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Eletricidade: 1. Condução de eletricidade pelos gases

Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP)

OS GASES SÃO CONDUTORES OU ISOLANTES?

Para se fazer passar corrente elétrica através de um gás, imergem-se nele duas peças metálicas, separadas por uma distância d, que são ligadas aos pólos de um gerador. As peças metálicas são chamadas eletrodos. O eletrodo ligado ao polo positivo é chamado ânodo; o outro é chamado cátodo. Entre os eletrodos existe, então, uma diferença de potencial V.

Pode-se agora levantar a seguinte questão: um gás é condutor ou isolante? O que acontece é o seguinte: se a distância d for pequena, isto é, de alguns centímetros, para cada pressão do gás sempre existe certa diferença de potencial V acima da qual o gás conduz, e abaixo da qual não conduz. Mas, se a distância d for grande da ordem de um ou vários metros, e a pressão alta, de uma ou mais atmosferas, então o gás é isolante, mesmo que a diferença de potencial entre os eletrodos seja de milhões de volts.

Portanto, um gás pode ser condutor ou isolante, dependendo da sua pressão, da distância entre os eletrodos e da diferença de potencial existente entre eles.

Esse fato é o que permite utilizar a eletricidade. Pois, se os gases fossem condutores em quaisquer circunstâncias, todas as vezes que tivesse dois corpos eletrizados haveria uma corrente elétrica no ar de um para outro, e nunca se poderia manter a diferença de potencial entre eles.

Essa é uma diferença entre o comportamento de um gás e o de um metal. O metal sempre é condutor: por menor que seja a diferença de potencial entre seus extremos, passa por ele uma corrente elétrica. Outra diferença entre a condução pelos gases e a do metais, é que os metais não obedecem à lei de Ohm, isto é, o quociente da diferença de potencial entre os eletrodos pela intensidade da corrente que passa pelo gás não é constante. Por isso diz-se que os gases são condutores não ôhmicos.

CONDIÇAO PARA QUE UM GÁS SEJA CONDUTOR: IONIZAÇÃO

Já se sabe que as moléculas de um gás como a de todos os corpos, são formadas de átomos que possuem no interior, partículas carregadas de eletricidade. Mas, o número de partículas positivas é sempre igual ao número de partículas negativas de maneira que o átomo e a molécula são neutros. Quando se aplica entre os eletrodos a diferença de potencial V, aparece um campo elétrico entre eles. Se nesse campo existissem somente moléculas do gás, portanto neutras, não haveria nunca corrente elétrica no gás, porque a corrente é formada de cargas elétricas em movimento. E as moléculas sendo neutras, nem ficariam sujeitas a forças por causa do campo elétrico, pois este só exerce força sobre cargas elétricas. Mas, acontece que no gás não existem somente moléculas neutras, mas, também existem íons desse gás. Isto é, muitas moléculas do gás perdem elétrons e se tornam um conjunto de partículas cuja carga total é positiva. Esse conjunto de partículas é chamado íon. O fenômeno se chama ionização.

Quando aplica-se a diferença de potencial V entre os eletrodos, o íon do gás, sendo positivo, é atraído pelo cátodo. Esse íon é então acelerado, e aumenta sua energia cinética. Enquanto se desloca para o cátodo, esse íon pode encontrar uma molécula neutra, e por choque produzir sua ionização. Forma-se então mais um íon positivo, e libertam-se novos elétrons. O novo íon é também atraído pelo cátodo, e os elétrons libertados pela molécula são atraídos pelo ânodo. Esse íon e esses elétrons por sua vez chocam-se com novas moléculas que, por choque também são ionizadas. As ionizações continuam sucessivamente e, ao cabo de um tempo muitíssimo curto se produz um número suficientemente grande de íons que se deslocam para o cátodo e de elétrons que se deslocam para o ânodo. Esses íons e esses elétrons são cargas elétricas em movimento, que constituem a corrente elétrica no gás.

