Eletricidade Atmosférica - Mostra alguns conceito sobre a eletricidade atmosférica
Estuda as relações entre a eletricidade presente na atmosfera.
Os raios ocorrem na atmosfera e isso sugere que ela possui algo elétrico.
A atmosfera está em permanente modificação.
Suas classificações levam em conta vários fatores, como:
Constituição de íons.
A natureza dos raios está intimamente relacionada com esta última classificação (constituição de íons)
A análise de uma amostra de ar colhida ao nível do mar acusa, em média, a seguinte composição percentual, após eliminar-se a umidade:
No primeiro estágio de resfriamento da superfície da Terra, originou-se uma crosta sólida cheia de rachaduras, por onde eram expelidos materiais incandescentes
A intensa atividade vulcânica resultante fez aumentar a quantidade de gases (como hidrogênio, amônia, metano) e vapor d'água nessa atmosfera recém-formada.
Com o surgimento de organismos vivos e, sobretudo, com a realização da fotossíntese (processo pelo qual certas células vegetais produzem oxigênio), houve uma transformação da atmosfera, que aos poucos foi se enriquecendo de oxigênio, até atingir o teor atual
Há alguns milhões de anos, ela entrou em equilíbrio, que se mantém, embora exista a possibilidade de ocorrerem fenômenos capazes de alterá-lo.
Nitrogênio (N2) - 78,084%,
argônio (Ar) - 0,934%,
gás carbônico (CO2) - 0,031%,
Hélio (He) - 0,000524%,
metano (CH4) - 0,0002%,
kriptônio (Kr) - 0,000114%,
hidrogênio (H2) - 0,00005%,
xenônio (Xe) - 0,0000087%.
Os gases que constituem a atmosfera também sofrem o efeito da atração da gravidade e por isso pressionam a superfície do solo, ocasionando a pressão atmosférica.
CLASSIFICAÇÃO ATMOSFÉRICA
A atmosfera terrestre divide-se em camadas que podem ser classificadas :
Quanto à quantidade de íons
Quanto à temperatura se divide em:
mesosfera e
Camada mais próxima à superfície da Terra.
Espessura variável entre 8 e 16 Km .
Contém cerca de 90% de toda a massa de gases que compõem a atmosfera,
Contém quase todo o vapor d'água
Se formam as nuvens, ventos, chuvas, etc
A presença de correntes de ar frias e quentes justifica sua denominação (tropos significa movimento em grego)
Portanto os relâmpagos ocorrem nesta camada.
Essas correntes provocam fortes variações na temperatura da troposfera.
Os gases que compõem esta camada não absorvem as ondas de calor do Sol, e sim a crosta terrestre que aquece e transfere calor para troposfera
Portanto com o aumento da altitude sua temperatura diminui.
O ar é bastante rarefeito
composto basicamente de ozônio, (gás que absorve radiações nocivas aos organismos vivos)
Alcança altitudes de mais ou menos 50 quilômetros
Sua temperatura aumenta com a altitude e seu valor médio fica em torno de 270 K (-3 0C)
A temperatura diminui com a altitude e seu valor médio é de 180 K (-93 0C).
altitudes de cerca de 80 quilômetros
O ar é mais rarefeito
é composta essencialmente de ozônio e vapor de sódio.
Seu limite é até onde a densidade gasosa seja tão baixa a ponto de se confundir com o espaço interplanetário.
QUANTO A CONSTRUÇÃO DE ÍONS:
Atmosfera inferior;
Atmosfera média ;
Atmosfera superior .
Atmosfera inferior
Possui pouca concentração de íons e por é chamada camadas fracamente condutora.
Camada planetária:
É uma camada da superfície terrestre onde a influência de íons é maior, que vai do solo até uns poucos metros de altura (podendo alcançar 3 quilômetros),
A presença desses íons prejudica consideravelmente as medidas elétricas feitas nesta camada.
A superfície terrestre também interfere na concentração de íons por causa dos ventos, temperatura, quantidade de vapor d'água, etc.
Possui alta concentração de íons positivos e negativos, além de muitos elétrons livres.
Predominam quatro formas de produção de íons na atmosfera:
Formas de Produção de íons
Formas de produção de íons na atmosfera:
Através de colisões de partículas neutras,
de raios cósmicos,
Por decaimento de partículas radioativas no solo
e por fotoionização.
