luni, 10 iunie 2013

Trasnetul si fulgerul

Trasnetul, fulgerul si tunetul care insotesc furtunile si care au ingrozit pe oameni multe secole isi gasesc explicatia stiintifica in existenta electricitatii in atmosfera.
Trsnetul este o descarcare electrica in scanteie care se produce in atmosfera terestra, fie intre doi nori, fie intre un nor si pamant.Norii de furtuna se incarca in partea lor inferioara, in special, cu sarcina negativa, iar aceasta incarca prin influenta suprafata pamantului cu sarcina pozitiva.Cand norul se deplaseaza, zona de sarcina pozitiva de pe pamant il urmareste ca o umbra.Norul si pamantul pot fi considerati drept armaturile unui condensator intre care tensiunea electrica atinge valori de ordinul zecilor si chiar al sutelor de milioane de volti.Daca tensiunea dintre doi nori sau dintre nori si pamant devine suficient de mare apare o descarcare electrica foarete puternica numita trasnet.Exista multe forme (tipuri) de trasnete: trasnetul liniar, superficial, globular, perlat, etc…
Fenomenul luminos care insoteste trasnetul se numeste fulger, iar fenomenul acustic poarta denumirea de tunet.
Lungimile pe care le pot atinge scanteile trasnetului sunt cuprinse intre cateva sute de metrii si cativa km.Diametrul scanteilor este de cativa centimetri (pana la 20 de cm).
In majoritatea cazurilor, scanteia trasnetului, la inceput foarte mica si anemica incepe in dreptul norilor si se alungeste in directia pamantului, aceasta fiind o descarcare preliminara care creaza in aer ceva in genul unui canal bun conducator de electricitate si care se deplaseaza spre pamant circa 50 de m cu o viteza egala cu 50000 kms.Dupa un timp foarte scurt (zeci de milionimi de secunda) de la disparitia primei descarcari apare o alta descarcare preliminara care se apropie si mai mult de pamant si care se intrerupe din nou.Uneori au loc zeci de descarcari preliminare.Dupa ce descarcarea preliminara ajunge la pamant sau la un obiect aflat in legatura electrica cu pamantul, apare o luminozitate foarte puternica a canalului parcurs de scanteie, mai intai in dreptul pamantului apoi din ce in ce mai sus spre nori.Acum a aparut descarcarea principala a trasnetului, care se deplaseaza de la pamant spre nor.Deci au dreptate atat cei care sustin ca trasnetul il loveste pe om de sus, cat si cei care afirma ca il loveste de jos, din pamant.
Trasnetul, fulgerul si tunetul care insotesc furtunile si care au ingrozit pe oameni multe secole isi gasesc explicatia stiintifica in existenta electricitatii in atmosfera.
Trsnetul este o descarcare electrica in scanteie care se produce in atmosfera terestra, fie intre doi nori, fie intre un nor si pamant.Norii de furtuna se incarca in partea lor inferioara, in special, cu sarcina negativa, iar aceasta incarca prin influenta suprafata pamantului cu sarcina pozitiva.Cand norul se deplaseaza, zona de sarcina pozitiva de pe pamant il urmareste ca o umbra.Norul si pamantul pot fi considerati drept armaturile unui condensator intre care tensiunea electrica atinge valori de ordinul zecilor si chiar al sutelor de milioane de volti.Daca tensiunea dintre doi nori sau dintre nori si pamant devine suficient de mare apare o descarcare electrica foarete puternica numita trasnet.Exista multe forme (tipuri) de trasnete: trasnetul liniar, superficial, globular, perlat, etc…
Fenomenul luminos care insoteste trasnetul se numeste fulger, iar fenomenul acustic poarta denumirea de tunet.
Lungimile pe care le pot atinge scanteile trasnetului sunt cuprinse intre cateva sute de metrii si cativa km.Diametrul scanteilor este de cativa centimetri (pana la 20 de cm).
In majoritatea cazurilor, scanteia trasnetului, la inceput foarte mica si anemica incepe in dreptul norilor si se alungeste in directia pamantului, aceasta fiind o descarcare preliminara care creaza in aer ceva in genul unui canal bun conducator de electricitate si care se deplaseaza spre pamant circa 50 de m cu o viteza egala cu 50000 kms.Dupa un timp foarte scurt (zeci de milionimi de secunda) de la disparitia primei descarcari apare o alta descarcare preliminara care se apropie si mai mult de pamant si care se intrerupe din nou.Uneori au loc zeci de descarcari preliminare.Dupa ce descarcarea preliminara ajunge la pamant sau la un obiect aflat in legatura electrica cu pamantul, apare o luminozitate foarte puternica a canalului parcurs de scanteie, mai intai in dreptul pamantului apoi din ce in ce mai sus spre nori.Acum a aparut descarcarea principala a trasnetului, care se deplaseaza de la pamant spre nor.Deci au dreptate atat cei care sustin ca trasnetul il loveste pe om de sus, cat si cei care afirma ca il loveste de jos, din pamant.


