A Terra é um
grande condutor esférico eletrizado negativamente tom carga
avaliada em 580kC (-580 quilocoulombs = -580.000 C). Seu raio
é de aproximadamente 6.400 km. Se a considerarmos isolada no
universo e calcularmos o seu potencial próprio V, obteremos:
(em relação a um
referencial no infinito).
No entanto, o
potencial resultante na Terra sofre influência das cargas
elétricas dos corpos celestes vizinhos. As cargas elétricas
separadas por fatores humanos praticamente não produzem
efeitos sensíveis sobre o potencial da Terra.
Para o homem, a
Terra se comporta como um padrão invariável de
potencial elétrico e, por isso, pode ser adotada como
referencial de potencial.
Comumente,
costuma se adotar o potencial da Terra igual a ZERO.
No interior de um
Laboratório, quando um corpo possui potencial de +2kV em
relação à Terra, eqüivale a dizer que ele
tem 2kV acima do potencial da Terra.
Se ligarmos um
corpo condutor eletrizado negativamente à Terra, haverá
escoamento de elétrons deste para ela , até que a sua
carga elétrica se anule.
A explicação
é simples: o corpo eletrizado negativamente tem potencial
negativo em relação à Terra. Devido à
ddp, elétrons fluirão pelo fio terra, no sentido do
menor para o major potencial. Quando o condutor se neutralizar, o
seu potencial se igualará ao da Terra.
Por outro lado, se
ligarmos à Terra um corpo eletrizado positivamente, haverá
subida de elétrons desta para ele, até que se
neutralize o corpo.
As ligações
à Terra são muito usadas para proteger o homem contra
o perigo de um choque elétrico ou mesmo uma descarga elétrica
Por exemplo: um pára-raios é sempre aterrado, assim
como um chuveiro elétrico, uma torneira elétrica, uma
máquina de lavar roupas. Toda vez que ligamos à Terra
uma armadura metálica garantimos que o seu potencial elétrico
se anula.
Eletricidade
na atmosfera
Num dia comum, de
atmosfera calma, a partir da superfície terrestre, nas
proximidades desta e no sentido ascendente, o potencial elétrico
aumenta na razão de aproximadamente 100 V por metro. Este
fato nos permite concluir que existe um campo elétrico
produzido pela Terra de intensidade E=100 V/m, orientado para baixo.
0 vetor campo elétrico voltado para a superfície
terrestre significa que nesta se distribuem cargas
elétricas negativas.
A presença
de uma pessoa modifica a distribuição das superfícies
eqüipotenciais conforme mostra a figura. 0 corpo humano é
um condutor relativamente bom de tal modo que ele e a superfície
terrestre formam uma superfície eqüipotencial. Assim, se
a altura da pessoa for 1,80 m entre seus cabelos a seus pés,
não existirá uma ddp de 180 V como se poderia
imaginar.
Devido a existência
de radiações de materiais radioativos, radiações
ultravioleta a raios cósmicos, a atmosfera apresenta íons
positivos e negativos.
O campo elétrico
terrestre movimenta estes íons. Os íons positivos
deslocam se no sentido do campo a atingem a superfície
terrestre, na razão aproximadamente de 1.800 C por segundo. A
carga da Terra, sendo negativa a avaliada em 580 000 C, com a
chegada de 1.800 C/s (1800 A) , se neutralizaria em poucos minutos.
Mas existe uma outra fonte de cargas negativas que atingem a Terra,
mantendo sua carga negativa: são os temporais violentos
com seus raios.
Estimativas mostram
que caem cerca de 100 raios por segundo no planeta, transportando
aproximadamente 1.800 C/s.
Experiências
realizadas com naves e balões mostram que as nuvens de
tempestades (responsáveis pelos raios) apresentam,
geralmente, cargas elétricas positivas na parte
superior e negativas na inferior.
Formação
dos raios
As cargas positivas
estão entre 6 e 7 km de altura, enquanto que as negativas,
entre 3 e 4 km. A diferença de potencial entre a parte
negativa da nuvem e a Terra varia entre 10 MV e 1 GV.
Para que uma
descarga elétrica (raio) tenha início não há
necessidade que o campo elétrico atinja a rigidez
dielétrica do ar (3 MV/m), mas se aproxime dela (10 kV/m são
suficientes).
0 fenômeno
inicia se com uma primeira etapa: uma descarga piloto, de
pouca luminosidade, na forma de árvore invertida, da nuvem
para a Terra . Ela vai ionizando o ar.
Uma
vez que a descarga piloto atinja o solo, tem início uma
segunda etapa: a descarga principal. Ela é de grande
luminosidade, dirigida da Terra para a nuvem, tem velocidade
da ordem de 30 000 km/s e a ela está associada uma corrente
elétrica de intensidade variando entre 10 kA e 200kA. A
descarga principal segue, aproximadamente, o caminho da
descarga piloto que ionizou o ar. Normalmente, quando se
menciona um raio, referimo nos à descarga principal. A
ação destruidora dos raios deve se à
elevada corrente da descarga principal. Ela provoca aquecimento
(chegando às vezes ter conseqüência explosiva ou
incendiária) e efeitos dinâmicos devido à
rápida expansão da massa de ar.
0
efeito luminoso do raio é denominado relâmpago e
o efeito sonoro, que resulta do forte aquecimento do ar
originando sua rápida expansão, é denominado trovão.
Há raios não
só entre uma nuvem e a Terra, mas entre nuvens e entre as
partes de uma mesma nuvem.
O
pára-raios
0 objetivo
principal de um pára raios é proteger uma certa
região ou edifício ou residência, ou semelhante,
da ação danosa de um raio. Estabelece se com ele
um percurso seguro, da descarga principal, entre a Terra e a nuvem.
Um pára raios
consta essencialmente de uma haste rnetálica disposta
verticalmente na parte mais alta do edifício a proteger. A
extremidade superior da haste termina em várias pontas e a
inferior é ligada à Terra através de um cabo
metálico que é introduzido profundamente no terreno.
Quando uma nuvem
eletrizada passa nas proximidades do pára-raios, ela induz
neste cargas de sinal contrário. 0 campo elétrico nas
vizinhanças das pontas torna se tão intenso
que ioniza o ar e força a descarga elétrica através
do pára-raios, que proporciona ao raio um caminho seguro até
a Terra.