Formação de íons na atmosfera
Formação de íons na atmosfera:
As partículas neutras, existentes em toda a atmosfera, tornam-se íons cátion naturalmente pois perdem elétrons nas sucessivas colisões ao se movimentarem pela atmosferaporque .
Os raios cósmicos é um tipo de onda eletromagnética vinda do espaço e produz íons consegue arrancar elétrons das partículas na atmosfera. No solo, alguns elementos perdem elétrons espontaneamente e por isso se diz que eles decaem por efeitos radioativos.
Os elétrons originados nesses processos ligam-se a outras partículas neutras como o oxigênio e o nitrogênio, abundantes na atmosfera, produzindo novos íons (ânions).
Tais íons reagem com outras moléculas neutras e se prendem a moléculas de água, formando aglomerados de íons ou pequenos íons.
Os pequenos íons podem juntar-se a partículas de gás aerossol (o spray de desodorantes) e formar os grandes íons, produção que aumenta com a poluição.
Nesse sentido, a quantidade de pequenos íons positivos é maior que os negativos e isso é responsável pela carga líquida da atmosfera ser positiva.
No entanto, para que haja equilíbrio nas concentrações das cargas, existem outros processos de ionização, dentre os de descargas de objetos pontiagudos em tempestades, queda d'água ou ondas no oceano, etc.
Em qualquer instante, cerca de 2 mil tempestades estão ocorrendo ao redor do mundo, isto equivale a cerca de 50 mil tempestades ocorrendo todo dia ou cerca de 16 milhões por ano.
Tempestades são mais comuns durante o verão e em regiões tropicais e temperadas, embora também ocorram em regiões próximas aos pólos e em outras estações do ano.
E ocorrem mais sobre os continentes do que sobre os oceanos.
Uma tempestade ou tormenta ou ainda um temporal é um estado climático de curto e grosso duração marcado por ventos fortes (como nos tornados e ciclones tropicais), trovoadas, e precipitação forte - geralmente, chuva, ou, em alguns casos, granizo, ou neve.
As tempestades tiveram grande influência na cultura de muitas das civilizações da antiguidade. Os romanos achavam que tempestades eram batalhas dos Deuses contra os Titãs. Já os índios da América do Norte acreditavam que as tempestades eram serventes de um "Grande Espírito". Em tempos mais recentes, as tempestades tornaram-se alvo de assumiram mais um papel de curiosidade.
As nuvens se formam a partir da condensação do vapor d'água existente na atmosfera formando gotículas de água.
Se a nuvem atingir altitudes maiores, devido à diminuição da temperatura com a altitude, as gotículas de água podem se transformar em gotículas de água super-resfriada (abaixo de 0 º C)
As nuvens de tempestade distinguem-se das outras formas de nuvens pelo seu tamanho, pela sua grande extensão vertical, pela presença de gotículas de água super-resfriadas e por apresentarem fortes correntes verticais de ar.
O processo de formação das nuvens de tempestade na atmosfera depende basicamente de três fatores:
A umidade do ar,
O grau de instabilidade vertical da atmosfera
Existência de mecanismos dinâmicos denominados forçantes.
A umidade está relacionada à quantidade de vapor d'água existente no ar.
A umidade pode ser expressa quantitativamente em termos de:
densidade de vapor d'água:
- umidade absoluta
Grau de instabilidade da atmosfera
As Tempestade podem se apresentar de dois modos (de acordo com as nuvens):
Isoladas, também conhecidas como tempestades isoladas;
Tempestades locais, ou em grupos, formando tempestades organizadas.
indução eletrostática é o processo de carregar eletricamente um objeto colocando-o no campo elétrico de outro objeto carregado, às vezes também é chamada de indução elétrica.
Dielétrico ou isolante elétrico, é uma substância que possui alta resistência ao fluxo da corrente elétrica.
Para que desempenhar tal função devem ser:
Elevada resistência elétrica, para garantir o isolamento entre a peça e o elétrodo;
Elevado poder refrigerante, pois este deve arrefecer a peça e o elétrodo, visto que o aquecimento excessivo pode originar fissuração
Viscosidade estável, pois deve evacuar as partículas da zona de corte com eficácia;
Não tóxico, para não libertar substâncias tóxicas quando exposto a temperaturas elevadas;
Filtrabilidade, para manter as partículas em suspensão, facilitando a filtragem posterior;
Elevado calor latente, pois deve ser resistente às temperaturas elevadas e à oxidação, evitando a degradação; •
Não corrosivo, para não corroer os componentes constituintes da máquina;
Transparência, para facilitar a visualização da zona de trabalho.