Trăsnetul este o descărcare electrică luminoasă, care se produce în atmosferă, de obicei, dar nu totdeauna, în timpul furtunilor. Datorită acumulării în nor a unei cantităţi importante de sarcini electrice, intensitatea câmpului electric în vecinătatea corpurilor proeminente creşte şi se formează canale de aer ionizat de-a lungul cărora se produce descărcarea.
Există mai multe tipuri de trăsnete, cele care se produc în interiorul aceluiaşi nor, care se produc dinspre nor înspre pământ, care se produc dinspre pământ înspre nor, trăsnete ce au loc în straturile înalte ale atmosferei şi trăsnete sub formă sferică, numite şi fulgere globulare.
Datorită duratei foarte scurte a unui trăsnet, doar câteva microsecunde, intensitatea curentului electric poate atinge sute de mii de amperi iar temperatura în interiorul acestuia poate depăşi 28.000 grade Celsius. Protecţia împotriva consecinţelor dăunătoare ale trăsnetului se realizează cu ajutorul paratrăsnetului, un dispozitiv inventat la jumătatea secolului al 18-lea de către Benjamin Franklin.
În sistemul solar au fost observate trăsnete şi pe alte planete. Cele de pe Venus şi de pe Jupiter sunt cele mai adesea observabile, acestea din urmă, fiind considerate a fi de până la 100 de ori mai puternice, dar de 80 ori mai rare decât cele de pe Pământ.
Fulgerul este un arc luminos rezultat în urma unui proces de descărcare electrică cauzat de o diferenţă de potenţial electrostatic. Acest fenomen meteorologic are loc în natură între nori încărcaţi cu sarcini electrice diferite. Descarcărea între nor şi pământ se numeşte trăsnet. Producerea unui fulger este urmată, la scurt timp, de apariţia tunetului, ce reprezintă sunetul produs de descărcare. Decalajul dintre observarea fulgerului şi receptarea sunetului se datorează diferenţei dintre vitezele de propagare ale celor două unde, luminoasă şi acustică.
Mitologie
In biblie fulgerele şi tunetele sunt o solie, folosite pentru exprimarea mâniei lui Dumnezeu (2.Moise 9,24; 2.Samuel 22,15; Hiob 37; Psalm 18), şi pedeapsa Domnului (Sach 9,14) de exemplu izgonirea din rai a lui satan (Lukas 10,18), sau învierea în prezenţa îngerului (Hes 1,14; Daniel 10,6; Matthäus 28,3).
Etruscii considerau fulgerele ca oracol care le prezicea viitorul. Aşa numitele libri fungurales descriu indicaţiile (informaţiile) transmise prin fulgere. Deja între anii 800–600 î.e.n. au fost fulgerele observate şi categorizate. Vechii germani considerau fulgerele ca semn al zeului Thor care aruncă ciocanul său spre pământ. Slavii aveau zeul Perun ca zeu al furtunii. La fel Zeus şi Jupiter sunt reprezentaţi însoţiţi de fulgere în perioada Renaşterii Zeii furtunii sunt Zeus, Jupiter şi Donar iar saxonii înainte de creştinism considerau stejarul ca arbore sfânt sau zeu al furtunii.
Cercetări
Benjamin Franklin demonstrează ipoteza că fulgerul este rezultatul tensiunii dintre nori şi pământ, cu ajutorul unui zmeu de hârtie cu care a declanşat fulgerul în prezenţa norilor de furtună, în anul 1752. Aceasta a fost un punct deosebit de important în cercetarea fulgerelor.
Incă şi azi sunt controverse cu privire la efectul fulgerului, ca şi a modului în care ia naştere, azi se folosec în locul zmeelor rachete, sau baloane metereologice de cercetare. Părerea cercetătorilor că fulgerul produs şi în laborator este rezultatul unei simple descărcări electrice s-a schimbat la sfârşitul anilor 1990, apărând unele aspecte care nu au putut fi clarificate.
Formare
Incărcătura electrică a unui nor de furtuna
Prin curenţii de aer existenţi în nor precum şi prin repartizarea inegală de gheaţă şi apă se formează prin frecarea straturile norului, spaţii cu încărcătură (ionică) electrosatică negativă şi pozitivă. Stratul superior al norului este în mod normal încărcat pozitiv iar stratul inferior negativ. Zona de trecere dintre sarcinile pozitive şi negative au loc la înălţime mare şi temperaturi între −10°C şi −15°C aici picăturile de apă din nor se transformă în cristale de gheaţă, aceşti nori de furtună fiind numiţi Cumulonimbus (nimbus cumulus) nori în care cu o probabiltate mare vor lua naştere fulgere.
Tensiunile dintr-un nor de furtună
Fulgerul fiind o descărcare electrică produce un echilibru electric între straturile norului de furtună, ca să i-a naştere un trasnet între un nor şi pământ trebuie să existe în prealabil tensiuni de câteva zeci de milioane de volţi, iar fenomenul care este o scânteie de descărcare electrică are o tensiune de ca. 3 milioane de volţi/metru numită puterea de străpungere a fulgerului această penetraţie a aerului creşte în cazul aerului umed, de aceea azi există premiza că în prealabil aerul este ionizat de radiaţiile cosmice transformând moleculele de aer din atmosferă într-o lavină electronică rezultând o reacţie în lanţ, care creează un canal de aer ionizat pentru fulger acest fenomen fiind presupus de cercetătorii Charles Thomson, Charles Thomson 1925. Cauza formei în zig zag a fulgerului este produsă prin descărcarea electrică numai prin zonele cu aer ionizat.
Lungimea şi durata fulgerului
Incindenţa pe zone geografice a fulgerelor
* Fulgerul are, în medie, 4 sau 5 descărcări principale, sau propriu zise, care necesită o descărcare prealabilă, ce durează 0,01 s ,iar cea pricipală numai 0,0004 s, după o pauză scurtă (0,03 s - 0,05 s) urmează descărcări noi. Au fost obsevate astfel de descări atingând un număr de 42 cu o intensitate medie de 20.000 Amperi.
* Un fulger/trăsnet în medie atinge lungimea de 1 - 2 km, iar în zonele tropicale, unde umiditatea aerului e mai ridicată, atinge 2 - 3 km lungime. În nori s-au observat fulgere cu o lungime 5 - 7 km iar cu ajutorul radarului pentru fulgere, unele ce ating 140 km lungime.
Formarea tunetului
In jurul tunelului sau canalului fulgerului aerul înconjurător atinge temperaturi de 30.000 °C care este de 5 ori mai mare ca temperatura de suprafaţă a soarelui. Această supraîncălzire bruscă a aerului duce la o dilatare masivă asemenea unei explozii cu un zgomot puternic numit tunet. Datorită diferenţei dintre vitezele de propagare a luminii (ca. 300.000 km/s) şi a sunetului 332 m/s (la 0 °C) va apare un decalaj de timp între recepţionarea vizuală şi cea auditivă a fulgerului. Acest decalaj creşte cu cât fulgerul este mai departe de observator.
* Formele de fulger acestea pot fi de formă liniară cu ramificaţii şi de formă sferică (globulară).

