A FÍSICA DAS TEMPESTADES E DOS RAIOS

Marcelo M. F. Saba
Pesquisador do Grupo de Eletricidade Atmosférica.
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
C.P.515-12201-970
São José dos Campos,SP,Brasil
e-mail: saba@dge.inpe.br

Adaptado por CLEOVAM PÔRTO.

A Física das Tempestades e dos Raios

Como as nuvens se formam?

A origem de uma nuvem está no calor que é irradiado pelo Sol atingindo a superfície de nosso planeta. Este calor evapora a água que sobe por ser menos denso que o ar ao nível do mar. Ao encontrar regiões mais frias da atmosfera o vapor se condensa formando minúsculas gotinhas de águas que compõem então as nuvens.

Basta então calor e umidade?

Não. Na atmosfera a temperatura do ar diminui com a altura. Dependendo de quão rápida é esta diminuição, o crescimento de uma nuvem pode ser acelerado ou inibido. Alguns outros fatores podem também dar uma “mãozinha” para que a nuvem cresça: as montanhas, onde ventos batem forçando o ar quente subir, e as frentes frias, camadas de ar frio que funcionam como uma cunha empurrando o ar quente para cima. Sabemos ainda que para o vapor tornar-se uma gotinha d’água ele precisa encontrar na atmosfera partículas sólidas sobre as quais se condensar. Essas partículas estão sempre em suspensão no ar, mesmo nas regiões onde o ar é muito puro.

Todas as nuvens produzem relâmpagos?

Não. Somente as nuvens de tempestades, conhecidas como cumolonimbus, possuem os ingredientes necessários para produzir relâmpagos: ventos intensos, grande extensão vertical e partículas de gelo e água em diversos tamanhos.

Que aspecto tem as nuvens de tempestade?

Estas nuvens são enormes. Elas têm sua base em 2 ou 3 km e o topo em até 20 km de altitude! Podem ter 10 ou mesmo 20 km de diâmetro. Normalmente têm a sua base escura, pois a luz solar é absorvida e espalhada pelas partículas de água e gelo de que são formadas. O seu topo muitas vezes atinge a base da estratosfera (camada da atmosfera logo acima da troposfera, onde vivemos). Ao atingir a base da estratosfera, a nuvem não consegue mais subir, pois a temperatura nessa camada tende a aumentar devido à absorção do ultravioleta pela camada de ozônio. Assim ela se espalha horizontalmente na direção dos ventos nessa altitude, fazendo que a nuvem tenha o aspecto de uma bigorna. As nuvens de tempestade geralmente estão associadas a: chuvas torrenciais e enchentes, granizo ou “chuva de pedra”, ventos intensos ou “rajadas de vento”, e eventualmente os temíveis tornados. A quantidade de energia envolvida em apenas uma tempestade modesta é assustadora. Ela é várias vezes superior à energia liberada pela primeira bomba atômica detonada em um deserto dos Estados Unidos em 1945. A diferença é que a bomba atômica libera toda sua energia em uma fração de segundo, enquanto uma tempestade o faz durante um período de muitos minutos ou várias horas.

Qual o efeito das tempestades sobre o clima?

As tempestades são como grandes trocadores de calor. Ou seja, o ar que próximo ao chão encontrava-se, em dias de verão, a quase 40 °C, pode ser transportado até o topo da tempestade onde pode chegar com a temperatura de -70 °C. Existem estimativas de que o nosso planeta sem essas nuvens trocadoras de calor teria uma temperatura média 10 °C maior.

Por que as nuvens se eletrificam?

Ainda não há uma teoria definitiva que explique a eletrificação da nuvem. Há, no entanto, um consenso entre os pesquisadores de que a eletrificação surge da colisão entre partículas de gelo, água e granizo no interior da nuvem. Uma das teorias mais aceitas nos diz que o granizo, sendo mais pesado, ao colidir com cristais de gelo, mais leves, fica carregado negativamente, enquanto os cristais de gelo ficam carregados positivamente. Isso explicaria o fato de a maioria das nuvens de tempestade ter um centro de cargas negativas embaixo e um centro de cargas positivas na sua parte superior. Algumas nuvens apresentam também um pequeno centro de cargas positivas próximo à sua base.