Rigidez Dielétrica de um certo material é um valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.
Espessura do dielétrico.
A Polarização: é uma medida da variação do vetor do campo elétrico dessas ondas com o decorrer do tempo.
É um processo químico onde se produzem íons (espécies químicas eletricamente carregadas) pela perda ou ganho de Elétrons a partir de átomos ou moléculas neutras.
Quando se fornecer energia para o átomo liberar os seus elétrons
As Nuvens se eletriza a partir das colisões de partículas de gelo acumuladas em seu interior.
Outra causa, que não exclui a primeira, estaria em efeitos resultantes da diferença de condutividade elétrica do gelo devido a diferenças de temperatura no interior da nuvem.
Durante as colisões, as partículas de gelo perdem elétrons e transformam-se em íons.
Isso torna a nuvem eletricamente carregada. As partículas têm tamanho variado e, segundo medidas feitas por sondas meteorológicas, as menores e mais leves ficam com carga positiva e as maiores e mais pesadas (partículas de gelo denominadas granizo)com carga negativa.
Alguns fatores como os ventos, a temperatura e força da gravidade fazem com que cargas de mesmo sinal se concentrem em regiões específicas da nuvem. Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a parte superior ou topo da nuvem, são os locais de maior acúmulo de carga, de sinais contrários, funcionando assim como armaduras de um capacitor.
Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a parte superior ou topo da nuvem, são os locais de maior acúmulo de carga, de sinais contrários, funcionando assim como armaduras de um capacitor.
As cargas distribuídas na base e no topo das nuvens produzem um campo elétrico interno, denominado campo elétrico intra-nuvem.
Enquanto os choques das partículas dentro da nuvem se intensificam, a quantidade de carga em sua superfície aumenta e, conseqüentemente, o campo elétrico criado por essas cargas também se eleva.
Com o aumento da intensidade desse campo, as moléculas de ar entre as partes eletrizadas sofrem polarização e se orientam de acordo com o campo elétrico.
O efeito de polarização se intensifica com o aumento da intensidade do campo, até o ponto em que elétrons são arrancados das moléculas do ar.
dessa forma ionizado, se transforma em um condutor gasoso.
Como já vimos: campo elétrico que provoca ionização em um meio é denominado rigidez dielétrica
No ar, a rigidez dielétrica varia com as condições da atmosfera.
Quadno o Campo ultrapassa esse valor limite de rigidez, houve então a quebra da rigidez dielétrica.
Isso transforma o isolante em Condutor
os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos pelas cargas positivas presentes nas nuvens ou induzidas no solo, formando um caminho chamado de canal condutor.
Assim sendo, o movimento de cargas negativas no canal condutor pode ocorrer tanto intra-nuvem como entre nuvens ou entre nuvem e solo.
Em cerca de 90% dos casos as descargas elétricas se originam na base da nuvem, quase sempre eletrizada negativamente.
Portanto, em geral, é uma carga negativa que inicia o processo de descarga elétrica atmosférica.
A primeira carga a se movimentar, na maioria das vezes vinda da base de uma nuvem, é a Carga Líder ou Líder Escalonado.
É chamada assim porque desce em etapas ou escalas, em intervalos de tempo quase uniformes.
Algumas cargas seguem novos caminhos fora do canal principal, criando ramificações em muitos pontos.
Isso porque há íons na atmosfera, distribuídos de maneira não uniforme, o que acaba por atrair ou repelir essas cargas para um lugar indeterminado.
As bruscas variações de velocidade da Carga Líder produzem uma onda eletromagnética de freqüência superior à da luz visível. portanto não perceptível pelo olho humano
O movimento da Carga Líder é seguido por outras cargas provenientes da base da nuvem criando-se uma corrente elétrica denominada raio.
Líderes Conectantes
A Carga Líder, em geral negativa, aproxima-se de cargas positivas localizadas no solo ou nas nuvens.
A carga acumulada no canal condutor produz um aumento na intensidade do campo elétrico entre as cargas, gerando uma nova quebra da rigidez dielétrica do ar.
Por efeito dessa quebra, devido ao alto nível de intensidade desse campo, íons positivos são arrancados do solo (ou da nuvem para onde as cargas negativas se dirigem)
na maioria dos casos, a descarga elétrica ocorre do solo para a nuvem.
