“Raios e trovões! Como funcionam os relâmpagos? “

Ciência:
Física

Nível: avançado


Certamente um dos mais mortais e belos fenômenos da natureza. Vamos tentar entender
o que acontece pode dentro de um relâmpago. Meu amigo
Salomão
me pediu para explicar qual era o caminho que os raios faziam quando
começavam os relâmpagos, e por isso preparei este texto (bem extenso) sobre o que
acontece antes e durante um relâmpago. Lá em baixo vão encontrar a resposta que
originou esta pesquisa.


As tempestades elétricas


Uma coisa é certa: as nuvens estão carregadas de carga elétrica. Nenhuma novidade
neste ponto, apenas que a parte de cima da nuvem retêm as cargas positivas, e a
parte de baixo as negativas, embora ainda não se tenha entrado em um acordo na comunidade
científica sobre como isso acontece. O que existem são teorias.

As nuvens são como 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.


O campo elétrico


Onde há separação de carga há um campo elétrico. A força ou intensidade desse campo
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 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.


Ionização do ar


O 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. A ionização é um processo bastante interessante e bem mais
complexo do que a explicação acima, e para os interessados é possível entender o
processo todo através deste link. Por enquanto, é importante frisar apenas
que essa “quebra” acontece somente quando o campo magnético se torna muito forte,
na casa das dezenas de milhares de volts por centímetro, e que o precesso de ionização
segue o mesmo princípio da oxidação, modificando o potencial positivo de um átomo
ou molécula. Isso irá ‘marcar um caminho’ para que o relâmpago siga.

Não é formado apenas um caminho, porém. Vários caminhos são formados, e à esses
caminhos dá-se o nome de líderes escalonados. Poeiras e impurezas, bem como
o formato do campo magnético, podem tornar um caminho melhor do que o outro, facilitando
o alcance à terra.

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.

Conforme os líderes se aproximam da Terra, a superfície começa a responder ao campo
elétrico. Eles “desenvolvem” cargas de cor púrpura conhecidas como cargas conectantes
positivas
. 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. 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.


O trovão


Corrente elétrica gera calor. O raio de um relâmpago é mais quente que a superfície
do sol, e esse calor é a causa do brilho branco-azulado que vemos. Quando o líder
e as cargas conectantes se encontram a corrente elétrica começa a fluir, causando
um calor tão intenso que o ar ao redor literalmente explode. O que segue
a explosão é o que chamamos de 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.


Por que eu vejo o raio piscar várias vezes?


Quando um raio cai, as ramificações que vemos além do raio principal são os líderes
escalonados conectados ao líder principal, por onde a corrente passou. Às vezes
temos a impressão de que um raio dura bem mais tempo, e às vezes nos parece que
ele fica piscando. Qual o motivo disso?

Quando ocorre a primeira descarga, os elétrons dos líderes secundários estão livres
e acompanham o líder, fornecendo corrente e apresentando o mesmo calor do caminho
real da descarga. Após isso acontecem diversas descargas secundárias, que não possuem
a colaboração dos caminhos secundários. A descarga principal pode ser seguida por
dezenas de descargas secundárias e, dependendo do intervalo entre elas, vai parecer
que o brilho do raio durou bem mais que o normal. Se as secundárias acontecerem
depois do término da descarga principal, temos a impressão de que o raio está piscando.


Posso testar essa explicação toda?


Certamente! Só não faça como Benjamin Frankling!

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 relâmpago


Chegamos finalmente na resposta à pergunta que originou este post: os raios sobem ou descem? Resposta: ambos, e um pouco mais! Veja:

  • Da nuvem para o solo (explicado até aqui)
    Da nuvem para o solo
  • De nuvem para nuvem: uma nuvem causa uma descarga em direção à outra nuvem
  • Do solo para a nuvem: um objeto na terra inicia uma descarga em direção à nuvem
    Do solo para a nuvem


Pergunta – para pesquisar


Uma pergunta bastante intrigante me passou pela cabeça e não consegui encontrar
a resposta: se o carro funciona como uma Gaiola de Faraday, como conseguimos usar
o celular dentro dele?

Isso surgiu de um fato interessante. Dizem que estamos seguros contra raios quando estamos dentro de um carro por causa dos pneus. Não acredite nisso!

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. 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.

 

Fontes:


http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20061212093616AABPj7s


http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081028195153AAeDi94

http://ciencia.hsw.uol.com.br/relampago.htm

http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070827200357AAbUdj0