Por que existem relâmpagos?

Quando a concentração de cargas no centro positivo e negativo da nuvem cresce muito, o ar que os circunda já não consegue isolá-los eletricamente. Acontecem então descargas elétricas entre regiões de concentração de cargas opostas que aniquilam ou pelo menos diminuem essas concentrações. A maioria das descargas (20%) ocorre dentro das nuvens, mas como as cargas elétricas na nuvem induzem cargas opostas no solo, as descargas podem também se dirigir a ele.

Quando e quem descobriu que os raios eram enormes descargas (faíscas) elétricas?

Em 1752, Benjamin Franklin propôs uma experiência para verificar se as nuvens possuíam eletricidade.Sugeria que uma pessoa subisse no alto de uma montanha em um dia de tempestade e verificasse se de uma haste metálica isolada do chão pulariam faíscas em direção aos dedos da sua mão. Era uma experiência arriscadíssima que ele mesmo não a realizou, talvez por não haverem montanhas suficientemente altas na Filadélfia, onde morava. Quem a realizou pela primeira vez foi Thomas François Dalibard, na França, em maio de 1752. Um mês depois, sem saber do sucesso da experiência na França, Franklin conseguiu uma maneira de a realizar na Filadélfia. Em um dia de tempestade empinou uma pipa e observou faíscas pularem de uma chave amarrada próximo da extremidade da linha à sua mão. Tanto uma como outra experiência não devem ser repetidas por ninguém. Várias pessoas morreram tentando repeti-las!

Como funciona o pára-raios?

Um pára-raios nem atrai nem repele os raios. Ele também não descarrega a nuvem como pensava Benjamin Franklin. Ele simplesmente oferece ao raio um caminho fácil até o solo que é ao mesmo tempo seguro para nós e para o que pretendemos proteger.

Quais os tipos de relâmpagos?

Aqueles que tocam o solo (80%) podem ser divididos em descendentes (nuvem-solo) e ascendentes (solo-nuvem). Os que não tocam o solo podem ser basicamente de três tipos: dentro da nuvem, da nuvem para o ar e de uma nuvem para outra. O tipo mais freqüente dos raios é o descendente. O raio ascendente é raro e só acontece a partir de estruturas altas no chão (arranha-céus) ou no topo de montanhas (torres, antenas). Os raios ascendentes têm sua ramificação voltada para cima.

O que é um raio bola?

O raio bola é o mais misterioso dos raios e, portanto o que mais intriga os cientistas. Ele já foi observado por milhares de pessoas e, no entanto não há até hoje medidas suficientes que possam comprovar qualquer uma das várias teorias elaboradas para explicá-lo. Normalmente o seu tamanho varia entre o de uma bola de ping-pong e o de uma grande bola de praia, e sua duração é em média 15 segundos; possui um colorido na maioria das vezes amarelado e luminosidade menor do que uma lâmpada de 100 W. Flutua pelo ar não muito longe do chão, e não segue necessariamente a direção do vento. Costuma desaparecer silenciosamente ou acompanhado de uma explosão.

Existem raios positivos e negativos?

Sim. Os raios têm a sua polaridade atribuída conforme o tipo de carga que neutralizam na nuvem. Portanto, se um raio neutralizar cargas negativas na nuvem ele é um raio negativo. Na prática não podemos dizer com certeza se um raio é positivo ou negativo a não ser com o auxílio de instrumentos adequados.

Quais as fases de um raio?

