Rayos, relámpago y trueno G12 NL 18

FISICA Y LOS FENOMENOS ELECTROMAGNÉTICOS EN LA NATURALEZA
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Fenómenos electrostáticos en la atmósfera.
Los rayos, relámpagos y los truenos.
Germán Darío Martínez Carvajal (244649)
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Junio de 2010
Los relámpagos son descargas eléctricas que se producen por la acumulación de cargas en distintas zonas de la atmósfera, descargas
que se generan en función de una diferencia de potencial eléctrico muy grande que se debe a la misma separación de cargas. La
conducción de los relámpagos tiene muchos misterios aun sin resolver, puesto que se sigue estudiando la influencia de la presión, la
temperatura, en incluso variables como posibles caminos que dejen abiertos muchas partículas cósmicas que intersecan la atmósfera
de la tierra y que pueden ayudar a que la descarga se dé. Las manifestaciones del rayo que comúnmente se asocian e incluso se
confunden con él mismo, las cuales son el relámpago y el trueno, sin embargo con un poco del conocimiento de las leyes de Coulomb,
Ohm y los principios de la electricidad propuestos por Franklin podemos caracterizar por separado y parcialmente estos fenómenos
tan bellos y poderosos y distinguirlos muy bien entre sí de sus manifestaciones.
Índice de Términos—Carga, transferencia de carga, electrón, protón, neutrón, ley de Coulomb, ley de Ohm, electrización por
conducción e inducción.
I. INTRODUCCIÓN
D
han
sido observados con mucho interés. Probablemente el
ejemplo más citado de la observación de la electricidad como
fenómeno es el de la atracción que presentaba una barra de
ámbar cuando se frotaba a pequeños objetos como pajitas o
plumas. Siempre el interés por este tipo de fenómenos
empieza a crecer cuando estos se perciben continuamente en la
naturaleza, e incluso es sorprendente ver, que tarden varios
siglos para esperar que un fenómeno de pueda ser más o
menos caracterizado.
ESDE LA ANTIGÜEDAD LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS
Aproximadamente en la primera mitad del siglo XVIII,
científicos como Benjamín Franklin empezaron a notar la
semejanza que parecía tener los efectos de la electricidad que
se podía manejar en un laboratorio, con los efectos de
fenómenos como el rayo. Por ejemplo ser capaces de destruir
elementos malos conductores, de encender en llamas una
sustancia combustible como el alcohol, en algunas ocasiones
de fundir y volatilizar los metales, y en el peor de los casos
tener consecuencias letales sobre los seres vivos cuando se
expone sin la debida protección a alguno de estos fenómenos.
[1]
Todas las semejanzas anteriores hicieron que Franklin
comenzará el camino de investigación del rayo como un
fenómeno eléctrico, como fluido eléctrico, así como le
llamaba en su época. Junto con la aparición de la teoría de la
discontinuidad de la materia y el estudio de la posible
composición del átomo como un conjunto de partículas
cargadas eléctricamente [2] el estudio de la electricidad en la
atmósfera creció vastamente.
Hoy en día se sabe que la atmósfera comprende la masa de
aire que se encuentra por rodeando la corteza terrestre cuya
composición cualitativa consta principalmente de los gases
oxígeno y nitrógeno y vapor de agua y que cuantitativamente
tal composición varía con la altura con respecto al nivel del
mar. Pues bien, la relación entre la corteza terrestre, la
atmosfera, los gases que la conforman y la composición del
átomo se convierten en los elementos primordiales para
entender los fenómenos eléctricos atmosféricos.
II. LA ELECTRICIDAD EN EL AIRE Y LA FORMACIÓN DE LOS
RAYOS
EL AIRE SE COMPONE DE DISTINTOS GASES como el nitrógeno
oxígeno y vapor de agua, y en la atmosfera este sistema no se
comporta para nada de manera estable. La atmosfera está
continuamente expuesta a distintos factores que afectan las
mismas propiedades de los gases, comenzando por el sol que
influye en la temperatura del sistema, el viento solar que
puede ionizar las moléculas de gas en la misma atmosfera, los
gases producidos por la actividad volcánica, por las industrias
humanas, hasta la corteza terrestre y el océano que interactúan
eléctricamente con el aire.
La formación de rayos, y relámpagos depende de todas
estas propiedades. El aire en la atmósfera se puede electrizar.
Normalmente el aire se encuentra cargado positivamente [1]
aunque también se puede encontrar cargado negativamente, tal
cual se encuentra la tierra. Cuando en un sistema se pueden
separar cargas con un gradiente muy grande, el sistema tiene a
adquirir un equilibrio electrostático. Los trabajos de charles
Coulomb, un físico francés, perfectamente nos pueden
fundamentar este fenómeno; entre cualquier conjunto de
partículas que se encuentre en un estado con carga neta, se
genera una fuerza de atracción o de repulsión que depende de
la magnitud de las cargas, su signo y la distancia que las
separe. Los trabajos de Franklin además de antemano nos
aseguran que mientras la carga de las partículas de diferente,
existirá una fuerza de atracción. Si cargas diferentes se pueden
acumular en dos puntos de la atmosfera o entre la atmosfera y
la corteza terrestre, la fuerza de atracción entre cargas
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permitirá que se produzca una descarga que ayude a alcanzar
un equilibrio electrostático, es decir una compensación de
cargas. En término químicos, esto se conoce como una
disipación del gradiente de potencial eléctrico en distintos
lugares. El equilibrio siempre es el estado al cual la naturaleza
siempre tiende.
