Aula 8-Eletricidade Atmosférica

BC 1106 - CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS

03-04-2014 10 Quadrimestre

ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA

AULA 8

Tópicos da Aula...

Os relâmpagos e a origem da vida

Raio, relâmpago e trovão;

Formação dos relâmpagos;

Rigidez dielétrica;

Circuito elétrico global.

Estudos mostram que os relâmpagos, podem estar relacionados à formação dos primeiros compostos denominados aminoácidos, que teriam se formado a partir da quebra de moléculas de amônia, metano e hidrogênio por descargas elétricas. Os aminoácidos são estruturas básicas para a formação de todas as proteínas e indispensáveis a todas as formas de vida em nosso planeta, pois através da energia dissipada pelas descargas, numerosos processos químicos se desenvolveram, dando origem a diversos compostos que colaboraram enormemente para o surgimento das primeiras formas de vida. Para os seres humanos, por causa dos seus efeitos, sempre foram temidas, observadas e associadas a forças sobrenaturais, estando também intimamente ligadas à descoberta e início da utilização do fogo.

AS DESCARGAS ELÉTRICAS E A ORIGEM DA VIDA

RAIO, RELÂMPAGO E TROVÃO

Raio → descarga elétrica produzida pelo rompimento da capacidade isolante do ar, em função da existência de duas superfícies carregadas eletricamente com polaridades opostas, ocasionando o surgimento de um corrente elétrica muito intensa .

Relâmpago → corresponde à luz emitida pelo raio, em função do movimento rápido dos elétrons no canal de descarga formado.

Trovão → O rápido aquecimento do ar pela corrente elétrica do raio produz o trovão É o som provocado pelo aquecimento da atmosfera, devido à descarga elétrica. A corrente do raio, ao passar pelo ar aquece-o e ele se expande com violência, produzindo um som intenso e grave.

Desde o seculo XVIII, a partir dos experimentos de Benjamin Franklin (1706-179), sabe-se que os relâmpagos são descargas elétricas que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em geral dentro de nuvens de tempestades, também conhecidas como cúmulos nimbos. Quando o campo elétrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante do ar (rigidez dielétrica), a descarga elétrica ocorre.

FORMAÇÃO DOS RELÂMPAGO

RIGIDEZ DIELÉTRICA

A rigidez dielétrica de um certo material é um valor limite de

campo elétrico aplicado 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, passando a ser condutor.

A rigidez dielétrica é uma propriedade do meio ou material.

RIGIDEZ DIELÉTRICA

MATERIAL RIGIDEZ DIELÉTRICA (kV/cm)

Ar 30

Mica 600

Vidro 75 a 300

O valor da rigidez dielétrica depende de diversos fatores como: Temperatura; Espessura do dielétrico; Tempo de aplicação da diferença de potencial; Taxa de crescimento da tensão; Para um gás, a pressão é fator importante.

ESTRUTURA ELÉTRICA DA ATMOSFERA

Do ponto de vista dos íons e da condutividade, a atmosfera pode ser dividida em:

atmosfera inferior (correspondente à troposfera)

média atmosfera (correspondente à estratosfera e mesosfera)

atmosfera superior (acima de 80 km, correspondente à

termosfera).


Atmosfera inferior e média (troposfera, estratosfera e

mesosfera)

A atmosfera inferior e a média atmosfera são fracamente condutoras devido à presença de pequenas concentrações de íons.

Nestas regiões, os íons são criados por: ionização de moléculas neutras do ar, geralmente moléculas de nitrogênio e oxigênio, raios cósmicos primários e secundários, partículas e radiação produzida pelo decaimento radioativo de substâncias no solo como urânio e tório, e no ar como gás radônio.



mesosfera)

Após os íons serem formados, eles reagem com as moléculas neutras e prendem-se a moléculas de água, do vapor d’água sempre existente na atmosfera, formando aglomerados de íons. Estes aglomerados são relativamente estáveis e constituem a maioria dos íons de tamanho molecular, também chamados de pequenos íons. Quando os pequenos íons agregam-se às partículas de aerossóis, eles formam grandes íons. Em geral, grandes íons estão presentes na atmosfera em menores concentrações do que os pequenos íons, exceto em regiões com altos níveis de poluição onde podem ser mais numerosos.



mesosfera)

A presença da superfície da Terra influencia a concentração de íons, aerossóis e partículas radioativas através da distribuição de ventos, temperatura e vapor d’água. Tal influência é dominada pela turbulência, sendo significativa na camada limite planetária (CLP). A maioria das medidas elétricas na atmosfera é feita dentro desta camada.