Câmp magnetic

Câmpul magnetic este o mărime fizică vectorială ce caracterizează spațiul din vecinătatea unui magnet, electromagnet sau a unei sarcini electrice în mișcare. Acest câmp vectorial se manifestă prin forțele care acționează asupra unei sarcini electrice în mișcare (forță Lorentz), asupra diverselor materiale (paramagnetice, diamagnetice sau feromagnetice după caz). Poate fi măsurat cu magnetometrul. Mărimea care măsoară interacțiunea dintre câmp magnetic și un material se numește susceptibilitate magnetică.
Câmpul magnetic și câmpul electric sunt cele două componente ale câmpului electromagnetic. Prin variația lor, cele două câmpuri se influențează reciproc și astfel undele electrice și magnetice se pot propaga liber în spațiu sub formă de unde electromagnetice


Istoric

Încă din secolul al VI-lea î.Hr., filozofii greci descriau și încercau să explice proprietătile mineralelor ce conțineau magnetit, tip de mineral găsit în regiunea Magnezia (Thesalia), de unde și numele mineralului.
Acul magnetic care „arăta sudul” este menționat pentru prima dată în secolul al XI-lea î.Hr. ca fiind folosit în China, însă de-abia din secolul al XII-lea d.Hr. se utilizează în mod curent busola în navigatie.
Unul dintre primii învățați europeni care au studiat magnetismul a fost Pierre de Marincourt (Petrus Peregrinus), savant medieval ce l-a avut ca discipol pe Roger Bacon și care a scris, în 1269, un tratat remarcabil asupra magnetilor: Epistola Petri Peregrini de Marincourt ad Sygerum de Foucaucourt, militem, de magnete. Studiile sale au anticipat folosirea busolei.
Introducerea conceptului camp magnetic i se datorează lui Faraday.

