5- Explique fisicamente como os raios se formam (utilize o conceito de potencial elétrico).

Passo 1

O enunciado pede para explicar como um raio se forma usando o conceito de potencial elétrico. Vamos precisar entender:
  • Como separam-se cargas positivas e negativas numa nuvem de tempestade;
  • O que é potencial elétrico (V) e campo elétrico (E = -nabla V);
  • Quando o ar entra em ruptura dielétrica, permitindo a descarga.

Passo 2

Dentro de uma nuvem de tempestade, movimentos de ar (correntes de convecção) fazem partículas de gelo e gotículas colidirem. Nessas colisões, cargas negativas ficam concentradas na parte inferior da nuvem e cargas positivas na parte superior. Como resultado, cria-se uma pequena diferença de potencial entre o “topo” e a “base” da nuvem.

Passo 3

O potencial elétrico (V) em cada ponto do espaço está relacionado ao trabalho que uma carga de prova sofreria. Entre a base da nuvem e o solo, forma-se uma diferença de potencial típica de De<a Vsim 10^8 a 10^9,V. O campo elétrico resultante é
E approx -De<a Vd,z,
onde d é a distância nuvem–solo (alguns quilômetros). Para dapprox10^3,m e De<a Vapprox10^8,V, temos |E|sim10^5,V/m.

Passo 4

O ar é um isolante até que o campo ultrapasse o valor crítico de ruptura dielétrica, |Ec|approx3times10^6,V/m. Quando em alguma região |E|>=|Ec|, moléculas de ar ionizam-se, gerando elétrons livres e íons positivos, reduzindo localmente a rigidez dielétrica do ar.
Nessas regiões ionizadas, forma-se um “canal” de líder escalonado (descida de ramificações carregadas negativamente). Ele vai avançando em saltos de dezenas de metros, aproximando a ponta do canal da superfície. Simultaneamente, do solo ou de objetos elevados, podem surgir líderes ascendentes com cargas positivas.

Passo 5

Quando um líder descendente e um líder ascendente se conectam, o caminho condutivo entre nuvem e solo fica estabelecido. A diferença de potencial faz então uma corrente intensa (de dezenas a centenas de kA) fluir rapidamente, neutralizando grande parte da carga. É esse pulso de corrente que vemos como o clarão do raio.

Resposta

Um raio é a rápida descarga elétrica entre nuvem e solo (ou entre nuvens) que ocorre quando a diferença de potencial De<a V torna o campo elétrico local maior que a rigidez dielétrica do ar, criando um canal iônico por onde flui a corrente de retorno principal.

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