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CARGAS ELÉCTRICAS DE FENÓMENOS NATURALES (RAYOS)
Mario Remolina (234461)
Universidad Nacional de Colombia.
Resumen
Los fenómenos eléctricos naturales en han sido objeto de estudio durante mucho tiempo, uno de ellos es la
formación de rayos. Esta formación de descargas fue evaluada por grandes científicos como Franklin, Faraday,
Oersted entre otros pero desafortunadamente más o menos hasta 1920 se intensifica la búsqueda de incógnitas
como el campo de las nubes, su corriente entre capas y las posibles hipótesis de estas descargas naturales.
Palabras claves: fenómenos naturales, modelo de precipitación, modelo de convección, estructura bipolar, estructura
tripolar, temperaturas, campos eléctricos.
o masas al interior del mismo se muevan (la gravedad atrae
a la masa y la naturaleza de las cargas repelen o atraen), lo
cual demuestra que hay que hacer varias observaciones en
lugares distintos para sí tener una conclusión única.
Introducción
En el año de 1747, Benjamin Franklin se dedicó de lleno a
la electrostática o mejor aun a los fenómenos eléctricos.
Gracias a la observación de los rayos, en 1752 realiza un
famoso experimento. Ató una cometa (con base estructural
metálica) a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una
llave también metálica. Franklin hizo volar dicha cometa en
un día de tormenta, y confirmó que la llave adquiría una
carga eléctrica. De este modo mostró que las nubes poseen
una carga y que los rayos son descargas de estas. El
experimento de Franklin no era del todo perfecto, no daba
con el signo de la carga lo cual generaba incertidumbre.
Después de casi dos siglos de dicho experimento los
investigadores ingleses C.T.R Wilson y George C. Simpson
realizaron una investigación sobre la distribución de carga de
una nube tormentosa lo cual aclararía más el fenómeno en
cuestión.
Marco teórico
Modelos de estructura bipolar de las nubes
Para explicar los modelos bipolares expuestos por Simpson
y Wilson se propusieron dos modelos diferentes, el de
precipitación y el de convección.
El primero, es muy similar a un aspersor de flores, las gotas
grandes caen con mayor rapidez mientras que la neblina de
agua se demora en bajar y es arrastrada por el viento. El
modelo de precipitación supone que las gotas de lluvia y el
granizo son atraídas por la gravedad a través del aire,
dejando en suspensión gotas menores y cristales de hielo.
Las colisiones entre las grandes partículas de precipitación y
la neblina de agua hacen la aparición de una carga negativa
en las primeras. Este análisis hace presumir que la nube se
asemeja a un dipolo positivo (la parte más baja de la nube
acumula carga negativa).
Si bien en dicho periodo hubo muchos investigadores como
Faraday, Maxwell, Oersted, entre otros que dieron grandes
aportes a teorías electrostáticas y magnéticas, no se sabía
mucho sobre los fenómenos eléctricos naturales como la
corriente de las nubes, sus campos electrostáticos, el
incremento de la conductividad del aire con la altura respecto
a la tierra y en general sobre la física relacionada con los
rayos.
El modelo de convección se vasa en el funcionamiento de
un generador de Van der Graff. Este modelo supone que la
carga eléctrica proviene de dos fuentes, los rayos cósmicos y
de un campo eléctrico fuerte. Los rayos cósmicos inciden
sobre las moléculas de aire por encima de la nube y lo ionizan.
La segunda fuente proviene de un campo eléctrico intenso
producido por los objetos puntiagudos sobre la Tierra, esto
produce la alta tensión de iones positivos.
Wilson fue el primero en realizar mediciones de campo
eléctrico y tras efectuar varias observaciones, concluyó que
la nube posee una estructura de dipolo positivo. Por su parte
Simpson, quien también por esa época realizaba
experimentos sobre la carga de la lluvia de nubes
tormentosas, llegó a la conclusión contraria.
El aire caliente transporta a los iones hacia arriba por
convección y actúa como la cinta del generador de Van der
Graff.
Una vez han alcanzado las regiones superiores de la nube,
esos iones positivos atraen a los negativos que los rayos
Para llegar a una conclusión de que dichos experimentos no
son erróneos, hay que notar que un campo eléctrico es como
un campo gravitatorio, ambos campos hacen que las cargas
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cósmicos habían formado por encima de la nube de tormenta.
