Professor Haroldo Lima
Ciências da Natureza e
Suas Tecnologias
FÍSICA
ELETRICIDADE NA ATMOSFERA:
RAIO – RELÂMPAGO – TROVÃO
As nuvens (do tipo cúmulo-nimbo), das quais resultam as
tempestades, apresentam-se, em geral, eletrizadas. Entre essas nuvens,
entre partes de uma mesma nuvem ou, ainda, entre uma nuvem e
o solo estabelecem-se campos elétricos. Quando esses campos se
tornam suficientemente intensos, o ar se ioniza e ocorre uma descarga
elétrica, denominada raio, sob a forma de uma faísca. O raio é formado
por cargas elétricas em movimento ordenado, isto é, corrente elétrica,
sendo, portanto, invisível. A luz que acompanha o raio (efeito luminoso
das correntes nos meios gasosos) resulta da ionização do ar, constituindo
o relâmpago. O elevado aquecimento do ar (efeito térmico das correntes)
causa uma brusca expansão, produzindo uma onda sonora de grande
amplitude denominada trovão.
Ocorrem por dia, no nosso planeta, cerca de 40 mil tempestades que
originam, aproximadamente, 100 raios por segundo.
Medições realizadas por aviões e sondas indicam que as nuvens
responsáveis pelos raios apresentam, frequentemente, na parte superior,
uma predominância de cargas elétricas positivas e, na inferior, de cargas
elétricas negativas.
A diferença de potencial entre a parte inferior da nuvem e o solo
varia entre 10 milhões de volts e 100 milhões de volts, o que determina
correntes elétricas variando de 10 mil ampères a 200 mil ampères.
+ + + ++
+ + ++ ++ + + + + + + + ++
Nuvem
+
+ + +++ + + + + + + ++ + ++ +++ + +
nº
19
• A formação do raio negativo da nuvem para o solo
Vamos considerar o caso mais comum, que consiste numa nuvem
com predominância de cargas elétricas negativas na parte inferior. No
solo são induzidas cargas elétricas positivas, estabelecendo um campo
elétrico intenso entre a nuvem e o solo.
O processo de descarga elétrica ocorre numa sucessão muito rápida.
Inicia-se com uma descarga elétrica denominada descarga líder, que parte
da nuvem em direção ao solo, seguindo trajetórias sinuosas através das
regiões de maiores condutividades, apresentando a forma de uma árvore
invertida. A descarga líder, pouco visível, provoca a ionização do ar ao
longo de seu percurso. A região entre a nuvem e o solo passa a funcionar
como um condutor (atmosfera ionizada). Quando a descarga líder está
próxima do solo, outra descarga, denominada descarga conectante, parte
do solo e caminha ao encontro da descarga líder. A partir do instante do
encontro, estabelece-se a descarga principal, denominada descarga de
retorno. Nessa descarga, cargas elétricas negativas dirigem-se para o
solo. A descarga de retorno ou principal apresenta grande luminosidade e
origina corrente elétrica de grande intensidade. O processo descrito pode
ocorrer repetidas vezes, num intervalo de tempo extremamente pequeno,
enquanto as cargas puderem se renovar.
–
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–
–
––––––––––––––– –– ––––––––
–
–
––––––––––––––– –– ––––––––
–
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– ––
– – – – – – – –– – – – – – –– –
Descarga líder
Descarga conectante
Descarga conectante (principal)
Solo
• O para-raios
O para-raios, cuja invenção é devida ao político, escritor e cientista
norte-americano Benjamin Franklin (1706-1790), tem por finalidade
oferecer um caminho mais eficiente para as descargas elétricas
atmosféricas. Assim, garante a proteção de casas, edifícios, depósitos de
combustíveis, linhas de transmissão de energia etc.
