Eletricidade na Atmosfera da Terra

O potencial elétrico da Terra

A Terra é um grande condutor esférico eletrizado negativamente tom carga avaliada em 580kC (-580 quilocoulombs = -580.000 C). Seu raio é de aproximadamente 6.400 km. Se a considerarmos isolada no universo e calcularmos o seu potencial próprio V, obteremos:

(em relação a um referencial no infinito).

No entanto, o potencial resultante na Terra sofre influência das car­gas elétricas dos corpos celestes vizinhos. As cargas elétricas separa­das por fatores humanos praticamente não produzem efeitos sensíveis sobre o potencial da Terra.

Para o homem, a Terra se comporta como um padrão invariável de potencial elétrico e, por isso, pode ser adotada como referencial de potencial.

Comumente, costuma se adotar o potencial da Terra igual a ZERO.

No interior de um Laboratório, quando um corpo possui potencial de +2kV em relação à Terra, eqüivale a dizer que ele tem 2kV acima do potencial da Terra.

Se ligarmos um corpo condutor eletrizado negativamente à Terra, haverá escoamento de elétrons deste para ela , até que a sua car­ga elétrica se anule.

A explicação é simples: o corpo eletrizado negativamente tem potencial negativo em relação à Terra. Devido à ddp, elétrons fluirão pelo fio terra, no sentido do menor para o major potencial. Quando o condutor se neutralizar, o seu potencial se igualará ao da Terra.

Por outro lado, se ligarmos à Terra um corpo eletrizado positivamente, haverá subida de elétrons desta para ele, até que se neutralize o corpo.

As ligações à Terra são muito usadas para proteger o homem con­tra o perigo de um choque elétrico ou mesmo uma descarga elétrica Por exemplo: um pára-raios é sempre aterrado, assim como um chuveiro elétrico, uma torneira elétrica, uma máquina de lavar roupas. Toda vez que ligamos à Terra uma armadura metálica garantimos que o seu potencial elétrico se anula.

Eletricidade na atmosfera

Num dia comum, de atmosfera calma, a partir da superfície terres­tre, nas proximidades desta e no sentido ascendente, o potencial elétrico aumenta na razão de aproximadamente 100 V por metro. Este fato nos permite concluir que existe um campo elétrico produzido pela Terra de intensidade E=100 V/m, orientado para baixo. 0 vetor campo elétrico voltado para a superfície ter­restre significa que nesta se distri­buem cargas elétricas negativas.

A presença de uma pessoa modifica a distribuição das superfícies eqüipotenciais conforme mostra a figura. 0 corpo humano é um condutor relativamente bom de tal modo que ele e a superfície terrestre formam uma superfície eqüipotencial. Assim, se a altura da pessoa for 1,80 m entre seus cabelos a seus pés, não existirá uma ddp de 180 V como se poderia imaginar.

Devido a existência de radiações de materiais radioativos, radiações ultravioleta a raios cósmicos, a atmosfera apresenta íons positivos e negativos.

O campo elétrico terrestre movimenta estes íons. Os íons positivos deslocam se no sentido do campo a atingem a superfície terrestre, na razão aproximadamente de 1.800 C por segundo. A carga da Terra, sendo negativa a avaliada em 580 000 C, com a chegada de 1.800 C/s (1800 A) , se neutralizaria em poucos minutos. Mas existe uma outra fonte de cargas negativas que atingem a Terra, mantendo sua carga negativa: são os tem­porais violentos com seus raios.

Estimativas mostram que caem cerca de 100 raios por segundo no planeta, transportando aproximadamente 1.800 C/s.

Experiências realizadas com na­ves e balões mostram que as nuvens de tempestades (responsáveis pelos raios) apresentam, geralmente, car­gas elétricas positivas na parte supe­rior e negativas na inferior.

Formação dos raios

As cargas positivas estão entre 6 e 7 km de altura, enquanto que as negativas, entre 3 e 4 km. A diferença de potencial entre a parte negativa da nuvem e a Terra varia entre 10 MV e 1 GV.

Para que uma descarga elétrica (raio) tenha início não há neces­sidade que o campo elétrico atinja a rigidez dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kV/m são suficientes).

0 fenômeno inicia se com uma primeira etapa: uma descarga piloto, de pouca luminosidade, na forma de árvore invertida, da nuvem para a Terra . Ela vai ionizando o ar.

Uma vez que a descarga piloto atinja o solo, tem início uma segun­da etapa: a descarga principal. Ela é de grande luminosidade, dirigida da Terra para a nuvem, tem velocidade da ordem de 30 000 km/s e a ela está associada uma corrente elétrica de intensidade variando entre 10 kA e 200kA. A descarga principal segue, aproximadamente, o caminho da descarga piloto que ionizou o ar. Normalmente, quando se menciona um raio, referimo nos à descarga principal. A ação destruidora dos raios deve se à elevada corrente da descarga principal. Ela provoca aquecimento (chegando às vezes ter conseqüência explosiva ou incen­diária) e efeitos dinâmicos devido à rápida expansão da massa de ar.

0 efeito luminoso do raio é denominado relâmpago e o efeito so­noro, que resulta do forte aquecimento do ar originando sua rápida expansão, é denominado trovão.

