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OBRA E VIDA 2015
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PERSONALIDADE
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TRABALHO
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1. CHARLES A. DE COULOMB
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1º
Bimestre
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2. CHARLES DU FAY
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1º Bimestre
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3. LORD KELVIN
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2º Bimestre
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JAMES CLERK MAXWELL |
2º Bimestre
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5. THOMAS EDISON
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3º Bimestre
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6. NICOLA TESLAN
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3º Bimestre
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7. ALBERT EINSTEIN
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4º Bimestre
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8. STEPHEN HAWKING
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4º Bimestre
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terça-feira, 3 de março de 2015
TRABALHOS 2015
O maravilhoso espetáculo dos raios
Valter
Luiz Líbero
Instituto de Física de São Carlos, IFSC-USP
Email: libero@ifsc.usp.br
Instituto de Física de São Carlos, IFSC-USP
Email: libero@ifsc.usp.br
Poucos
fenômenos da natureza despertam tanto nossa atenção como os raios, ou
relâmpagos. Apesar de muitas vezes nos amedrontarem, há uma beleza intrínseca
no brilho, na grande extensão espacial, suas ramificações no céu e até mesmo no
barulho que causam, denominado trovão. No entanto, as causas e os mecanismos de
origem dos raios não são muito conhecidos, e poucas pessoas sabem que são
essenciais para o nosso planeta, estando associados até mesmo à evolução da
vida no nosso planeta.
Em
essência, os raios são descargas elétricas originadas pelo acúmulo de cargas
opostas entre duas regiões da atmosfera. O fluxo de carga pode ocorrer de uma
nuvem para outra, de uma nuvem para a superfície da Terra, ou de uma estrutura
metálica alta para a nuvem, sendo este caso bem menos frequente (cerca de um em
cada 100 raios sobem). O mecanismo de origem dos raios é complexo e ainda
motivo de estudos. Basicamente, ao se formar uma nuvem de tempestade (aquelas
escuras), devido aos processos de evaporação da água, há ciclos de
transformação de água líquida em cristais de gelo e em granizos, isso em
grandes alturas. Nesses ciclos, por colisão, os granizos ficam com cargas
negativas e por serem mais pesados concentram-se na base da nuvem; os cristais
de gelo ficam carregados positivamente e se espalham pela nuvem. Com isso há o
surgimento de um campo elétrico dentro da nuvem que ao atingir um valor crítico
(capaz de romper a rigidez dielétrica ou isolação elétrica do ar) possibilitará
a descarga elétrica nuvem-nuvem; esses são os raios mais frequentes. Há também
a formação de um campo elétrico entre a nuvem e a superfície da Terra, que ao
romper a isolação do ar também origina um raio descendente, chamado precursor,
mas esse nós não vemos. Esse mesmo campo elétrico induz cargas de sinal oposto
na superfície terrestre, que podem iniciar um movimento de subida de cargas; é
o raio ascendente, que também não vemos. Esses dois raios precursores, cujos caminhos
são ramificados, podem se encontrar e assim fechar um caminho nuvem-terra (como
se um finíssimo fio condutor fosse ligado entre nuvem e terra), pelo qual se
inicia uma descarga de altíssima intensidade, torna o ar um plasma muito
aquecido favorecendo ainda mais a passagem das cargas. Esse é o raio que vemos.
O aquecimento súbito do ar provocado por esse raio intenso e a consequente
expansão do ar dá origem ao trovão. Podem ocorrer outras descargas pelo mesmo
caminho precursor. Assim, o raio pode ser visto como regulador de um equilíbrio
elétrico necessário entre céu e terra.
Os raios
não são manifestações de alguma falha, ou mesmo de descuido nosso para com o
planeta. Sempre existiram e desempenharam papel fundamental no processo de
formação da vida no nosso planeta; na verdade até hoje desempenham. Uma boa
parte do ozônio de nossa atmosfera origina-se em descargas atmosféricas. Raios
ocorrem também em outros planetas, principalmente nos gigantes gasosos Júpiter
e Saturno. Somente uma estatística mais aprimorada, que já está em curso, pode
revelar se está havendo algum desequilíbrio na quantidade de raios, e as
conseqüências disso para o nosso planeta.
Tipicamente,
a tensão elétrica, isto é, a força em volts, necessária para um raio ocorrer é
da ordem de um milhão de vezes aquela que utilizamos em nossas casas
(tipicamente 110 volts). A corrente elétrica, que é o fluxo de carga presente
num raio, é cerca de 2000 vezes a que circula numa residência (tipicamente 50
ampères com chuveiro ligado). A temperatura do ar ao redor de um raio pode
alcançar 25 mil graus. No entanto, apenas uma fração da energia do raio está na
corrente elétrica, sendo a maior percentagem contida na forma de calor,
radiação eletromagnética (luz e ondas de rádio), e como o processo todo, desde
a formação dos precursores até a descarga final, dura cerca de um segundo,
resulta numa energia elétrica da ordem de apenas 300 KWh, equivalente ao
consumo de uma lâmpada de 100 W acesa durante 4 meses. Então, apesar dos
valores de tensão e corrente serem altos, dada a curta duração dos raios,
teríamos que armazenar a energia de muitos raios para que essa fonte de energia
fosse proveitosa. Além do mais, é praticamente impossível prever exatamente
onde um raio irá cair!
