Relatório 3 Física Experimental Poder das Pontas

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FUNDAÇÃO EDUCACIONAL DE ITUVERAVA
FACULDADE DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS
LABORATÓRIO DE FÍSICA III
O PODER DAS PONTAS E LEI DE OHM
Autora(s): Amanda Salotti Amaral
Elisângela Ap. Oliveira Souza
Karla Gonçalves Pereira
Lidiane S. Moura
Rogério Garofo
Professor: Leonardo
ITUVERAVA
2016
Introdução
O poder das pontas é o nome dado ao princípio físico que rege o funcionamento de alguns objetos do nosso cotidiano, como os para-raios e as antenas. Ele foi utilizado por Benjamin Franklin, em 1752, em sua famosa experiência da pipa, que deu origem ao para-raios. Ele pode ser feito com um cata-vento elétrico ou um torniquete eletrostático.
De acordo com esse princípio, o excesso de carga elétrica em um corpo condutor é distribuído por sua superfície externa e se concentra nas regiões pontiagudas ou de menor raio. É nas pontas que a energia é descarregada. Isso ocorre porque as extremidades são regiões muito curvas e, como a eletricidade se acumula mais nessas áreas, um corpo eletrizado dotado de pontas acumula nelas sua energia. A densidade elétrica de um corpo será sempre maior nas regiões pontudas em comparação com as planas.
Portanto, uma ponta sempre será eletrizada mais facilmente do que uma região plana. Isso também explica o fato de um corpo já eletrizado perder sua carga elétrica, principalmente pelas terminações, sendo difícil mantê-lo dessa forma. Além disso, essa extremidade eletrizada tem sobre os outros corpos um poder muito maior do que as áreas que não são pontudas.
É devido a esse princípio que se recomenda, em dias de tempestade, a não permanência embaixo de árvores ou em regiões descampadas, porque a árvore e o corpo humano atuam como pontas em relação à superfície do solo, atraindo os raios. Se estiver em um local sem proteção é recomendado ficar abaixado, com os braços e pernas bem juntos, em forma de esfera, evitando que seu corpo funcione como uma ponta.
Em materiais condutores, a carga elétrica distribui-se em torno da superfície. Dessa forma, o campo elétrico é nulo. Mas se o condutor possui uma extremidade pontiaguda, as cargas em excesso tendem a se acumular nesse local. De acordo com a teoria do poder das pontas, a carga elétrica distribuída na superfície de um corpo pontiagudo tem a tendência de acumular-se nas pontas, tornando o ar condutor nas proximidades desses locais.
A figura abaixo mostra como a carga fica concentrada nesses condutores, a carga elétrica acumula-se na ponta do condutor. Nas regiões regulares, a carga fica distribuída uniformemente.
Figura 1 – Distribuição das cargas no condutor
Outra maneira de demonstrar o poder das pontas é através de um instrumento simples, constituído por um “cata-vento” elétrico ou torniquete eletrostático. Quando se carrega um condutor de forma não esférica, como é o caso do torniquete eletrostático, a sua superfície será uma superfície equipotencial, porém a densidade de cargas e o campo elétrico serão variáveis de ponto para ponto. Próximo das pontas do torniquete a densidade de cargas e o campo elétrico são elevados, uma vez que as extremidades tem o mesmo potencial, o local de menor raio terá a maior densidade superficial de cargas. Sendo o campo elétrico, na face externa de um condutor, proporcional à densidade superficial de cargas, o campo elétrico será mais elevado nos pontos onde o condutor tiver superfície com raio de curvatura menor. Considerando o torniquete eletrostático, que possui pontas agudas, e, portanto raio de curvatura pequena, o ar atmosférico é ionizado com cargas de mesmo sinal que as do torniquete, provocando a repulsão das pontas e o seu giro. Abaixo uma ilustração do torniquete eletrostático.
Figura 2 – Torniquete Eletrostático
Como mostra a figura abaixo, os caminhões tanque que transportam combustíveis, foram projetados com as extremidades arredondadas, para que as cargas não se acumulem em uma ponta, impedindo que uma faísca ou fagulha seja gerada, o que provocaria uma grande explosão.
Figura 3 – Caminhão Tanque de Combustível
Para-Raios
Os raios podem causar diversos danos tanto de natureza material como para a saúde, podendo causar até a morte. A finalidade de um para-raios é evitar que os raios causem esses danos. Inicialmente Benjamin Franklin provou que ocorriam descargas ou correntes elétricas na atmosfera ao nível das nuvens quando ocorriam às tempestades, para provar sua teoria ele soltou uma pipa durante uma forte tempestade amarrada a um longo fio, da ponta de suas varetas até a terra. Com um aparelho, o cientista comprovou que o fio amarrado à pipa no meio da tempestade atraía corrente elétrica, a qual o percorria até o aparelho montado na terra. Ao captar essa corrente, Franklin provou que os raios dentro das nuvens durante a tempestade eram, na verdade, intensas descargas elétricas.
