O ar pode agir tanto como um isolante quanto como um condutor. Considere o caso de você alcançar uma maçaneta metálica após arrastar os pés sobre um carpete. Quando sua mão se aproxima da maçaneta, uma faísca salta entre sua mão e o metal. Explique como o ar atua como isolante e condutor nessa situação.

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que o ar se comporta como isolante em condições normais, mas passa a conduzir eletricidade quando sua mão, carregada depois de esfregar o carpete, se aproxima da maçaneta metálica. O conteúdo envolve eletrização por atrito, campo elétrico, rigidez dielétrica do ar e descarga por ruptura dielétrica.

Passo 2

Quando você anda sobre o carpete, ocorre eletrização por atrito: seu corpo acumula cargas (geralmente excesso de elétrons). Em seguida, enquanto sua mão e a maçaneta estão separadas por uma pequena distância no ar, existe entre elas um campo elétrico \vec{E}. Sob tensões típicas, esse campo não é forte o bastante para ionizar as moléculas de ar, de modo que o ar permanece um bom isolante e impede a passagem de corrente.

Passo 3

O ar age como isolante porque suas moléculas são neutras e não há portadores livres (elétrons ou íons) em quantidade suficiente para sustentar uma corrente contínua. A rigidez dielétrica do ar, isto é, o valor do campo mínimo para iniciar a ionização, é
E_{\text{ruptura}}\approx 3\times 10^{6}\,\mathrm{V/m}.
Enquanto \lvert \vec{E}\rvert < E_{\text{ruptura}}, não há formação de plasma e o ar não conduz.

Passo 4

Quando sua mão carregada se aproxima da maçaneta, a diferença de potencial \Delta V entre mão e metal aumenta. Como
\lvert \vec{E}\rvert \approx \frac{\Delta V}{d},
com d a distância entre mão e maçaneta, ao reduzir d o campo no ar cresce até atingir E_{\text{ruptura}}. Nesse instante, o ar sofre ionização: elétrons livres e íons positivos são acelerados pelo campo.

Passo 5

A ionização forma um canal condutor de plasma que permite a descarga elétrica (a faísca). Assim, o ar passa a conduzir eletricidade momentaneamente, igualando o potencial da sua mão ao da maçaneta.

Passo 6

Após a descarga, as cargas se neutralizam e o campo volta a ser pequeno. Sem ionização em curso, o ar recupera seu papel de isolante e deixa de conduzir corrente.

Resposta

O ar é isolante enquanto o campo elétrico é menor que sua rigidez dielétrica, mas quando a mão carregada se aproxima o suficiente da maçaneta, o campo excede esse limite, o ar se ioniza e forma um canal condutor (faísca), permitindo a descarga. Depois disso, o campo diminui e o ar volta a isolar.

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