Proyecto de Teoría Electromagnética I

8/17/2019 Proyecto de Teoría Electromagnética I

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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Asignatura Teoría Electromagnética I

Proyecto e Teoría Electromagnética I

A!licaci"n !r#ctica el Cam!o Eléctrico

Nom$re% David Josué Cueva León

Paralelo% 3

CA&PO ELECTRICO APLICACI'N%

El In(i$ior e Rayos

Sabemos que el campo Eléctrico está presente en algunos ámbitos de la

vida cotidiana actual, pero también está presente en la naturaleza,

como lo vamos a ver en la siguiente aplicación.

¿Por qué se produce el rayo?

El gradiente eléctrico en la atmósera, con el cielo despe!ado, es del

orden de "##$%m, debido al campo eléctrico producido por las cargas

negativas que normalmente e&isten en la supericie terrestre. En

situación tormentosa, las variaciones de presión y temperatura en la

atmósera dan lugar a la ormación de cumulonimbus, cuya columna

central puede alcanzar más de "'.### m. (uanta más alta sea la


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columna del n)cleo de la nube, más recuente será el rayo. Para ser

capaz de generar un rayo, dic*a columna interna necesita superar los

+.### m de altura.

E&isten diversas y comple!as teoras para e&plicar el mecanismo real de

la separación de cargas, pero ninguna desvela con e&actitud qué empu!a

las cargas dentro de la nube tormentosa. En la columna central del

n)cleo del cumulonimbus e&isten corrientes ascendentes con

velocidades superiores a "-# ms%* que separan las cargas eléctricas

que originan la descarga del rayo. Por estudios sobre la lluvia se sabe

que la precipitación ina adquiere una carga eléctrica positiva, mientras

que partculas más grandes adquieren una carga negativa. El uertedesplazamiento de aire en la columna interior del cumulonimbus separa

estas cargas empu!ando las partculas más inas /positivas0 *acia las

zonas altas. 1a carga negativa más pesada permanece en la base de la

nube. 2 medida que se separan las cargas, las diversas zonas de la nube

se cargan tanto, que las uerzas eléctricas originan cada vez más y más

ragmentos cargados.

(omo la tierra tiene muc*as menos cargas negativas que la base de lanube situada encima, se genera una atracción entre ambas cargas. Por

lo tanto, los electrones liberados cerca de la nube son atrados *acia latierra. 2 medida que se van moviendo estos electrones c*ocan conmoléculas de aire que encuentran en su camino, rompiendo sus enlaces/ionizándolos0 y creando as más ragmentos cargados. Estos nuevosragmentos son arrastrados *acia la parte inerior !unto con loselectrones originales, creándose el eecto de avalanc*a eléctrica. 1osiones positivos de!ados atrás crean una nueva atracción al con!unto deelectrones *acia la nube. 2 su vez más electrones contin)an liberándoseen la nube arrastrando *acia la base a los que pretendan subir. Esteproceso de reno y aceleración se repite continuamente, *aciendo seguir

al grupo de electrones iniciales un camino en zig zag, con avances deunos '#m en '#ms, desde la nube *acia la tierra, que se conocecomo camino trazador o 3stepped leader3 .


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Esquematización del mecanismo de ormacióndel rayo.

2l apro&imarse al suelo la cabeza del eluvio trazador descendente/stepped leader0, produce, por inducción, un rápido incremento delgradiente eléctrico en la supericie terrestre, que se a4ade a lacomponente continua, ya e&istente como consecuencia de la distribuciónestática de cargas en la nube.

Inhibidor de rayos

Descripción.El 5n*ibidor de rayos se compone de un cabezal aéreo soportado por unmástil al que se le acopla un iltro. El cabezal aéreo presenta una placametálica de orma semiesérica, separada de otra pieza también deorma semiesérica, por el aire, un dieléctrico dinámico especialdise4ado y una pieza separadora aislante orgánica con una orma discalresistente a los agentes ambientales atmoséricos.


