Rayos. Curso básico pero completa.

[David Met]

Introducción

Sin duda alguna, es uno de los fenómenos más vistoso que tiene la meteorología. Es hermoso ver las diferentes descargas eléctricas que se producen durante una tormenta, como ilumina el cielo y que gracias a ello, se pueden ver las nubes. Lo paradójico que tiene este fenómeno, es que cuando está lejos; es hermoso, pero cuando está cerca de uno, ya produce miedo y pánico (es diferente para cada persona).

En lo personal, es el fenómeno que más me gusta, aún cuando está cerca mío; pero ya me hace sentir intranquilo por lo que me puede hacer. No es el objetivo de transmitir esta intranquilidad para las personas que no le tienen miedo; y mucho menos es hacerle sentir más pánico a aquellas personas que ya le tienen mucho miedo; sino que es todo lo contrario, tratar de tranquilizar y dar concejos de como protejerce de éste fenómeno que es el mayor causante de muertes en comparación con los tornados y huracanes a lo largo del mundo entero.

¿Cómo está organizado el siguiente curso?

Nada complicado. En esta página, está la introducción (más arriba) y luego vendrá un índice de temas. En la siguiente página, estará un índice organizado por subtemas (que estará disponible cuando se finalice el curso). Dividido así garantizará un orden, y permitirá que los usuarios del foro puedan participar; ya sea explicando cosas, dándome un concejo de algo como por ejemplo elaborar una mejor explicación o corrigiendo errores, o haciendo pregunta sobre lo ya explicado. Estas preguntas son de muchísima importancia, ya que ayudará en la elaboración de este curso. Por favor, si tienen preguntas, pregunten.

Índice general.

[David Met]

Índice por subtemas.

(no disponible aún).

[David Met]

Origen del relámpago / rayo.

Seguramente usted pensó en la nube y, si tiene más conocimiento, pensó en el cumulonimbus; y tiene razón, los cumulonimbus son los generadores de los relámpagos; pero ¿cómo genera el cumulonimbus un relámpago? A medida que el cumulonimbus se forma, empieza la distribución de las cargas eléctricas, lo que nos hace realizar otra pregunta ¿cómo se origina la distribución de las cargas eléctricas en el cumulonimbus?

Distribución de las cargas eléctricas en el cumulonimbus.

Hasta la fecha, no hay pruebas feacientes del origen de las cargas eléctricas; y hay dos teorías que compiten entre sí y que mantiene a los científicos divididos. Las dos teorías más aceptadas son: la convección y la de precipitación (en lo personal, pienso que pasan las dos teorías en forma simultánea).

Teoría de la convección.

Los cumulonimbus se forman en una masa de aire inestable, esta inestabilidad producen corrientes ascendentes (convección del aire) generando gotas de agua o prismas de hielo dependiendo de la temperatura del aire. A medida que las gotas van aumentando de tamaño, ya que van colisionando y fusionándose con otras, también aumentan de peso y la gravedad las atrae. Mientras caen, un gran número de gotas generan la corriente descendentes, hasta encontrar una corriente ascendente lo suficientemente fuerte como para hacerlas subir.

Todo este movimiento genera fricción entre gotas de agua, ya sea líquida y/o sólidas; produciendo que algunas gotas de agua se carguen con una carga negativa y otras con carga positivas; tal como se hace con la experiencia del globo y del paño de lana; al frotar la lana en el globo y luego acercarlo al pelo, este es atraído por el globo y tienden a pegarse. Aquí se manifiesta la diferencia de potencial que tiene entre los dos elementos (pelos y el globo).

Teoría de la precipitación.

Es muy parecida a la de convección, pero afirma que no es por fricción, sino por la división de la gota de agua. Cuando la gota de agua cae atraída por la gravedad, comienza el proceso de la división de la gota. Si la velocidad es suficiente, la gota se desintegra formando gotas aún más pequeñas. La velocidad con que caen las gotas de lluvias depende de su tamaño. Para las gotas de un diámetro superior a 4 mm., la velocidad de caída supera la velocidad de 8 m/s., y entonces las gotas se desintegran, formando gotitas más pequeñas que caen con menor velocidad.

Lo mismo sucederá, si las corrientes ascendentes de un cumulonimbus adquieren una velocidad superior a dicho valor; las gotitas pequeñas que resultan de la desintegración de las grandes, serán entonces llevadas a mayores alturas. Pero las corrientes verticales en los cumulonimbus, no son estacionarias, sino que su intensidad fluctúa en forma irregular, de modo que las gotas pueden subir y caer, creciéndose y desintegrándose repetidas veces.

Ahora bien, al desintegrarse una gota, se separa la electricidad negativa de la positiva; el aire que asciende arrastra con él una carga negativa, mientras que las gotas hacen lo propio con una carga de signo positivo. Si el proceso de la desintegración de las gotas se repite varias veces, quedan así acumuladas considerables cargas eléctricas, capaces de producir los fenómenos propios de las tormentas. Es evidente que el aire mismo asciende con una velocidad mucho mayor que la de las gotas por él desintegradas, y en consecuencia la carga positiva se acumula en aquella parte de la nube donde el ascenso es más intenso, en tanto que el resto de la nube adquiere una carga negativa o permanece eléctricamente neutral.


Ambas teorías parecen coincidir con la distribución de la carga eléctrica. En la parte inferior, la nube adquiere una carga negativa, mientras que en la parte superior adquiere una carga positiva. Lo curioso de esto, es que se determinó por lógica; debido al otro campo eléctrico que influye y es la superficie terrestre o marítima.
Pero para comprender esto, iremos un poco en el pasado. Esta teoría fue formulada cuando los científicos en electricidad estaban divididos en dos bandos; los que decían que la corriente viaja de negativo a positivo; y el otro bando que dice todo lo contrario; que la corriente viaja de positivo a negativo.