Um raio ocorre quando o campo elétrico gerado pelas nuvens eletrizadas e o campo elétrico gerado pela superfície terrestre, também eletrizada, assumem valores suficientes para gerar uma descarga elétrica. O para-raios é constituído por uma haste de metal que tem a extremidade pontiaguda onde se acumulam as cargas elétricas, seguindo o princípio do poder das pontas. Essas cargas ionizam o ar, fazendo com que a região ao seu redor descarregue-se eletricamente para o solo. Dessa forma, o para-raios descarrega a atmosfera, evitando que o raio cause qualquer dano. Abaixo segue modelo de como o para-raios é constituído.
Figura 4 – Para-Raios
As cargas positivas da terra concentram-se nos captadores do para-raios, assim como ocorre acúmulo de cargas negativas nas nuvens. Essa concentração de cargas faz com que o ar fique ionizado. Os captadores neutralizam o ar ionizado, fazendo com que o excesso de cargas seja conduzido até o aterramento, evitando, assim, a formação de raios e os possíveis danos que eles podem causar.
Ao longo dos anos vários modelos de para-raios foram sendo desenvolvidos. Um dos primeiros para-raios foi patenteado por E.A. Sperry em 1887 e era baseado em centelhadores. Em seguida, em 1916, a empresa americana ESSCo, desenvolveu o para-raios do tipo expulsão. Tentando aprimorar o funcionamento sob tensões mais elevadas, o mercado conheceu o modelo eletrolítico/químico a partir de 1916. Este para-raios foi o primeiro a utilizar metal, o hidróxido de alumínio, para reduzir a corrente elétrica que atravessava o aparelho. A partir dele, surgiram em 1920 o para-raios com funcionamento baseado no peróxido de chumbo, em 1930, o de carboneto de silício e, mais recentemente, o para-raios com pastilhas de óxido de zinco em 1968. Este último ainda teve evoluções referentes à adição de outros elementos metálicos junto ao zinco para otimizar o desempenho dos resistores dentro das pastilhas do aparelho.
Os modelos citados acima foram desenvolvidos mais especificamente para proteção de centrais de transmissão de energia elétrica, de transmissão de dados, redes de distribuição subestações. Em relação aos modelos de proteção de estruturas de edificações, estes não tiveram grandes evoluções desde o Captor de Franklin. Baseado no conceito da Gaiola de Faraday, em 1846 o físico e químico belga Louis Melsens desenvolveram o modelo de malhas de condutores que eram interligados entre si e ao Captor de Franklin. Essas malhas eram conectadas a condutores de descida nas edificações e aterrados no solo.
A proteção contra os danos e efeitos provenientes de descargas elétricas atmosféricas fez com que vários estudiosos desenvolvessem diferentes tipos de para-raios para atender as necessidades do homem. Os resultados dessas constantes evoluções se verificam em sistemas e aparelhos com elevada eficiência na proteção contra as descargas atmosféricas, garantindo a proteção de residências e pessoas.
Raios Ascendentes
Os raios ascendentes são um tipo de raio que, em vez de descer das nuvens e atingir o solo, como ocorre com a maioria das descargas atmosféricas, parte de algo na superfície e se propaga em direção à nuvem. Ou seja, esse tipo de raio tem sentidocontrario ao dos raios convencionais, sua incidência é menor do que a dos raios convencionais, mas começou a chamar a atenção de pesquisadores em países como os Estados Unidos e o Japão, em função dos prejuízos que podem causar para o funcionamento de estruturas altas, como geradores de energia eólica.
Essas descargas atmosféricas são originadas por estruturas elevadas, como torres de telecomunicação ou para-raios de edifícios altos. Em função de suas altitudes, essas estruturas podem concentrar em seus topos uma grande quantidade de carga elétrica induzida e de sinal oposto à carga da base de uma nuvem de tempestade que passa sobre ela. Com isso, durante uma tempestade, inicia-se uma descarga na estrutura que se propaga em direção à nuvem.
Raios Conectantes
Um raio começa com pequenas descargas dentro da nuvem, que liberam os primeiros elétrons em direção ao solo. Quando essa descarga, conhecida como “líder escalonado”, encontra-se a algumas dezenas de metros da superfície, parte em direção a ela outra descarga com cargas opostas, chamada de “descarga conectante”. Forma-se então o que é conhecido como o canal do raio, um caminho ionizado e altamente condutor. Por ele passa um gigantesco fluxo de cargas elétricas denominadas “descarga de retorno”. É neste momento que o raio acontece com a máxima potência, liberando grande quantidade de luz.
