Um pássaro, anteriormente em potencial terrestre, pode ser eletrocutado aterrissando em uma linha de alta tensão em alta tensão devido à "carga de equalização" inicial?

Nos níveis de tensão das linhas aéreas tradicionais de transmissão nos EUA, um pássaro pode pousar em um e ficar bem (desde que não faça algo como abrir as asas e tocar uma árvore ou qualquer outra coisa com menor potencial elétrico).

No entanto, o que dizer de uma linha de força hipotética com voltagem muito maior (como em dezenas de megavolts). Poderia aterrissar em uma linha tão elétrica de choque fatal para o pássaro, mesmo que ele não complete um circuito de corrente sustentada? (Suponha que a distância seja longa o suficiente para que o arco elétrico seja impossível.)

NOTA: O meu entendimento do que acontece quando um pássaro voa de um objeto terrestre para uma linha de força (por favor, corrija-me se estiver errado) é que, ao entrar em contato com o fio, seu potencial elétrico muda do potencial da terra para o potencial da linha de força. Para que isso aconteça, há uma transferência inicial de energia elétrica (ou seja, fluxo de carga, ou seja, corrente) da linha de energia para o pássaro, que "iguala" seu potencial elétrico, o que acontece quase instantaneamente. Se isso estiver correto, minha pergunta pode ser reafirmada de maneira mais geral como "Uma 'carga de equalização' como esta pode resultar em um choque fatal, se a diferença potencial de equalização for alta o suficiente?"

Supondo que o pássaro ainda esteja em potencial de terra ao entrar em contato com o fio (por exemplo, ele pulou direto do poste).

Existem muitas incógnitas nesse problema, mas vamos tentar preencher algumas lacunas com dados que meio que conhecemos em humanos. Então, até que um trocador de pilhas EE, que é ornitólogo, apareça com dados interessantes, vamos supor que os humanos possam voar e gostam de relaxar pendurados em um cabo de alta tensão.

Todos os objetos e seres vivos têm uma capacidade elétrica equivalente. O Modelo do Corpo Humano é uma convenção que determina que os seres humanos são equivalentes nesse aspecto a um capacitor de 100pF (suponha que ele não reduz muito do solo para 23 metros de altura e o chame de pior cenário). Agora, vamos supor que a resistência de contato entre o cabo e onde quer que esteja o centro geométrico desse capacitor seja 3000Ohm - retirada da caixa "Mão segurando o fio" da mesa em outra rosca - dividida por duas para um contato com as duas mãos. Então a duração total da corrente de equilíbrio, tomada como 5 vezes a constante de tempo do RC equivalente, é de 0,75 microssegundos.

Os efeitos das correntes através dos seres vivos dependem da magnitude da corrente e da duração. Nunca vi nenhum estudo mostrando dados abaixo de 10 ms (por exemplo, o mesmo estudo citado acima), o que não é surpreendente, pois aparentemente o tempo de resposta do tecido cardíaco é de 3 ms . Por 10ms, a corrente que gera efeitos irreversíveis é de 0,5A, e parece ter se estabelecido nesse ponto (pouco dependente da duração), certamente até 3ms. Vamos supor que, além desse ponto, o tecido cardíaco se comporte como um sistema ineficaz de primeira ordem, atenuando 20dB / década. A corrente necessária para efeitos semelhantes seria 20 * 4,25 = 90dB maior, ou 15811A. Para uma resistência de contato de 1500Ohms, conforme usado acima, significa que a tensão do cabo precisa ser 23GV!

As queimaduras dependem apenas da energia transferida; portanto, teoricamente, uma alta tensão pode queimar por um tempo tão pequeno. Mas qual a altura? Bem, "Lesões elétricas: aspectos de engenharia, médicos e legais", página 72 , afirma:

A corrente mais baixa estimada que pode produzir queimaduras visíveis de primeiro ou segundo grau em uma pequena área da pele é 100A por 1s

Edit: Note que 100A é bastante alto, não está claro como o autor define "queimaduras de primeiro grau em pequena área da pele", mas eu acho que seria para uma área maior que uma polegada, queimando toda a epiderme e parte da derme células de tal forma que elas descascam.

Portanto, por 750 nanossegundos, é necessário 133MA! Se usarmos novamente a resistência de 1500Ohms de cima, isso significa que o fio precisaria estar em 199GV, o que é insano. Provavelmente, haverá outros efeitos desagradáveis ​​antes que essas queimaduras apareçam, mas nem 23GV nem 199GV soam provavelmente em um futuro próximo. Nota lateral, como J ... levantou nos comentários, um cabo de 23 GV iria espontaneamente se mover com qualquer coisa no potencial da Terra em 7,6 km e, portanto, exigiria uma quantidade incrível de isolamento.

Como se não bastasse, você deve ter notado que as opções acima pressupõem que a corrente máxima é aplicada por toda a duração da corrente de equilíbrio, enquanto na verdade é um exponencial decadente ... A corrente média nessa duração é de fato 0,2 vezes o máximo, então esses valores realmente devem ser 115GV e 995GV!

