Como funcionam as Descargas Atmosféricas – DA (Raios)

Átomos e corrente elétrica

Átomo é um sistema composto por elétrons, em suas camadas superiores, prótons e nêutrons, em seu núcleo, formador da matéria. Os átomos “abraçados” uns com os outros formam toda matéria conhecida pelo homem. Veja um exemplo da composição do átomo do cobre (Cu), um dos metais mais utilizados em condutores metálicos (fios para conduzir eletricidade):

O átomo é formado por elétrons, que giram em órbitas bem determinadas em torno do núcleo. este, por sua vez, é constituído por prótons e nêutrons, como ilustra a Figura 2.4.

O próton tem carga elétrica positiva, o elétron tem carga elétrica negativa e o nêutron não tem carga elétrica.

(CRUZ, 2020)

A condução elétrica nada mais é do que a transmissão de elétrons de um átomo para outro. Isso pode ocorrer naturalmente, como são os casos das descargas atmosféricas, ou de forma induzida, artificial, que é o caso das usinas hidrelétricas geradoras de energia. Neste segundo caso, campos eletromagnéticos gerados por eletroímãs ou por imãs, empurram os elétrons de um átomo para outro, isto é, são induzidos a percorrerem um determinado caminho. A isto dá-se o nome de corrente elétrica. Quanto maior a potência do campo magnético maior será a correria dos elétrons, portanto, maior será a corrente elétrica.

Aplicando uma diferença de potencial em um condutor metálico, os seus elétrons livres movimentam-se de forma ordenada no sentido contrário ao do campo elétrico, isto é, do potencial menor para o maior, como ilustra a Figura 3.10.

Essa movimentação de elétrons denomina-se corrente elétrica e é simbolizada por I. Sua unidade de medida é o ampère [A].

(CRUZ, 2020)

Fontes:

CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Eletricidade básica: circuitos em corrente contínua. 2 ed. São Paulo: Érica, 2020.

SENAI-SP (Org.). FUNDAMENTOS DA ELETRICIDADE. São Paulo – SP: Senai-SP, 2015. p. 252.

As nuvens

Nuvens são massas de ar compostas por aglomeração de gases, vapores e outros particulados. Tornam-se visíveis devido ao aumento de sua densidade, isto é, a aproximação de várias partículas em um determinado espaço, alteram a forma com que as luzes as atravessam (refração) ou nelas se refletem (reflexão).

As nuvens Cumulonimbus (Cb) são conhecidas como nuvens de tempestades, pois são elas as responsáveis pelas DAs (Descargas Atmosféricas ou “raio”). Quando se formam, por estarem em constante movimento, as cargas eletrônicas também estão em constante distribuição em seu interior. Por este movimento, pelo consequente choque de partículas, pela energia estática gerada nesse relacionamento particular, assim como outros fatores microfísicos, criam-se no interior das nuvens setores com cargas opostas, capazes de induzir movimentação eletrônica natural, isto é, gerar corrente elétrica que, partindo de um ponto ao outro, produz DA ou “raio”.

Imagine um aglomerado de nuvens carregadas eletricamente se relacionando, deslocando umas entre as outras, cada uma com uma densidade diferente, com cargas opostas afastando e aproximando umas das outras. Essa é a situação ideal para a ignição das “super fagulhas” chamadas popularmente de “raios”. Quando os valores de cargas aumentam muito, atingindo fatores de milhares de Volts por centímetro (V/cm), inicia-se uma maratona eletrônica do ponto de carga negativa com destino ao ponto de carga positiva, essa situação pode gerar dezenas e até centenas de DAs dentro de uma mesma nuvem, de uma para outra ou de uma para o solo (terra). A seguinte figura ilustra basicamente como é o funcionamento:

Fonte:

POTIER, G.C. et al. FÍSICA DOS RAIOS E ENGENHARIA DE PROTEÇÃO. 2. ed. Porto Alegre: ediPUCRS, 2010. 299 p.