La composición de la atmosfera en gases neutros como N 2,
O2, CO2 y H2O(g), [3] no hace pensar que ella se pueda cargar,
sin embargo la situación es completamente diferente. La
atmosfera se puede cargar por diferentes causas. El primer
caso, la evaporación del agua que lleva consigo iones
positivos de sales o sustancias alcalinas. En el segundo caso
cuando existe esta electrificación positiva, una masa de agua
en una nube puede electrificar negativamente otra nube de tipo
neblina por inducción, ya que la neblina repele sus cargas
negativas hacia el suelo (cargado negativamente) inducida por
la nube cargada positivamente. [1] Un tercer caso, puede
constituir el efecto del viento solar en la atmósfera que puede
ionizar los gases que se generar, y cuarto tiene que ver con el
movimiento de las corrientes de aire en la atmosfera que
puede generar una electrización en las partículas suspendidas
en la misma.
2
de dipolo positivo, donde la nube está cargada negativamente
abajo y positivamente arriba.
Otros científicos afirman que la nube se carga de manera
contraria, y para terminar otros estudios proponen que la
estructura básica de las nubes tormentosas no es dipolar, sino
tripolar: hay una región principal de carga negativa en el
centro, con una región de carga positiva encima de ella y una
segunda región, menor, de carga positiva debajo de aquélla.
[4].
Lo importante es que constantemente en la atmósfera los
vientos, la fricción y la ionización constantemente están
generando sitios donde se acumulan cargas de distinto signo.
En particular la fricción, puesto que pone en intimo contacto
las moléculas de distintas clases de materia, que dependiendo
de los elementos que la conformen puede ser más o menos
electronegativa y en consecuencia ser naturalmente más afín a
retener los electrones en su espacio.
Este último caso es muy complejo, y se han propuesto
bastantes teorías sobre la electrización de una masa de aire o
de una nube cuando hay corrientes de aire.
Una es la hipótesis de la precipitación, que supone que las
gotas de lluvia, y las partículas de granizo en una tormenta
son atraídas hacia abajo por la gravedad a través del aire,
dejando atrás gotas de agua de menor tamaño, y que las
colisiones entre las grandes partículas de precipitación y la
neblina de gotitas de agua y cristales de hielo, al parecer,
cargan negativamente las partículas de precipitación; además
por conservación de la carga total, la neblina se carga
positivamente. De aquí que, si las partículas de precipitación
se cargan negativamente, la parte más baja de la nube irá
acumulando carga negativa y la parte superior carga positiva.
[4]
La separación de cargas en la atmósfera o la acumulación
de cargas positivas en la atmosfera y su interacción con la
carga negativa de la corteza terrestre teniendo un medio
dieléctrico como normalmente lo es el aire, es análogo a
pensar que todo ese sistema es un circuito que tiene una
diferencia de potencial determinada por la separación de
cargas y un medio de conducción que presenta una resistencia.
El resultado en ambos casos es una corriente que intenta
reducir la diferencia de potencial eléctrico a 0, que representa
el equilibrio de cargas entre la misma atmosfera o entre la
atmosfera y la corteza terrestre por medio del rayo. El
fenómeno también se puede explicar apelando al fundamento
teórico de la ley de Ohm. Tal separación de cargas también se
puede semejar a la presencia de dos placas cargadas en un
capacitor, cuando las placas se encuentran saturadas, una
descarga se produce liberando la energía almacenada en el
capacitor, que análogamente sería la energía que las cargas en
la atmosfera adquieren por situarse en un lugar donde exista
una diferencia de potencial tan grande.
Otra es la hipótesis del modelo de convección. Esta supone
que las cargas eléctricas de la nube proceden, inicialmente de
los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos (ej. Viento solar)
inciden sobre las moléculas del aire por encima de la nube y
las ionizan haciendo que liberen electrones. Por otro lado,
supone que la tierra produce una descarga iones positivos. El
aire caliente los transporta hacia arriba; este asciende por
convección y una vez han alcanzado las regiones superiores de
la nube, esos iones positivos atraen a los negativos que los
rayos cósmicos habían formado encima de la nube. Los iones
negativos penetran en la nube y se unen rápidamente a gotitas
de agua o cristales de hielo, creando así una capa cargada
negativamente. Además existen otras corrientes de aire
descendentes en la periferia de la nube transportan las
partículas cargadas negativamente de la capa negativa hacia
abajo; el resultado vuelve a ser la formación de una estructura
La forma como se produce la descarga eléctrica o rayo no
se encuentra completamente caracterizada aun. Puede que la
descarga se produzca porque la tensión generada en distintos
puntos sea tan alta que polarice las moléculas de aire
permitiendo que los electrones fluyan de la tierra a la nube, o
de nube a nube. Sin embargo la tensión necesaria para que la
corriente se desplace por medio del aire una distancia de casi 7
km (si el rayo se produce en la tropósfera) sería demasiado
grande. Se sabe que la diferencia de tensión o potencial
eléctrico que se produce es de 100 a 1000 MV [5]. Mucha más
diferencia se necesitaría para que el fenómeno se produzca por
una distancia tan prolongada. Por eso además se especula que
partículas cósmicas que intersecan la atmósfera de la tierra, al
dejar un vació al llegar a la corteza terrestre puedan dejar un
camino medio formado para que exista una descarga de la
corriente.