Chamamos descarga à corrente elétrica no gás.

Portanto, a condição para que um gás conduza eletricidade é que existam íons no volume do gás, os quais, entrando em movimento, provocam a ionização de moléculas neutras. Os íons e os elétrons resultantes da ionização constituirão a corrente elétrica.Essa condição é necessária sempre, qualquer que seja o caso de descarga no gás.

COMO SE FORMAM OS ÍONS INICIAIS

Pode-se agora fazer a seguinte pergunta: como se formam os íons iniciais, aqueles que vão provocar a ionização das moléculas do gás? Há várias causas para formação desses íons.

1. Atração de elétrons das moléculas

Quando se aplica a diferença de potencial entre os eletrodos, o ânodo, por ser positivo, exerce força de atração sobre os elétrons das moléculas do gás que estão próximas dele. E pode arrancar elétrons dessas moléculas, formando, assim, íons do gás.

2. Raios Cósmicos

Ininterruptamente caem sobre a Terra, vindo do Universo, ondas eletromagnéticas sob a forma de raios , e partículas constituintes do átomo, como prótons, elétrons, neutrons, mesons etc. Essas partículas e esses raios , que vem do exterior da Terra, e cuja origem é desconhecida, são chamadas raios cósmicos.
As partículas e os raios que constituem os raios cósmicos, encontrando as moléculas de um gás, provocam ionização, isto é, arrancam elétrons dessas moléculas. Os raios cósmicos têm poder de penetração muito grande: atravessam muito facilmente os telhados das casas, e todos os andares de um arranha-céu, de maneira que não podemos evitar que um gás fique sob sua influência. Por exemplo, as moléculas do ar atmosférico são constantemente ionizadas pelos raios cósmicos.

3. Raios X

Os raios X também provocam ionização de um gás. Eles podem então, formar os íons iniciais.

4. Partículas Radioativas

As substâncias radioativas emitem partículas alfa, ou partículas beta, ou raios gama. Essas três emissões das substâncias radioativas, se encontrarem moléculas de um gás, provocam sua ionização.

Raios X e substâncias radioativas não existem por toda parte, de maneira que na quase totalidade dos casos, a ionização inicial é provocada por raios cósmicos e pela atração de elétrons das moléculas do gás pelo ânodo.

Considere dois casos de descarga nos gases, porque, em cada um deles há características nítidas que o outro não possui.

1º - Descarga nos gases rarefeitos: Quando a pressão do gás é bastante inferior a uma atmosfera, por exemplo, desde uns 40 mm Hg até mais ou menos 0,01 mm Hg.

2º - Descarga nos gases a alta pressão: Quando a pressão do gás é da ordem de uma atmosfera, como por exemplo, as descargas no ar atmosférico.

DESCARGA DOS GASES RAREFEITOS

a) Tubo de Geissler

As descargas elétricas nos gases rarefeitos são estudadas nos tubos de Geissler. São tubos de vidro alongados de uns 40 centímetros de comprimento, nos quais se introduzem dois eletrodos A e D. Por meio de uma bomba de vácuo pode-se extrair, aos poucos, o ar desse tubo, de maneira a deixar no interior o ar com a pressão que se quer. Também se pode extrair todo o ar, e colocar no tubo um outro gás, como por exemplo, neon, argon, hidrogênio, etc.

É importante frisar que num tubo de Geissler há gás a uma determinada pressão (não há vácuo).

b) Aspecto da descarga

Aplica-se entre os eletrodos uma diferença de potencial elevada, de alguns milhares de volts. Com essa diferença de potencial, se o gás tiver a pressão alta, da ordem de uma atmosfera, não há passagem de corrente pelo gás. Se formos diminuindo a pressão, quando ela atingir uns 40 mm Hg, então começa a descarga. Realizando a experiência numa câmara escura notamos que a essa pressão aparece entre os dois eletrodos uma luz, que fica ondulando entre eles. À medida que vamos diminuindo a pressão, notamos que o aspecto dessa luminosidade vai se modificando, não só na forma geométrica da onda luminosa como também nas cores das luzes. As cores das luzes emitidas dependem de dois fatores:

1º) a pressão do gás;
2º) a natureza do gás.

c) Aplicação

Uma delas é a construção dos anúncios luminosos. Nos tubos destes anúncios, cada cor corresponde a um gás diferente.

