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.