Um raio começa com pequenas descargas dentro da nuvem. Estas descargas liberam os elétrons que começarão seu caminho de descida em direção ao solo. Esse caminho de descida é tortuoso e truncado em passos de 50 metros, como que buscando o caminho mais fácil. Esta busca de uma conexão com a terra é muito rápida (330.000 km/h) e pouco luminosa para ser visto a olho nu. Quando essa descarga, conhecida como ‘líder escalonado’, encontra-se a algumas dezenas de metros do solo, parte em direção a ela uma outra descarga com cargas opostas, chamada de ‘descarga conectante’. Forma-se então o que é conhecido como o canal do raio, um caminho ionizado e altamente condutor. Por ele passa um gigantesco fluxo de cargas elétricas denominado ‘descarga de retorno’. É neste momento que o raio acontece com a máxima potência, liberando grande quantidade de luz.

O raio pisca?

Se houver cargas disponíveis na nuvem, uma outra descarga intensa (chamada ‘subseqüente’) pode acontecer logo após a primeira. Aproximadamente metade dos raios possui descargas subseqüentes. Eles são chamados de raios múltiplos. Em média o número de descargas subseqüentes em raios múltiplos é três, mas já foram observadas mais de 50 descargas subseqüentes em um mesmo raio. O tempo entre uma descarga e outra é, às vezes, suficientemente longo possibilitando ao olho humano ver não uma, mas várias descargas acontecendo no mesmo local; é quando vemos o raio piscar.

Sobe ou desce?

As duas coisas. Se pensarmos em termos das cargas elétricas que fluem no raio, concluiremos, como foi explicado anteriormente, que as cargas descem um bom trecho do caminho antes de se encontrarem com uma descarga que parte do solo subindo em direção a ela para formar o caminho do raio.

Por que os raios se ramificam?

A primeira descarga do raio geralmente apresenta-se muito ramificada pois no seu caminho até o solo as cargas elétricas buscam o caminho mais fácil (em termos de menor resistência do ar) e não o mais curto (que seria uma linha reta). O caminho mais fácil, geralmente em ziguezague, é determinado por diferentes características elétricas da atmosfera, que não é homogênea.

Qual a duração de um raio?

Um raio composto de várias descargas pode durar até 2 segundos. No entanto, cada descarga que compõe o raio dura apenas frações de milésimos de segundo.

Qual a sua voltagem e corrente?

A voltagem de um raio encontrase entre 100 milhões a 1 bilhão de Volts. A corrente é da ordem de 30 mil Ampères, ou seja, a corrente utilizada por 30 mil lâmpadas de 100 W juntas. Em alguns raios a corrente pode chegar a 300 mil Ampères!

Qual a energia envolvida em um raio?

Grande parte da energia de um raio é transformada em calor, luz, som e ondas de rádio. Apenas uma fração dela é convertida em energia elétrica. Sabemos que a duração de um raio é extremamente curta, assim, apesar dos grandes valores de corrente e voltagem envolvidos a energia elétrica média que um raio gasta é de 300 kWh, ou seja, aproximadamente igual à de uma lâmpada de 100 W acesa durante apenas quatro meses.

É possível utilizar a energia de um raio?

Para que pudéssemos utilizar essa energia, necessitaríamos não só capturá-la mas também armazená-la, o que é ainda impossível. Para capturar raios seria necessária uma quantidade muito grande de hastes metálicas para aumentar a chance de que fossem atingidas. No entanto, encontram- se em andamento pesquisas que tentam drenar as cargas elétricas das nuvens de tempestade com o auxílio de potentíssimos raios laser. A idéia é tentar, com o auxílio do laser, guiar o raio até um local onde fosse possível armazenar a sua energia.

Qual a sua espessura e comprimento?

O raio pode ter até 100 km de comprimento. Raios com esse comprimento geralmente envolvem mais de uma nuvem de tempestade. Apesar de seu grande comprimento, a espessura do canal de um raio é de apenas alguns centímetros.

Qual a temperatura de um relâmpago?