Aviso: Isso não significa que é seguro pular e travar em linhas de alta tensão, é uma análise rápida com estimativas e modelagem aproximadas de dados e não deve ser considerada uma justificativa para suas ações.

Eu concordo principalmente com a explicação de Andy Aka. Vou dar uma teoria mais detalhada (é claro que posso estar ignorando alguma coisa).

Um corpo não possui capacitância por si só, pois sempre precisa da "segunda placa" do capacitor. Os seres humanos em relação ao solo terão uma dada capacitância quando estiverem em pé (isolados) sobre o solo, e uma capacitância diferente ao voar (se possível), porque o solo será mais distante.

Um modelo simples do pássaro pode ser o do próximo diagrama:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

À medida que o pássaro se aproxima, a linha C1 aumenta e C2 diminui. Este é um divisor de capacitor e o potencial do pássaro se aproximará da linha um de alta tensão (HV).

Vamos supor, apenas para fornecer alguns números rápidos, que C1 é 100 vezes C2 imediatamente antes dos pés do pássaro tocarem a linha, a diferença de potencial entre o pássaro e a linha de alta tensão será então de apenas 1% da alta tensão. Finalmente, os pés do pássaro tocam a linha: C1 é "em curto" e a única capacitância a preencher seria C2 (capacitância entre o pássaro e o solo, que é muito pequena quanto o solo). Como o potencial do corpo já está em 99% da HV, e sua capacidade de aterramento é muito pequena, a corrente através do pássaro seria muito pequena.

NOTA: O meu entendimento do que acontece quando um pássaro voa de um objeto terrestre para uma linha de força (por favor, corrija-me se estiver errado) é que, ao entrar em contato com o fio, seu potencial elétrico muda do potencial da terra para o potencial da linha de força

Aqui reside o cerne da questão. À medida que o pássaro sai do solo na direção do fio, ele adquire uma mudança gradual no potencial. Esta não é uma mudança instantânea, porque, se fosse, o pássaro experimentaria uma sacudida de corrente no instante em que aterrissasse.

Portanto, não, isso não acontece instantaneamente e, tensões maiores do fio = distância maior, portanto, um período de tempo mais longo para alcançar o referido fio e, sem entrar na matemática, a pequena corrente imperceptível que o pássaro experimenta será a mesma.

EDIT - aqui está uma imagem decente de como o nível de tensão muda com a distância entre o terra e um fio "quente": -

Esta é uma análise de campo elétrico bastante clássica. Emanando do centro (assumido como um ponto de alta tensão), existem linhas de campo elétrico pretas. Estes saem em todas as direções do fio e atingem o "terra" em ângulo reto. Se você também usar qualquer uma dessas linhas de campo E e "viajar" ao longo do nível do solo em (digamos) 10% de seu comprimento, atingiria uma tensão que é 10% do fio quente.

Se você fizesse esse experimento mental para todas as linhas de campo E em diferentes porcentagens do comprimento, seria capaz de plotar todas as linhas de potencial e é isso que são as linhas vermelhas.

Como você deve ver o potencial que um objeto pequeno pode atingir subindo do fio para o fio "quente", é notavelmente linear.

É uma pena ver tantas respostas desinformadas e de alto escalão sobre essa questão - então decidi finalmente abrir uma conta e contribuir, depois de anos espreitando :)

Uma maneira de ver a transmissão de energia é a corrente passando pelo fio - modelada como energia cinética das partículas (elétrons) no interior. No entanto, especialmente nas instalações de corrente alternada, se alguém modela a energia eletromagnética (através das equações de Maxwell), vê a energia transportada no espaço entre e ao redor dos condutores.

Portanto, há perigo de EM para qualquer coisa próxima das linhas. Seu nível depende, para um determinado sistema de linha de pássaros, da potência total que passa - tensão e intensidade!

Esta resposta quantitativa que encontrei em https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341 se aplica:

P: Por que os pássaros não sentem um choque estático ? Eu entendo que os pássaros não fornecem um caminho para o solo, então eles não carregam uma corrente de estado estacionário. Mas certamente quando eles pousam, há uma corrente para carregar a capacitância do pássaro? Eu li que choques estáticos são dolorosos em torno de 10 kV. Essas linhas de energia transportam centenas de kV; portanto, o choque estático de uma linha de energia não seria muito doloroso? Obrigado, Ted - Ted (26 anos) Stanford, CA, EUA

A: Sim, não é estritamente verdade que não haverá corrente alguma. Existem correntes, mas são realmente pequenas, e isso não se limita apenas ao pouso. Talvez o mais insignificante de todos é que o ar úmido não é um isolador perfeito; portanto, haverá perdas no corpo do pássaro. Mas, como você também aponta, um pássaro pode ser considerado um capacitor (aproximadamente esférico) com o segundo invólucro infinitamente distante e com 0 potencial. Portanto, o pássaro será carregado e descarregado em f = 60Hz (50 Hz na Europa), porque as linhas de energia transportam CA, não CC.