Los iones negativos penetran en la nube y se unen
rápidamente a gotitas de agua o cristales de hielo, creando una
“capa pantalla” cargada negativamente. Por hipótesis, las
corrientes de aire descendentes en la periferia de la nube
transportan, entonces, las partículas cargadas negativamente
de la capa protectora hacia abajo; el resultado vuelve a ser la
formación de una estructura de dipolo positivo.
Por debajo de una temperatura crítica, llamada temperatura de
inversión de carga, las partículas se cargan negativamente; a
temperaturas más altas se cargan positivamente. El valor de la
temperatura de inversión de carga está, según los estudios de
laboratorio, entre – 20 y –10 grados Celsius.
La hipótesis de la inversión de carga explica porque las cargas
negativas se encuentran con menos frecuencia por debajo de
una altura, donde la temperatura es de unos – 150 Celsius: las
partículas de granizo se cargan positivamente al caer a través
de los cristales de hielo suspendidos y al colisionar con ellos.
Estas cargas positivas que caen forman la región inferior
positiva del tripolo.
Otras mediciones en aviones, con conductores, demostraron
que el campo eléctrico de las nubes era muy pequeño para
iniciar una descarga de semejantes magnitudes como lo es un
rayo, por lo cual los modelos anteriores, en especial el de
convección perdieron credibilidad y tuvieron que ser
replanteados por los científicos.
Categorías de un rayo
Berger fue el primero en plantear 4 tipos de rayos en términos
de la dirección del movimiento entre nube y tierra:
ascendente o descendente y en términos del signo de la carga
del líder que inicia la descarga: positivo o negativo.
Estructura tripolar de la nube de tormenta
Después de las investigaciones de Wilson y Simpson, los
científicos Malan , Schonland y Kasemir establecieron que la
estructura básica de las nubes de tormenta no es bipolar sino
tripolar. Hay una región de carga negativa N en el centro, con
una región de carga positiva P encima de ella y una segunda
región, menor, de carga positiva p debajo de aquélla.
Categorías del rayo según Berger
La categoría 1 (rayos negativos nube-tierra) es el más común.
Los tipos de descarga 1 y 3 son los que más se han estudiado
en el mundo, debido a su interés práctico: causa de daños en
bienes y equipos electrónicos, muertes, perturbaciones en los
sistemas de potencia eléctrica y comunicaciones, incendios
forestales.
Estructura tripolar de una nube de tormenta
Una de las características más influyentes en estas
investigaciones es la relación que hay entre las cargas y la
temperatura.
Las cargas negativas de las nubes se hayan a una altura de 6
Km y su temperatura es de aproximadamente -15 ºC. Los
campos eléctricos más intensos de la nube de tormenta se
encuentran en las fronteras superior e inferior de la capa
principal de carga negativa.
Proceso de formación de un rayo
La mayoría de los rayos nube-tierra se inician por el fuerte
campo eléctrico que existe en la carga positiva p situada
debajo de la nube y la carga negativa N de la base de la nube.
Una vez que la nube de tormenta se ha cargado hasta el punto
en que el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local
de la atmósfera, es decir, la capacidad de la atmósfera de
mantener una separación de cargas eléctricas, el resultado es
la iniciación de una descarga eléctrica atmosférica o rayo.
Los estudios de laboratorio realizados más recientemente por
muchos investigadores han mostrado que, cuando las
partículas de granizo chocan con los cristales de hielo, la
polaridad de la carga depende notablemente de la temperatura.
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El campo eléctrico, en ése instante, es del orden de un millón
de voltios por metro. En menos de un segundo, el rayo
transportará la carga correspondiente a 1020 electrones y
proporcionará una potencia eléctrica equivalente a 100
millones de bombillas de alumbrado residencial. Durante esa
fracción de segundo, la energía electrostática de la carga
acumulada pasa a energía electromagnética, energía acústica
y, finalmente, calor.
Referencias
SERWAY, Raymond A. BEICHNER, Robert J. Física para
Ciencias e Ingeniería. Editorial McGraw–Hill. Tomo II,
quinta edición. 2002.
H. Torres “El Rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”
Bogotá, UNIBIBLOS, 2002, 410p. ISBN 958-701-213-5
Torres, H. Castaño, O. “El Rayo”, Ed. Icontec, Santa Fe de
Bogotá, 1994
http://es.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin
Utilizada a las 8:20 del día 25 de Mayo del 2010
http://www.taringa.net/posts/offtopic/112380/Rayos-yrel%C3%A1mpagos,-alto-voltaje-en-lanaturaleza.html
Utilizada a las 8:25 del día 25 de Mayo del 2010
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