Condensator electric

Un condensator este un dispozitiv electric pasiv ce înmagazinează energie sub forma unui câmp electric între două armături încărcate cu o sarcină electrică egală, dar de semn opus. Acesta mai este cunoscut si sub denumirea de capacitor. Unitatea de măsură, în sistemul internațional, pentru capacitatea electrică este faradul (notat F).

Tipuri

Condensatoarele pot fi de mai multe feluri (electrolitice, cu tantal, ceramice, cu poliester etc.), ele fiind realizate atât în tehnologie SMD cat și tehnologie THD.
Condensatorul poate fi folosit ca filtru trece sus.

Parametri tehnici ai condensatoarelor

-Gama temperaturilor nominale: intervalul temperaturilor ambiente în care funcționează condensatorul.
-Temperatura maximă: temperatura punctului celui mai cald al suprafaței exterioare a condensatorului.
-Temperatura minimă: temperatura punctului celui mai rece al suprafaței exterioare a condensatorului.
-Capacitatea nominală: valoarea capacității electrice marcată pe condensator.
-Toleranțe ale capacității nominale, (%): deviațiile maxime admisibile ale valorii reale a capacității de la valoarea nominală.
-Tensiunea nominală, : tensiunea continuă maximă sau tensiunea alternativă eficace ce poate fi aplicată permanent pe terminalele condensatorului (la borne).
-Tensiunea de categorie, : tensiunea ce poate fi aplicată pe un condensator care funcționează la temperatura maximă a categoriei.
-Tangenta unghiului de pierderi, : raportul dintre puterea activă și puterea reactivă a condensatorului pentru o tensiune sinusoidală de o anumită frecvență.
-Rezistența de izolație, : raportul dintre tensiunea continuă aplicată la terminalele condensatorului și curentul ce-l străbate, măsurat după un timp antestabilit, de regulă 1...5 minute.
-Rigiditate dielectrică: tensiunea maximă continuă pe care trebuie să o suporte condensatorul minimum 1 minut fără să apară străpungeri sau conturnări.
-Coeficient de temperatură: variația relativă a capacității pentru o variație de temperatură de 1 grad centigrad.
-Curent de fugă, curentul de conducție ce trece prin condensator atunci când i se aplică o tensiune continuă pe terminale.
-Impedanța, valoarea exprimată în a sumei tuturor componentelor electrice (rezistență ohmică, reactanță capacitivă și inductivă) din schema echivalentă a unui condensator real.
-Curent ondulatoriu ,valoarea eficace a curentului alternativ maxim admis la frecvența de 50...60 Hz sau 100...120Hz la care condensatorul electrolitic poate fi supus permanent sub tensiune nominală.

Dispersia undelor electromagnetice

Sub termenul de dispersie a undelor electromagnetice se înțelege în fizică o proprietate a acestora care depinde de lungimea de undă notată cu λ (litera greacă lambda). Se manifestă prin devierea direcției de propagare (frângere, refracție) la suprafața care desparte 2 medii diferite de propagare.

Indicele de refracție „n” depinde de lungimea de undă λ, fenomen care este exploatat mai ales în optică. La substanțele transparente această dispersie este în general „normală”, ca de exemplu la sticlă, unde refracția luminii roșii este mai slabă decât de exemplu cea a luminii albastre (care are o lungime de undă mai mică). Acest efect este explicat prin fenomenul de absorbție a luminii. Dacă însă indicele de refracție crește prin creșterea lungimii de undă, atunci este vorba de o „deviere pozitivă”, numită și o „deviere anormală”.