Descargas atmosféricas (DA)

Descarga atmosférica (DA), popularmente chamada de “raio”, é basicamente uma condução elétrica de um local para outro utilizando o ar como meio de transmissão, em parte do seu caminho. Da mesma forma que um condutor metálico, como um fio ou cabo metálico, popular e erroneamente chamado de “fio ou cabo elétrico”, conduz a energia elétrica em seu interior, outros meios de condução também podem transferir energia elétrica, como a madeira, a água, os gases, etc. Nesses meios de condução de energia elétrica encontramos uma determinada resistência à condutividade. Quando a resistência à condutividade elétrica é alta demais, significa que os elétrons estão colidindo com átomos de baixa condução, que consequentemente reduzem sua velocidade. Como o elétron recém-chegado do átomo vizinho está em altíssima velocidade, os elétrons desse átomo são forçados a descer algumas camadas eletrônicas, o que gera fótons, que em grande escala por sua vez gera uma imensa claridade “raio”.

Fontes:

YANOFF, M.; DUKER, J.S. OFTALMOLOGIA. TRADUÇÃO POR MOSBY. 3.ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2011. p. 41.

O princípio de mínima ação

Uma regra natural da mecânica clássica, teoria proposta pelo filósofo, matemático e astrônomo Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759), aperfeiçoada pelo físico, astrônomo e matemático William Rowan Hamilton (1805-1865), chamada princípio da mínima ação ou princípio do menor esforço, rege todos os atos físicos e microfísico conhecidos atualmente. A teoria explica que os fenômenos naturais se resumem e se limitam ao menor esforço possível, isto é, toda ação ocorre com o menor consumo de energia e mais simples possível. Basicamente qualquer movimento cósmico conhecido prefere percorrer o menor caminho possível para sua conclusão.

Pessimistas podem interpretar o princípio da mínima ação como uma representação da “preguiça cósmica”, tentando evitar as consequências de maiores esforços. Otimistas interpretam como uma forma eficiente e eficaz da natureza agir sem consumir muita energia, isto é, economizando algo que poderá ser utilizado em outros fenômenos e, exemplo a ser seguido pela humanidade.

Um grande exemplo dessa teoria encontra-se na máxima “o menor caminho entre dois pontos é uma reta”. Teoria comprovada na prática pela queda livre de um corpo. Qualquer corpo liberado de uma certa altura, devido às forças gravitacionais, tenderá percorrer a reta mais curta até atingir o chão. Logicamente descartando outros fenômenos que possam interferir, como o vento por exemplo.

As DAs, por serem fenômenos naturais, também seguem o mesmo princípio. Lembrando que os “raios” ocorrem de um ponto a outro, considerando nuvem e solo (terra) os dois pontos inicial e final, independentes da origem, é possível afirmar que o percurso da corrente elétrica será quase uma reta entre eles. Como no exemplo do parágrafo antecedente, existem fatores que podem interferir nessa afirmativa, como o vento, a humidade pontual relativa, entre outros, mas no geral a margem de erro da afirmativa pode ser desconsiderada, isto é, os “raios” em sua quase totalidade atingirão o ponto final percorrendo o caminho de menor resistividade.

Diante de toda explanação discorrida até o momento é compreensível e comum encontrar afirmações como “o raio atinge sempre o ponto mais alto” e “um raio nunca cai no mesmo lugar”. Ambas são afirmativas incorretas pelo simples fato de estarem incompletas, pois um “raio” pode cair no mesmo lugar e sempre no ponto mais alto se, este for o caminho de menor resistividade entre os pontos de origem e destino.

Fontes:

LEMOS, A. Nivaldo. MECÂNICA ANALÍTICA. 2.ed. São Paulo: Livraria da Física, 2007, p. 391.

FREIRE JR, O.; PESSOA JR, O.; BROMGERG, JL., orgs. TEORIA QUÂNTICA: Históricos e implicações culturais. Campina Grande: EDUEPB; São Paulo: Livraria da Física, 2011, 456 p.

