Instrumentos e Aplicações · Campo Elétrico/Magnético a 100 km LC Elétricos e CE- Magnético...
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Instrumentos e Aplicações
• Os instrumentos de detecção de raios estão baseados em campo eletrostático, eletromagnético e ótico.
• De uma forma geral pode-se dizer que as tempestades e raios tem: – Cargas e multiplos centros de carga;
– Corrente elétrica ;
– Emissão de radiação e fótons;
– Emissão de ondas de Som;
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Eletrostático x Eletromagnético
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Campo Elétrico/Magnético a 50 metros
LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação
Total
Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.
Elétrico
Magnético
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Campo Elétrico/Magnético a 1km
LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação
Total
Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.
Elétrico Magnético
LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação
Elétrico
Magnético
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Campo Elétrico/Magnético a 100 km
LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação
Total
Cooray, A.V. The Lightning Flash, Institution of Electrical Engineers, Issue 34 of Energy Engineering Series, 2003.
LC Elétricos e CE- Magnético EQ Eletrostático; EI Indução e ER radiação
Elétrico
Magnético
Elétrico + Magnético
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Eletrostático x Eletromagnético
• Perto – Eletrostático
• Longe – Eletromagnético
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Medidas de Campo Elétrico
• Medidor de campo Field Mill
• Antena Lenta e Rápida
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Ken Cummins – Aulas– Univ. Arizona
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Medidas de Campo Elétrico
Princípio: As cargas se movem em Resposta ao E da atmosfera
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Area
QE
1
Lei de Gauss sobre uma placa
dt
dQI
Mas a variação da carga no tempo é a corrente elétrica
EAreaQ
E se integrarmos a corrente no tempo, temos voltagem que é ~ ao E
C
EAreaIdt
CC
QV
1
C é a capacitância
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Medidas de Campo Elétrico Mill
FC
Voq
FC
VoE
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Medidor de campo elétrico: (a) Descrição esquemática do Field Mill; (b) Fotografia do Field Mill desenvolvido pelo Laboratório de Física e Quimica da Atmosfera da UFMS
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UFMS E
As cargas se movem em Reação ao E da atmosfera
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C
EAreaIdt
CV
1
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Portanto as medidas podem ser feitas com constantes de tempo diferente. Basicamente as constantes de tempo definem o que se quer observar. Antena lenta é usada para reproduzir as mudanças de campo produzidas por uma descarga elétrica completa (líder, IC, CG, descarga de retorno e corrente). Os Relâmpagos (múltiplos raios) podem durar até 1 segundo, enquanto que o tempo de decaimento é de alguns segundos. Antenas rápidas são usadas para observar partes específicas do raio que tem mudanças rápidas.
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Antena Lenta desenvolvida pelo STORM-T/IAG/USP
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-0040/2010
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• Sensor mede tanto os raios IN como NT
- Contador;
- Caracteriza a forma de onda;
- Utiliza tecnologias atuais (computador de placa, conversor AD simples, GPRS/Internet e GPS);
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 19
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 20
Antena Lenta
Processador de Sinal
LWS Lightning warning system
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Antena Lenta
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 21
Filtro passa baixa
Constante de tempo: 1 segundo
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 22
Antena Lenta
Processador de Sinal
LWS
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Processador de Sinal
• K20 amostra 46 kS/s
• Decima o sinal a 11.5 kS/s
• Buffer circular de 3 segundos
• Os raios são identificados a partir da forma de onda gravada. Versão atual dispara o gatilho quando a Voltagem é 3 X 2
• 1 raio por segundo
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 23
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 24
Antena Lenta
Processador de Sinal
LWS
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LWS - Protótipo
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 25
Filtro da Antena
UPS Raspberry PI
K20
GPS
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Filtro da Antena Raspberry PI
K20
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 27
LWS - Status
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Resultados:
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 28
Setembro 27, 2015 STARNET (< 20 km) = 181 sferics LWS = 167 counts
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Forma de onda
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 29
2 min
3 sec
Ez
Vo
lts
Vo
lts
Antena 1
Antena 2
Field Mill
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Resultados:
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 30
Setembro 28 , 2015 STARNET (< 20 km) = 420 sferics LWS = 130 counts
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Forma de onda
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 31
2 min
3 sec
Ez
Vo
lts
Vo
lts
Antena 1
Antena 2
Field Mill
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Raios detectados via Câmera Rápida 4000 frames por segundo
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 32
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9 de Março de 2016 – 20:47:19 NT
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 33
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 35
9 de Março de 2016 – 20:44:53 NT
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 37
9 de Março de 2016 – 20:42:12 NT
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Raio – NT Positivos
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 39
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 40
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 41
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Raios NT - Negativo
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 42
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 43
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http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 44
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Raio Ascendente
http://www.starnet.iag.usp.br - COELCE Research & Development Project #0039-
0040/2010 45
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Localizando Raios: Field Mill
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A localização das descargas elétricas através dos Field Mills requer pelo
menos 4 instrumentos deslocados (~ 1-10 km). A resolução temporal e número
de sensores permite determinar um ou mais centro de cargas associados a
raios tipo CG ou CC.
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1 2
3 4
5
(x1,y1,z1)
(x2,y2,z2)
(x3,y3,z3)
(x4,y4,z4)
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Mono-polo:
2/3
222
2iii
i
zzyyxx
QzE
Onde i é sensor de campo elétrico
Dipolo:
2/3
2
2
2
2
2
2
22
2/32
1
2
1
2
1
11
2
2
iii
iii
i
zzyyxx
zQ
zzyyxx
zQE
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N
Cicicic
cc
i
zzyyxx
zQE
1
2/3222
2
Onde i é o sensor e C o centro de carga
Multi-polos
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Solução Numérica
Nsensores
i
iiEzyxE
1
22],,[
Onde x,y,z é a posição dentro do domínio da rede
02 É a solução do centro de cargas
Exemplo para uma rede no Cabo Canaveral – NASA http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo589/ATMO489_online/lecture_12/lect12_charge_center_location.html
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1 2
3 4
5
(x1,y1,z1)
(x2,y2,z2)
(x3,y3,z3)
(x4,y4,z4)
Nsensores
i
ii EzyxE1
22 ],,[
Assim para cada posição (xi,yi) calculamos teoricamente qual seria o valor de campo elétrico que cada sensor teria se o raio estivesse na posição xi,yi. No fim, teriámos um veto de DE(x,y,nsensores).
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Campo Elétrico de um raio
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Campo Elétrico de um raio X2 da solução