En la actualidad se ha demostrado que la corriente viaja de negativo a positivo; pero por conveniencia se ha optado por unificarse y decir que la corriente viaja de positivo a negativo. ¿Por qué hago esta aclaración? porque a las personas se les ha enseñado que la tierra es negativa, mientras los cables conductores es positivo. Los que estamos en la actividad de la electricidad, sabemos que en realidad depende de como se tome la referencia o comparación. Si yo comparo por ejemplo las cargas que tiene la superficie de la tierra con diferentes materiales, podremos ver que la superficie de la tierra tendrá más o menos electrones que otros materiales; justamente esta comparación es la que determinará quien es positivo y quien es negativo.

Lo que acabo de explicar, no parece tener mucha importancia, pero más adelante se verá que si; por lo tanto, daré una explicación a base de ejemplo para que entiendan como es el tema de la comparación de cargas.

Supongamos que tenemos tres cuerpos A; B; y C. Todos tienen 10 protones, A tiene 7 electrones, B tiene 3 electrones y C tiene 9 electrones. Si analizamos los cuerpos, veremos que algunos tienen déficit de electrones y que algunos tienen excesos de electrones. Los que tienen déficit de electrones, son cargas positivas; mientras que las que tienen excesos de electrones son de cargas negativas (recuerde, estamos comparando uno con otros. En realidad todos tienen déficit de electrones para que su núcleo esté en equilibrio; el ejemplo es apropósito así, para que se note bien la diferencia y sea más fácil de entenderlo).

Si comparamos A con B, A tiene más electrones que B; por consiguiente A es más positivo que B. Pero si comparamos A con C, A tiene menos electrones que C; por consiguiente A es más negativo que C. Noten que tienen a equilibrar los protones y electrones. Aquellos que tienen más déficit que otros son los que indican quien es negativo o positivo. En la realidad, es más complicado porque no todos los cuerpos que intervienen en la atmósfera tienen la misma cantidad de protones y electrones.

[David Met]

De lo anterior podemos deducir que, para que halla tensión tiene que haber diferencia de potencial.

¿Qué es la diferencia de potencial?

Si recuerdan la clase de química, cada material está compuesta por una cantidad n de elementos; ya sea de un solo tipo o de varios tipos. Cada elemento está formado por n átomos; y cada átomo tienen 3 tipos de partículas llamados:

• Protones (carga positiva)
• Neutrones (carga neutra)
• Electrones (carga negativa

Se diferencia de un elemento a otro, ya que varían la cantidad de protones, neutrones y electrones. Basta con mirar la tabla periódica para darse cuenta de ello. Cabe aclarar que no vamos a ver todo de química, sino que nos concentraremos en las propiedades eléctricas de los elementos.
El átomo está organizado así: en el centro tienen los protones y neutrones; y girando alrededor están los electrones. Puede haber más de una órbita y que algunos átomos no tengan neutrones. Las órbitas que están más cerca del núcleo, se los considera estable; mientras que los que están más lejos son más inestable. Es decir que la última órbita de electrones, es con la que se hacen los enlaces con otros elementos. Esta última capa, se la conoce como capa de valencia. Gracias a los gases nobles que son los que están en la última fila (en donde aparece el Helio) se sabe que, un elemento es estable cuando su capa de valencia tiene 8 electrones. Justamente, los gases nobles tienen ocho electrones en su capa de valencia.

Tabla periódica. Fuente wikipedia.

¿Por qué es importante la capa de valencia? porque de esta capa salen los electrones que van de un elemento a otro; estos electrones son los que hacen que usted tenga luz en su habitación, o pueda hablar por celular; mirar la televisión; entre un sin fin de ejemplo; y por supuesto, los relámpagos que son la parte central de este curso. Pero tendremos que seguir con la capa de valencia; le comenté lo anterior para entusiasmarlo.

En forma natural; cada elemento está neutral con la cantidad de protones y electrones, por ejemplo el Hidrógeno tiene 1 protón y un electrón; el Hierro tiene 26 protones y 26 electrones. Es preciso recordar que todos los electrones no están en la misma órbitas; sino que en diferentes órbitas y cada órbita no tiene la misma cantidad de electrones con respecto a otra órbita. Esto nos genera otra pregunta:

¿Cómo se genera la fusión o enlace de un elemento a otro?

Bueno; ya es un tema complicado y extenso; pero resumido es lo que habíamos mencionado antes y es por la capa de valencia. Si comparamos la capa de valencia entre diferentes elementos; algunos nos van a coincidir, que son los que comparten la misma columnas; pero con otras columnas diferentes no, y es aquí donde entra la "magia" de todo este embrollo. Si comparamos diferentes elementos de diferentes columnas, veremos que algunos tienen exceso de electrones y otros déficit de electrones. La fusión se hace por la capa de valencia y aceptarán electrones de otros elementos, los necesarios para llegar hasta 8 electrones. Esto se lo conoce como enlace convalente; regla del octeto y estructura de Lewis.
Pero esto, no explica la diferencia de potencial. Entonces:

¿Qué tiene que ver los enlaces con la diferencia de potencial?

Solo tienen algo en común; y es que trabajan por la capa de valencia; o sea, su última capa de electrones girando alrededor del núcleo. Es importante no confundir la unión de elementos con la diferencia de potencial.
En la unión de elementos, siempre se logra cuando la capa de valencia se mantiene estable; pero si se agregan electrones a un elemento X; hará que no se mantenga estable la relación entre protones y electrones. La naturaleza a sabido solucionar esto, y de una manera muy sencilla. Lo que harán es compartir ese o esos electrones de más.

Veamos un ejemplo sencillo. Para ello, vamos a unir dos elementos dos moléculas de Hidrógeno y una molécula de oxígeno (H₂O) El H tiene una sola capa de electrones; y por lo tanto su número de valencia es de 1. El oxigeno tiene 6 electrones en su capa de valencia. Justamente, cuando se une con 2 moléculas de H obtendrá 8 electrones en su capa de valencia y el oxígeno habrá logrado la estabilidad; mientras que el H logrará también su estabilidad al lograr obtener 2 partículas de electrones (al igual que el gas noble Helio, que tiene dos electrones y es estable).

