5- (1,0) Durante uma tempestade, você observa um raio atingir o solo a uma distância de alguns quilômetros. Sabe-se que o ar normalmente é um isolante elétrico, impedindo a passagem de corrente. No entanto, sob certas condições, ele pode se tornar condutor e permitir a ocorrência de descargas elétricas violentas, como os raios. Responda:
a) (0,5) O que significa dizer que o ar sofre nuptura dielétrica durante a formação de um raio?
b) (0,5) Por que essa ruptura só ocorre quando o campo elétrico atinge valores muito elevados?

Passo 1

O enunciado nos pede para entender o fenômeno de ruptura dielétrica (ou quebra dielétrica) do ar durante a formação de um raio e explicar por que isso só acontece quando o campo elétrico é muito intenso. O conteúdo envolvido é eletrostática em meios dielétricos: precisamos saber que um dielétrico é um isolante que, se submetido a um campo elétrico acima de certo limiar, torna-se condutor por ionização do gás.

Passo 2

Para responder a) devemos dizer o que é ruptura dielétrica do ar. Isso significa que o ar, normalmente isolante, sofre uma ionização em cadeia: elétrons livres são acelerados pelo campo elétrico e colidem com moléculas de \text{N}_2 e \text{O}_2, arrancando novos elétrons e formando íons positivos. Esse processo em avalanche transforma o ar em um plasma condutor, permitindo a descarga elétrica (o raio).

Passo 3

Para responder b) precisamos explicar por que a ionização em cadeia só ocorre em campos muito elevados. Cada molécula de gás exige uma energia mínima W_i para ionizar. Só se o campo elétrico E for suficientemente grande os elétrons livres ganham energia cinética entre colisões maior que W_i. No ar, esse limiar é da ordem de
E_{\text{ruptura}}\approx 3\times10^{6}\,\text{V/m}.
Campos menores não aceleram elétrons o bastante para ionizar moléculas em série: recombinação e perdas por colisão simples dominam, e o ar permanece isolante.

Resposta

a) Dizer que o ar sofre ruptura dielétrica quer dizer que, sob um campo elétrico extremo, ele deixa de ser isolante e se torna condutor por ionização em avalanche, formando um plasma que permite a descarga do raio.
b) Essa ruptura só ocorre quando o campo elétrico atinge valores muito elevados (da ordem de \,10^6\text{ V/m}) porque só assim os elétrons livres adquirem energia suficiente entre colisões para ionizar moléculas do ar em cadeia; abaixo desse limiar, a energia não é suficiente e o ar permanece isolante.

Exercícios relacionados