Para se fazer passar corrente elétrica através de um gás, imergem-senele 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 chamadocátodo. Entre os eletrodos existe, então, uma diferença de potencial V.gases_eletricidade_1

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 umou vários metros, e a pressão alta, de uma ou mais atmosferas, então ogás é isolante, mesmo que a diferença de potencial entre os eletrodosseja de milhões de volts.

Portanto, um gás pode ser condutor ou isolante, dependendo da suapressão, da distância entre os eletrodos e da diferença de potencialexistente entre eles.

Esse fato é o que permite utilizar a eletricidade. Pois, se os gasesfossem condutores em quaisquer circunstâncias, todas as vezes quetivesse dois corpos eletrizados haveria uma corrente elétrica no ar deum para outro, e nunca se poderia manter a diferença de potencial entreeles.

Essa é uma diferença entre o comportamento de um gás e o de ummetal. O metal sempre é condutor: por menor que seja a diferença depotencial entre seus extremos, passa por ele uma corrente elétrica.Outra diferença entre a conduçãopelos 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 pelaintensidade da corrente que passa pelo gás não é constante. Por issodiz-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, sãoformadas de átomos que possuem no interior, partículas carregadas deeletricidade. Mas, o número de partículas positivas é sempre igual aonúmero de partículas negativas de maneira que o átomo e a molécula sãoneutros. Quando se aplica entre os eletrodos a diferença de potencialV, aparece um campo elétrico entre eles.

Se nesse campo existissem somente moléculas do gás, portantoneutras, não haveria nunca corrente elétrica no gás, porque a correnteé formada de cargas elétricas em movimento. E as moléculas sendoneutras, 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 perdemelétrons e se tornam um conjunto de partículas cuja carga total épositiva. Esse conjunto de partículas é chamado íon. O fenômeno se chama ionização.

Quando aplica-se a diferença de potencial V entre os eletrodos, oíon do gás, sendo positivo, é atraído pelo cátodo. Esse íon é entãoacelerado, e aumenta sua energia cinética. Enquanto se desloca para ocátodo, esse íon pode encontrar uma molécula neutra, e por choqueproduzir sua ionização. gases_eletricidade_2

Forma-se então mais um íon positivo, e libertam-se novos elétrons. Onovo íon é também atraído pelo cátodo, e os elétrons libertados pelamolécula são atraídos pelo ânodo. Esse íon e esses elétrons por sua vezchocam-se com novas moléculas que, por choque também são ionizadas. Asionizações continuam sucessivamente e, ao cabo de um tempo muitíssimocurto se produz um número suficientemente grande de íons que sedeslocam para o cátodo e de elétrons que se deslocam para o ânodo.Esses íons e esses elétrons são cargas elétricas em movimento, queconstituem a corrente elétrica no gás.

Chamamos descarga à corrente elétrica no gás.

Portanto, a condição para que um gás conduza eletricidade é queexistam íons no volume do gás, os quais, entrando em movimento,provocam a ionização de moléculas neutras. Os íons e os elétronsresultantes da ionização constituirão a corrente elétrica.Essa condiçãoé 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 íonsiniciais, aqueles que vão provocar a ionização das moléculas do gás? Hávárias causas para formação desses íons.

1. Atração de elétrons das moléculas

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

2. Raios Cósmicos

Ininterruptamente caem sobre a Terra, vindo do Universo, ondaseletromagnéticas sob a forma de raios , e partículas constituintes doátomo, como prótons, elétrons, neutrons, mesons etc. Essas partículas eesses raios , que vem do exterior da Terra, e cuja origem édesconhecida, 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 depenetração muito grande: atravessam muito facilmente os telhados dascasas, e todos os andares de um arranha-céu, de maneira que não podemosevitar que um gás fique sob sua influência. Por exemplo, as moléculasdo 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 partículasbeta, 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, demaneira que na quase totalidade dos casos, a ionização inicial éprovocada por raios cósmicos e pela atração de elétrons das moléculasdo gás pelo ânodo.