Atmosfera superior (acima de 80 km, correspondente à

termosfera)

Iniciando-se na parte superior da ionosfera e estendendo-se para cima, está localizada a magnetosfera, região onde a dinâmica das partículas é governada pelo campo magnético da Terra. Os íons, prótons e elétrons nesta região são originários da ionosfera e do vento solar, um fluxo de partículas carregadas provenientes do sol que atinge a atmosfera da Terra. Na parte interna da magnetosfera, partículas carregadas são aprisionadas pelo campo magnético formando cinturões de radiação ao redor da Terra.


Atmosfera superior (acima de 80 km, correspondente à

termosfera)

Diferentemente da atmosfera inferior e da média atmosfera, na atmosfera superior existem além dos íons negativos e positivos uma considerável quantidade de elétrons livres produzidos pela absorção da radiação solar por átomos e moléculas.


Condutividade Elétrica

A capacidade da atmosfera de conduzir uma corrente elétrica é

expressa em termos de sua condutividade.

ESTRUTURA ELÉTRICA DA ATMOSFERA Condutividade Elétrica

A condutividade é isotrópica na atmosfera inferior e média atmosfera, sendo dada pelo produto da densidade de íons, a carga dos íons e a mobilidade. A mobilidade é a facilidade dos íons de se moverem através das partículas neutras, o qual depende da massa e da carga dos íons, da densidade de partículas neutras e da temperatura. Somente os íons pequenos contribuem para a condutividade, desde que a mobilidade dos íons grandes é várias ordens de grandeza menor.

Atmosfera inferior e média (troposfera, estratosfera e mesosfera)

Nesta parte da atmosfera as condutividades dos íons positivos e dos íons negativos são aproximadamente iguais.



A camada de ar próxima à superfície da Terra apresenta baixo valor de condutividade, 10-14 a 10-12 Siemens/m (S/m); Na atmosfera a condutividade cresce rapidamente com a altitude, na mesma proporção que aumenta a densidade de íons no ar, segundo uma relação praticamente exponencial; Na atmosfera inferior e média o aumento da condutividade com a altitude é devido , principalmente, devido ao aumento da mobilidade com a altitude em consequência da diminuição da densidade da atmosfera.




A condutividade também varia com a latitude devido à variação da intensidade de raios cósmicos, e tende a ser maior em altas latitudes. Próximo a superfície da Terra, a condutividade sofre variações associadas a umidade, neblina, poluição, além de outros fatores meteorológicos.




Na atmosfera superior, a condutividade é anisotrópica devido ao fato da mobilidade de íons e elétrons depender da direção do campo magnético.

Atmosfera superior (acima de 80 km, correspondente à termosfera)

Na atmosfera superior, que possui altas temperaturas, a ionosfera apresenta valor elevado de condutividade, da ordem de 1 S/m, resultante de uma grande quantidade de íons livres na região, gerados por processos de ionização.

CIRCUITO ELÉTRICO ATMOSFÉRICO GLOBAL

Em 1752, L. G. Lemonnier descobriu que mesmo quando não havia nuvens, situação conhecida como condição de tempo bom, uma fraca eletrificação existia na atmosfera. Ele encontrou, também, evidências que esta eletrificação variava da noite para o dia e mais tarde detectou-se a existência de variação diurna da eletrificação e confirmou-se que a polaridade elétrica na atmosfera, nesta condição era positiva e que mudava para negativa quando havia tempestades próximas, confirmando as observações de Flanklin.


Assim, o campo elétrico de tempo bom é uma consequência da existência de uma carga na superfície da Terra e da condutividade.