Vamos fazer um cálculo aproximado, considerando o pássaro como uma esfera com 20 cm de diâmetro, a capacitância C deve então ser ~ 10pF. A corrente rms é então 2πfVrmsC f. Digamos que haja 100kV nos fios, esses parâmetros fornecem cerca de 400 µA para a corrente eficaz. Para comparação, para um ser humano, correntes CA de cerca de 10 mA começam a se tornar perigosas ( https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock ) Para um pássaro, presumivelmente, correntes um pouco mais baixas podem ser perigosas. Parece que mesmo para a linha de alta tensão, no entanto, a corrente puramente capacitiva não é um problema.

Tunc + Mike W.

meu entendimento é que, como a linha HV é uma linha CA, o potencial original do pássaro não tem sentido devido ao fato de que o potencial do fio está alternando acima do potencial do solo e do potencial abaixo do solo a cada 1/100 de segundo em uma 50hz situação. Há uma chance igualmente provável de que o potencial relativo ao potencial do solo no momento do contato do pé do pássaro também possa estar muito próximo do potencial do solo 1/100 de cada segundo.

Não sou especialista, mas acho que isso está correto: o fio é um condutor; corrente está fluindo através dele. O pássaro não será prejudicado. A corrente fluirá para cima de uma perna e para baixo da outra, mas o fio é um condutor muito melhor, de modo que a corrente será minúscula. (Por outro lado, se o pássaro pousasse em uma fonte de alta tensão sem corrente, como um enorme gerador Van Der Graaf, a repulsão eletrostática poderia explodir suas penas).

Uma hipotética linha de alta tensão isolada a ar a 10s de megavolts não existe porque nessas tensões, a energia perdida na descarga coroa é maior que a energia perdida na resistência do fio. À medida que a tensão aumenta, a corrente diminui proporcionalmente, mas após um certo ponto a perda de energia de descarga corona é maior do que a perda de R ao quadrado.

O "certo ponto" depende do diâmetro do condutor, que é uma das razões pelas quais todos os condutores de alta tensão (e principalmente a 1KV +) possuem diâmetros artificialmente inflados: grande parte do volume do "condutor" não é condutor: é aço.

A descarga corona ocorre quando o gradiente de tensão é maior que o gradiente de tensão de ruptura do ar. Isso depende da umidade e do prazer do ar (e poluição) e da suavidade da superfície do fio.

As linhas de igual potencial mostradas na outra resposta são enganosas. Eles devem estar muito mais próximos perto do fio, muito mais afastados perto do chão. Aqui está um exemplo real medido: https://www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

Observe a diferença entre o intervalo de 8V-10V e o intervalo de 4V-2V. Perto de um fio estreito, a distribuição em campo é semelhante à de uma carga pontual isolada, onde o gradiente de tensão se aproxima rapidamente do "infinito" para um fio "infinitamente fino".

Não consigo encontrar números reais para o gradiente do campo elétrico perto de uma linha de alta tensão. Eu esperaria que fosse inferior a 3,4MV / m em piores condições, ou haveria falhas. Para comparação, os humanos falharão em cerca de 0,01MV / m, e a pele humana falhará em cerca de 500V. Isso sugere para mim que não há muito fator de segurança para um ser humano pendurado em uma linha de alta tensão: você estaria perto o suficiente do seu potencial de ionização para começar a se preocupar.

Os pássaros típicos são muito menores / mais curtos que os humanos e, portanto, seriam expostos a um estresse de tensão muito menor ao aterrissar nos fios. Pássaros grandes podem ser comparáveis ​​em tamanho aos humanos, mas normalmente não se empoleiram nos fios. Os pássaros grandes normalmente pousam nas torres de transmissão, e não nos fios, porque as torres são sempre mais altas que o fio: não tenho informações sobre se os pássaros grandes sentem desconforto no gradiente de tensão elétrica ao tentar pousar nos fios de alta tensão.

Estou fora da minha área de experiência e aceito quaisquer correções.

É interessante observar linhas de alta tensão e pássaros e ver o que acontece.

Os pássaros tendem a pousar em linhas de alta tensão, geralmente abaixo de 100kV.

Os pássaros tendem a não se empoleirar nas linhas de alta tensão, normalmente> 200kV.

A especulação (que eu acho inteiramente plausível) é que é devido à coroa que ocorre nas linhas de alta tensão. É por isso que eles tendem a usar feixes de fios, em vez de condutores únicos, para reduzir o gradiente do campo elétrico ao seu redor. Qualquer coisa pontuda saindo do condutor liso aumentará a perda de coroa.

Um pássaro em uma linha de força age como um 'pouco destacado', o que piora a descarga da coroa. Acima de alguma corrente crítica da coroa, o pássaro acha isso desconfortável e sai. Isso será sentido pelo pássaro voando próximo à linha, mesmo antes de aterrissar, o pássaro distorce o campo elétrico e recebe uma corrente corona.