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Descargas Elétricas

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Introdução
Diversos são os experimentos e ensaios nos quais se verifica, sob altas tensões, a passagem da corrente elétrica em certos meios que deveriam se comportar como isolantes elétricos. Tal fenômeno ocorre, por exemplo, no arco voltaico, no chifre elétrico, na lâmpada de plasma, na lâmpada fluorescente, no faiscador da bobina de Tesla etc. Trata-se de uma descarga elétrica.
Caracteriza-se pela passagem da corrente elétrica num fluido ou num dielétrico, normalmente isolante, o qual, submetido à ação de um campo elétrico intenso, ioniza-se e se torna condutor. 
Amantes do misticismo e das pseudo-ciências fotografam essas perturbações (veja abaixo) no meio envolvente, quando então dão aos geradores de altas tensões a denominação de "máquinas Kirlian", e inventam termos 'profundos' com "auras" e outras manifestações que só eles conseguem imaginar. Além do que, tais "máquinas" (cujo custo real não supera os R$ 100,00) são vendidas a milhares de dólares e os 'avançados' cursos para entender tudo isso só é dado pelos construtores das máquinas e nos países de origens. Tem vários 'sites' à disposição na 'www' para quem quiser comprar as deslumbrantes máquinas Kirlian e entrar no mundo mirabolantes das para-não-sei-o-que.

Descarga disruptiva
A descarga mais simples, a descarga disruptiva, manifesta-se pela passagem abrupta de corrente através de um meio isolante, quando este perde localmente suas propriedades de isolação. Esta degenerescência pode ter causas diversas, como o envelhecimento do material, a presença de defeitos na superfície, modificações da configuração geométrica tais que, localmente, determinam um valor de campo elétrico devido à diferença de potencial aplicada, superior ao gradiente crítico contingente. Quando o arco é escorvado (desencadeado), o dielétrico é  geralmente destruído pela descarga, a não ser que o dielétrico seja um gás.
É o que ocorre num capacitor, que é inutilizado por uma descarga interna. A descarga disruptiva nos gases, e em particular no ar, pode ser estudada com o dispositivo indicado abaixo. A máquina eletrostática M alimenta um centelhador de esferas S em paralelo, ao qual é ligado o capacitor C. 'Carregando-se' suficientemente o capacitor, salta uma faísca entre as esferas, em intervalos regulares. Todo o percurso ao longo da faísca fica então ionizado, e a emissão de fótons (na recombinação e desexcitação) é responsável pela luminosidade.

descarga desruptiva

O voltômetro eletrostático V permite medir a tensão quando ocorre a faísca. Esta tensão depende de muitos fatores: material e diâmetro das esferas, distância entre elas, natureza, pressão e temperatura do gás. Expresso de outra maneira, podemos dizer que o fenômeno depende da comparação entre o valor do campo eletrostático no espaço entre as esferas, e o gradiente crítico do dielétrico neste espaço. 

O fenômeno da descarga com faísca tem aplicações práticas; entre estas notamos: as velas dos motores de combustão interna e os pára-raios, dispositivos de proteção das linhas de alta tensão, telegráficas e telefônicas. 
Recomendamos a leitura do trabalho "Chifre Elétrico" (clique no destaque).

Eflúvios
Se em lugar das esferas utilizamos um elétrodo pontiagudo P1 e um elétrodo plano P2, perpendiculares um ao outro, conforme se ilustra abaixo, à esquerda, a descarga com faísca não ocorre mais porque a partir do valor Vo da tensão aplicada, o galvanômetro G inserido no circuito indica passagem contínua da corrente.

Eflúvios

Nas proximidades da ponta P1 aparece uma leve luminosidade, acompanhada de fraca crepitação. O andamento da corrente em função da tensão aplicada é o indicado acima, à direita. A diferença de potencial Vo, a partir do qual começa o eflúvio, depende da natureza do gás e da agudeza da ponta, mas pouco depende da distância d, desde que esta seja suficientemente grande (uns dois centímetros, para uma agulha comum).

Efeito Corona
Pode-se obter um fenômeno análogo ao eflúvio por meio de um dispositivo com simetria cilíndrica. Neste, o elétrodo pontiagudo é substituído por um fio muito fino, e o elétrodo plano é substituído por um cilindro oco, cujo eixo é o fio fino. O fenômeno, neste caso, recebe o nome de efeito Corona, e se manifesta por uma luminosidade em volta do fio fino. 
Um dispositivo semelhante é utilizado para a purificação da fumaça produzida em caldeiras e chaminés. Ao passar pelo dispositivo, as partículas sólidas, que constituem as impurezas, são carregadas eletricamente e são atraídas pelo elétrodo de sinal contrário, onde se chocam, caindo depois no fundo do aparelho.

Fenômenos do tipo eflúvio ou Corona ocorrem em linhas de transmissão. O elétrodo cilíndrico é substituído pela terra e pelos condutores vizinhos. Estas descargas são prejudiciais tanto pela perda de energia, como pela deformação da onda de tensão que provocam. Para atenuar estas descargas, o diâmetro externo dos condutores deve ser suficientemente grande —pelo menos quatro centímetros para tensões de 400 kV — e isto se obtém na prática com cabos de seção oca, e condutores múltiplos.

Descargas em gases rarefeitos
As características das descargas em gases mudam, se a pressão atmosférica ou próxima da atmosférica ( 760 mm de Hg), é abaixada drasticamente. Descargas nessas condições são estudadas com o dispositivo indicado na ilustração abaixo: uma fonte de alta tensão CC, um tubo de vidro que contém dois elétrodos no qual a pressão em seu interior pode ser abaixada com auxílio de uma bomba (bomba de vácuo). 

desc. em gases rarefeitos

Até pressões de uns 300 mm de Hg, a descarga conserva as características antes mencionadas. Em pressões menores, a faísca perde a nitidez de seu contorno, torna-se mais silenciosa, e possui luminosidade difusa, cor-de-rosa. 

Abaixo do milímetro de Hg, a luminosidade ocupa todo o espaço do tubo, formando uma coluna positiva cor-de-rosa, que não alcança o cátodo. Em volta do cátodo há um espaço escuro, chamado de espaço escuro de Faraday. O cátodo se apresenta envolvido por uma luz violeta, conhecida como luz negativa.
Para pressões da ordem de 0,3 a 0,4 mm de Hg, a coluna positiva tem estrias; o espaço de Faraday, de limites mal definidos, desloca-se em direção ao ânodo, e outro espaço escuro for ma-se junto ao cátodo: o espaço de Crookes-Hittorf
Para pressões entre 0,01 e 0,1 ou até 0,2 mm de Hg, a separação entre coluna positiva, espaço escuro e luz negativa vai desaparecendo; o vidro adquire luminescência negativa esverdeada em volta do cátodo, e a luminosidade da descarga apresenta-se uniforme. Nestas pressões, a tensão de escorvamento (desencadeamento/partida) da descarga é pequena, da ordem de centenas de volts. 

As aplicações das descargas em gases rarefeitos são numerosas. Nos tubos luminosos de neônio a descarga ocorre à pressão de 2 a 3 mm de Hg.
Na espectroscopia são utilizados tubos de descarga em gases puros, como hidrogênio, nitrogênio, argônio etc.(tubos de Geissler ou de Plücker). O arco elétrico entre elétrodos de carvão é também importante para a análise espectroscópica. Colocando na cratera que se forma num dos elétrodos, uma determinada substância, o arco provoca a excitação dos átomos, cujo espectro pode ser estudado.



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