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Figura 6: Esquema del 5n*ibidor.

Posibilidades de funcionamiento del sistema inhibidor de rayos.

Podemos generar dierentes *ipótesis de uncionamiento del sistema,

como6

"0 7ue el 5n*ibidor sea básicamente una capacidad en serie con una

resistencia en paralelo con una inductancia. Este circuito tan sencillo secomportara como un iltro pasa 8 altos. 9ebido a que la impedancia de

la capacidad /:;"%!


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=nda captada por el cabezal en caso de comportarse como una antena.

2 pesar de que estas dos *ipótesis pueden parecer ciertas, no

corresponden e&actamente al uncionamiento básico del 5n*ibidor6

1a primera es directamente eliminable como solución a las descargas

atmoséricas, debido a que su uncionamiento se basara en la cada

directa del rayo sobre el cabezal metálico del terminal. >eniendo en

cuenta las e&plicaciones dadas anteriormente sobre los modernos

métodos de detención del rayo, la orma semiesérica del cabezal no

sera un buen punto para atraer el trazador. 2s, si un rayo se ormara

cerca del 5n*ibidor, este sera atrado directamente por la estructura del

propio ediicio.

Funcionamiento real del Inhibidor.

1a base del uncionamiento real del 5n*ibidor de descargas de rayos es

muc*o más sencilla que las soluciones posibles enumeradas en el

apartado anterior. Está undamentada en principios de electrostática

básica y corresponde a lo que llamamos tercer estadio de desarrollo de

los pararrayos.

El primer estadio se *a descrito en apartados anteriores. (orrespondera

a la atracción del rayo mediante eecto punta. na evolución intermedia

entre este sistema y el sistema propuesto sera lo llamado segunda ase

y estara basada en un principio opuesto6 el retraso en la ormación del

rayo. En lugar de utilizar una punta /o unas pocas puntas0 como cabezal

ionizador, se podra construir un cabezal ormado por muc*simas


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puntas para repartir entre todas ellas la carga debida a la presencia de

la nube. 2 medida que el potencial de tierra crece, la corona generada

en una punta @ranAlin aumenta y se e&pande, permitiendo la ormaciónde un eluvio ascendente que se encontrará con el trazador

descendente. En cambio, en el caso de una distribución densa de puntas

o una esera%semiesera metálica, el potencial necesario para provocar

la ionización es muc*o más grande y cuando se genera lo *ace de orma

repentina, encontrándose con el trazador. 1a venta!a de este sistema

sera que en unción de la energa acumulada en algunos casos la nube

podra pasar por encima de la instalación sin que tuviera tiempo de

ormar un rayo /igura B0.

El tercer estadio de desarrollo correspondera al 5n*ibidor de rayos

desarrollado por PROO!". Su uncionamiento está esquematizado en

la /igura C0.

El tercer estadio de desarrollo correspondera a el 5n*ibidor de rayosdesarrollado por PROO!". Su uncionamiento está esquematizado enla igura C.

@uncionamiento del5n*ibidor.


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1as etapas de operación son las siguientes6

"0 1a carga negativa de la base de la nube induce una carga positiva enla tierra, que se transmite a través del mástil del 5n*ibidor y cargapositivamente /con carga 7"0 la armadura interna del condensador.

-0 El dieléctrico comple!o y dinámico especial desarrolladopor PROO!" e&istente en el condensador, permite que en la parteinterior de la pieza semiesérica que lo envuelve se induzca una cargaigual a la de la armadura interior pero de signo contrario, 87" /inducciónde cargas0.

+0 (omo el conductor armadura e&terior inicialmente es neutro porqueno está conectado a ning)n terminal, ésta carga interior negativaproduce una carga igual positiva en la parte e&terior /separación decargas0, en contacto con el aire. 7-;7".

D0 El c*oque de partculas cargadas de la atmósera circundante/negativas0 puede inluir en la carga e&terior 7- sin aectar a las otras.Se trata de un eecto similar a cuando se une un conductor a una uentede tensión y después se separan, quedando el conductor cargado.