Las uniones de elementos, no son tan sencillas por lo que si usted está interesado en saber más sobre esto; puede buscar en las reglas del octeto (estructura de Lewis) y sus excepciones; y unión por convalencia.

Fue necesario desviarme un poco; para poder explicar las uniones ya que más adelante se tratará la fusión de distintos elementos y que además, para que no confunda la capa de valencia con uniones y con electricidad (ahora va a entender, no se preocupe).

Reformulemos nuevamente la pregunta del principio:

¿Qué es la diferencia de potencial?

La diferencia de potencial es cuando dos elementos a comparar, cada uno está inestable eléctricamente, o sea; en cuanto a la cantidad de protones y electrones. Un elemento tendrá más protones que electrones; y el segundo elemento tendrá más electrones que protones.
Al principio, habíamos hablado de que un elemento está compuesto por prontones, neutrones y electrones. Los electrones giran al rededor de los protones y neutrones; y puede haber más de una capa de electrones.

A diferencia de los neutrones, las partículas diferentes se atraen; mientras que las iguales se repelen; o sea, protones con protones se repelen; y electrones con electrones, también se repelen. Una teoría dice que; para que un número de protones mayor a uno se mantengan juntos en el núcleo, es necesario los neutrones. Y en el caso de los electrones, la repulsión que experimentan entre si, obliga a que haya varias capas de electrones.

Cada electrón que gira al rededor del núcleo, experimenta dos fuerzas diferentes; la atracción y la fuerza centrífuga. Esta combinación de fuerzas, hace que los electrones se mantengan girando permanentemente; ya que si solo experimentarían la de atracción, cada electrón se uniría al núcleo. En la medida en que nos alejamos del núcleo, la fuerza de atracción va disminuyendo; y por consiguiente, se necesita una fuerza menor para sacar los electrones de sus órbitas. Es por ello que nos interesa la capa de valencia para aprovechar a los electrones.

Otro punto importante que no debemos pasar por alto, es que el electrón al estar girando al rededor del núcleo, crea un campo magnético alrededor del electrón.

Para resumir, dentro de un elemento tenemos protones; neutrones y electrones; y experimentan fuerzas de atracción; fuerza de repulsión; fuerza centrífuga y campo magnético.

[David Met]

¿Cómo generamos una diferencia de potencial?

Hay muchas formas; entre las más conocidas son:

• Químicas
• Radiación (solar, por ejemplo)
• Fricción
• Magnética
• División o unión de dos elementos diferentes (las pilas de hidrógeno, por ejemplo.)

Los dispositivos que generan una diferencia de potencial, se las conoce como fuente de poder; pilas o baterías. Su misión es aplicar una fuerza capaz de separar los electrones de la capa de valencia de un elemento y acumularla en otro elemento; así un elemento tendrá déficit de electrones, y por consiguiente le sobrarán protones (polo positivo); y otro el otro elemento tendrá un superávit de electrones (polo negativo).

Anteriormente, habíamos visto que los átomos tienen varias capas de electrones girando al rededor del núcleo; y que las capas más cerca del núcleo, son las más estables. Lo que faltó ver, es que no todos los átomos tienen la misma distancia de las capas al núcleo. Veamos un caso hipotético. Supongamos que tenemos dos átomos A y B. Si comparamos la distancia que hay en la capa 3 de uno y otro, veremos que un átomo lo tiene más cerca que el otro. Esto le da una propiedad particular a cada elemento y se lo conoce como electronegatividad.

¿Qué es la electronegatividad?

Es la fuerza de atracción del núcleo a los electrones, que giran al rededor del núcleo (valga la redundancia). ¿Recuerdan el ejemplo anterior de la distancia de las capas? Piense en lo siguiente, cuánto más lejos está del núcleo; menos fuerza de atracción sufre; y por consiguiente, menos fuerza se necesita para sacar el electrón de su órbita. Por lo tanto, un elemento que tiene muy cerca del núcleo, las órbitas de los electrones; será más electronegativo que aquel elemento que los tiene más lejos.

En la tabla periódica se puede saber que elemento es menos electronegativo que otros; sabiendo como está ordenado la tabla periódica. Se parte desde el inferior izquierdo de la tabla; se sube y luego se continúa hacia la derecha. Por ejemplo, el elemento que es menos electronegativo es el Francio; y el más electronegativo es el Flúor. De la electronegatividad se puede deducir que, aquellos que son menos electronegativo, son muy inestables; mientras que aquellos que son muy electronegativo, son muy estables. Los gases nobles, son los más estables; por lo tanto, son los más electronegativo que hay.

¿Hay una relación entre la electronegatividad y la resistencia eléctrica?

Pues si; pero veamos primero que es la resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica, es la fuerza opositora al avance o paso de los electrones. La resistencia eléctrica es directamente proporcional a la electronegatividad; ya que, cuanto más electronegativo es un elemento; mayor será la fuerza que hay que aplicar para el paso de los electrones; y la resistencia eléctrica hace justamente eso; genera una fuerza de avance de los electrones.

¿Sabía usted que todos los elementos de la tabla periódica son conductores de la electricidad; y por consiguiente, todos los materiales que usted conoce son conductores de la electricidad tal como el plástico; la mica; la madera completamente seca; el aire; y un montón de ejemplos más? Le moví el piso ¿verdad?

No hay un aislante de la electricidad perfecto, como tampoco hay un conductor perfecto de la electricidad.

La resistencia eléctrica de cada material, se lo conoce como resistividad (Ω x metro). La fórmula es

p = R x (S/l)

Donde:

p es la resistividad (Ω x metro).
R es la resistencia (Ω).
S es la sección del material (m²)
l es la longitud (metro).