Princípio da divisão de corrente

O princípio da divisão de corrente baseia-se no princípio do menor esforço da física. Primeiro a corrente elétrica tende a percorrer todos os meios condutores que encontrar pela frente, assim como a água de uma caixa d’água tende a percorrer todos os canos ligados a ela. Segundo que a corrente elétrica prefere percorrer os caminhos de menor resistência, isto é, grosseiramente explicando quanto mais espesso (grosso) for o fio, maior a atração/preferência à corrente elétrica. Fazendo analogia ao caso da água, sai mais água em um cano espesso (grosso) do que um delgado (fino). Assim resume-se o princípio da divisão de corrente:

• A corrente se distribui por todos os meios condutivos, diminuindo seu potencial em cada divisão;
• A corrente prefere o caminho de menor resistência, portanto quanto menor a resistência maior a corrente elétrica naquele caminho;

O conceito da divisão de corrente é muito técnico e a maioria das bibliografias o apresenta através de fórmulas. Assim passa a apresentar a fórmula que define a divisão das correntes e, a posteriori, sua explicação.

Imagem 01: Configuração de um forno elétrico industrial da empresa Revest Arc.

ALEXANDER e SADIKU explicam o princípio da divisão de corrente através da fórmula da divisão de corrente, baseando-se na fórmula da divisão de tensão, de forma menos complicada possível para o assunto.

…mostra que a corrente total i é compartilhada pelos resistores na proporção inversa de suas resistências. Isso é conhecido como princípio da divisão de corrente e o circuito da Figura 2.31 é conhecido como divisor de corrente. Perceba que a maior corrente flui pela menor resistência.

(ALEXANDER, SADIKU, 2013)

Para resumir as equações e conceitos acima basta afirmar quanto menor for a resistência do condutor, maior será a corrente e, quanto mais condutores existirem, mais fácil será para a corrente atingir o seu objetivo.

Fonte:

ALEXANDER, Charles K. SADIKU, Matthew N. O. FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉTRICOS. 5 ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.

Lei de Coulomb e teorema de Gauss

Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) físico francês, foi o responsável por apresentar ao mundo um princípio da física, que mais tarde ficou conhecido como Lei de Coulomb. Para popularizar seu conceito e facilitar o entendimento neste laudo, Coulomb descobriu basicamente que os elétrons possuem cargas, positivas e negativas, dotadas de forças que podem atrair ou repelir outras cargas, conforme o seu sinal. O elétron possui carga negativa e o próton positiva. Cargas opostas se atraem e iguais se repelem, isto é, dois elétrons se repelem, dois prótons se repelem, mas um elétron e um próton se atraem.

Johann Friedrich Karl Gauss (1777 – 1855) matemático e físico alemão, foi responsável por evoluir a lei de Coulomb, que até então serviria para cargas estáticas, sem movimento, para o patamar das cargas dinâmicas, com movimento.

O conceito que mais importa nesta construção histórica é a máxima “cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem”.

2.3.1 – Princípio fundamental da eletrostática

O princípio fundamental da eletrostática é chamado de princípio da atração e repulsão, cujo enunciado é: cargas elétricas de sinais contrários se atraem e de mesmos sinais se repelem. Portanto entre cargas elétricas há sempre uma força agindo.

(CRUZ, 2020)

Fontes:

Bassalo, José Maria Filardo. ELETRODINÂMICA CLÁSSICA. 1.ed. São Paulo – SP: Livraria da Física, 2007. p. 387.

CRUZ, Eduardo Cesar Alves. Eletricidade básica: circuitos em corrente contínua. 2 ed. São Paulo: Érica, 2020.

GREF. FISICA 3: ELETROMAGNETISMO. 5.ed. 2 reimpr. São Paulo – SP: Edusp, 2005. p. 441.