DESCARGAS NOS GASES A ALTA PRESSÃO

As descargas nos gases à alta pressão podem ser estudadas no próprio ar atmosférico. Ligam-se dois eletrodos aos polos de um gerador, para se estabelecer uma diferença de potencial entre eles. Quando a diferença de potencial atingir um valor elevado, de alguns milhares de volts, há a descarga no gás.

a) Ionização inicial

Nos gases à alta pressão, os íons iniciais são formados quase que totalmente pela atração de elétrons das moléculas do gás situadas próximas do ânodo (veja tópico "Como se Formam os Íons Iniciais", item 1o). A ionização produzida pelos raios cósmicos é desprezível em face da ionização fortíssima provocada pelo próprio ânodo.

O processo de ionização durante a descarga, já explicado no tópico "Condições para que um Gás seja Condutor - Ionização", é o mesmo, quer se trate de gás à alta pressão ou à baixa pressão. Com a diferença de que no gás à alta pressão a ionização é muito intensa, e a descarga muito mais violenta.

b) Descarga em centelha e em arco

Há dois casos de descarga nos gases à alta pressão.

1º Caso - Descarga em centelha
É aquela constituída por uma sucessão de descargas rápidas, nas quais é emitida uma luz azulada característica, chamada centelha. A centelha, que todos conhecem, é luz emitida durante a ionização das moléculas. Os raios são descargas em centelha, que se dão entre duas nuvens, ou entre uma nuvem e a Terra.

2º Caso - Descarga em arco ou arco voltáico
É uma descarga contínua; que emite luz muito branca e muito brilhante, e que provoca grande elevação de temperatura dos eletrodos, dando como consequência sua destruição progressiva.

O arco voltaico produz uma temperatura das mais altas que já se conseguiram na superfície da Terra: em torno de 4.000oC. A luz produzida pelo arco voltaico é intensíssima. Antigamente, os projetores de cinema, que necessitam de luz muito forte, usavam arco-voltaico. Antes de se inventarem as lâmpadas de incandescência muitas cidades usavam arcos voltaicos para iluminação de ruas.

Obtém-se facilmente o arco voltaico do seguinte modo: ligam-se dois pedaços de carvão aos polos de um dínamo que forneça diferença de potencial de algumas dezenas de volts, ou aos polos de uma bateria de acumuladores. Encostam-se os dois pedaços de carvão um no outro, de maneira que por eles passa uma corrente muito intensa. Depois se afastam, mantendo-os à distância de alguns milímetros, ou poucos centímetros. Entre eles se forma, então, o arco voltaico.

DESCARGAS ELÉTRICAS NO VÁCUO

As descargas elétricas no vácuo são estudadas com as ampolas de Crookes, ou tubos de Crookes. São tubos de vidro, nos quais se introduzem dois eletrodos, e, por meio de uma bomba de vácuo, se faz o melhor vácuo possível. Todos sabem que não é possível extraírem-se todas as moléculas do ar contido em um recipiente. Mas, podemos deixar um número relativamente pequeno de moléculas, de maneira que a pressão fique muito baixa. Com a técnica moderna consegue-se facilmente vácuo de , isto é, pressão aproximadamente um bilhão de vezes menor que a pressão atmosférica. É a isso que chamamos alto vácuo.

A figura ao lado é fotografia de um tubo de Crookes, no qual o cátodo é o eletrodo circular; o ânodo é uma simples haste metálica.

Vê-se que a diferença entre um tubo de Geissler e um de Crookes é que, nestes procura-se fazer o melhor vácuo possível, enquanto que no de Geissler há gás a certa pressão, e portanto, um número relativamente grande de moléculas.