La temperatura también influye en la resistencia de un material; y normalmente se mide la resistividad a 25ºC. ¿Por qué la temperatura varía la resistencia? porque el aumento de temperatura hace que los átomos tienden a separarse, y sus órbitas se alejan del núcleo. Cabe aclarar que el núcleo también tiende a expandirse. Normalmente, la resistencia aumenta con la temperatura; pero en muchos casos, la resistencia disminuye con la temperatura.

[David Met]

Hasta ahora, hemos visto como se genera la diferencia de potencial y como se desplaza la corriente; pero no hemos visto como se mantienen las cargas en una nube y porqué se genera un rayo o relámpago.
He estado pensando como explicar las siguientes propiedades; y quise hacerlo directamente desde el punto de vista de la nube; del aire y de la superficie terrestre; pero pensé en que no se iba a entender; es por ello que voy a utilizar la analogía del condensador, que dicho sea de paso, se comporta igual.

¿Qué es un condensador?

En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor, es un componente o dispositivo pasivo, capaz de almacenar corriente eléctrica proveniente de una fuente de poder; y entregar esa corriente al circuito cuando sea necesario. Tiene muchas propiedades y diferentes aplicaciones para diferentes circuitos. Aquí no lo vamos a ver ni estudiar; solo nos concentraremos en las propiedades comunes con la atmósfera y el relámpago.

¿Cómo está conformado un condensador?

Un condensador consta de dos placas metálicas separadas por un dieléctrico. El dieléctrico, es un aislante que puede ser de diferentes materiales como por ejemplo:

• Aire
• Papel
• Goma

Funcionamiento del condensador.

Cuando a un condensador se lo conecta a una fuente de corriente continua, las placas metálicas se cargan con corriente de acuerdo a como está conectado. O sea, la placa conectada al terminal negativo de la fuente de corriente, se carga de electrones; obteniendo un exceso de electrones. Y en la placa conectada al terminal positivo de la fuente de corriente, pierde electrones y por ende, tiene un exceso de protones.

Si estas placas metálicas estuvieran en contacto, pues se formaría un cortocircuito; o lo que es en realidad, el cierre del circuito y los electrones de la fuente llegarían a los protones de la misma. Pero si se separan y se coloca un dieléctrico, adquiere una propiedad y es la de almacenar corriente.
Una vez cargado el condensador, si se retira la fuente de corriente, el condensador se mantiene cargado con la tensión de la fuente. Se mantiene cargado gracias al campo magnético de los electrones. Este campo magnético es capaz de llegar al otro extremo y es lo que obliga a los electrones quedarse en la placa y no salir por los terminales del condensador. Justamente, el dieléctrico tiene que ser capaz de mantener aislado a los electrones pero no al campo magnético. Noten como las cargas eléctricas que tiene el dieléctrico, se alinean con las cargas de las placas metálicas. Esto garantiza una "comunicación", que es el campo magnético.

Condensador cargado.

Una vez que el condensador se cargó, se desconecta de la fuente y queda cargado. Una placa metálica pierde electrones (se vuelve positivo); la otra placa metálica gana electrones (se vuelve negativo) y al dieléctrico se le alinean las cargas eléctricas según las cargas de cada placa metálica.

Condensador descargado.

Pasado un cierto tiempo, el condensador se descargará al mantenerse desconectado; y sus electrones y protones se equilibran, tal como se puede apreciar en la figura. Noten como el dieléctrico se desalinean las cargas eléctricas.

[David Met]

Propiedades de un dieléctrico.

El dieléctrico, que no parece ser muy importante; es en realidad, lo más importante ya que aumenta la capacidad del condensador en almacenar corriente. Como vimos antes, tiene que ser capaz de aislar a los electrones, pero no así su campo magnético. Es por ello que cualquier dieléctrico es aislante; pero no cualquier aislante es dieléctrico.

Al hablar de aislante, se contradice con lo que habíamos hablado anteriormente ¿recuerdan cuando vimos que todo material es conductor? esto, sigue siendo así. Para cierta tensión, diferentes materiales se pueden considerar conductores o aislantes. Tal vez habrán visto que algunas pinzas de electricista, dice en sus especificaciones "hasta 10.000 Voltios" Esta advertencia es de mucha utilidad, ya que le dice al operario; que si maneja tensiones menores de 10.000 V; no tendrá problemas y el plástico; goma aislará esa tensión y corriente de las manos del operario; pero si se supera la tensión de 10.000 V; lo que se considera que era un aislante (el plástico o la goma) se comportará como conductor y dejará pasar tensión y corriente a la mano del operario; sufriendo este, un golpe eléctrico que lo podría matar.

Para dejarlo en claro; dependiendo de las tensiones que se manejen; un material se lo considerá aislante o conductor. Lo que la mayoría de las personas saben que es conductor, como el cobre u otro metal; es porque con pequeñísimas tensiones; el metal es capaz de conducir corriente; en cambio, cuando otro material se lo considera aislante; es porque con las tensiones que se manejan; el material ofrece una altísima resistencia y no conduce corriente.

¿Cómo se calcula cuando un material es conductor o aislante?

Lo habíamos visto cuando estudiamos la electronegatividad de los materiales. La resistencia eléctrica de cada material, se lo conoce como resistividad (Ω x metro). La fórmula es

p = R x (S/l)

Donde:

p es la resistividad (Ω x metro).
R es la resistencia (Ω).
S es la sección del material (m2)
l es la longitud (metro).

La temperatura también influye en la resistencia de un material; y normalmente se mide la resistividad a 25ºC. ¿Por qué la temperatura varía la resistencia? porque el aumento de temperatura hace que los átomos tienden a separarse, y sus órbitas se alejan del núcleo. Cabe aclarar que el núcleo también tiende a expandirse. Normalmente, la resistencia aumenta con la temperatura; pero en muchos casos, la resistencia disminuye con la temperatura.