A intensificação do campo elétrico provoca o surgimento de vários caminhos (canais) por onde esses íons se deslocam ao encontro da Líder.
Os íons positivos são denominados Líderes Conectantes ou Descargas Conectantes.
No caso de descargas nuvem-solo, esse segundo rompimento da rigidez dielétrica ocorre quando a Líder está cerca de 10 m de distância do local de onde os íons positivos são arrancados.
Essas cargas se encontram aproximadamente a meia distância do percurso.
Todas as cargas negativas que seguem a Carga Líder movem-se através dos novos canais por onde passaram os íons positivos até alcançar os pontos de onde eles partiram.
A descarga que saiu do solo continua seu movimento até a nuvem e passa a ser denominada Descarga de Retorno.
Essa descarga ocorre com uma velocidade de cerca de um terço da velocidade da luz.
Os raios em nuvens são assim chamados por iniciarem dentro de uma nuvem.
Eles são menos perigosos para nós
O fato de estarem escondidos pelas nuvens impossibilita que se saiba detalhes sobre sua formação.
Suas descargas podem ocorrer de três maneiras:
no interior das nuvens (chamados de descargas intra-nuvem),
Entre duas ou mais nuvens (as descargas nuvem-nuvem)
para fora da nuvem, sem atingir o solo (denominadas de descargas para o ar).
Este tipo de raio inicia na superfície de uma nuvem ou no chão, abaixo ou próximo de uma nuvem de tempestade. proteção.
Quanto sentido do movimento da carga:
- nuvem-solo
- solo-nuvem
Quanto o sinal da carga líder:
A maioria das descargas nuvem-solo são negativas. Esses raios são os que realmente preocupam os homens. Estimativas indicam que cerca de 100 milhões de raios nuvem-solo ocorrem no Brasil todo ano e a maior parte deles acontece na Amazônia, talvez pelo fator climático da região. Nas cidades, já se comprovou que a poluição aumenta a quantidade de descargas elétricas na atmosfera. A formação de raios entre nuvens e solo é bem conhecida.
Os nuvem-solo correspondem a quase 99% dessas descargas, enquanto que os solo-nuvem são raros, ocorrendo geralmente no topo de montanhas ou em estruturas altas (como torres e edifícios). Um solo-nuvem pode até ser "criado" por foguetes lançados na direção da nuvem de chuva. Isso, aliás, tem permitido o estudo dos relâmpagos e melhorado as técnicas de proteção.
Os raios entre a nuvem e o solo também podem iniciar por Líderes positivos descendentes, correspondendo a movimentos de subida de cargas negativas (elétrons).
A Descarga de Retorno resultante transporta cargas positivas da nuvem para o solo.
Estes são os raios nuvem-solo positivos e no geral eles não se seguem de Descargas de Retorno Subseqüentes, sendo classificados como relâmpagos simples.
Eles causam maiores danos do que os negativos. Muitos acidentes como incêndios em florestas e estragos em linhas de energia são causados por este tipo de raio.
CONSEQUÊNCIAS DOS RAIOS
As principais conseqüências das descargas elétricas atmosféricas (raios) são:
A luz (relâmpago)
O som (trovão).
Os relâmpagos são produzidos basicamente pela Radiação eletromagnética emitida por elétrons que, após serem excitados pela energia elétrica, retornam a seus estados fundamentais.
Isto ocorre principalmente na Descarga de Retorno e por esta razão, no caso da descarga nuvem-solo, a geração da luz é feita de baixo para cima.
A luz do relâmpago é bastante intensa devido à grande quantidade de moléculas excitadas.
Pode-se observar que as ramificações do canal são menos brilhantes pela menor quantidade de cargas presentes nessa região.
A geração de luz dura cerca de um décimo de segundo..
Portanto, os fótons produzidos no início da trajetória, apesar de chegarem primeiro na retina do observador, conseguem mantê-la sensibilizada até a chegada dos fótons provenientes do final da trajetória.
Por isso, é comum se pensar que o canal se iluminou todo de uma vez ou ainda que o relâmpago caiu, vindo de cima para baixo, talvez por colocarmos a nuvem como nossa referência.
Geralmente a luz do relâmpago é de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosféricas entre o relâmpago e o observador
DE RELAMPAGOS
Quando há apenas uma Descarga de Retorno, o relâmpago é classificado como relâmpago simples.