2s, a medida que aumenta la carga en la nube también lo *ace la cargaimagen de la tierra y por tanto, la del condensador incrementándose*asta un valor má&imo determinado por la capacidad del condensador yla tensión de ruptura del dieléctrico dinámico especial.

2l producirse la descarga del condensador, 7 anulará 87" y sólo quedarála pieza semiesérica con carga 7- positiva. En un caso ideal, la cargaatmosérica no inluye al conductor e&terior y 7- permanece igual a 7".>enemos pues un conductor cargado positivamente como punto departida del proceso antes descrito. 2s pues, después de cada descargadel condensador la carga positiva neta se incrementa en la mismacantidad /7"0, aumentando sucesivamente en unción de la carga de lanube.


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(omparación de los diversos sistemas de protecciónprimaria contra el rayo. En la punta de @ranAiln laslneas se concentran en la punta, ionizando el aire yavoreciendo la atracción del rayo. (on una eseraconductora conectada a tierra se consigue dispersarlas lneas de campo y retardar la ionización. El5n*ibidor permite concentrar muc*a carga, queinluenciará un área mayor. Esta carga variablepermite una modiicación de la densidad de lneasde campo en unción de la carga de la nube.

Para un ion negativo le!ano, ésta carga act)a como si uera puntual y devalor 7-;n7", /donde n es el n)mero de descargas que *an tenidolugar en el condensador0 atrayéndolo con una uerza proporcional a 7-e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

9ebido a la orma semiesérica del cabezal, el área inluenciada tendrauna orma redondeada tal como se esquematiza en la igura "#.


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Esquema del proceso dein*ibición descrito en el te&to.

En la igura "" se puede ver una simulación por ordenador del área deinluencia del 5n*ibidor, y en la igura "- el área de inluencia del mismo5n*ibidor complementado con otro de los elementos de protecciónaérea, el que denominamos (orrector o e&pansor de (ampo. Estassimulaciones no corresponden a escala alguna.

Figura ##: 9istribución del campp eléctrico.


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Figura #$: 9istribución del campo elFctrico.

(ualquier partcula que se encuentre dentro del área inluenciada por elcabezal y elementos correctores a4adidos y%o accidentales se veráatrada *acia ella.

(omo las lneas de campo no convergen en un punto creando un eectopunta sino que se distribuyen por todo el cabezal, se produce unaequidistribución de la carga ba!ante no ormándose nunca un canalionizado. En un caso e&tremo se produciran mini8descargas distribuidasalrededor de la supericie de la pieza semiesérica. 9e esta orma se

conseguira ir descargando lentamente la nube a un ba!o nivelenergético, siempre que el radio de acción sea lo suicientementegrande. En realidad éste dispositivo tiene un carácter ecualizador decarga.

En el supuesto de que el trazador procedente de la nube se ormara, sisu esera de inluencia entrara en el área protegida por el 5n*ibidor daralugar a una distribución de mini8descargas por toda la supericie. Elproceso sera e&actamente el mismo descrito anteriormente.

El proceso puede considerarse a la inversa6 el cabezal lleva una ciertacarga que suministra al trazador para anular la de éste /eecto5n*ibidor0. Entonces nunca se produce la vuelta de la carga a partir dela tierra y por lo tanto, nunca la gran intensidad que produce el rayo.

1a situación descrita corresponde a un caso ideal en el cual la carga 7-no se ve inluenciada por la atmósera circundante. En realidad, un


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ambiente *)medo y ventoso puede avorecer la descarga parcial de laparte e&terna del cabezal. En este caso 7- no aumentara tan

rápidamente, con lo cual el 5n*ibidor uncionara e&actamente igual.

Descarga del condensador.

En el proceso de descarga del condensador es donde entra en !uego eldieléctrico dinámico especial del cabezal aéreo. Esto es undamental,porque la constante dieléctrica del material determina la capacidad delcondensador, y ésta la carga que es capaz de almacenar.

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