A temperatura é superior a cinco vezes a temperatura da superfície solar, ou seja, a 30.000 graus Celsius. Quando um raio atinge e penetra solos arenosos a sua alta temperatura derrete a areia, transformando-a em uma espécie de tubo de vidro chamado fulgurito.

O que é o trovão?

Muita gente acha que o trovão é o barulho causado pelo choque entre nuvens. Esta idéia é errada e muito antiga. Lucrécio (98-55 a.C.) acreditava que tanto o raio como o trovão eram produzidos por colisões entre nuvens. Na verdade é o rápido aquecimento do ar pela corrente elétrica do raio que produz o trovão. Assim como uma corrente elétrica aquece a resistência de nossos aquecedores, a corrente do raio, ao passar pelo ar (que é um péssimo condutor), aquece-o e ele se expande com violência, produzindo um som intenso e grave. Nos primeiros metros a expansão ocorre com velocidade supersônica. Um trovão intenso pode chegar a 120 decibéis, ou seja, uma intensidade comparável à que ouve uma pessoa nas primeiras fileiras de um show de rock.

Como saber se o raio “caiu” perto?

A luz produzida pelo raio chega quase que instantaneamente na vista de quem o observa. Já o som (trovão) demora um bom tempo, pois a sua velocidade é aproximadamente um milhão de vezes menor. Para saber a que distância aconteceu o raio, comece a contar os segundos ao ver o seu clarão e pare de contar ao ouvir o seu trovão. Divida o número obtido por três e você terá a distância aproximada do raio até você em quilômetros. Essa conta se explica se tivermos em conta que a velocidade do som é de aproximadamente 330 m/s, ou seja, um terço de quilômetro por segundo.

Se o raio dura apenas frações de segundo, porque o trovão é tão longo?

O som do trovão inicia-se com a expansão do ar produzida pelo trecho do raio que estiver mais próximo do observador e termina com o som gerado pelo trecho mais distante (sem considerar as reflexões que possa ter). Como vimos, o canal do raio pode ter dezenas de quilômetros. Assim, o som gerado por uma extremidade que esteja muito distante pode chegar dezenas de segundos depois de ouvirmos o som gerado por um trecho do canal que estiver mais próximo.

A que distância pode-se ouvir o trovão?

Um trovão dificilmente pode ser ouvido se o raio acontecer a uma distância maior do que 25 quilômetros. Isso deve-se à tendência que o som tem de curvar-se em direção a camadas de ar com menor temperatura (refração). Como a temperatura da atmosfera geralmente diminui com a altura, o som do trovão curva-se para cima passando por cima do observador.

Além da luz, o raio produz alguma outra radiação?

Além de produzir luz, o raio produz ondas eletromagnéticas em várias outras freqüências, inclusive raios-X. É comum ouvirmos ruídos e chiados ao sintonizarmos uma rádio AM em dia de tempestade. Isso ocorre porque o raio também produz ondas nesta faixa de freqüência. Graças a essa característica, antenas sincronizadas podem localizar o local de sua ocorrência com precisão simplesmente recebendo a onda eletromagnética produzida pelos raios.

O que são os raios induzidos?

Uma grande dificuldade no estudo dos raios é não poder reproduzi-los em laboratório. Como a natureza não avisa onde e quando o raio vai ocorrer, uma maneira alternativa de estudá-lo consiste em provocar o raio para que aconteça próximo aos instrumentos de medida e no momento em que estiverem preparados. Para que isso aconteça, foguetes especialmente preparados são lançados em direção à base de uma nuvem de tempestade. Eles têm aproximadamente 1 metro de comprimento e levam consigo uma bobina de fio de cobre que se desenrola ao longo da subida. O fio de cobre atua como um gigante pára-raios cuja presença induz a ocorrência do raio. A corrente elétrica do raio passa pelo fio e por instrumentos de medida na base de lançamentos. Outras medidas podem ser feitas também ao redor da base. Raios induzidos foram feitos pela primeira vez no Brasil na sede do INPE em Cachoeira Paulista, em novembro de 2000.


