30 de out de 2014

Nosso planeta em movimento: Relâmpagos

Um pouco da história do conhecimento sobre os relâmpagos

Os relâmpagos, chamados de "raios" na mitologia, foram por muito tempo temidos por serem considerados "centelhas" que, embora ocorressem na atmosfera do nosso planeta, tinham origens sobrenaturais: eles eram a grande arma dos deuses e a maneira pela qual eles demonstravam sua cólera. Os gregos tanto maravilhavam-se como temiam os relâmpagos à medida que eles eram arremessados por Zeus, seu deus supremo que habitava o Olimpo. A imagem ao lado mostra O Deus do Olimpo segurando em sua mão direita raios que, a seu critério, seriam lançados sobre nós, simples mortais. 

Hoje o misticismo sobre os relâmpagos aos poucos vai sendo superado pelas técnicas experimentais científicas que desvendam as características deste belíssimo, e perigoso, fenômeno natural.

Um homem enfrenta os relâmpagos: Benjamin Franklin

Benjamin Franklin foi um dos maiores nomes da história dos Estados Unidos. Ele realizou o primeiro estudo científico sistemático sobre relâmpagos durante a segunda metade do século XVIII. Antes disso a ciência da eletricidade havia se desenvolvido até o ponto onde as cargas negativas e positivas podiam ser separadas. Atritando dois materiais diferentes, as máquinas elétricas eram capazes de armazenar cargas em capacitores primitivos chamados "garrafas de Leyden". Essas "garrafas" permitiam a geração e observação de centelhas elétricas. Este equipamento foi inventado independentemente, em novembro de 1745, por Ewald Jurgens (George) von Kleist (1700-1748), na Pomerânia, (antiga Alemanha, atual Polônia) e em janeiro de 1746 por Pieter (Petrus) van Musschenbroek (1692-1761), na cidade de Leyden, Holanda, a partir de uma experiência feita pelo seu assistente Cunaeus. A imagem abaixo mostra um conjunto de "garrafas de Leyden" que forma uma bateria.


Logo depois da sua descoberta a "garrafa de Leyden" ofereceu aos cientistas novas perspectivas para o estudo dos fenômenos da eletricidade. Curiosamente, como era comum acontecer naquela época com importantes descobertas da física, a "garrafa de Leyden" foi rapidamente adotada por "médicos", os chamados "eletroterapeutas", como uma panaceia para a solução de quase todos os problemas de saúde. Por volta de 1752 já haviam quase tantas publicações justificando o seu uso em tratamentos médicos como em qualquer outra área de pesquisa. O uso da "garrafa de Leyden" como aparato médico continuou a crescer e em 1789 já haviam sido publicados 70 artigos sobre "aplicações médicas" desse equipamento contra apenas 30 publicações cujo interesse era o estudo de suas propriedades físicas.

Embora outros pesquisadores tenham notado antes de Franklin à similaridade entre as centelhas produzidas em laboratório e os relâmpagos, ele foi o primeiro a projetar uma experiência que mostrou de modo conclusivo que os relâmpagos tinham natureza elétrica. Nesta experiência ele teorizou que as nuvens eram eletricamente carregadas e, em consequência disso, os relâmpagos também deveriam ser fenômenos elétricos. A experiência imaginada por Franklin consistia em permanecer sobre uma plataforma condutora segurando uma barra de ferro com uma das mãos de modo a obter uma descarga elétrica entre a outra mão e o chão. Se as nuvens fossem eletricamente carregadas centelhas deveriam saltar entre a barra de ferro e um fio aterrado sustentado por uma vela de cera isolada. Esta experiência foi realizada com sucesso por Thomas François D'Alibard, na França, em maio de 1752 quando centelhas foram observadas saltar de uma barra de ferro durante uma tempestade.

Antes de Franklin realizar sua experiência original, ele imaginou que uma maneira melhor de provar a sua hipótese era utilizar uma pipa. A pipa tomou o lugar da barra de ferro uma vez que ela podia alcançar uma altura muito maior e poderia voar para qualquer lugar. Franklin testou sua teoria fazendo a perigosa experiência de soltar uma pipa durante uma tempestade com relâmpagos. Esta experiência foi realizada no estado da Pensilvânia, Estados Unidos, em 15 de junho de 1752. Nesta data, a mais famosa pipa da história voou com centelhas saltando de uma chave amarrada ao fio úmido da pipa por uma fita de seda isolada que por sua vez estava amarrada às articulações dos dedos da mão de Franklin. O corpo aterrado de Franklin fornecia uma trajetória condutora para as correntes elétricas respondendo ao forte campo elétrico formado pelas nuvens da tempestade.