Aplicando-se diferença de potencial de alguns milhares de volts entre o cátodo e o ânodo, não se forma no interior do tubo de Crookes nenhum feixe luminoso: somente se forma, na parede do tubo oposta ao cátodo, uma luminescência esverdeada. (Esta é uma diferença com o caso de descarga em gases à baixa pressão, pois, neste caso se forma um feixe luminoso entre o cátodo e o ânodo, conforme vimos no tópico "Descarga nos Gases Rarefeitos"). No tubo da figura, a luminescência se forma então, na parede da direita do tubo.

LUMINISCÊNCIA

A figura mostra como se pode fazer funcionar um tubo de Crookes. A alta tensão necessária para o tubo é fornecida por uma bobina de Rumkhorff. Esta, por sua vez, é alimentada por um acumulador.

RAIOS CATÓDICOS

A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de Crookes sempre aparece no lado oposto ao cátodo, em frente a este. Mudando-se a posição do cátodo e a do ânodo, de todas as maneiras possíveis, ela sempre aparece em frente ao cátodo. Concluímos então que a luminescência é produzida por alguma coisa que sai do cátodo, atravessa o tubo, e se choca com a parede de vidro. Quando este fenômeno foi descoberto, deu-se o nome muito vago de raios catódicos a essa coisa que sai do cátodo, isso porque sua natureza era inteiramente desconhecida.

a) Natureza dos raios catódicos

Depois de alguns anos que os raios catódicos foram descobertos, o estudo de suas propriedades mostrou claramente que eles são constituídos de partículas que possuem carga elétrica e massa mecânica muito pequenas. Observou-se também que essas partículas são todas iguais, independentemente do metal do que é feito o cátodo ou o ânodo. Concluiu-se então, que essas partículas emitidas pelo cátodo entram na constituição de todos os corpos. Elas foram chamadas de elétrons.

Portanto, os raios catódicos são elétrons, que são arrancados do cátodo por causa da diferença de potencial existente entre o cátodo e o ânodo, e são atraídos pelo ânodo.

b) Propriedades dos raios catódicos

1ª) Produzem luminescência nos corpos com que se chocam, como por exemplo, na parede do tubo. Foi esta propriedade que permitiu sua descoberta.

A emissão dessa luz se explica do seguinte modo: os elétrons que constituem os raios catódicos, quando encontram o vidro, possuem grande energia cinética. Com o choque, eles perdem essa energia cinética, comunicando energia aos elétrons dos átomos do vidro; estes elétrons são então acelerados. E já se sabe que uma carga elétrica acelerada emite onda eletromagnética. Os elétrons do vidro emitem então, onda eletromagnética cujo comprimento de onda está nos limites da luz, isto é, onda eletromagnética visível.

2ª) Propagam-se com grande velocidade, que varia desde um limite inferior de uns 100 km/seg até um limite superior próximo da velocidade da luz (300.000 km/seg). A velocidade é maior quanto maior for a diferença de potencial aplicada entre o ânodo e o cátodo.

3ª) Propagam-se aproximadamente em linha reta. Costuma-se demonstrar esta propriedade construindo-se um tubo de Crookes (figura ao lado) em que o ânodo seja uma cruz. Quando o tubo funciona em uma câmara escura nota-se na parede do tubo a sombra da cruz, indicando que os elétrons se propagam aproximadamente em linha reta; os que foram barrados pela cruz produziram sua sombra.

4ª) Atravessam pequenas espessuras de materiais.

5ª) Para demonstrar que os raios catódicos são constituídos de partículas que possuem energia cinética, constrói-se um tubo que tenha, entre o ânodo e o cátodo, uma hélice que possa girar facilmente. Quando o tubo funciona, a hélice é empurrada do cátodo para o ânodo, devido ao impacto dos raios catódicos.

