Funcionamento dos Para-Raios

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INTRODUÇÃO
Este experimento tem como finalidade mostrar o funcionamento dos para-raios, para tanto, simulou-se as descargas elétricas de um raio e a ação do para-raios em laboratório, através de um bastão eletrostático, uma tachinha e do gerador de Van de Graaff.
Este dispositivo foi inventado no século XVIII pelo cientista, inventor e político norte-americano Benjamin Franklin. Ele percebeu que o raio nada mais era do que uma faísca elétrica. Para comprovar esse fato, ele empinou uma pipa num dia de tempestade: à extremidade superior da linha, adaptou um pedaço de arame fino e, à extremidade inferior, uma chave metálica, tomando o cuidado de colocar uma fita de seda isolante entre a chave e sua mão. Quando a pipa passou sob uma nuvem negra, ocorreu o que Franklin esperava: a linha molhada conduziu a eletricidade, e faíscas saltaram da chave. Estava descoberto o princípio de construção do para-raios. Vários pesquisadores tentaram duplicar o experimento de Franklin, mas foram mortos. (SOARES, 2007).
2 OBJETIVO
Verificar por meio da experiência qual a verdadeira função do para-raios de Franklin.
3 3 TEORIA
3.1 Formação de raios
Segundo o vídeo Discovery Science Planeta Feroz sobre raios, a formação deste fenômeno dá-se através de uma tempestade. As tempestades são formadas por água e calor, quando bolsas de ar úmido são aquecidas pelo sol e quando ganham altura, o ar a sua volta fica frio e a pressão atmosférica diminui. A umidade se esfria e condensa para formar nuvens.
levadas por correntes de ar ascendentes e se precipitam em forma de chuva	
Esse processo está no centro da formação de todo tipo de nuvens, mas para criar um raio ele precisa ir além, quando as condições estão certas, com água e calor o bastante para dar procedimento ao sistema, as nuvens antes pequenas crescem e se unem formando nuvens maiores sempre subindo, algumas das gotas de água tornam-se grandes e pesadas de mais para serem
As fortes correntes de convenção elevam as menores gotículas cada vez mais alto e na região superior da nuvem, que é a mais fria elas se congelam, formandos minúsculos cristais de gelo. No topo da nuvem que pode estar à 19 km de altitude elas se espalham horizontalmente tomando a forma achatada de bigorna de uma típica nuvem de tempestade.
Mais água congela nas partículas de gelo e elas crescem e formam granizo que passa de volta através da nuvem, o granizo cai através da corrente de partículas menores em ascensão, causando milhões de minúsculas colisões, cada colisão derruba elétrons dos cristais de gelo que estão subindo dando a eles uma carga elétrica positiva enquanto o granizo que está caindo fica carregado negativamente, toda a nuvem acaba ficando eletrificada como se fosse uma “pilha gigante” positiva em cima e negativa nas partes inferiores. Uma enorme corrente elétrica atravessa o ar para neutralizar as duas cargas e é assim que é criado o raio.
Os raios matam uma a cada 6 pessoas que atingem, os sobreviventes frequentemente tem ferimentos sérios, a maioria dos médicos encontram vítimas dos raios e não os reconhecem. A maior parte do raio quando atinge alguém passa em volta das pessoas e não através dela, 90 % dos raios nunca tocam o solo, eles ocorrem dentro das nuvens de tempestade ou saltam de uma nuvem para outra. Um único raio pode iluminar toda uma nuvem por dentro, e ele recebe o nome de descarga com formato de lâmina.
Os maiores mistérios dos raios é porque ele toma um caminho específico no ar? Só agora a ciência está começando a entender esse fenômeno. Tudo começa na região carregada negativamente na base da nuvem, aqui pequenos e poucos sensíveis sensores elétricos, chamados líderes, ziguezagueiam através da nuvem em milionésimo de segundo. Cada sensor salta cerca de 46 metros, faz uma pausa e salta novamente ramificando-se e espalhando-se pela nuvem. Ocasionalmente o líder deixa a nuvem e salta em direção a terra, a aproximadamente 91 metros acima do solo, sua intensa carga negativa começa a afetar a terra imediatamente abaixo.
As cargas elétricas positivas reúnem-se nos objetos pontiagudos como lâminas de grama, agulhas de pinheiros, galhos de árvores e postes metálicos, eles emitem faixas luminosas ascendentes em direção ao líder descendente, se eles fizerem contato, a nuvem fica repentinamente fica aterrada ao solo.
Ainda hoje a melhor tecnologia para se proteger contra os raios é o pararaios com seus mais de 200 anos. A haste deve ser resistente o bastante para suportar a enorme corrente de um raio. A função principal de um para raio é evitar sua queda (descarga) e não atraí-la para si que na realidade é sua segunda função. (Informação do vídeo Discovery Science Planeta Feroz).
3.2 Função principal do para-raios
O para-raios são constituídos por uma haste resistente que possui uma esfera na ponta da qual saem pequenas hastes, há também um fio normalmente de cobre ligado a essa haste, esse fio passa por duas roldanas e vai direto ao solo, conforme visualização da figura 1.
As nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que aos poucos vão neutralizando a própria nuvem como ilustrado na figura 2. Este processo sendo lento, gradual e contínuo, as nuvens não concentram uma quantidade suficiente de carga, não sendo capazes de provocar os raios, pois são incapazes de tornar o ar de isolante em condutor. (UFRGS - Instituto de Física).