Inductanta

O inductanță ideală este un dipol care poate înmagazina energia prin intermediul unui câmp magnetic. Ea este realizată dintr-un anumit număr de spire de material bun conductor electric, care, cel mai adesea, înconjoară un circuit din material feromagnetic (bun conductor al câmpului magnetic), a cărui funcție este de a concentra liniile de câmp magnetic induse de curentul ce parcurge bobina.
O inductanță este caracterizată de inductivitatea proprie L, care depinde de numărul de spire N și de reluctanța magnetică a circuitului magnetic.
Unitatea de măsură a inductivității proprii L a unei inductivități este Henry ( ) și, ținând cont de expresia anterioară, este intrinsec, pozitivă.
În cazul în care elementul este în repaus, tensiunea la bornele unei inductanțe este direct proporțională cu derivata în raport cu timpul a curentului ce o parcurge.
O primă observație ce se poate face, cu referire la expresia de mai sus, este că, în cazul în care curentul este constant în timp, tensiunea la bornele unei inductanțe este nulă. Aceasta corespunde situației atingerii regimului permanent într-un circuit alimentat în curent continuu (DC); în această situație, o inductanță este echivalentă cu un conductor perfect (scurt-circuit), deoarece .
Spre deosebire de expresia puterii la bornele unui rezistor, semnul puterii la bornele unei inductanțe, depinde de semnele curentului ce o parcurge și al derivatei acestuia în raport cu timpul; aceasta înseamnă că o inductanță poate absorbi sau furniza energie.
Considerând sensurile de referință ale tensiunii și curentului corespunzătoare convenției pentru receptor, se observă:

• dacă curentul și derivata lui au același semn, inductanța absoarbe energie, crescând energia înmagazinată;

• dacă curentul și derivata lui au semne diferite, inductanța furnizează energie, restituind energia înmagazinată.

Bobina

Bobină este în electrotehnică un dispozitiv electric pasiv, care are două terminale (capete) și este folosit în circuitele electrice pentru a înmagazina energie în câmp magnetic sau pentru detecția câmpurilor magnetice. Parametrul specific al unei bobine este inductanța sa.


Constructia unei bobine

Bobina se realizează prin înfășurarea unui conductor (în general cupru) pe un miez. Acest miez poate fi feromagnetic, în acest caz bobina având inductanță mare, sau poate fi neferomagnetic, sau chiar să lipsească (miezul fiind aer), în acest caz bobina având inductanță scăzută. În curent alternativ o bobină prezintă o reactanță inductivă, dependentă de frecvența curentului alternativ.

Caracterizare cantitativă

Proprietatea caracteristică bobinei este inductanța (măsurată în henry, H) care este o mărime fizică egală cu raportul dintre fluxul magnetic stabilit printr-un circuit de curentul care trece prin el și intensitatea curentului respectiv. O variație a curentului produce o variație a fluxului magnetic care la rândul său produce forță electromotoare ce încearcă să se opună variației curentului.

Energia stocată

Bobina este un acumulator de energie magnetică. Energia (măsurată în jouli) înmagazinată de o bobină este dată de formula:

       E=1/2LII

Transformator

Un transformator este o mașină electrică care transferă energie electrică dintr-un circuit (primarul transformatorului) în altul (secundarul transformatorului), funcționând pe baza legii inducției electromagnetice. Un curent electric alternativ care străbate înfășurarea primară produce un câmp magnetic variabil în miezul magnetic al transformatorului, acesta la rândul lui producând o tensiune electrică alternativă în înfășurarea secundară.

Functia transformatorului

În circuitele și rețelele electrice, transformatorul realizează transfer de energie (electrică) dintr-un circuit (rețea) de anumiți parametri - tensiune U, curent I, rezistență R - , în energie electrică cu alți parametri (valori) de circuit, în condițiile unei separări (izolări) galvanice între cele două circuite (rețele) electrice. Practic se acceptă, că energia electrică obținută la ieșire, în circuitul (circuitele, dacă sunt mai multe) secundar este aproximativ egală cu cea de la intrare, din circuitul primar. Totuși în calcule de proiectare pierderile de energie (din transformator) sunt luate în considerație.

Pierderi în transformator

-Pierderi în circuitul magnetic – nu tot fluxul magnetic trece prin miezul magnetic al transformatorului. În plus, circuitul magnetic nu se comportă perfect liniar, ci are histerezis.
-Pierderi în înfășurări – prin efect Joule.
-Curenții turbionari – induși în miezul magnetic, care este un material conductor.
-Magnetostricție.

Aplicatii

Principala utilizare este la transportul energiei electrice pe distanțe mari, prin implementarea liniilor de înaltă tensiune (zeci sau sute de kilovolți). Aceasta este necesar din rațiuni economice. La capătul de aplicare (intrare) a energiei se folosesc transformatoare ridicătoare de tensiune, iar la destinație energia se transmite linilor de joasă tensiune prin intermediul unor transformatoare coborâtoare de tensiune electrică. Prin folosirea unor tensiuni înalte și foarte înalte se scade curentul prin linie la valori care reduc pierderile prin efect Joule la un nivel rezonabil, astfel nefiind necesară utilizarea unor conductoare cu secțiuni sensibil mai mari, care ar ridica costul construcției și conservării linilor electrice de transport de energie