O Fenómeno Atmosférico
A Nuvem de tempestade -
Podendo atingir vários quilómetros de altura e comprimento, os raios são originados pela nuvem, mais conhecida como cumulo-nimbus, ou nuvem de tempestade.
A separação das cargas na nuvem é causada pela turbulência atmosférica e por grandes diferenças de temperatura (até -60º a 10km de altura): a parte superior da nuvem é composta por cristais de gelo carregados positivamente, enquanto a sua base contém partículas de agua carregadas negativamente. A base da nuvem influencia as cargas do solo à superfície da terra, atraindo a quantidade equivalente de cargas eléctricas de sinais opostos
Quando está altamente carregada, a nuvem tenta expelir as suas cargas: descarrega com sucessivas trocas de cargas ora entre o solo (raio), ora entre outras nuvens (raios intra ou inter nuvem). Milhões de cargas eléctricas são dissipadas dando origem a correntes de descarga que podem atingir 500.000 Amperes e vários milhões de Volts.
É importante notar que correntes na ordem de 30mA com uma tensão de apenas 50V podem ser perigosas para o ser Humano, mesmo mortais para valores acima de 1A.
A descarga
Da base da nuvem, geralmente carregada negativamente, é libertada uma descarga de baixa luminosidade, normalmente conhecida como traçador, cuja progressão até ao solo é feita em saltos sucessivos de dezenas de metros
À medida que se aproxima da terra, a extremidade fortemente carregada do traçador causa um aumento considerável do campo eléctrico imediatamente abaixo da sua ponta. A cerca de 200 metros do solo, pequenas traçadores ascendentes são libertados dos pontos preferenciais, ou altamente sujeitos a descargas, onde o campo eléctrico é mais intenso (copas das arvores, chaminés, pára-raios, etc…) . O traçador passa então a descarga positiva ascendente e vai ao encontro do traçador descendente.
O traçador com melhores características de iniciação e que se propagar mais rapidamente, irá chegar ao traçador descendente e proporcionar uma ligação eléctrica entre a nuvem e o solo, com a formação de um canal ionizado. Este caminho privilegiado causa uma forte descarga eléctrica de milhares de amperes chamado "arco de retorno"
No espaço de 0,2 a 1s, vários arcos podem ser trocados numa progressão continua e a uma velocidade bastante elevada.
Tipos de descargas e Pára-Raios
Dependendo da polaridade da nuvem (cargas positivas ou negativas na sua base) e o sentido da descarga (ascendente ou descendente), quatro tipos de descargas podem ocorrer. Nas nossas latitudes, mais de 90% das descargas são descendentes do tipo negativo
Instalados segundo as regras e de acordo com as normas existentes, os pára-raios são concebidos para qualquer tipo de descarga, as suas características de excitação excedem as de qualquer outro elemento presente nas estruturas. Os pára-raios não atraem (nem puxam ) os raios, mas protegem a estruturas contra os seus efeitos, desviando a corrente de descarga para a terra garantindo a sua dissipação
Os efeitos devastadores dos raios
Sem uma protecção apropriada, a propagação da corrente de descarga pode-se traduzir em diversas consequências. Dai a necessidade de executar uma protecção degundo as regras e de acordo coma normalização existente, dando uma particular atenção aos sistemas de terra e às interligações com os elementos condutores adjacentes às baixadas dos pára-raios e às massas eléctricas da instalação.
Efeitos devidos a arco eléctrico
A resistividade do solo e dos sistemas de terra provocam um súbito aumento no potencial da instalação, aquando da passagem da corrente de descarga. Podem aparecer diferenças de potencial nos mais variados elementos metálicos ligados incorrectamente à terra, causando arcos eléctricos, ou faíscas perigosas, levando à destruição de material eléctrico e dos mais diversos equipamentos electrónicos
Efeitos devidos a arco eléctrico
Na vizinhança do caminho da corrente de descarga, aparecem fortes campos magnéticos gerando tensões e correntes de indução em todos os elementos condutores situados no seu campo de acção imediato. As forças mecânicas induzidas podem provocar deformações e destruição dos mais diversos componentes.
Efeitos de electrocução
Bem como a passagem da corrente de raio pode resultar em morte, a dispersão dessa mesma corrente no solo gera também diferenças de potencial perigosas para os seres vivos (tensão de passo), podendo causar queimaduras graves, paragem respiratória e cardíaca.
Efeitos térmicos
Os efeitos térmicos, ou efeito de joule, pode causar, no ponto de impacto, a fusão de materiais, a destruição por explosão, quando se apresenta com uma alta percentagem de humidade. No caso da ocorrência de descargas em condições de trovoadas secas, em que o nível de humidade do ar é extremamente baixo poderão inclusive dar origem a raios em que não existe precipitação, criando assim condições perfeitas para a ocorrência e propagação de incêndios com consequências catastróficas.
Efeitos electroquímicos
Estes efeitos são causados pela decomposição química dos materiais pelas reacções electrolíticas. Apesar de bastante negligenciáveis, quando comparadas com as correntes transitórias no solo, estas aparecem principalmente ao nível dos sistemas de terra.
Tipos de protecção:
Gaiola de Faraday
A protecção por gaiola de Faraday, consiste na aplicação de uma malha de condutores na superfície da estrutura, ligados a sistema de terras, através de várias baixadas. Pontas captoras de 0,5m são dispostas por nas sobreelevações da cobertura (chaminés, casa das máquinas Etc.)
A dimensão da malha e a distância entre dois condutores de baixada corresponderá ao nível de protecção necessário para o cumprimento da norma EN62305.
Cabo de guarda
Este sistema consiste na protecção de uma estrutura sem contacto com a mesma. É normalmente usada em locais de armazenagem de produtos explosivos.
Este sistema requer a instalação de torres ou colunas espiadas para suporte dos cabos, e um sistema de terras em cada torre.
Ponta Simples
Também chamadas hastes tipo Franklin, estas instalações consistem na montagem, na parte mais elevada das estruturas a proteger, de pontas perfiladas ligadas à terra pelo caminho mais directo possível.
Pode-se então determinar um cone de protecção em função da altura a que se coloca a ponta e do nível de protecção.
Em oposição à Gaiola de Faraday, este método apenas protege os elementos que estão no seu raio de protecção.
Pára-Raios com Dispositivo Ionizante
O Principio de um pára-raios com dispositivo ionizante, consiste em equipar uma ponta simples com um dispositivo que permite uma redução no tempo de iniciação do traçador.
O raio de protecção oferecido por este tipo de pára-raios é assim bastante superior ao de uma ponta simples, pode inclusivamente chegar aos 120m no nível de protecção IV.