NOTAS:
Mais informações sobre o assunto podem ser encontradas na internet: http://www.lightning.dge.inpe.br/ e com o autor, Marcelo Saba, pelo e-mail: msaba@dge.inpe.br .
Osmar Pinto Jr. e Iara de A. Pinto. Relâmpagos. Ed.Brasiliense,1996.

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ELETRICIDADE E SUAS APLICAÇÕES

A ELETRICIDADE E SUAS APLICAÇÕES - FÍSICA - 2008


Prof. Cleovam Pôrto (organizador)


OPINIÃO / ENTREVISTA*

1) Pergunta – A eletricidade é perigosa ?
Resposta – É muito perigosa. Nossas casas recebem tensões de 110 V, 127 V ou 220 V, dependendo da sua localização. Qualquer dessas tensões é capaz de matar uma pessoa.

2) P – Mas não é a corrente elétrica que mata ?
R – Sim, mas não existe corrente elétrica sem tensão. Na verdade, uma corrente elétrica de 30 miliampères, passando pelo coração, já é perigosa. Se atingir os 50 miliampères, pode ser fatal. O corpo de uma pessoa adulta tem uma resistência elétrica que varia de 2000 Ω** a 5000 Ω ( para crianças, esses valores são ainda menores). Se a gente multiplicar o menor valor de corrente que oferece perigo – 30 miliampères ou 0,03 ampères – pela menor resistência elétrica do corpo de uma pessoa adulta – 2000 Ω - vamos obter a menor tensão que já oferece perigo, ou seja: 0,03 A x 2000 Ω = 60 V. Essa é quase a tensão máxima a que um adulto pode ser submetido sem muito perigo. Como se vê, ela é bem menor do que a fornecida pelas companhias de eletricidade. Imagine agora uma situação mais perigosa: uma pessoa com baixa resistência elétrica – 2000 Ω - submetida à maior tensão doméstica, 220 V. Seu corpo será percorrido por uma corrente elétrica de 110 mA, mais do que o dobro dos 50 mA fatais! E 220 V é provavelmente, a tensão doméstica mais comum em nosso país.

3) P – E no caso de uma criança ?
R – Aí a situação fica mais grave porque a sua resistência elétrica – e física também – é ainda menor. Para crianças, o valor máximo de tensão a que ele pode ser submetida, sem perigo, em qualquer situação, é 24 V.

4) P – Existem padrões internacionais de segurança ?
R – Claro. Existem normas estabelecendo o valor de 65 V com tensão máxima de contato para um adulto. No entanto, uma pessoa pode estar em condições adversas: descalça, molhada ou com as mãos suadas, por exemplo. Nesses casos, as tensões limites são de 42 V para adultos.

5) P – Por que os passarinhos que pousam nos fios elétricos não são eletrocutados ?
R – Porque as duas patas do passarinho estão ligadas ao mesmo potencial e, para que haja corrente elétrica, é preciso que haja uma diferença de potencial. É o que estamos chamando de tensão. Por isso, as tomadas tem pelo menos, dois pinos, o que equivale a uma entrada e uma saída. Sem isso, não pode haver um circuito, e, sem circuito, não há corrente elétrica.

6) P – Então uma criança pode enfiar o dedo no buraco da tomada ?
R – NÃO! Isso é ainda mais perigoso do que colocar dois dedos da mesma mão em cada buraco!

7) P – Mas não existe um só pólo ? Como há corrente ?
R – Aí é que está o problema. Não existe só um pólo. Toda instalação elétrica tem sempre, pelo menos, um terminal da rede elétrica ligado à terra. Isso é necessário para que, caso haja algum defeito de isolação numa ligação qualquer, a corrente elétrica possa ter por onde escoar. Senão, ela pode atingir a primeira pessoa que encoste em algum lugar que tenha contato com essa ligação. Por isso, a terra funciona também como um terminal de tensão. Se uma criança descalça ou, pior ainda, de joelhos, enfiar o dedo na tomada, o perigo é enorme. Se ela estiver sobre um piso cerâmico ou encostar a outra mãozinha na parede, pode levar um choque muito forte, chegando até a ser fatal!