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

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

2 - 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

gases_eletricidade_3Asdescargas elétricas nos gases rarefeitos são estudadas nos tubos deGeissler. São tubos de vidro alongados de uns 40 centímetros decomprimento, nos quais se introduzem dois eletrodos A e D. Por meio deuma bomba de vácuo pode-se extrair, aos poucos, o ar desse tubo, demaneira a deixar no interior o ar com a pressão que se quer. Também sepode extrair todo o ar, e colocar no tubo um outro gás, como porexemplo, 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, dealguns milhares de volts. Com essa diferença de potencial, se o gástiver a pressão alta, da ordem de uma atmosfera, não há passagem decorrente pelo gás. Se formos diminuindo a pressão, quando ela atingiruns 40 mm Hg, então começa a descarga. Realizando a experiência numacâmara escura notamos que a essa pressão aparece entre os doiseletrodos uma luz, que fica ondulando entre eles. À medida que vamosdiminuindo a pressão, notamos que o aspecto dessa luminosidade vai semodificando, não só na forma geométrica da onda luminosa como tambémnas cores das luzes. As cores das luzes emitidas dependem de doisfatores:

1) a pressão do gás;
2) 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 próprioar atmosférico. Ligam-se dois eletrodos aos polos de um gerador, parase estabelecer uma diferença de potencial entre eles. Quando adiferença de potencial atingir um valor elevado, de alguns milhares devolts, há a descarga no gás.

gases_eletricidade_4a) Ionização inicial

Nos gases à alta pressão, os íons iniciais são formados quase quetotalmente pela atração de elétrons das moléculas do gás situadaspróximas do ânodo (veja tópico “Como se Formam os Íons Iniciais”, item1o). A ionização produzida pelos raios cósmicos é desprezível em faceda 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, querse trate de gás à alta pressão ou à baixa pressão. Com a diferença deque no gás à alta pressão a ionização é muito intensa, e a descargamuito mais violenta.

b) Descarga em centelha e em arco

Há dois casos de descarga nos gases à alta pressão.

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

2 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 comoconsequência 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, osprojetores de cinema, que necessitam de luz muito forte, usavamarco-voltaico. Antes de se inventarem as lâmpadas de incandescênciamuitas cidades usavam arcos voltaicos para iluminação de ruas.

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

DESCARGAS ELÉTRICAS NO VÁCUO

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

gases_eletricidade_5Afigura ao lado é fotografia de um tubo de Crookes, no qual o cátodo é oeletrodo circular; o ânodo é uma simples haste metálica.

Vê-se que a diferença entre um tubo de Geissler e um de Crookes éque, nestes procura-se fazer o melhor vácuo possível, enquanto que node Geissler há gás a certa pressão, e portanto, um número relativamentegrande de moléculas.

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

LUMINISCÊNCIA

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

RAIOS CATÓDICOS

A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de Crookessempre aparece no lado oposto ao cátodo, em frente a este. Mudando-se aposição do cátodo e a do ânodo, de todas as maneiras possíveis, elasempre aparece em frente ao cátodo. Concluímos então que aluminescência é produzida por alguma coisa que sai do cátodo, atravessao tubo, e se choca com a parede de vidro. Quando este fenômeno foidescoberto, deu-se o nome muito vago de raios catódicos a essa coisaque sai do cátodo, isso porque sua natureza era inteiramentedesconhecida.

a) Natureza dos raios catódicos

Depois de alguns anos que os raios catódicos foram descobertos, oestudo de suas propriedades mostrou claramente que eles sãoconstituídos de partículas que possuem carga elétrica e massa mecânicamuito pequenas. Observou-se também que essas partículas são todasiguais, independentemente do metal do que é feito o cátodo ou o ânodo.Concluiu-se então, que essas partículas emitidas pelo cátodo entram naconstituição de todos os corpos. Elas foram chamadas de elétrons.