Entretanto, existem fortes evidências que se Benjamin Franklin realmente realizou esta experiência, ele não a fez do modo que é comumente descrito. Teria sido dramático porém fatal. Várias evidências mostram que Franklin estava isolado, e não em um caminho condutor, pois se isso fosse verdade ele teria sido eletrocutado. A prova disso é que, infelizmente, outros pesquisadores foram espetacularmente eletrocutados nos meses posteriores ao famoso experimento de Franklin. No dia 6 de agosto de 1753 o físico sueco Georg Wilhelm Richmann, que trabalhava em São Petersburgo, na Rússia, tentou juntamente com seu amigo M. Sokolaw, gravador da Academia de São Petersburgo, atrair um relâmpago. Ele colocou um fio no topo de sua casa e o conduziu até um cômodo situado na sua parte inferior. Esse fio foi ligado a uma barra de ferro que era mantida suspensa acima de uma "agulha elétrica" e de um recipiente de água com limalhas de ferro. Richmann conseguiu provar que as nuvens de tempestades continham carga elétrica mas, infelizmente, foi eletrocutado pelo relâmpago recebido durante a experiência.

Os Para-Raios

Em 1753, Benjamin Franklin publicou uma descrição do primeiro para-raios na revista "Poor Richard’s Almanac". A partir daí muitos para-raios, chamados "para-raios Franklin", foram instalados em prédios nas colônias inglesas que hoje formam os Estados Unidos. Em 1760, um para-raios Franklin evitou que houvessem danos em uma casa na cidade da Filadélfia atingida diretamente por um relâmpago. Em 1764, os para-raios já eram muito comuns nas casas e igrejas. O primeiro para-raios usado na Inglaterra foi colocado em 1760 no farol Eddystone, uma estrutura de madeira que já havia sido anteriormente destruída por um relâmpago. 

Na verdade, o debate entre os defensores dos para-raios pontudos contra os rombudos passou a ser uma questão política em vez de científica. Por exemplo, o rei George III da Inglaterra defendia o uso de para-raios rombudos por identificar os equipamentos pontudos com as colônias norte-americanas rebeldes. Essa decisão política fez com que os ingleses da East India Company removessem os para-raios pontudos de seus armazéns de pólvora localizados na ilha de Sumatra. Mais tarde, um desses depósitos foi destruído graças à incidência direta de um relâmpago. 

A imagem abaixo, obtida por M. G. Loppé, mostra um relâmpago golpeando a Torre Eiffel no dia 3 de junho de 1902, às 9:20 da noite. Essa é uma das mais antigas fotografias de relâmpago em áreas urbanas e foi publicada pela primeira vez no "Bulletin de la Société Astronomique de France". Posteriormente ela foi divulgada no livro "Thunder and Lightning", de Camille Flammarion, traduzido para o inglês e publicado em 1906.


Como funciona o Para-Raios?

Cada para-raios fornece um cone de proteção ao redor de um edifício numa inclinação de 45 graus. Por esta razão, os sistemas de proteção dos edifícios frequentemente contêm mais de um para-raios. A instalação apropriada requer que os condutores tenham altura suficiente, estendam-se sobre todos os pontos elevados do prédio, sejam conectados num sistema sem ângulos agudos, e enterrados bem fundo em pontos diferentes. Durante uma tempestade, a concentração da carga positiva será máxima na ponta do para-raios e, graças a isso, aumentará a probabilidade da descarga proveniente da nuvem atingir essa ponta. Após isso acontecer, a descarga segue inofensivamente ao longo de um fio condutor isolado até atingir o solo. A imagem abaixo mostra o esquema de instalação de um para-raios.


Durante algum tempo foi usado um tipo de para-raios chamado "radioativo". Esse tipo de para-raios possuía o elemento químico amerício 241 em sua extremidade, um material radioativo que tem uma vida média de 458 anos. Ele se distinguia por ter na extremidade superior de sua torre placas em forma de pratos, em geral três, empilhadas. 

O sistema de para-raios radioativo foi considerado ineficiente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) e seu uso foi proibido pelo Decreto nº 33.132/93. O uso desses para-raios está proibido desde abril de 1995. A imagem ao lado mostra o captador de um para-raios radioativo.

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