O lo mejor, es buscar las tablas de los materiales más usados para conocer su resistividad. Como nos interesa más el aire; es muy difícil obtener la resistividad del aire; ya que depende de su sección, por lo tanto, utilizaremos lo que se conoce como ruptura dieléctrica; que nos dice cuantos V/m se necesita para que el material sea conductor. En el aire es 3.000.000 V/m; si, así es, 3 millones de voltios por cada metro. Esto es para el aire seco; pero para el aire húmedo; se necesita menos tensión para la misma distancia. Por lo tanto, la ruptura dieléctrica del aire húmedo es de 1.000 V/m. Esta caída abrupta es justamente; porque el agua es mejor conductor de la electricidad que el aire seco.

Nos concentraremos, de ahora en más, en la tensión necesaria para el aire húmedo (1.000 V/m).

Otro factor que afecta a la ruptura dieléctrica, es la presión y la densidad del aire. Si las moléculas del aire están muy juntas, el valor de la ruptura dieléctrica será mayor; ya que son muchos átomos que unen su electronegatividad; pero en el caso de las tormentas, la densidad aumenta; pero se contrarresta con la baja presión. De todas maneras, seguiremos tomando como valor los 1.000 V/m.

Cuando se llega, o se supera el umbral de la ruptura dieléctrica, el dieléctrico conducirá la corriente eléctrica y de las placas del condensador saltará una chispa desde la parte negativa, hacia la parte positiva. Para un condensador, implica el daño del componente; ya que esa chispa, genera un deterioro de las placas y en el dieléctrico. No se encuentran condensadores de alta tensión con dieléctrico de aire; por lo general son de papel. Si la corriente pasa por el papel, este se quema; arruinando el condensador.

Destrucción del condensador por sobre tensión.

En la figura, se puede apreciar que el condensador se quemó por sobre tensión. Se lo ve representado por muchos rayos; pero en la realidad lo hará en un solo rayo o chispa. Esto es debido a que los materiales no son puros y en algunos puntos presentaran menor resistencia que en otros. La chispa saltará por donde menor resistencia hay, entre las dos placas y el dieléctrico.

Nota: he eliminado el color azul para apreciar mejor la chispa. El espacio entre las dos placas tendría aire y no vacío.

[David Met]

Esto ya va tomando color; y estamos en condiciones de pasar a la atmósfera. Los relámpagos se pueden generar de cuatro formas diferentes a saber:

• De nube a otra nube.
• De nube a si misma (otra parte de la misma nube)
• De nube al aire (fuera de las nubes)
• De nube a tierra, o de tierra a la nube

Una placa, correspondería a una nube de tormenta; la otra placa podría ser otra nube; otra parte de la misma nube; un sector del aire; o la superficie terrestre. El dieléctrico es lo que separa estas dos "placas"; pudiendo ser solamente aire húmedo; o una mezcla de aire húmedo y nube.

Nota. No hay registros de un relámpago desde el aire a la nube; pero no se ha podido demostrar que se pueda o no, dar el caso.

Comparación entre un condensador y la atmósfera.

En la medida de que una nube de tormenta va creciendo y cargándose eléctricamente, según vimos al principio de este curso (las dos teorías), las propias partículas se van ordenando y agrupándose en varios sectores. En otras palabras, la propia nube no está equilibrada eléctricamente; ya que una parte de la nube tendrá carga positiva, y la otra parte tendrá una carga negativa.

Distribución de las cargas eléctricas con respecto a la nube misma.

¿Qué tiene que pasar para generarse el relámpago? pues simple, se tiene que seguir cargando eléctricamente, para alcanzar la ruptura dieléctrica, o superar el gradiente potencial crítico (GPC).

Normalmente, un rayo a tierra se genera a unos 3 kilómetros de altura aproximadamente; a veces más alto y a veces más abajo. Para esta altura y teniendo que vencer la resistencia del aire, el rayo tendría que tener unos 3.000.000 Voltios. Esta asombrosa tensión; y altura, nos lleva a preguntarnos lo siguiente ¿por qué se forman los relámpagos a tierra y no solamente a la nube misma o a otra nube o al aire; ya que se necesita menos tensión para equilibrar las cargas eléctricas?

No es del todo claro el porqué. Lo que se cree es que al haber mucha turbulencia hay un aumento de presión en esas parcelas de aire. Por consiguiente, cuanta más presión, implica que hay más elementos; y por ende, aumenta la electronegatividad; lo que haría que se necesite más tensión para vencer esa resistencia. Otro factor, es que al acercarnos a la frontera entre las dos cargas, hay menos tensión; y sumado a la turbulencia, la tensión presente no es suficiente para vencer la resistencia presente. Para encontrar más tensión, hay que alejarse de la frontera; pero aumentamos la resistencia. Es aquí donde entra en juego la resistencia y la tensión dependiendo de donde se mida.

Vemos la comparación antes descripta. El aumento de ambas mediciones, tensión (V) y resistencia (R) no son lineales. Aquí solo se intenta demostrar como varían entre dos puntos diferentes. Las líneas, marcan los puntos de medición.

NOTA: GPC o gradiente potencial crítico, es lo mismo que la ruptura dieléctrica. Menciono los dos términos por si conocen uno u otro.

[David Met]

Veamos como son los pasos para que se genere una descarga eléctrica.

Pasos de la descarga eléctrica.

Son cinco los pasos para que se genere la descarga eléctrica a saber. Estos pasos son generados en el mismo instante en que se alcanza la ruptura dieléctrica.

1^er paso: Concentración de las cargas eléctricas.

Si bien, las cargas eléctricas de la nube, se quieren equilibrar; cuando llega a una determinado potencial, las cargas se alinean con el polo opuesto. Empieza una atracción mucho más fuerte y el campo electromagnético de las dos polos, aumenta considerablemente. Muchos autores lo describen como una "nube" magnética.