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

b) Propriedades dos raios catódicos

1) Produzem luminescência nos corposcom que se chocam, como por exemplo, na parede do tubo. Foi estapropriedade que permitiu sua descoberta.

gases_eletricidade_6Aemissão dessa luz se explica do seguinte modo: os elétrons queconstituem os raios catódicos, quando encontram o vidro, possuem grandeenergia cinética. Com o choque, eles perdem essa energia cinética,comunicando energia aos elétrons dos átomos do vidro; estes elétronssão então acelerados. E já se sabe que uma carga elétrica aceleradaemite onda eletromagnética. Os elétrons do vidro emitem então, ondaeletromagnética cujo comprimento de onda está nos limites da luz, istoé, onda eletromagnética visível.

2) Propagam-se com grande velocidade, que variadesde um limite inferior de uns 100 km/seg até um limite superiorpróximo da velocidade da luz (300.000 km/seg). A velocidade é maiorquanto maior for a diferença de potencial aplicada entre o ânodo e ocátodo.

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

4) Atravessam pequenas espessuras de materiais.

5) Para demonstrar que os raios catódicos sãoconstituídos de partículas que possuem energia cinética, constrói-se umtubo que tenha, entre o ânodo e o cátodo, uma hélice que possa girarfacilmente. Quando o tubo funciona, a hélice é empurrada do cátodo parao ânodo, devido ao impacto dos raios catódicos.

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

c) Aplicações dos raios catódicos

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

É interessante que fixe a diferença entre uma descarga elétrica numgás à baixa pressão e descarga no vácuo. No gás à baixa pressão há umnúmero 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 quenessas descargas há um feixe luminoso do ânodo ao cátodo (tubos deGeissler).

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

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

RAIOS POSITIVOS OU RAIOS CANAIS

gases_eletricidade_7Osraios positivos foram descobertos por Goldstein (foto ao lado), em1886, logo depois da descoberta dos raios catódicos. Sabendo que ocátodo emite radiações, Goldstein procurou determinar se o ânodo tambémemite.

a) Natureza dos raios positivos

A interpretação dada por Goldstein sobre a natureza dos raiospositivos é parcialmente correta, mas é incompleta. Eles não sãoconstituídos somente de íons positivos arrancados do ânodo, comopensaram de início. Esses íons existem, mas, em pequenas proporções. Amaior parte das partículas que constituem os raios positivos são íonspositivos das moléculas de gás que permaneceram no interior do tubo. Oque acontece é que os elétrons dos raios catódicos, chocando-se commoléculas do gás, arrancam elétrons dessas moléculas, isto é, asionizam. Os íons positivos são atraídos pelo cátodo, que é negativo, emuitos deles passam pelos orifícios.

b) Propriedades dos raios positivos

Os raios positivos possuem propriedades análogas às dos raios catódicos, mas, em geral, menos intensas.
1) Produzem luminescência nos corpos com que se chocam, como por exemplo, o vidro da ampola.
2) Propagam-se com grande velocidade, embora menor que a dos raios catódicos, por terem maior massa.
3) Propagam-se aproximadamente em linha reta.
4) Atravessam lâminas muito finas de materiais. Mas, seu poder de penetração é menor que o dos raios catódicos.
5) As partículas que constituem os raios positivostêm carga elétrica positiva que é sempre um múltiplo da carga elétricado elétron.
6) São desviados por campos elétricos ou magnéticos.E como têm carga positiva, o desvio é em sentido oposto ao dos raioscatódicos.
7) As partículas que constituem os raios positivosnão são todas iguais, pois são íons do gás ou do ânodo. Esta é umaoutra diferença entre raios positivos e raios catódicos, pois estes sãoconstituídos de elétrons, que são todos iguais.

c) Aplicação dos raios positivos

São usados como elementos de estudos sobre propriedades da matéria.