza maior do que a energia liberada em um pequeno gerador de Van der Graaf. A expansão brusca do canal ionizado é então uma verdadeira explosão, gerando uma onda sonora de grande intensidade, o trovão. 
A cor azulada é um canal ionizado, dentro do qual a energia eletrostática armazenada antes da descarga está sendo convertida em outras formas de energia, inclusive energia luminosa. A cor da luz que vem de dentro do canal depende também do gás utilizado; cada gás quando excitado por descarga elétrica pode emitir algumas em frequências, por ela determinam-se as cores características. Se a descarga no ar envolver pouca energia, a centelha pode ser avermelhada.
Observação: Uma outra explicação mais resumida seria que a energia passa por ele, ioniza as moléculas de ar. Os átomos estimulados recebem energia suficiente para liberar elétrons permitindo a passagem da corrente. Quando os elétrons voltam para sua respectiva camada de valência, emitem de volta a energia em forma de luz visível, no caso, numa frequência azulada. 
5) Explique o movimento de cargas durante a produção da descarga elétrica
Resposta: No contato entre a superfície interna da correia de borracha com a do rolete inferior ocorre separação de cargas elétricas: o rolete fica negativo e a superfície interna da correia fica positiva. Depois pelo efeito “Corona, ionização de moléculas do ar “, que ocorre no pente metálico, íons positivos do ar são depositados na superfície externa da correia que são transportadas e recolhidas pelo terminal esférico onde se acumulam gerando alta tensão elétrica. Desta forma a esfera armazena carga elétrica até atingir uma diferença de potencial em relação a esfera menor tal que provoque o aparecimento de uma faísca (descarga elétrica) entre as duas.
6 – Como denominamos o ruído e a cor azulada que surge durante a descarga quando este fenômeno ocorre na natureza?
Resposta: O trovão é o ruído que ouvimos e ele ocorre porque a velocidade do som é menor que o da luz. A cor azulada é o relâmpago que é a troca de elétrons entre as nuvens e o solo produzindo um clarão intenso.
7- No momento que o gás deixa de ser isolante, o campo elétrico possui certo valor entre os eletrodos. Como denominamos o maior valor que o campo elétrico pode assumir sobre o material isolante, sem que o material conduza eletricidade?
Resposta: Sabemos que a rigidez dielétrica de certo material tem um valor limite de campo elétrico aplicado sobre a espessura do material (kV/m), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.
8 - Como denominamos o maior valor que o campo elétrico pode assumir sobre o material isolante, sem que o material conduza eletricidade?
Resposta: A rigidez dielétrica de certo material é um valor limite de campo elétrico aplicado sobre a espessura do material (kV/m), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.
Comentários
Continuando sobre o fato de a baixa pressão interna, faremos um comentário desse fato que estima em cerca de 1/10000 da pressão atmosférica, o que isto pode aumentar o livre percurso médio entre portadores de carga eléctrica, antes de colidir com outros portadores ou átomos. Verificamos a dimensão ampla do livre percurso médio, assim os portadores de cargas podem acelerar durante maior intervalo de tempo e, com isso, adquirir maior energia cinética entre as colisões com a aplicação de um campo eléctrico pouco intenso. Desse modo, os efeitos das descargas nesse gás rarefeito são mais visíveis do que se se usassem campos eléctricos intensos em gases sob pressão atmosférica.
Conclusões
Podemos concluir que o uso da alta-frequência é o preventivo eficaz do dispositivo quanto a danos no corpo humano, uma vez que as correntes elétricas que se dirigem para a terra, vindas do globo, percorrendo mão e corpo têm baixas intensidades. Embora a bola de plasma não ofereça o perigo de choques elétricos, estas poderão dar pequenas queimaduras na pele, por efeito de aquecimento, quando os raios persistem sempre no mesmo lugar da pele. Com isso, quando alguém aproxima a mão do globo haverá faísca entre o globo e as pontas dos dedos. Se outra pessoa aproxima a sua mão da mão dessa primeira haverá também uma faísca entre os dedos dessa segunda pessoa e a pele da mão da primeira. Ambas as pessoas sentirão as pequenas picadas. Outro efeito muito interessante é que colocando uma lâmpada fluorescente na vertical junto ao globo; com a mão numa das extremidades da lâmpada e a outra extremidade encostada no globo, a lâmpada acenderá.