Gaiola de Faraday

Michael Faraday (1791 – 1867) físico e químico inglês, utilizando-se da lei de Coulomb e teorema de Gauss, que tratam basicamente da expulsão de cargas de mesmo sinal (negativo ou positivo) e seus valores, percebeu que a área* dentro de uma forma geométrica eletrizada, possui total ausência de energia, isto é, se eletrizarmos uma gaiola de um pássaro por exemplo, seu morador estará completamente protegido em seu interior.

O princípio da Gaiola de Faraday leva em consideração que se a malha estiver eletrizada, significa que está polarizada, isto é, possui um único sinal de carga (positivo ou negativo). Como existe uma grande concentração de cargas de mesmo sinal numa mesma superfície e, cargas iguais se repelem, significa que as cargas estarão se repelindo a todo momento, expulsando umas as outras para fora da gaiola, isentando seu interior de qualquer interferência elétrica.

Em resumo qualquer corpo que estiver dentro de uma Gaiola de Faraday, estará protegido pela barreira eletrônica formada na superfície da mesma.

* A palavra área é tratada aqui especificamente no sentido espacial, isto é, refere-se ao volume de um determinado espaço.

Fontes:

GREF. FISICA 3: ELETROMAGNETISMO. 5.ed. 2 reimpr. São Paulo – SP: Edusp, 2005. p. 441.

BAUER, W. WESTFALL, G. D. DIAS, Helio. FISICA PARA UNIVERSITÁRIOS: Eletricidade e Magnetismo. Tradução de Trieste Freire Ricci. São Paulo – SP: AMGH, 2012. 384 p.

Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas (SPDA)

Foi levando em consideração todo estudo técnico relatado nos itens anteriores, que se desenvolveu o SPDA (Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas), hoje obrigatórios em estabelecimento com alto fluxo, permanência e acúmulo de pessoas.

Os captores, popularmente chamados de “para-raios”, é um dispositivo composto de material (metal) de baixíssima resistência à corrente elétrica, geralmente posicionado no ponto mais alto de uma edificação ou área, com o intuito de atrair DAs que possam surgir naquela região.

Os condutores de decida são cabos metálicos que também possuem baixa resistência à corrente elétrica, geralmente conectados aos captores, possuem a função de conduzir a corrente das descargas até o aterramento.

O sistema de aterramento é dotado de uma malha composta de cabos, eletrodos, entre outros, espalhados subterraneamente, geralmente conectado aos condutores, possuem a função de escoar a corrente elétrica para o solo, evitando danos aos equipamentos e acidentes.

Explanando grosseiramente as DAs basicamente se originam nas nuvens e seu objetivo é o solo, ou vice-versa, onde se estabilizarão potencialmente, isto é, onde se dissiparão. Sem um sistema de controle esses fenômenos surgiriam imprevisivelmente, podendo provocar danos materiais e até acidentes fatais. Sendo impossível prever ou erradicar as DAs, os técnicos pensaram numa forma de afasta-las das estruturas concentradoras de pessoas. Assim o SPDA foi técnica e historicamente elaborado para orientar no quesito a captar e conduzir as DAs para os seus destinos finais, contornando e protegendo determinadas áreas e pessoas.

Na figura anterior, percebe-se que o captor, os condutores e o sistema de aterramento conduzem a corrente elétrica, oriunda das DAs, afastando-as de todos que estiverem em seu interior. Assim conforme a teoria da Gaiola de Faraday, equipamentos e pessoas que estiverem no interior dessa estrutura, devidamente dimensionada, possuem menor risco de dano.

Fonte:

SENAI-SP (Org.). SISTEMAS ELÉTRICOS PREDIAIS: Projeto. São Paulo – SP: Senai-SP, 2015. p. 208.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419: Proteção e estruturas contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro, 2005.

Corrente elétrica e a temperatura

Levando em consideração que a corrente elétrica é basicamente a transmissão de elétrons de um átomo para outro e, esta corrida eletrônica gera potencial elétrico, isto é, gera energia, torna-se mais fácil entender porque a corrente elétrica aquece os materiais que os conduzem.

Um dos efeitos da condução de corrente elétrica em um corpo é o aquecimento. Esse efeito é conhecido como efeito joule ou ôhmico e acontece por causa dos choques dos elétrons. Quando o átomo recebe um novo elétron de seu vizinho, começa a vibrar com mais intensidade, o que provoca maior aquecimento.

Um grande exemplo de aquecimento em um corpo pela corrente elétrica é a resistência de um chuveiro. Formada basicamente de um filamento de liga de metal de alta resistência ao aquecimento, geralmente enrolada em formato de espiras, ao ser percorrido por uma corrente elétrica provoca choques de elétrons, gerando calor no filamento, que aquece a água. Porém se não houver água no chuveiro para roubar calor da resistência, isto é, resfria-la, esta tenderá ao rompimento pelo superaquecimento. O mesmo princípio acontece nos “raios”.

Quando uma DA percorre todo seu percurso, gerando altíssimos níveis de corrente elétrica, aquece os átomos das moléculas do ar, que é um gás, atingindo altíssimos níveis de temperatura. Se uma DA atingir qualquer corpo com alta resistência elétrica, isto é, com características de baixa condutividade aos elétrons, por tempo maior que sua suportabilidade térmica permite, a corrente elétrica superaquecerá este ao ponto de deformação permanente, podendo induzir fogo, fumaça, derretimento, carbonização, em resumo a DA deformará o objeto atingido.

Para se ter uma noção da temperatura que uma DA pode produzir, este Perito fez a seguinte elaboração técnica. A imagem anterior representa a configuração de um forno industrial da marca Revest Arc, fonte devidamente referenciada. Como é possível perceber, o forno possui um consumo de 3.000 whats de potência, que em 220 volts equivale aproximadamente 14 amperes. Se 14 amperes, medida de corrente elétrica, consegue aquecer um forno a 400 graus Celsius, imagine uma DA que pode atingir média de 30.000 amperes, conforme o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), devidamente referenciado. Fazendo um cálculo básico para demonstrar o poder térmico de uma DA:

Se 14 amperes podem induzir 400 graus Celsius em um condutor, usando regra de 3, os 30.000 amperes podem induzir aproximadamente 857.142 graus Célsius.

Fonte:

CHANG, Raymond. FISICO-QUÍMICA PARA AS CIÊNCIAS QUÍMICAS E BIOLÓGICAS. 3.ed. Tradução de Elizabeth P. G. Arêas. Fernando R. Ornellas. Porto Alegre – RS: AMGH, 2010. 1 v. 596 p.

WRESZINSKI, Walter F. TERMODINÂMICA. São Paulo – SP: Edusp, 2003. 50 v. 89 p.

ATKINS, Peter. JONES, Loretta. PRINCÍPIOS DE QUÍMICA: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5.ed. Tradução de Ricardo Bicca de Alencastro. São Paulo – SP: Bookman, 2012. 927 p.

REVESTARC. Forno Modelo RVT F-50 – Digital. Disponível em: <https://www.revestarc.com/fornos>. Acesso em: 11 julho 2017.

INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, subordinado ao Ministério da ciência, tecnologia, inovações e comunicações. Disponível em: <http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/el.atm/perguntas.e.respostas.php>. Acesso em: 11 julho 2017.

Ponto de fusão dos plásticos. Disponível em: <http://educa.fc.up.pt/ficheiros/noticias/69/documentos/111/Manual%20Identificacao%20de%20plasticos%20.pdf>. Acesso em: 11 julho 2017.

Tabela I – Temperatura do ponto de fusão de algumas substâncias (ºC). Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/amees/tabela.html>. Acesso em: 11 julho 2017.

Área educativa: O Raio. Disponível em: <https://www.ipma.pt/pt/educativa/fenomenos.meteo/index.jsp?page=dea.raio.xml>. Acesso em: 11 julho 2017.