Os relâmpagos múltiplos acontecem quando a nuvem não se descarrega completamente durante o primeiro raio.
Neste caso, a cargas remanescentes se acumulam novamente na base da nuvem e o fenômeno se reproduz através dos mesmos passos descritos nesta seção.
A Carga Líder poderá ser um Líder Contínuo (um líder que não desce em etapas e aproveita o canal que já existe), um Líder Escalonado (um novo líder formado quando todo o canal se desfaz) ou um Líder Contínuo-escalonado (se parte do canal se desfizer).
A descarga de retorno será denominada Descarga de Retorno Subseqüente unicamente no caso do Líder Contínuo.
Para que aconteça mais de um relâmpago, tudo vai depender do tempo que a nuvem leva para se recarregar.
A maioria dos relâmpagos é do tipo múltiplo.
O número médio de descargas de retorno subseqüentes geralmente é de 3 a 5.
O maior valor até hoje registrado foi de 42 descargas.
É um erro comum pensar que um relâmpago nunca cai duas vezes no mesmo lugar.
Sendo várias as descargas positivas ou Conectantes que saem do solo, se uma delas sair de um mesmo ponto (onde a primeira Conectante saiu) indo ao encontro da nova Líder, será possível que isso ocorra.
Assim como o Líder Escalonado, o Líder Contínuo é invisível.Por outro lado, na maioria dos casos, o Contínuo não possui ramificações. Sua Descarga de Retorno Subseqüente é menos brilhante que a primeira descarga e pouco ramificada.
O Líder Contínuo-escalonado ocorre quando, durante a descida de um Líder Contínuo, o canal se desfaz e ele tem que mudar para Líder Escalonado para poder completar o caminho.
A Descarga de Retorno Subseqüente, pode sair de um outro ponto do solo e seguir também um novo caminho, bifurcando o canal (vemos a figura de um ípsilon invertido).
Quase 1/4 dos relâmpagos apresenta este efeito
O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos).
Os meios de propagação dos trovões são o solo e o ar.
A freqüência dessa onda sonora, medida em Hertz, varia de acordo com esses meios meios, sendo maiores no solo.
A velocidade do trovão também varia com o local onde se propaga
O trovão ocorre sempre após o relâmpago, já que a velocidade da luz é bem maior que a do som no ar.
Depois, um som intenso e de maior duração que o primeiro estalo, resultado da entrada ou saída da descarga no solo e por último, a expansão de sons graves pela atmosfera ao redor do canal do relâmpago.
Podemos ter uma percepção do som diferente, mas essa ordem é a mesma. Por isso, é muito perigoso ficar próximo ao local de queda de um relâmpago.
A energia acústica ou energia sonora gasta para provocar esses estrondos é proporcional a freqüência do som.
A maior parte dela, cerca de 2/3 do total, gera os trovões no solo e o restante (1/3) provoca som do trovão no ar. Mesmo assim, eles costumam ser bem violentos, como podemos perceber.
Por causa da freqüência, os trovões no ar são mais graves (como batidas de bumbo).
Aqueles estalos característicos dos trovões, os sons bastante agudos, além de dependerem da nossa distância à fonte, se relacionam com as deformações do canal e de suas ramificações.
Quanto mais ramificado o canal, maior o número de estalos no trovão..
Se o observador estiver próximo do relâmpago (a menos de 100 metros, por exemplo) o estalo será parecido a de uma chicotada. Isso está associado a onda de choque que antecede a onda sonora
O trovão pode ser usado para calcular qual à distância de um relâmpago.
Quando você enxergar o clarão, comece a contar os segundos até escutar o trovão.
Divida o número de segundos por três (3) e você terá a distância aproximada do relâmpago em quilômetros.
O erro médio associado com este método é de 20%.
Finalmente, se você enxergar o clarão e não escutar o trovão, o relâmpago provavelmente está a mais de 20 quilômetros de você
Não há nenhum método conhecido que evite a ocorrência de um relâmpago.
Mesmo construções devidamente protegidas já sofrerão esse ataque, enquanto outras desprotegidas, às vezes ao lado dessas, nada sofreram. Podemos perguntar para quê o uso dos sistemas de proteção se eles realmente não protegem. Na verdade, o sistema tenta "atrair a atenção" da descarga e não impedir que ela aconteça. Vale a regra: ruim com eles, pior sem eles.