Atualmente, existem dois tipos de sistemas de segurança contra
descargas atmosféricas regulamentados pela ABNT (Associação
Brasileira de Normas Técnicas): o modelo de Franklin, que segue a ideia
da invenção original, e o modelo de Faraday, que se baseia no princípio
da blindagem eletrostática. A utilização deste ou daquele modelo depende
da altura da estrutura e da área da região a ser protegida. Vamos, de
forma resumida, apresentar esses processos.
Os raios mais frequentes são aqueles que ocorrem entre partes de
uma mesma nuvem. Os raios da nuvem para o solo, que apresentam
incidência maior do que do solo para a nuvem, são em geral negativos,
isto é, transferem para o solo carga elétrica negativa, proveniente da
região negativa da nuvem.
a) Modelo de Franklin
Também chamado simplesmente de para-raios de Franklin, consta
basicamente de uma haste condutora disposta verticalmente na parte
mais alta da estrutura a ser protegida. A extremidade superior da haste
apresenta de três a quatro pontas de um material de elevado ponto de
fusão (que não se derreta com a dissipação da energia da descarga).
A outra extremidade da haste é ligada, por meio de condutores metálicos,
a barras metálicas profundamente cravadas no solo.
60º
Ciências da Natureza e
h
Suas Tecnologias
r= 3 h
Se uma nuvem eletrizada estiver sobre as pontas do para-raios,
induzirá nelas cargas elétricas, intensificando o campo na região já
ionizada pela descarga líder. A descarga principal ocorrerá, então, através
do para-raios.
b) Modelo de Faraday
Este método consiste em uma malha de captação, formando
módulos retangulares, feitos de cabos de cobre nu passando por
suportes isoladores, colocados de modo a envolver o topo da estrutura,
como uma gaiola. Ao longo da malha, distribuem-se regularmente hastes
terminadas em ponta. O aterramento se dá do mesmo modo que no
método de Franklin, mas com maior número de terminais. Esse sistema,
apesar de mais dispendioso, proporciona maior proteção, sendo utilizado
em edificações de grande porte, como ginásios, galpões industriais etc.
Observação:
O para-raios radioativo, baseado na ionização do ar por meio da
presença de material radioativo no material constituinte da ponta, está
proibido no Brasil, desde 1989. Quem eventualmente ainda utiliza
esse tipo de para-raios está obrigado a desmontá-lo e encaminhar os
componentes à CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear).
Para-raios de Franklin sobre uma edificação.
+
+
–
+
–
+
+
–
–
+
–
–
+
–
+
–
+
+
Exercícios
+
1. (PUC-Campinas-SP) Os relâmpagos e os trovões são consequência
de descargas elétricas entre nuvens ou entre nuvens e o solo.
A respeito desses fenômenos, considere as afirmações que seguem.
I. Nuvens eletricamente positivas podem induzir cargas elétricas
negativas no solo;
II. O trovão é uma consequência da expansão do ar aquecido;
Ill. Numa descarga elétrica, a corrente é invisível, sendo o relâmpago
consequência da ionização do ar.
+
Haste
metálica
Barra de
aterramento
Condutor
matálico
Estudos experimentais permitiram à ABNT concluir que “o campo
de proteção oferecido por uma haste vertical é aquele abrangido por um
cone, tendo por vértice o ponto mais alto do para-raios e cuja geratriz
forma um ângulo de 60° com a vertical”.
60º
h
r= 3 h
2
Dentre as afirmações:
A) somente I é correta.
C) somente III é correta.
E) I, II e III são corretas.
B) somente II é correta.
D) somente I e II são corretas.
2. (Ufes) Uma nuvem encontra-se num potencial de 9 ⋅ 106 V, em relação
à terra, quando ocorre a queda de um raio, cuja duração é de 0,02
s. Supondo-se que durante a queda do raio uma carga de 30 C é
transferida da nuvem para a terra, a potência liberada pelo raio é de:
Dado: GW = gigawatt = 109 watt
A) 1,36 GW B) 2,72 GW
C) 5,54 GW
D) 6,74 GW
E) 13,5 GW
3. (UFF-RJ) Em 1752, o norte-americano Benjamin Franklin, estudioso
de fenômenos elétricos, relacionou-os aos fenômenos atmosféricos,
realizando a experiência descrita a seguir.