3.3 Função secundária dos para-raios
Se os cumulus-nimbus, nuvens de tempestade, chegarem muito rapidamente ou com uma quantidade de carga muito elevada, o processo de
Figura 1: Prédio com para-raios de Flanklin Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/919/imprimir:yes
Figura 2: Nuvem atraindo cargas de sinal contrário Fonte: http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20031/Ricardo/funcpararaios.html descarga não é lento e gradual, mas ser torna rápido o que aumenta muito a quantidade de íons na ponta do pára-raios. (UFRGS - Instituto de Física).
Como os raios procuram o caminho mais fácil para chegar ao chão, devido ao grande número de íons na ponta do pára-raios o líder desce por esse "caminho", pois, assim, ele precisará criar um menor número de íons para fechar o "circuito" e tornar o ar um condutor. Como os metais conduzem melhor a eletricidade, a descarga (raio) se completará pelo para-raios, sendo dipersada pelo solo através do aterramento.
4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
4.1 Materiais
Para a realização da experiência foram necessários os seguintes materiais:
• Gerador de Van de Graaff;
• Um cabo banana - banana;
• Bastão de eletrização;
• Óculos de proteção;
• Tapete de borracha;
• Fita isolante;
• Uma tachinha.
Figura 3: Para-raios conduzindo a carga elétrica do raio até o solo. Fonte: http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20031/Ricardo/funcpararaios.html
4.2 Descrição dos procedimentos
1ª etapa: Fixa-se a tachinha ao bastão de eletrização com a fita adesiva, de modo que a ponta metálica da tachinha apareça, formando uma região pontiaguda, conforme ilustrado na figura 10.
Figura 4: Gerador de Van de
Graaff. Figura 5: Cabo banana-banana. Figura 6: Bastão de eletrização.
Figura 7: Óculos de proteção. Figura 8: Tapete de borracha. Figura 9: Tachinha presa no bastão de eletrização com fita isolante.
Figura 10: Tachinha fixada ao bastão de eletrização.
2ª etapa: Conecta-se o fio banana - banana na parte inferior do gerador de Van de Graaff (parte positiva) e em seguida ao bastão de eletrização, assim como mostrado na figura 1.
3ª etapa: Nesta etapa são colocados os equipamentos de segurança necessários, para que não ocorra nenhum acidente durante a experiência, isto é, a pessoa que irá participar da experiência deve posicionar-se sobre o tapete de borracha isolante, bem como, colocar óculos de proteção.
Figura 1: Fio banana-banana conectado ao bastão de eletrização e ao gerador de Van de Graaff.
Figura 13: Pessoa com óculos de segurança. Figura 12: Pessoa posicionada sobre o tapete de borracha.
4ª etapa: Liga-se o gerador de Van de Graaff, em alta potência, e aproxima-se obastão de eletrização da campânula deste gerador. Constata-se que há incidência uma descarga elétrica.
5ª etapa: Aproxima-se novamente o bastão de eletrização da campânula do gerador de Van de Graaff, só que desta vez o lado em que foi fixada a tachinha. Observa-se que não houve descargas elétricas.
Figura 14: Aproximação do bastão de eletrização da campânula do gerador de Van de Graaff e verificação de incidência de raios.
Figura 15: Aproximação do lado do bastão em que foi fixada a tachinha.
Verifica-se que há uma minúscula incidência de raio	
6ª etapa: Aproxima-se mais uma vez o lado do bastão em que foi fixada a tachinha da campânula do gerador de Van de Graaff, a uma distância ínfima.
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
A experiência permitiu observar que os raios só atingem o para-raios quando a carga elétrica é muito grande e este está sobre uma distância pequena da nuvem. Caso contrário o raio não cairá devido a presença do pararaios com uma distância maior da nuvem.
6 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO
Na simulação de um raio em uma tempestade e a ação de um pararaios, percebeu-se que o bastão eletrostático com a taxinha presa na esfera deste, funcionava como o para-raios e o gerador de Van de Graaff na parte superior (campânula), como se fosse a nuvem carregada negativamente. Além disso, o cabo banana – banana, que estava conectado no bastão e na parte inferior (parte positiva), do gerador de Van de Graaff, simulava o fio terra ligado ao para-raios.
Para a segurança foi necessário o óculos de proteção e um tapete de borracha para que a pessoa que realizou o experimento não levasse uma descarga elétrica.
Ao ligar o gerador de Van de Graaff, com alta potência, e aproximar dele o bastão sem a tachinha, percebe-se que o bastão é eletrizado por indução. Porém ao aproximar-se o bastão com a tachinha, ou seja, com uma ponta, o gerador não induziu eletricidade para o bastão. Esse experimento comprovou que o para-raios evitam que o raio caia.
Conclui-se que a experiência foi importante para perceber o caráter científico que está por trás de um fenômeno natural e com base teórica podese reproduzir este fenômeno, mostrando a eficácia de um dispositivo inventado por Benjamin Franklin, o para-raios, no qual evita que os raios caiam e não o atrai para si.
1 REFERÊNCIAS
Discovery Science Planeta Feroz: Raio. Disponível em <http://w.fisica.net/videos/Eletricidade/Raio.wmv>. Acesso em 2 de maio de 2013.
SOARES, Paulo Toledo. JUNIOR, Francisco Ramalho. FERRARO, Nicolau Gilberto. Os Fundamentos da Física. 9. ed. São Paulo: Moderna, 2007.