Nos continentes, o campo elétrico médio é de cerca de 120V/m.

Em função, desta carga ser negativa, o campo elétrico está orientado no sentido da ionosfera para a superfície da Terra;


O campo elétrico diminui exponencialmente com a altitude (a uma altitude de 30km, o campo elétrico é próximo de 300mV/m); A integração do campo elétrico da superfície da Terra até a

ionosfera resulta em uma diferença de potencial de 200mV. Em consequência disto uma corrente orientada para baixo, denominada de densidade de corrente de Maxwell, da ordem de 2,0x10-12 A/m2 está constantemente fluindo na atmosfera;

A existência de uma densidade de corrente constante, implica

na existência de uma fonte contínua de cargas.

Baseado nisto, em 1920 C. T. R. Wilson estabeleceu a hipótese

conhecida como a teoria do capacitor esférico ou circuito

elétrico atmosférico global.



As nuvens de tempestades, com os seus centros de cargas positivas e negativas separados funcionam como gerados do circuito. De forma, simplificada, eletricamente, o planeta pode ser visualizado como composto por duas camadas condutoras ( o solo e a ionosfera) separadas por uma camada de baixa condutividade (o ar), na qual se posicionam as nuvens de tempestade.


No circuito, a corrente circula, do topo das nuvens, região carregada positivamente, para a ionosfera. Segue pelos caminhos de alta condutividade desta região e complementa o circuito retornando ao solo pela região de bom tempo (região sem tempestades).


O percurso da corrente se completa na região abaixo da nuvem, que tem sua base carregada negativamente, na forma de descargas atmosféricas. Assim, as tempestades transferem parcelas de cargas negativas para a terra através dos seus raios.


Neste circuito a superfície da Terra e uma superfície equipotencial em alguma altitude deveriam, comportar-se como placas de um capacitor esférico carregado A camada equipotencial foi primeiramente chamada de eletrosfera e supostamente estaria localizada entre 40 e 60 km. Mais tarde, ela foi considerada ser coincidente com a ionosfera. Este capacitor esférico é carregado até uma diferença de potencial de 200 kV. As cargas entre as placas estariam se movendo rumo ao solo, constituindo uma corrente de fuga.


Importante ressaltar que, apesar de amplamente aceita, esta teoria ainda apresenta algumas limitações e estudos em desenvolvimento podem futuramente apresentar novos e/ou diferentes dados.


A teoria do capacitor esférico para o circuito global, entretanto, tem várias limitações, são elas: Embora a condutividade da ionosfera seja bastante alta, ela aumenta sistematicamente com a altitude, de modo que não exista uma camada equipotencial. Uma versão mais completa do circuito global tem sido proposta sem considerar a existência de uma camada equipotencial superior.


Tal fato torna possível a influência dos campos elétricos ionosféricos e magnetosféricos sobre a atmosfera inferior perto das regiões polares; Variações temporais no circuito global são, entretanto, predominantemente associadas com variações na atmosfera inferior, principalmente na região tropical. Em torno das tempestades, outras fontes de corrente existem tais como descargas pontuais, precipitação e relâmpagos na parte inferior, etc. A importância relativa de tais fontes, como geradoras para o circuito global, ainda não é conhecida.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Pinto Jr., O.; Pinto, I.A. Relâmpagos. São Paulo: Editora brasiliense, 20 ed., 95p., 2008.

Pinto Jr., O.; Pinto, I.A. Tempestades e Relâmpagos no Brasil. São Paulo, 196p., 2000.

ELAT (Grupo de Eletricidade Atmosférica do INPE) - http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/relamp/eletricidade.atmosferica/circuito.eletrico.atmosferico.global.php, acessado em abril de 2014.

Coelho, V. L. Análise dos desempenhos de redes áereas de distribuição de média tensão frente à ação das descargas atmosféricas. Tese do Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis 2010.

Filho, S.V. Descargas atmosféricas – Uma abordagem de engenharia. Editora Artliber, São Paulo, 2005.

http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/relamp/eletricidade.atmosferica/circuito.eletrico.atmosferico.global.php



















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