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III. EL RAYO, EL RELÁMPAGO Y EL TRUENO
ES IMPORTANTE HACER UNA DIFERENCIACIÓN de conceptos;
los rayos son la descarga eléctrica que se produce por una
descompensación de cargas, el relámpago es un efecto
lumínico de la descarga y el trueno es el efecto sonoro
producido adicionalmente también por la descarga
Cuando la descarga se produce libera una cantidad de
energía tan impresionante que al ionizar el aire, permite la
conducción eléctrica y que sus molecular se calienten a
diferencias de temperatura de más de 100 °C, por lo cual las
moléculas del gas empiezan a brillar. Dependiendo de la
naturaleza del gas el color del rayo es diferente, existen
muchos tipos de rayo, no solo aquellos que van de tierra a
nube sino dentro de una nube, o entre nubes, algunos rayos
invisibles al ojo humano, pueden ser detectados con cámaras
de alta velocidad que tiene color rojo por la excitación de
moléculas de nitrógeno neutras o verdes por la excitación de
moléculas de nitrógeno ionizado. Tal destello lumínico que se
produce cuando el gas libera la energía dada por el rayo en
forma de luz es el relámpago.
Por otro lado el cambio de temperatura tan alto, provoca
una expansión del gas alrededor del rayo rápidamente y esto
genera una onda sonora que en principio de transporta de
forma explosiva, a velocidades mayores que las del sonido,
pero que después disminuye a tal velocidad. Tal ruido es lo
que llamamos trueno. La diferencia en tiempo que presentan el
trueno y el relámpago se puede explicar por medio de las
propiedades electromagnéticas de las ondas de luz. La luz se
propaga a una velocidad cercana a una constante de 3 E 8 m/s,
mientras que el sonido lo hace a una velocidad de 340 m/s, a
temperatura ambiente, por tal razón siempre existirá un
desfase entre el relámpago y el trueno siempre que el trueno
no se disipe antes de llegar al sitio desde donde se ve el
relámpago.
La formación de los rayos es uno de los muchos fenómenos
que se fundamentan en las propiedades eléctricas de la
materia. Influyen en el manejo de sistemas eléctricos de los
paisajes artificiales, y pueden ser tan poderosos que en una
tormenta son capaces de alterar el sistema de iluminación y
distribución de energía eléctrica en una ciudad. Aún así los
rayos también presentan beneficios ambientales. Ayudan a
formar ozono en la estratosfera a partir de oxigeno y
electricidad. Un relámpago permanente en la región de
Catatumbo en Venezuela es un ejemplo muy elegante de lo
fascinante que son los rayos como fenómenos eléctricos e
incluso constituye la mayor fábrica de ozono de la tierra en
este momento. Aún así no es capaz de contrarrestar el
deterioro que la industria ha generado sobre la capa de ozono.
[6]
Es satisfactorio conocer un poco sobre la fundamentación
de estos fenómenos por medio de las teorías química y física
3
de la composición de la materia y de la física de los
fenómenos electrostáticos. En un futuro el aprovechamiento
de la energía que libera este tipo de fenómenos puede ser
bastante prometedor, pero por el momento, comparados con el
poder que representa una de estas descargas es mejor seguir
apelando al dicho común: ¡que un mal rayo no nos parta!
IV. BIBLIOGRAFÍA
[1] Pinaud, M. (1847). Programa de un curso elemental de
física. Cáceres: Imprenta de Concha y Compañía.
[2] TIPLER, P. A. (2000). FÍSICA PARA LA CIENCIA Y
LA TECNOLOGÍA (Vol. 2. Electricidad y magnetismo. Luz.
Física moderna). Barcelona. Bogotá. Buenos Aires. Caracas.
México: Reverté S.A.
[3] Electrónico, L. (n.d.). Atmósfera. Ciencias de la tierra y
del medio ambiente. Retrieved Mayo 20, 2010, from
http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/03Atm
Hidr/110Atmosf.htm
[4] Anuncios Google. (n.d.). Electrotécnia - Industria Sobretensiones en líneas de transmisión eléctrica. Retrieved
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http://www.sapiensman.com/sobretensiones/sobretensiones1.h
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[5] Física, La. Web. (n.d.). Electrificación en tormentas.
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http://www.lawebdefisica.com/trabajos/tormentas/
[6] Nelson Falcón, Williams Pitter, Angel Muñoz, Tito Barros,
Ángel Viloria y Día Nader. Modelo electro atmosférico sobre
el relámpago en el río Catatumbo. Universidad de Carabobo
2001.