Há raios não só entre uma nuvem e a Terra, mas entre nuvens e entre as partes de uma mesma nuvem.

O pára-raios
0 objetivo principal de um pára raios é proteger uma certa região ou edifício ou residência, ou semelhante, da ação danosa de um raio. Estabelece se com ele um percurso seguro, da descarga principal, entre a Terra e a nuvem.

Um pára raios consta essencialmente de uma haste rnetálica dispos­ta verticalmente na parte mais alta do edifício a proteger. A extremidade superior da haste termina em várias pontas e a inferior é ligada à Terra através de um cabo metálico que é introduzido profundamente no terreno.

Quando uma nuvem eletrizada passa nas proximidades do pára-raios, ela induz neste cargas de sinal contrário. 0 campo elétrico nas vi­zinhanças das pontas torna se tão intenso que ioniza o ar e força a descarga elétrica através do pára-raios, que proporciona ao raio um caminho seguro até a Terra.

Fonte:http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidadenaatmosfera.php

Raio,Relâmpago,Trovão e Para-Raio

Durante as tempestades violentas as nuvens se carregam intensamente de eletricidade. Saltam então faíscas gigantescas dessas nuvens para a Terra, ou entre duas nuvens próximas que tenham cargas de sinais opostos. Essas faíscas são os raios. Essa descarga elétrica arranca elétrons das moléculas dos constituintes do ar, isto é, ioniza essas moléculas. Quando se dá a ionização, que nesse caso é muito violenta, se produz luz. Essa luz é o relâmpago. A descarga aquece muito o ar por onde passa, e provoca uma dilatação rápida desse ar. Essa dilatação rápida produz um som forte, que é o trovão. A razão pela qual as nuvens se carregam de eletricidade não é bem explicada. Sabe-se que pequenas gotas d’água podem ser “quebradas” por um jato de ar, as gotas quebradas tornando-se positivas, e o ar negativo. Uma teoria da eletrização das nuvens admite então que as gotas de chuva são quebradas por ventos violentos; e que as gotas quebradas, sendo mais pesadas que o ar, sobem mais devagar que ele, permanecendo nas nuvens mais baixas. Essas nuvens mais baixas teriam então carga positiva, porque as gotas quebradas têm carga positiva. E as nuvens mais altas teriam carga negativa. Por isso os raios podem se dar de uma nuvem à outra, ou de uma nuvem à terra.   Choque de retorno   Quando uma nuvem fortemente carregada passa por cima de objetos altos que estão em comunicação com a terra como árvores, edifícios, postes, eles se eletrizam por indução. Depois que se dá o raio, mesmo que ele não atinja os objetos, estes escoam suas cargas rapidamente para a terra. Uma pessoa em contato com esses objetos, pode então levar um choque e ferir-se, mesmo sem ter sido atingida pelo raio. A esse fenômeno chamamos choque de retorno.   Para-raios Os para-raios protegem inteiramente os edifícios contra os raios. são barras de metal, de mais ou menos um metro de altura, que são colocadas nas partes mais altas dos edifícios, e ligadas à terra. Em vez de se colocar uma só barra, consegue-se uma proteção mais eficiente com várias barras colocadas mais ou menos a 4 metros uma da outra, todas ligadas à terra. Quando uma nuvem eletrizada passa perto do para-raio, por indução aparece nele uma carga elétrica de sinal oposto ao da nuvem. Então a carga da nuvem é atraída, dá-se o raio entre a nuvem e o para-raio, e assim a carga da nuvem é escoada para a Terra (fig. 34). A zona de proteção que o para-raios oferece é um círculo em torno do edifício de raio aproximadamente igual a duas vezes e meia a altura do edifício. Por exemplo, um edifício de 40 metros de altura oferece proteção dentro de um círculo ao seu redor de 100 metros de raio aproximadamente. O leitor pode comprovar muito facilmente a eficiência do para-raio com a seguinte experiência. Em uma casa de brinquedo coloque um bico de Bunsen, de maneira que a sua ponta saia pelo telhado como se fosse uma chaminé. Acima do telhado coloque uma chapa metálica, ligada a um terminal de uma máquina eletrostática. Quando a máquina eletrostática funciona, a placa metálica se eletriza, e salta uma faísca da placa ao bico de Bunsen. Essa faísca acende o gás do bico de Bunsen, (fig. 35a). Depois adapte ao telhado da casa uma barra metálica (para-raio) em comunicação com uma torneira que, como sabemos, é ligada à terra. Agora a faísca saltará à barra metálica, e não mais ao bico de Bunsen, que não mais se acende (fig. 35-b). Figura 35 Em dias de tempestade, em uma casa não protegida por para-raios é muito perigoso ficar-se perto de lareiras e chaminés, porque são “captadores de raio”. Se, por desventura, o leitor um dia se encontrar em campo aberto em plena tempestade, lembre-se de que é mais garantido molhar-se muito do que ficar em baixo de árvores ou qualquer outra coisa que possa funcionar como um “para-raios” inoportuno. Fonte: http://efisica.if.usp.br/eletricidade

Para-Raios (Animação Flash) - Conheça como funciona!

 Clique na imagem para acessar o link da animação: