Descargas Elétricas Atmosféricas

Sabemos que correntes elétricas são potencialmente perigosas, quando circulam fora dos circuitos das instalações elétricas das edificações. Em particular, pela sua grande intensidade, as descargas atmosféricas resultantes dos raios são extremamente perigosas quando atingem as instalações elétricas de residências e prédios. Para minimizar os seus efeitos e proteger edificações, equipamentos e pessoas, uma instalação adequada de para-raios torna-se necessária.

Vimos na primeira aula que, conforme experiências feitas séculos atrás pelo sábio grego Tales de Mileto, o atrito entre corpos de materiais diferentes gera cargas elétricas nas suas superfícies que resultam em fenômenos interessantes. Portanto, vimos que as cargas elétricas podem ser positivas ou negativas e que cargas iguais se repelem e cargas diferentes se atraem.

Na atmosfera terrestre acontece fenômeno parecido a quando esfregamos dois corpos de materiais diferentes. Durante uma tempestade, estabelecem-se no interior das nuvens fortes correntes de ar ascendente. O vento ascendente carrega umidade, na forma de vapor. Assim, a certa altura, o vapor condensa, formando gotículas de água que vão aumentando de tamanho até ficarem suficientemente pesadas para caírem, por ação da gravidade. Na queda, as gotas vão se juntando a outras até que, ao atingir cerca de meio centímetro de diâmetro, tornam-se instáveis e se fragmentam. Ao se fragmentar, liberam íons negativos que são arrastados para a superfície da nuvem. Nesse processo, a parte inferior da nuvem fica carregada por cargas predominantemente negativas e a sua parte superior fica com cargas positivas. Desse modo, a carga negativa na parte inferior da nuvem induz uma carga negativa no solo, conforme mostrado na Figura 8a.

Na medida em que as cargas vão se acumulando, a diferença de potencial elétrico entre a nuvem e o chão vai aumentando. Sabemos que o ar, normalmente, é um meio isolante, porém se o campo elétrico (diferença de potencial por unidade de distância) aumentar suficientemente, chega um momento em que atinge um valor, a partir do qual o ar perde as suas propriedades isolantes, tornando-se condutor elétrico.

Esse limiar é denominado campo elétrico disruptivo do ar. Em condições normais, esse valor fica em torno de 30 kV/cm. Durante uma tempestade, a temperatura cai e a umidade aumenta, reduzindo o valor do campo elétrico disruptivo do ar, sendo assim mais fácil esse tornar-se um condutor elétrico. Desse modo, durante uma tempestade, na medida em que as cargas vão se acumulando, a diferença de potencial entre a nuvem e o solo vai aumentando, até se chegar ao limiar do campo elétrico disruptivo.

Nesse momento, o ar se ioniza, tornando-se um condutor, e acontece a descarga elétrica da nuvem para o chão, conforme mostra a Figura 8b. Esse fenômeno é bastante complexo: inicialmente acontece uma descarga piloto negativa da nuvem para o chão, por meio de saltos sucessivos de dezenas de metros, seguida de uma descarga guia, enquanto acontece uma descarga piloto (descarga de retorno) ascendente, de cargas positivas, que se encontra com a descarga guia.

Posteriormente, ocorre a descarga principal, da nuvem para o solo, seguida de descargas reflexas. Essas descargas ocorrem com uma velocidade de várias dezenas de quilômetros por segundo e as suas passagens ionizam o ar em seu entorno. Os átomos ionizados, ao encontrar as cargas ascendentes e descendentes, recompõem-se, emitindo luz nesse processo, que é a fulguração do relampejo que vemos quando ocorre o raio.

Como ocorrem descargas reflexas sucessivas em frações de segundo, temos a impressão de ver o raio tremer. A descarga do raio dissipa uma energia colossal em sua passagem, o que produz um calor elevadíssimo, o qual faz com que o envoltório de ar ao redor da descarga se dilate quase que instantaneamente. Desse modo, essa dilatação brusca produz uma onda sonora de alta potência que percebemos na forma do som característico, o trovão, que ouvimos após o raio. Como a luz se propaga a cerca de 300.000 km/s e o som se propaga bem mais lentamente, a cerca de 340 m/s, primeiro percebemos a fulguração do raio e, dependendo de quão distante estivermos, depois de poucos segundos, ouvimos o trovão.