Durante uma tempestade, Franklin soltou uma pipa em cuja ponta
de metal estava amarrada a extremidade de um longo fio de seda; da
outra extremidade do fio, próxima de Franklin, pendia uma chave de metal.
FB NO ENEM
Ciências
da Natureza
Linguagens,
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Suas Tecnologias
Ocorreu, então, o seguinte fenômeno: quando a pipa captou a
eletricidade atmosférica, o toque de Franklin na chave, com os nós
dos dedos, produziu faíscas elétricas.
Esse fenômeno ocorre sempre que em um condutor:
A) as cargas se movimentam, dando origem a uma corrente elétrica
constante na sua superfície.
B) as cargas se acumulam nas suas regiões pontiagudas,
originando um campo elétrico muito intenso e uma consequente
fuga de cargas.
C) as cargas se distribuem uniformemente sobre sua superfície
externa, fazendo com que em pontos exteriores o campo elétrico
seja igual ao gerado por uma carga pontual de mesmo valor.
D) as cargas positivas se afastam das negativas, dando origem a
um campo elétrico no seu interior.
E) as cargas se distribuem uniformemente sobre sua superfície
externa, tornando nulo o campo elétrico em seu interior.
Quando um avião de passageiros é atingido por um raio em pleno
voo, a tripulação e os passageiros:
A) não serão atingidos, pois os aviões são obrigados a portar
para-raios nas extremidades de sua fuselagem.
B) serão atingidos, pois a fuselagem metálica é boa condutora de
eletricidade.
C) serão parcialmente atingidos, pois as cargas elétricas do raio
ficarão distribuídas de maneira uniforme em todo o interior do
avião, mesmo ele sendo oco.
D) não sofrerão danos físicos, pois a fuselagem metálica atua como
blindagem para o interior do avião.
E) podem ser atingidos se o avião não for muito grande.
4. Um para-raios é feito de material metálico bom condutor de eletricidade
e, em geral, apresenta-se neutro, ou seja, possui o mesmo número
de elétrons e prótons. Quando uma nuvem carregada eletricamente
aproxima-se dele, por ação das forças elétricas, a sua extremidade
fica muito carregada eletricamente.
FB no Enem – Nº 18 – Professor: Marcus Antonio
1
2
3
4
5
B
A
E
C
D
Anotações
Analise as afirmações abaixo.
I. Ao aproximar uma nuvem carregada negativamente de um para-raios,
suas cargas negativas vão “escoar” pelo fio-terra, ficando a sua
ponta carregada positivamente;
II. Num para-raios, eletrizado de forma intensa, o ar entre ele e a
nuvem funcionará como um condutor elétrico;
III. Uma descarga elétrica “cai” no para-raios somente se a nuvem
estiver carregada positivamente;
IV. Os para-raios são eletrizados por indução.
Está(ão) correta(s):
A) apenas I.
C) apenas III e IV.
E) apenas II, III e IV.
B) apenas I e II.
D) apenas I, II e IV.
5. A Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) é uma linha contínua,
paralela ao Equador, com aproximadamente mil quilômetros de
extensão. No Oceano Atlântico, as massas de ar mais quentes do
Hemisfério Sul encontram as massas de ar mais frias vindas do
Hemisfério Norte. Esse fato pode provocar grandes tempestades
em alto-mar e muita chuva na região Nordeste do Brasil. Os aviões
que partem do Brasil com destino à Europa, e vice-versa, em suas
rotas, atravessam essa região, podendo ser atingidos por descargas
elétricas (raios).
OSG.: 59846/12 - 29/05/12
Dig.: Alex / Rev.: TSS
FB NO ENEM
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