Raios, relâmpagos e trovões são fenômenos naturais cercados por mitos e lendas. Abaixo algumas curiosidades sobre os raios.
Um raio tem temperatura maior que a da superfície solar, pois a superfície solar tem temperatura de cerca de 6.000°C, enquanto um raio atinge até 30.000°C, cinco vezes a temperatura da parte externa do sol.
Não se deve falar ao telefone ou tomar banho durante tempestades, pois a linha telefônica e a tubulação metálica por onde passa a água podem transmitir a descarga elétrica de um raio. Se uma pessoa estiver segurando o telefone ou tomando banho, pode ser atingida, causando inclusive a morte. Na maioria das edificações modernas a tubulação é feita de PCV, não havendo esse risco. Se tiver dúvida sobre o material utilizado em sua residência o melhor a fazer é evitar banhos durante as tempestades. Se precisar falar ao telefone, utilize um aparelho sem fio ou celular.
Pode-se calcular a distância de um raio pelo tempo que leva para o trovão soar, pois a velocidade do som é cerca de 350 m/s, ou um quilometro a cada 3 segundos. Sendo assim, a partir do momento em que se vê o relâmpago de um raio, podemos contar o tempo que levamos para escutar o som do trovão. Se ele leva 10 segundos para ser ouvido, o raio estará a cerca de 3 km de distância.
Um raio pode atingir uma pessoa em um local fechado, isso acontece porque se um raio atingir a linha de telefone enquanto você estiver segurando um aparelho com fio, também receberá a descarga. O melhor a fazer nesses casos é utilizar um telefone sem fio ou celular. 
Você também pode ser atingido por um raio que caiu do lado de fora da sua residência caso estiver tomando banho de banheira ou chuveiro elétrico. Se a tubulação de água dor metálica, ela pode conduzir a descarga até você. Recomenda-se também que se desliguem todos os aparelhos elétricos e eletrônicos durante tempestades, pois podem ser um meio de acesso à descarga elétrica dos raios.
Lei de Ohm 
George Simon Ohm foi um físico alemão que viveu entre os anos de 1789 e 1854 e verificou experimentalmente que existem resistores nos quais a variação da corrente elétrica é proporcional à variação da diferença de potencial (ddp). Simon realizou inúmeras experiências com diversos tipos de condutores, aplicando sobre eles várias intensidades de voltagens, contudo, percebeu que nos metais, principalmente, a relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial se mantinha sempre constante. Dessa forma, elaborou uma relação matemática que diz que a voltagem aplicada nos terminais de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o percorre como mostra abaixo:
Figura 5 – Fórmula da Lei de Ohm
Essa lei não se aplica a todos os resistores, pois depende do material que constitui o resistor. Quando ela é obedecida, o resistor é dito resistor ôhmico ou linear. A equação descrita por Simon vale para todos os tipos de condutores, tanto para aqueles que obedecem quanto para os que não obedecem a lei de Ohm. O condutor que se submete a esta lei terá sempre o mesmo valor de resistência, não importando o valor da voltagem. E o condutor que não obedece, terá valores de resistência diferentes para cada valor de voltagem aplicada sobre ele.
Sem dúvidas a lei de Ohm é a mais importante sobre eletricidade. A importância de compreender essa lei e compreender sua utilização é enorme e é base para quase todos os outros estudos e aplicações da eletricidade, visto que relaciona três grandezas elétricas principais e demonstra como elas estão intrinsecamente ligadas. 
A Primeira Lei de Ohm postula que um condutor ôhmico (resistência constante), mantido a temperatura constante, a intensidade (i) de corrente elétrica será proporcional a diferença de potencial (ddp) aplicada entre suas extremidades, ou seja, sua resistência elétrica é constante. É representada pela seguinte fórmula:
Onde:
R: resistência, medida em Ohm (Ω)
U: diferença de potencial elétrico (ddp), medido em Volts (V)
I: intensidade de corrente elétrica, medida em Ampére (A)
A segunda Lei de Ohm estabelece que resistência elétrica de um material é diretamente proporcional ao seu comprimento, inversamente proporcional à sua área de secção transversal e depende do material do qual é o constituído, sendo representada pela seguinte fórmula:
Onde:
R: resistência (Ω)
Ρ: resistividade do condutor (depende do material e de sua temperatura, medida em Ω.m)
L: comprimento (m)
A: área de secção transversal (mm²)
Objetivo
O presente trabalho tem o objetivo demonstrar como o estudo do poder das pontas foi importante para a invenção do para-raios, e dar inicio as análises da Lei de Ohm.