A queda
de raios causa diversas mortes anualmente. No Brasil, nos últimos dez anos pelo
menos 1320 pessoas morreram vítimas dos mesmos. Os prejuízos materiais chegam a
um bilhão de reais ao ano, normalmente relacionados à queima de aparelhos
eletrônicos, ou destruição de linhas de transmissão de energia, telefonia ou de
dados. Ao cruzarmos uma linha de transmissão de eletricidade, podemos ver um ou
mais fios elétricos ligando os topos das torres de sustentação dos cabos; eles
são denominados fios terra. Não há corrente sendo transportada nesses fios;
eles estão aí para proteger os cabos de transmissão. Um raio terá mais chance
de cair nesses fios terra e assim se desviar para o chão através das torres,
sem atingir os cabos de transmissão.
O Brasil
registra uma incidência muito alta de raios. Não se sabe ao certo a razão
disso, mas o Brasil é um país tropical e de extensão territorial enorme. A rica
vegetação brasileira causa uma evaporação de grande proporção, facilitando a
formação de nuvens. A enorme extensão terra-mar contribui para que haja muita
alteração climática, favorecendo o aparecimento de tempestades. Há também
correlações entre períodos de grande incidência de raios em certas regiões do
Brasil e os fenômenos La Niña e El Niño. Há indicações, ainda em
debate, que a cada grau de aumento da temperatura global, pode corresponder a
10 ou 20% de aumento no número médio de raios. Tem havido um aumento na
incidência de raios em centros urbanos, que tem sido atribuído ao aumento da
poluição e da temperatura média nesses centros.
Outro
fator que tem influência na origem dos raios são certas partículas emanadas
pelo Sol, pois elas podem ajudar no desencadeamento da corrente que forma os
raios precursores (elas ajudam a romper a isolação elétrica do ar). Neste ano
de 2012 está ocorrendo o pico de manchas solares, que tem período de 11 anos, e
o efeito disso na incidência dos raios está sendo monitorado.
Algumas
ações podem ajudar na prevenção dos danos causados por raios. Em grandes
edificações, o uso de para-raios é obrigatório. Um para-raio é uma estrutura
metálica usualmente em forma de ponta colocada em lugar alto, que visa
estabelecer um caminho mais fácil, seguro e controlado, para o raio chegar ao
solo. Ao contrário do que se pensa, a ação de um para-raio é bem limitada em
alcance, protegendo basicamente uma área de diâmetro igual a sua altura do
solo.
Durante
tempestades, deve-se evitar lugares planos e abertos, pois ali você será o
ponto mais alto do chão e de maior facilidade para a descarga chegar ao solo.
Não fique embaixo de construção metálica que não esteja aterrada, como ranchos
de teto de zinco erguidos sobre pilares de madeira ou mesmo tijolos; isso é
comum em fazendas. Um raio que caia nesse teto verá sua cabeça como o ponto de
maior facilidade para se escoar para o chão. Não fique próximo a árvores, pois
estas podem facilitar a queda de um raio (são úmidas e infincadas no solo). Não
podendo se esconder numa edificação fechada, como uma casa ou mesmo um carro,
você também não deve deitar no chão. Uma descarga próxima pode induzir
correntes no chão que passarão por todo o seu corpo, podendo matá-lo (é por
isso que animais morrem com freqüência vítimas de raios, pois a corrente
induzida no solo pode entrar por uma pata e sair por outra, com chance de
passar pelo coração). O melhor é colocar os pés juntos, dobrar os joelhos,
abaixar a cabeça e fechar os braços ao seu redor (e não cair dessa posição!).
Em meio a uma tempestade, jamais fique nadando, seja na praia ou em piscina,
andando a cavalo ou de bicicleta, ou jogando futebol. Enfim, evite fazer o
papel de para-raio!
Ao
contrário do que se ouve, raios podem sim cair no mesmo lugar, e de fato há
muitos registros de múltiplos raios em edificações metálicas de grande altura.
Vítimas de raios não incorporam nada de especial, além dos tristes malefícios
de queimaduras e avarias no sistema nervoso. Isolantes entre o solo e uma
pessoa não garantem sua segurança. Há exemplos de pessoas em carrocerias
abertas de caminhões que foram atingidas por raios e com consequências fatais.
Mesmo isolada do chão, o raio pode atingir uma pessoa e se dirigir para a
estrutura mais próxima que lhe dê caminho ao solo. Já, pessoas dentro de
estruturas metálicas fechadas, como um veículo, não são afetadas por raios,
pois estes não penetram em corpos metálicos fechados, mas se espalham pela
superfície do mesmo e se escoam para algum outro corpo externo na proximidade.
Durante uma tempestade não é aconselhável tomar banho, usar telefones fixos, ou
mesmo ficar perto de equipamentos que tenham conexões externas, como
televisores, ou microcomputadores (conectados a redes). Os riscos, embora
pequenos nessas situações, existem.
Não é
possível prever onde um raio irá cair, mas pode-se mapear regiões onde caem com
mais frequência. O Grupo de Eletricidade Atmosférica, ELAT, do INPE, tem
implantado nos últimos anos uma rede de monitoramento de raios, que irá
certamente melhorar as estatísticas de incidência de raios no Brasil. Também no
INPE, nós temos o Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos, Cptec, que
presta relevante serviço de previsão meteorológica para todo Brasil,
particularmente para o setor agrícola; é o centro mais avançado nessa área em
toda América Latina. O mapeamento mais detalhado das áreas de maior ocorrência
de tempestades contribuirá para melhor entendermos, por exemplo, porque o
Brasil é um dos campeões mundiais em incidência de raios.
Outras
informações a respeito da origem desse fascinante e importante fenômeno
natural, seu mecanismo de atuação e como minimizar seus malefícios podem ser
encontradas nas referências abaixo.
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