Cabe destacar, que se seguirán concentrándose las cargas eléctricas hasta alcanzar el nivel potencial necesario para romper la resistencia dieléctrica. Para ello, puede llevar varios minutos en alcanzar el nivel necesario.

En el momento en que el nivel potencial está próximo a romper la resistencia dieléctrica; si una persona está cerca de donde se va a producir el relámpago, los pelos de la piel empieza a levantarse; y se siente un cosquilleo en el cuerpo. Ya es tarde para colocarse bajo refugio. Lo mejor, es ponerse en posición fetal, apoyado con los pies; y estos que estén cerca del uno y del otro.

2^do paso: Descarga del rayo piloto.

Desde el primer paso, al segundo, pueden pasar varios minutos. Una vez alcanzado la ruptura dieléctrica, los electrones pueden vencer la resistencia del dieléctrico y se dirigen a la parte positiva, buscando las zonas de menor resistencias hasta llegar su objetivo.
En este preciso momento; el aire empieza a calentarse y a aumentar su valor de resistencia; o sea, su gradiente potencial térmico aumenta. Las razones son:

• Disminuye su densidad. Con el aumento de la temperatura, la densidad del aire disminuye; por ende, aumenta su resistencia eléctrica.
• Disminuye la presión. La disminución de la presión hace que también aumente la resistencia eléctrica; al estar las moléculas de aire más separadas.
• La temperatura agita las moléculas y las expande. El calor obliga a separar más los átomos de sus órbitas, pero también aumenta su velocidad. Esto produce que aumenta su resistencia eléctrica ya que se necesita más fuerza para sacar los electrones de la capa de valencia.

Esto obliga a los electrones, a buscar diferentes caminos para llegar al polo positivo. Esta es la causa de porqué los relámpagos no son rectos, sino que son zigzagueantes.
En algunos casos, algunas ramificaciones quedan en el aire ya que alcanzan una zona positiva; pero aún así, no es suficiente para descargar toda su carga eléctrica; y es por ello que los electrones restantes siguen buscando otra zona positiva más grande.

En este paso, también, el trueno se empieza a formar. Cabe destacar que es imperceptible para el oído humano. La expansión del aire, al rededor del rayo piloto; hace que una parcela del aire oscile en una determinada frecuencia. Es importante aclarar, que el sonido (trueno), no ha alcanzado su máxima intensidad.

Pero no termina acá, el paso de electrones hace que se concentren las fuerzas electromagnética de los electrones (valga la redundancia). Al igual que en el sonido, no ha alcanzado aún su punto máximo; pero empieza a viajar en los 360º del rayo.

3^er paso: Unión del rayo piloto a la zona positiva.

Después de haber recorrido un largo camino por las diferentes capas de valencia de los millones de millones de átomos que han atravesado, los electrones llegan al polo positivo. Ya en todo este camino, la zona adyacente del rayo piloto, se ha calentado por el resultado del paso de los electrones. Este trabajo producido, hace que parte de su fuerza, se transforme en calor. Ahora hay una mayor parcela de aire calentado y se puede oír el trueno a causa de la gran expansión brusca del aire circundante.

Este aumento de temperatura, alcanza cerca  20.000 ºC, y el aire se convierte en plasma. En este estado; hace que la resistencia eléctrica disminuya considerablemente.

4^to paso: Transferencia máxima de los electrones.

Una vez que el aire pasa al estado plasma, y que disminuye considerablemente la resistencia eléctrica; hay demasiada tensión eléctrica y toda esta energía pasa por el camino que formó el rayo piloto; aumentando la temperatura a 27.000ºC aproximadamente. Esto genera una segunda expansión brusca del aire, reforzando el sonido del trueno. Por supuesto, que al pasar tan rápido; no se puede escuchar dos sonidos diferentes; sino como un solo trueno (salvando el eco). Aquí, es cuando el sonido a alcanzado su máxima intensidad en volumen. La gran temperatura que alcanza la parcela de aire, hace que emita luz; la radiación que emite el aire en estado plasma; es lo que vemos como luz.

En este paso, también aumenta considerablemente la fuerza electromagnética, alcanzando su máxima fuerza. Es tanta la fuerza electromagnética, que alambrados cercanos a la caída del relámpago; se carga con electricidad. Esto incluye a los tendidos de red eléctricas, aumentando su tensión destruyendo los aparatos conectados a la red. Si bien, las compañías eléctricas instalan descargadores de sobre tensión, no garantiza que algún relámpago no destruya los aparatos eléctricos. Es por ello, que lo mejor es desenchufarlo (no sirve apagarlo con un interruptor, tal como los interruptores que tienen las zapatillas / alargues).

Muchas veces, se pueden apreciar rayos ascendentes que sale de la superficie terrestre, ya sean árboles, postes de luz, casa, etc. Hablamos desde la caída de un relámpago de la nube, a la superficie terrestre. En ese momento es que aparecen estos rayos a los que menciono (no confundir con los relámpagos ascendentes)
Estos rayos ascendentes, de muy pocos metros de altura, son el resultado de los excesivos electrones que bajan por el relámpago. Justamente, algunos electrones tienden a buscar el aire ya que, se encuentran con una resistencia muy alta en la superficie de la tierra; y como los electrones buscan el camino más fácil, y al sobrar tanta corriente, parte de estos electrones se fugan al aire.

Estos rayos ascendentes de muy pocos metros, solo son visto con cámara de alta velocidad. El ojo humano, no lo puede apreciar, ya que un relámpago dura algunos milisegundos (menos de un segundo).