Materiais e equipamentos
 
Para este experimento foi necessário a utilização dos seguintes materiais:
Gerador Van de Graaff;
Percevejos Latonados;
Fita crepe;
Bastão;
Torniquete Eletrostático.
procedimento experimental
No primeiro experimento foi fixado na cúpula do Gerador Van de Graaff um percevejo latonado com a fita crepe, deixando a base do grampo em contato com a superfície metálica da cúpula para que as cargas emitidas pelo gerador pudessem ser conduzidas ao percevejo, como mostra a imagem a seguir:
Figura 6 – Montagem Experimento 1
Após a fixação do percevejo latonado, o aparelho foi ligado e as cargas geradas conduzidas até o percevejo. Com o auxilio de um bastão foi possível verificar pequenas descargas elétricas ocorridas do grampo ao bastão. Como as descargas ocorrem de forma muito rápida e em pequena quantidade não foi possível o registro através de equipamentos fotográficos simples. Abaixo um foto ilustrando como a verificação foi realizada.
Figura 7 – Descarga através de um condutor
No experimento 2 no lugar do percevejo foi utilizado um torniquete eletrostático. As cargas geradas pelo equipamento fizeram com que o torniquete girasse e pequenas faíscas elétricas saíssem das pontas metálicas do torniquete em direção ao centro do mesmo. O sentido de giro do torniquete depende da orientação das hastes metálicas. Abaixo um foto para ilustrar o experimento.
Figura 8 – Experimento com Torniquete Eletrostático
Resultados e Análises
 Os experimentos realizados em laboratório demonstraram como funciona o poder das pontas e como um material pontiagudo serve de condutor para uma carga, oferecendo um caminho mais fácil, rápido e seguro a ela. Foi possível verificar a importância da descoberta do poder das pontas para invenção dos para-raios, equipamento extremamente importante para manter a segurança nas cidades durante as tempestades.
Conclusão
Através do experimento realizado por Benjamin Franklin foi possível iniciar os estudos sobre a conduçãode cargas elétricas através de materiais pontiagudos, esse experimento foi de suma importância para invenção dos para-raios. O Brasil é o campeão mundial em incidências de raios, sem os para-raios muitas estruturas civis e centrais de distribuição de energia poderiam ser danificadas através de uma descarga causando prejuízos enormes, sem contar com os riscos à saúde das pessoas sem a utilização desse equipamento.
O relatório deixa claro que os para-raios apenas oferecem um caminho mais seguro para descarga elétrica, ele direciona o raio minimizando seus impactos, dando maior segurança para pessoas. O trabalho mostra que qualquer objeto acima do solo é considerado uma ponta, pois oferece um caminho mais seguro para o raio, alguns exemplos disso são: o gado no pasto, um jogador de futebol em campo aberto, uma árvore. Daí a importância de se proteger em local coberto durante uma tempestade.
Com relação a Lei de Ohm o experimento não foi concluído, mas através do levantamento bibliográfico fica evidente que a resistência está associada à tensão e a corrente. Posteriormente será realizado o experimento cabendo estudo mais aprofundado e detalhado sobre o assunto.
REFERÊNCIAS
[1]http://agencia.fapesp.br/raios_ascendentes_sao_registrados_pela_primeira_vez_no_brasil/15373/. Acesso em: 21/04/2016, às 10:33h;
[2] http://alunosonline.uol.com.br/fisica/poder-das-pontas-pararaios.html. Acesso em: 17/04/2016, às 18:52h;
[3] http://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-lei-ohm.htm. Acesso em: 21/04/2016, às 11:06h;
[4]http://www.fis.unb.br/gefis/index.php?option=com_content&view=article&id=217&Itemid3=36. Acesso em: 21/04/2016, às 08:53h;
[5] http://para-raio.info/poder-das-pontas.html. Acesso em: 17/04/2016, às 18:19h;
[6] http://revistapensar.com.br/engenharia/pasta_upload/artigos/a110.pdf. Acesso em: 21/04/2016, às 09:28h;
[7] http://www.sbfisica.org.br/v1/novopion/index.php/publicacoes/artigos/59-a-fisica-das-tempestades-e-dos-raios. Acesso em 21/04/2016, às 10:45h;
[8]	http://www.mundodaeletrica.com.br/lei-de-ohm/ Acesso em 22/04/16, às 10:30h
[9]	http://www.todamateria.com.br/leis-de-ohm/ Acesso em 22/04/16, às 14:50h