8) P – E por que colocar um só dedo é mais perigoso que colocar dois dedos da mesma mão ?
R – Porque colocando dois dedos, embora o choque seja inevitável, a corrente elétrica deve passar apenas pelos dedos. Certamente, vai queimar e doer muito, mas não será fatal. Agora, imagine a criança com o dedo num pólo da tomada e a outra mãozinha encostada na parede. É fácil perceber que, nesse caso, a corrente elétrica vai passar pelo corpo da criança e, nesse percurso, estará o seu coração. Por isso, o perigo é maior.

9) P – Por isso é que é perigoso soltar pipas perto da rede elétrica ?
R – Exatamente. Os fios da rede elétrica, principalmente os de alta tensão, são fios nus, desencapados. As linhas que se usam para soltar pipas são isolantes, para as tensões domésticas. Mas, para as altas tensões da rede, elas se tornam condutoras. Se a linha da pipa encostar ou enroscar-se num desses fios e a criança estiver descalça, ou encostar em algum muro ou parede, estabelecendo um contato com a terra, fecha-se o circuito e ela pode se ferir gravemente. Isso porque nesse caso, também, a corrente elétrica vai atravessar todo o seu corpo, podendo passar pelo coração.

10) P – Se a linha da pipa às vezes é condutora e às vezes não é, como a gente sabe quando um corpo é condutor ?
R – Em geral, quando se fala em condutores e isolantes, fica subtendido que estamos pensando em tensões domésticas, que não ultrapassam os 220 V. Nesse caso, quase tudo que não é metal pode ser considerado isolante. Plástico, vidro, borracha, madeira, papel e até linhas de pipa. Mas para tensões muito altas, como a da rede elétrica, talvez só o plástico, o vidro e a borracha sejam confiáveis.

11) P – Quer dizer que a água não é muito isolante ? Então é perigoso tomar banho de chuveiro elétrico ?
R – Se a resistência elétrica não for blindada e tiver contato direto com a água, existe algum perigo. Pode acontecer de a resistência queimar, interrompendo o circuito do chuveiro, e a corrente passar para o corpo da pessoa através da água. Mas os riscos dessa corrente não são muito grandes, ela tende a percorrer apenas a superfície do corpo.

12) P – Tudo isso significa que a gente corre muito perigo em casa ?
R – Não. Uma instalação elétrica bem feita é absolutamente segura. O perigo ocorre quando ela não é feita por profissionais ou quando se fazem as famosas gambiarras.

13) P – Como socorrer uma pessoa que está sofrendo uma descarga elétrica ?
R – Em primeiro lugar, nunca se deve tocar na pessoa atingida porque a corrente elétrica passa de uma pessoa para outra. Deve-se desligar as chaves, desarmar os disjuntores ou tirar os fusíveis, interrompendo a corrente elétrica. Se isso não for possível, deve-se isolar a pessoa atingida com material isolante, como caibros de madeira, por exemplo.
Em seguida iniciar, imediatamente, uma respiração artificial. E uma outra pessoa deve chamar um médico. Não se deve interromper a respiração artificial, nem mesmo para pedir socorro.

*Ω = ohms; grandeza física que mede a resistência elétrica.