Algunos autores, indican un quinto paso. Yo prefiero unirlo a este (el cuarto paso) ya que a veces no se cumple. En efecto, algunas veces se produce una segunda descarga eléctrica en el mismo camino del relámpago anterior. Para este caso, la teoría más aceptada es que aún la nube posee suficiente electrones para viajar hacia la zona positiva. En lo personal, nunca me ha convencido esto. A mi me parece que estos electrones que forman el segundo relámpago, provienen de una nube adyacente. Incluso esto explica el porqué de la demora entre una descarga y otra; y justamente es lo que tarda en viajar todos los electrones de una nube a la adyacente.

El siguiente paso, sería el sexto para algunos autores.

5^to paso: Disipación del relámpago.

Una vez que las cargas eléctricas se han equilibrados, el relámpago "muere" ya que no hay más electrones que se dirijan a la zona positiva. Aquí se puede apreciar como el aire se mantiene encendido en muchos puntos de luz. Esto es debido a que el aire se ha ionizado; y emite radiación en forma de luz visible.

[David Met]

¿Qué ocurre cuando un rayo hace contacto?

Son muchas las cosas que pasan cuando un rayo hace contacto, o cuando alcanza su mayor intensidad. A esto vamos a dividirlo en dos partes. Por un lado el fenómeno magnético y por otro lado el viaje de los electrones en la superficie y que pasa con los cuerpos que están en su camino.


Fenómenos magnéticos.

Esta fuerza invisible, lo usamos a diario en nuestras casas; incluso, en su celular; en la computadora; en los televisores y un montón de aparatos electrónicos.
Los transformadores eléctricos que utilizan algunos aparatos electrónicos / eléctricos; utilizan este fenómeno para reducir la tensión de red. Si queremos hilar fino, un transformador eléctrico en en realidad un generador de electricidad y corriente.

Al principio de este curso, habíamos visto que la corriente (el paso de los electrones de una zona negativa a la positiva) genera un campo magnético, seguramente usted a echo la experiencia de la brújula con una pila y un cable. Sino lo hizo, le indico los pasos ya que son muy sencillos de realizar.
Necesitará una brújula; una pila (mejor si es de 9V) y un pedazo de cable. Importante, si va a utilizar un transformador, este debe entregar corriente continua ya que de esta manera lo apreciará mejor.
Lo que debe hacer, es formar un cortocircuito (o sea, unir el extremo positivo al negativo de la pila) para que fluya toda la corriente. Acto seguido, acerque la brújula al cable y vea como la aguja se alinea con el campo magnético de la corriente. Sin retirar la brújula, desconecte un solo extremo del cable y vea como la aguja de la brújula, se orientará al polo norte de la tierra.

NOTA: Si usted tiene miedo a la corriente y/o tiene dudas de si esto es seguro; lo mejor es que busque en algún portal de video, la experiencia de la brújula y la pila. Yo no me hago responsable (ni meteorología fácil) por los daños que pueda causar a las cosas y/o a las personas).

Volviendo a los transformadores. Justamente estos aparatos, utilizan la fuerza magnética para generar corriente, enrollando el cable para concentrar el campo magnético y utilizando materiales adecuados (hierro, por ejemplo) para aumentar, aún más, la fuerza magnética. Utilizan corriente alterna o pulsante, para poder generar la corriente eléctrica.
Los transformadores están compuesto por dos bobinas o más. En su forma básica, solo tienen dos bobina; el primario y el secundario.
El primario es aquel que, conectado a una fuente de poder (por ejemplo la corriente proveniente de un toma corriente) genera y concentra el campo magnético. El secundario es aquel que aprovecha el campo magnético del primario para generar corriente eléctrica. Justamente, de una bobina a otra, se INDUCE una corriente gracias al magnetismo.

Cuando un rayo hace contacto, induce corriente en los metales próximo al rayo; como por ejemplo un alambrado del campo; una barra de hierro; una bobina, etc. Muchos animales mueren electrocutados por estar cerca de los alambrados al momento que un rayo hace contacto; tal como se puede apreciar en la siguiente foto.

Vacas mueren electrocutadas por un rayo, en la Rep de Chile.

El rayo cae cerca del alambrado; éste se carga de electricidad a miles de voltios, gracias a la inducción. Si hay un cuerpo conductor de la electricidad, tal como una vaca, y si está lo suficientemente cerca al alambrado; salta una chispa a dicho cuerpo para dirigirse al suelo. Esta gran electricidad mata al animal y/o personas.

En el siguiente video, podemos apreciar como se induce corriente eléctrica por la caída de un rayo, a la parte metálica de una moto, mientras una persona estaba trabajando en dicha moto. Tuvo suerte de que la electricidad inducida fuera de poca corriente. Lamentablemente fue de gran tensión como para generar la chispa. Solo se llevó un susto y una historia que contar.

Rayo induce corriente en motor de moto

[Ricber]

Muy buena explicacion.

[David Met]

Muchas gracias, Ricber.
En la semana continuaré con la segunda parte de este tema.

[David Met]

El viaje de los electrones en la superficie.

A diferencia de lo que se piensa, cuando un rayo hace impacto en la superficie terrestre o mar, el rayo no va hacia adentro por muchos metros, sino que gran parte de los electrones viaja por la superficie. La cantidad de metros que un rayo viaja hacia adentro, va a depender de la composición de la superficie.

Esto es muy perjudicial para cualquier ser vivo que esté cerca de donde hizo el impacto, pero lo veremos más adelante, el porqué.

Cuando un rayo impacta en la superficie terrestre, calienta a miles de grados la zona de impacto y por donde viaja; formando la fulgurita. Esta estructura, es silicio y oxígeno fusionado gracias al calor producido por el rayo. Por lo tanto en un desierto hay muchísimas fulguritas debido a que la arena hay mucha presencia de silicio y es más fácil para un rayo penetrar a mayor profundidad.
La fulgurita es vidrio, pero como el proceso es muy local y rápido, que no dejan tiempo para la cristalización de fases minerales obteniendo la característica de este fenómeno.

Fuente wikipedia.

