nº19FÍSICA

Ciências da Natureza e Suas Tecnologias

Professor Haroldo Lima

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.

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++ ++++

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++ +

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Solo

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+

++

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 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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Descarga líder Descarga conectante Descarga conectante (principal)

• O para-raiosO 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.

a) Modelo de FranklinTambém 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.

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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.

Para-raios de Franklin sobre uma edificação.

CondutormatálicoCondutormatálicoCondutormatálico

Barra deaterramentoBarra deaterramentoBarra deaterramento

HastemetálicaHastemetálicaHastemetálica

+

+++++++++

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++

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”.

h

60º

r= 3 h

h

60º

r= 3 h

b) Modelo de FaradayEste 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).

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.

Dentre as afirmações:A) somente I é correta. B) somente II é correta.C) somente III é correta. D) somente I e II são corretas. E) I, II e III 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 wattA) 1,36 GW B) 2,72 GW C) 5,54 GW D) 6,74 GWE) 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.

Linguagens, Códigos e Suas Tecnologias

FB NO ENEM 3

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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.

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.

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. B) apenas I e II.C) apenas III e IV. D) apenas I, II e IV.E) apenas II, III 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 - 29/05/12Dig.: Alex / Rev.: TSS

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.

FB no Enem – Nº 18 – Professor: Marcus Antonio1 2 3 4 5B A E C D

Anotações