** Gaspar, Alberto, A eletricidade e suas aplicações. Editora Ática. São Paulo, 1996.


OS ELÉTRONS SÃO RÁPIDOS, MAS A CORRENTE É LENTA***

Quando acendemos uma lâmpada, não notamos nenhuma demora entre o instante de acionamento do interruptor e o instante de acendimento da lâmpada.
À primeira vista, poderíamos imaginar que os elétrons se deslocam rapidamente pelo fio, já que a corrente parece atingir a lâmpada instantaneamente.
No entanto, essa conclusão apressada é falsa: a velocidade média dos elétrons é da ordem de milímetros por segundo. A corrente elétrica se estabelece rapidamente no fio inteiro por que as forças elétricas atingem os elétrons com a velocidade da luz.
Assim, quando acionamos o interruptor, os elétrons livres do fio inteiro começam a se mover praticamente ao mesmo tempo. Os elétrons do filamento da lâmpada, do interruptor e dos fios entram em movimento quase simultaneamente. Tudo se passa como se os elétrons fossem bolinhas amarradas num barbante; puxando o barbante, todas as bolinhas entram em movimento juntas.
Na verdade, essa idéia das bolinhas funciona como uma descrição do movimento médio dos elétrons. Se pensarmos em cada elétron livre isoladamente, o movimento é mais complexo: devido à agitação térmica eles já têm movimento mesmo antes de a lâmpada ser acesa.
Em qualquer metal, os elétrons livres se movem com velocidades muito altas, da ordem de milhares de quilômetros por segundo. Chocam-se continuamente com os átomos, percorrendo trajetórias caóticas em ziguezague, mas seu deslocamento médio é nulo.
Quando é aplicada no fio uma diferença de potencial, os elétrons passam a avançar entre um choque e o próximo. Esse avanço é que é lento, da ordem de milímetros por segundo.

(*** Adaptado: Aprendendo física vol. 3, Marcos Chiquetto e outros, Editora Scipione )

COMO FUNCIONA O FORNO DE MICROONDAS

Imagine um cercado com bolas de ping-pong e alguns bastões todos em repouso. Agora imagine que os bastões subitamente comecem a girar para um lado e para o outro, como hélices semi-giratórias, golpeando com isso as bolas de ping-pong adjacentes.

Um forno de microondas funciona de maneira semelhante. Os bastões são as moléculas de água ou outras moléculas polares, obrigadas a girar de um lado para o outro, em ritmo com as microondas enclausuradas no interior do forno. As bolas de ping-pong são as moléculas não-polares que constituem a maior parte da massa dos alimentos em cozimento.

Cada molécula de água é um dipolo elétrico que tende a se alinhar com o campo elétrico, da mesma forma que a agulha de uma bússola tende a se alinhar com um campo magnético. Quando o campo elétrico começa a oscilar, as moléculas de água também fazem o mesmo. E quando a frequência de oscilação do campo se iguala a sua própria frequência natural, as moléculas de água passam a se movimentar muito energicamente - em ressonância. A comida é cozida por uma espécie de "atrito cinético", quando o movimento semigiratório das moléculas de água (ou de outras moléculas polares) comunicam a agitação térmica às moléculas circundantes. As paredes metálicas do forno refletem as microondas para cá e para lá, cozinhando rapidamente os alimentos.

Papel seco, pedaços de placas de isopor ou outros materiais recomendados para uso em fornos de microondas não contém água ou outras moléculas polares, de modo que asmicroondas os atravessam sem efeito algum. O mesmo acontece com o gelo, onde as moléculas de água estão em posições fixas e não podem oscilar de um lado para o outro. (Física Conceitual - Paul G. Hewitt).

CONDUTORES E ISOLANTES, SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES.

• CONDUTORES E ISOLANTES

É facil estabelecer uma corrente elétrica em metais porque um ou mais dos elétrons das camadas mais externas desses átomos não estão firmemente presos aos núcleos. Ao contrário, eles são praticamente livres para vagar pelo material.

Tais materiais são chamados de condutores. Os metais são bons condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual sãobons condutores de calor. Os elétrons de suas camadas mais externas estão "frouxos".

Em outros materiais, borracha e vidro, por exemplo, os elétrons estão firmemente ligados e pertencem de fato a átomos individuais. Eles não são livres para vagar por entre os outros átomos do material. Consequentemente, não é fácil fazê-los fluir. Esses materiais são maus condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual eles são normalmente maus condutores de calor. Esses materiais são chamados isolantes.