Por supuesto que pasa lo mismo cuando impacta en una roca pero no se forma como la imagen anterior. Este tiene forma a una piedra.

Fuente wikipedia.

Incluso puede crearse fulgurita en la vereda de una casa cualquiera.

Fuente web ecoist

Si la composición de una roca tiene mucho silicio, este deja que la energía eléctrica viaje a muchos metros de profundidad, formando fulguritas muy parecidas a la que se forman en las arenas.

Fuente web ecoist

[David Met]

La energía eléctrica de un rayo que impacta en el suelo; solo una parte viaja hacia dentro. La otra parte viaja hacia los constados. No se puede hablar de porcentajes, porque esto va a depender de la composición de la superficie.
Cuando viaja hacia los costados, no lo hace parejo en los 360º donde impactó el rayo; sino que es irregular. Esto puede jugar a favor, o en contra a cualquier ser vivo que esté cerca de la zona de impacto.

Conductor ideal, versus conductor real.

Tal como lo vimos al principio de este curso, no existe un conductor perfecto de la electricidad y por supuesto la superficie terrestre, no es la excepción. Este es otro factor que nos juega en contra. Pero para entender esto y como nos afecta, voy a tocar un poco de teoría, para luego pasar a la realidad; y después de esto, vemos como nos afecta en una descarga eléctrica del rayo cerca nuestro.

Circuito ideal.

En un circuito simple teórico ideal, vamos a tener una fuente de energía ideal cualquiera y un conductor (cable) ideal; tal como se aprecia en la siguiente figura.

Nota: Ideal, significa que no posee resistencia eléctrica; no genera calor; no genera pérdidas, etc. En otras palabras, es algo perfecto.

Podemos apreciar como toda la energía eléctrica que suministra la fuente de energía, puede circular toda sin inconvenientes. Esto se conoce como un cortocircuito. Los que estamos en electricidad / electrónica sabemos que no existe tal cosa; sino que en realidad tenemos un exceso de corriente. Pero esto no tiene importancia.
Si a este circuito ideal, ponemos en paralelo una lámpara; esta lámpara no encenderá, ya que toda la energía eléctrica viaja por el conductor ideal y no pasa nada por la lámpara; que se comporta como una resistencia.

Circuito real.

En un circuito real, éste no se comporta como el ideal. La fuente de energía no es infinita y el conductor posee una resistencia al avance de los electrones, entre otras características negativas. Podremos notar que no viaja toda la corriente que puede suministrar la fuente; tal como se lo aprecia en la siguiente figura.
Tenga en cuenta que, si tomamos un conductor cualquiera y vamos midiendo su resistencia desde un extremo al otro; a medida que nos alejamos de la punta inicial, cada vez más tendremos más resistencia. Esto se lo puede ver en la imagen siguiente donde se tomaron medidas en diferentes puntos.

Si a este circuito le colocamos una lámpara, aquí si va a encender (tenue, pero encenderá) ya que, como no puede viajar toda la corriente por el cable, parte de la corriente pasará por por la lámpara.
La corriente lo toma como una camino más corto.

NOTA IMPORTANTE: Estos valores que doy, son ficticios. Lo único que indican es la caída de la tensión y corriente a lo largo del circuito. No debe tomarse como ningún patrón.

[David Met]

Corriente de paso.

Volviendo a nuestro tema central, cuando se produce la descarga, y la carga se dirige hacia los costados; cualquier objeto conductor será electrificado en su camino. Esto se lo conoce como Corriente de paso.

En la imagen vemos la caída de tensión (V) ya que es más fácil de entender. A medida que nos alejamos del punto de origen, menos tensión y corriente tendremos

Tomemos un ejemplo de un caballo cerca de la caída de un rayo. Mucha de la corriente se dirigirá en los 360º del rayo, pero una parte pasará cerca del animal. La que pase cerca del animal, le producirá una descarga eléctrica cuando pase por el caballo.
Si prestan atención, la corriente entra por una pata y sale por la otra; eh incluso, puede pasar por todo el cuerpo y salir por las patas traseras. Entre la distancia de una pata a otra, hay diferencia de potencial, ya que hay diferencia de resistencia. Recordemos que, cuanto más nos alejamos de la fuente, más resistencia obtendremos.
Como el cuerpo del animal no es un buen conductor, en su cuerpo se genera calor debido al paso de la corriente atravesando la resistencia de su cuerpo. En efecto, el cuerpo de un ser vivo se comporta como una resistencia. Esto generará calor provocando quemaduras de hasta 3er grado y la perturbación de los músculos produciendo un infarto y el cese de la respiración, por lo que su muerte será por paro cardiorrespiratorio.

Al ser humano le pasa lo mismo.
Si está parado con sus pies distante entre uno y el otro, se producirá el mismo efecto que en el animal. Incluso, si está tocando algo con su mano, la corriente puede subir por el pié y salir por la mano; o viceversa.

Por deducción lógica, nos daremos cuenta que esta corriente de paso, nos afectará cuanto más cerca estemos de la caída del rayo. Muchas personas y animales, se han salvado por encontrarse lejos de la caída del rayo, pero lo suficientemente cerca como para sufrir la corriente de paso.

Preste atención al siguiente video de como tres personas se salvaron de la corriente de paso, estando muy cerca de la caída del rayo; gracias a que el suelo estaba mojado y derivó la descarga eléctrica; en su totalidad. En este caso al mar.

https://www.youtube.com/watch?v=TfwIkXpNYUI

En definitiva, sobrevivir a la caída de un rayo estando cerca, es muy aleatorio.
La corriente de paso nunca debe tomarse a la ligera. Gracias a esta particularidad de la electricidad, no es bueno estar cerca de los árboles, pararrayos, o cualquier cosa que pueda atraer los rayos. Recuerden que, los rayos no son de ir a lo profundo, sino más bien correr por la superficie de la tierra y agua.