Arco Voltaico

Áreas do conhecimento ligadas ao experimento

Eletricidade;

Química;

Óptica.

Princípios físicos ligados ao experimento

Corrente elétrica;

Processos de ionização;

• Incandescência.

Princípio correlato ao experimento

• Colimação de feixes de luz.

Descrição do experimento

O Arco Voltaico é um dispositivo que transforma Energia Elétrica em Energia Luminosa. Esse fenômeno se dá a partir da ionização do ar que se encontra entre as duas barras metálicas, dispostas de forma quase paralelas entre si.

Para dar início ao processo de ionização do ar, é preciso criar uma grande diferença de potencial elétrico (ddp) entre as hastes metálicas (da ordem de 10.000 V). Essa elevação de voltagem da rede local, que gira em torno de 120 V, é conseguida a partir da utilização de um Transformador que, na foto ao lado, aparece na base do experimento. Cumpre ressaltar que as duas hastes metálicas são feitas de bastões de carbono revestidos por uma fina camada de cobre e, esses bastões, recebem o nome de eletrodos. A necessidade de se obter uma grande voltagem entre os eletrodos, deve-se ao fato do ar atmosférico ter uma grande resistividade dielétrica, o que dificulta o processo de ionização. Porém, assim que se inicia o processo de ionização, temos a formação de intensa corrente elétrica entre os eletrodos e, com isso, o aparecimento do arco voltaico.

Partes do sistema

O arco voltaico: Entre os dois eletrodos próximos, positivo e negativo, aparece um fluxo intenso de corrente; pois o ar atmosférico existente entre eles, antes isolante, torna-se condutor (ionização) devido à alta voltagem.

O nome arco voltaico foi dado ao experimento devido ao aparecimento de uma corrente de ar quente ascendente (correntes de convecção) que desvia o fluxo iônico para cima, dando-o a forma de um arco.

Transformador: O transformador é um dispositivo que pode ser usado tanto para aumentar como para diminuir a tensão de origem. O princípio de funcionamento do transformador está baseado na relação que existe entre as quantidades de espiras que formam o enrolamento primário (Np) e o enrolamento secundário (Ns).

Assim, se tivermos 4 espiras no primário com uma voltagem de 110 V (Vp) e 8 espiras no secundário; aparecerá, no secundário, uma voltagem de 220 V (Vs). Não custa lembrar que o processo de transferência de tensão entre os enrolamentos, primário e secundário, se dá a partir do fenômeno da Indução Eletromagnética.

Como o sistema funciona

Um pequeno transformador, posicionado na base do experimento, transforma a tensão local de 110 V em uma tensão de aproximadamente 10.000 V entre os dois eletrodos: positivo e negativo. Com isso, o ar atmosférico que está entre as duas barras metálicas acaba sofrendo ionização, e o ar, antes isolante (dielétrico), torna-se agora condutor, gerando uma intensa descarga elétrica (arco voltaico) e, consequentemente, produzindo luz, pois a temperatura nos terminais dos eletrodos chega a atingir uma média de 3.000 ºC.

Outros sistemas onde esses princípios ocorrem

Os Faróis: Os faróis (foto ao lado) foram criados como instrumentos de orientação aos navegantes, para indicar a entrada de portos ou a presença de recifes, bancos de areia e outras áreas perigosas.

A primeira construção desse tipo foi provavelmente a torre levantada diante do porto de Alexandria, no Egito, durante o reinado do faraó Ptolomeu II (283 - 246 a.C.) e sua luz, produzida por uma fogueira no alto da torre, podia ser vista a 50 km de distância.

Detalhe da fonte de luz no farol: O aperfeiçoamento das fontes de luz levou naturalmente ao desenvolvimento de sistemas ópticos, que permitiram aproveitar ao máximo o facho luminoso, evitando sua dispersão. Os antigos refletores que ampliavam a magnificência da luz em cerca de 350 vezes, foram substituídos por conjuntos de lentes, compostos de vários painéis de vidro e prismas, montados em molduras especiais de metal. Depois, esses sistemas colimadores de feixes de luz se tornaram comuns em vários tipos de instrumentos ópticos, tais como: lâmpadas, projetores cinematográficos etc.

O raio: Nuvens enormes portadoras de cargas separadas, negativas na base e positivas no topo, por exemplo, fazem com que as cargas negativas presentes na base da nuvem induzam cargas positivas no solo, resultando grandes diferenças de potencial elétrico entre as partes. Essa voltagem tão alta pode romper a capacidade de isolamento do ar, chamada de "rigidez dielétrica", fazendo surgir uma intensa descarga elétrica (processo de ionização) em direção ao solo, como mostra a figura ao lado.

Perguntas frequentes:

1) No transformador, quando uma tensão elétrica e duplicada no enrolamento secundário, como fica a intensidade de corrente elétrica nesse setor?

Resposta: O princípio de Lavoisier diz: “Nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”. Então, como a potência elétrica é diretamente proporcional à intensidade de corrente elétrica (P = U.i), e a potência nada mais é do que uma relação entre energia e tempo, logo se conclui: se a tensão aumenta então a corrente elétrica tem que diminuir, proporcionalmente. Assim, no enrolamento secundário, a intensidade de corrente elétrica cairá pela metade.

2) Em vez de o raio cair é possível que o raio suba em direção à nuvem?

Resposta: Sim! Basta que a base da nuvem fique carregada positivamente. Assim, os elétrons presentes no solo, após o processo de ionização do ar, subirão para a base da nuvem, em sentido inverso.

3) Raios nunca caem duas vezes no mesmo lugar?

Resposta: Grande mentira! Pelo contrário, raios adoram cair várias vezes no mesmo local. Aquele mastro de bandeira que existe em Brasília, no meio da Praça dos 3 Poderes, já foi atingido por raios inúmeras vezes.

4) É perigoso falar ao telefone durante uma tempestade?

Resposta: Na verdade, pouca gente morre ao telefone em virtude de quedas de raios. Mas, uns poucos azarados já morreram ao telefone quando raios atingiram suas casas, gerando intensa descarga elétrica na fiação telefônica. De qualquer modo, melhor evitar!

Glossário:

Bastões de carbono: São barras cilíndricas feitas de carbono comumente encontradas no interior de pilhas ou mesmo formando núcleos de lápis de escrever (grafite).

Correntes de convecção: São movimentos de fluidos (líquidos, gases e vapores) que trocam de posição motivados, principalmente, pelas diferenças de densidades entre as massas fluidas.

ddp: É a diferença de potencial elétrico (tensão elétrica) que existe entre dois terminais elétricos: positivo e negativo.

Indução eletromagnética: Todo campo magnético variável faz surgir, no condutor que forma uma espira, por exemplo, uma corrente elétrica induzida. Em Eletromagnetismo, esse processo é conhecido como Indução Eletromagnética.

Resistividade dielétrica: A resistividade elétrica (ρ) é uma característica elétrica de um determinado material, e está associada a sua resistência elétrica.

Links:

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/tutorial119.html

http://www.preletri.com.br/curiosidades.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%A2mpada_a_arco_voltaico

http://www.novomilenio.inf.br/ano98/9802bra4.htm

Créditos

Arco voltaico:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_12.asp

Farol:

http://www.pcparadise.hpg.ig.com.br/fotos/farois/Farol01_1024.jpg

Raio:

http://chamavioleta.zip.net/