Todas as substâncias podem ser ordenadas de acordo com sua facilidade de conduzir corrente elétrica. No topo dessa lista, situam-se os bons condutores, e no fim os bons isolantes. As extremidades da lista estão muito distantes. A condutividade de um metal, por exemplo, pode ser mais do que um milhão de trilhão de vezes maior do que a de um isolante como o vidro. Num fio elétrico duplo comum, os elétrons fluem por vários metros do fio em vez de fluirem diretamente de um fio para o seu vizinho através dos poucos centímetros do siolamento de borracha que os separa.

• SEMICONDUTORES

Uma determinada substância pode ser classificada como condutora ou isolante, dependendo de quão fortemente seus átomos seguram os elétrons. Um pedaço de cobre é um bom condutor, enquanto um de madeira é um bom isolante. Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores nem bons isolantes. Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina purae tornando-se excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina. Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores. Camadas finas de materiais semicondutores empilhadas juntas formam os transistores, usados para controlar o fluxo de corrente em circuitos, detectar e amplificar sinais de rádio e produzir oscilações elétricas em tranmissores; atuam também como chaves digitais. Esses minúsculos sólidos foram os primeiros componentes elétricos em que materiais com características elétricas diferentes não foram conectados por fios, mas unidos fisicamente numa só estrutura. Eles requerem muito pouca potência e, usados normalmente, duram longo tempo.

Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente. Se uma placa de selênio carregada for exposta a um padrão luminoso, tal comoo padrão de claro e escuro que constitui esta página, por exemplo, a carga escapará apenas das áreas expostas à luz. Se um pó plástico preto fosse espalhado sobre ela, ele grudaria apenasnas áreasue estão carregadas, onde a placa não foi exposta à luz. Agora, se um pedaço de papel, com uma carga elétrica localizada sobre seu verso, fosse colocado sobre a placa, o pó plástico preto seria transferido para o papel, formando o mesmo padrão que digamos, o desta página. Se o papel fosse, então, aquecido de modo a derreter o plástico e a fundí-lo com o papel, você poderia pagar alguns centavos por ele, e chamá-lo de cópia xerox.

• SUPERCONDUTORES

Um condutor ondinário oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica. Um isolante oferece uma resistência muito maior (abordaremos o tópico sobre resistência elétrica mais à frente). Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinadas materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga. Esses são os materiais supercondutores. Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Sem resistência elétrica alguma a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga. A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911. Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto não -metalico. Presentemente, estão sendo objeto de intensas pesquisas materiais que são supercondutores tanto em baixas como em altas temperaturas. As potenciais aplicações incluem transmissão de energia agrandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens.

O QUE É FÍSICA

FÍSICA É A CIÊNCIA DAS COISAS NATURAIS

Por intermédio dela, procuramos compreender o mundo em que vivemos, interagindo com ele como se fosse um jogo de detetive. Formulamos questões sobre a natureza, fazemos hipóteses sobre o seu funcionamento e investigamos, pormeio de experimentos, a validade de nossas idéias. Quando nossas questões são particurlamente boas ou nossos experimentos especialmente astutos, a natureza nos responde de forma inusitada abrindo uma nova porta para o nosso entendimento de como o mundo funciona.
Por ser uma ciência básica, as idéias fundamentais da Física estão presentes em todas as outras ciências, da Biologia à Química, da Astronomias à Geologia.
Compreender o mundo permitefazer muitas coisas (invenções, aplicações, criar tecnologia) mas não buscamos compreender o mundo apenas para produzir algo objetivo.

VOCÊ SABIA?

A localização na Terra pelo sistema de posicionamento global (GPS),formado por um conjunto de satélites, só é possivel graças a relógios atômicos governados por efeitos quânticos e sujeitos a correções de tempo da teoria da relatividade. (SBF)