6ª) São desviados por um campo elétrico ou por um campo magnético. Por um campo elétrico, porque os elétrons, tendo carga elétrica, ficam sujeitos à força nesse campo. Por um campo magnético, porque os elétrons em movimento constituem uma corrente elétrica; e já sabemos que uma corrente elétrica é sujeita a forças num campo magnético.

c) Aplicações dos raios catódicos

Os raios catódicos permitiram a descoberta do elétron, fato que constituiu a origem da Física Atômica. Eles permitem a medida da carga elétrica e da massa do elétron, que são dados muito importantes para a Física moderna. Na indústria e na técnica suas aplicações crescem dia a dia. Assim, a imagem fornecida pelos aparelhos de televisão é dada por um tubo de raios catódicos.

É interessante que fixe a diferença entre uma descarga elétrica num gás à baixa pressão e descarga no vácuo. No gás à baixa pressão há um número relativamente grande de moléculas, de maneira que a descarga é formada pelo movimento de íons do gás para o cátodo, e elétrons para o ânodo. Durante a ionização do gás se produz luz, e é por este motivo que nessas descargas há um feixe luminoso do ânodo ao cátodo (tubos de Geissler).

Mas, na descarga no vácuo, o número de moléculas de gás que restam no interior do tubo é insignificante, de maneira que o número de íons formados também é insignificante, e não chega a se formar a corrente de íons como no caso anterior. Neste caso, a corrente elétrica no interior do tubo é constituída somente por elétrons que são arrancados do cátodo e atraídos pelo ânodo, isto é, raios catódicos. E como não há formação de íons, não há produção de luz no interior do tubo, e não há feixe luminoso entre o cátodo e o ânodo (Tubo de Crookes).

Portanto, na descarga no vácuo as moléculas de gás que restam no interior do tubo são tão poucas, que não participam da descarga. Esta é formada só pelos elétrons dos raios catódicos.

RAIOS POSITIVOS OU RAIOS CANAIS

Os raios positivos foram descobertos por Goldstein (foto ao lado), em 1886, logo depois da descoberta dos raios catódicos. Sabendo que o cátodo emite radiações, Goldstein procurou determinar se o ânodo também emite.

a) Natureza dos raios positivos

A interpretação dada por Goldstein sobre a natureza dos raios positivos é parcialmente correta, mas é incompleta. Eles não são constituídos somente de íons positivos arrancados do ânodo, como pensaram de início. Esses íons existem, mas, em pequenas proporções. A maior parte das partículas que constituem os raios positivos são íons positivos das moléculas de gás que permaneceram no interior do tubo. O que acontece é que os elétrons dos raios catódicos, chocando-se com moléculas do gás, arrancam elétrons dessas moléculas, isto é, as ionizam. Os íons positivos são atraídos pelo cátodo, que é negativo, e muitos deles passam pelos orifícios.

b) Propriedades dos raios positivos

Os raios positivos possuem propriedades análogas às dos raios catódicos, mas, em geral, menos intensas.

1ª) Produzem luminescência nos corpos com que se chocam, como por exemplo, o vidro da ampola.

2ª) Propagam-se com grande velocidade, embora menor que a dos raios catódicos, por terem maior massa.

3ª) Propagam-se aproximadamente em linha reta.

4ª) Atravessam lâminas muito finas de materiais. Mas, seu poder de penetração é menor que o dos raios catódicos.

5ª) As partículas que constituem os raios positivos têm carga elétrica positiva que é sempre um múltiplo da carga elétrica do elétron.

6ª) São desviados por campos elétricos ou magnéticos. E como têm carga positiva, o desvio é em sentido oposto ao dos raios catódicos.

7ª) As partículas que constituem os raios positivos não são todas iguais, pois são íons do gás ou do ânodo. Esta é uma outra diferença entre raios positivos e raios catódicos, pois estes são constituídos de elétrons, que são todos iguais.

c) Aplicação dos raios positivos

São usados como elementos de estudos sobre propriedades da matéria.


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