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LAS TORMENTAS Y EL PRINCIPIO DEL PARARRAYOS
Si se ha entendido bien los mecanismos de descarga y el apantallamiento dieléctrico,
comprender cómo podemos proteger los sistemas eléctricos, y nosotros mismos, de las
descargas eléctricas de descargas es fácil. La descarga de arco más potente la producen
los relámpagos. Los relámpagos son producidos por descargas entre una diferencia de
potencial electrostático existente entre la tierra y la base de una nube. Esta diferencia de
potencial puede llegar hasta 108 V.
Empezaremos describiendo algunos de los fenómenos eléctricos que se producen en
nuestro entorno. La superficie de la Tierra, normalmente referida como tierra (ground)
tiene una densidad superficial carga negativa. Esta carga superficial es inducida por el
campo eléctrico que existe entre la parte superior de la atmósfera y la superficie
terrestre. La d.d.p. entre la parte superior de la atmósfera (aproximadamente 60×103m) y
la superficie terrestre es de unos 4×105 V, lo que implica un campo eléctrico de unos 100
V/m en las proximidades de la superficie terrestre. Observad la figura las líneas de
campo y las superficies equipotenciales.
+200 V
E
+100 V
0V
TIERRA
Si nosotros no recibimos una descarga es porque nuestro cuerpo es relativamente un
buen conductor. Observad la figura donde se muestra la distribución de líneas de campo
y superficies equipotenciales en las proximidades de torre metálica de un tendido
eléctrico o de una antena. Ésta se encuentra a potencial 0 V y con una carga negativa. El
cuerpo humano se comporta de igual forma.
E
+200 V
+100 V
0V
TIERRA
No se va ha entrar en el origen de la d.d.p. entre la parte superior de la atmósfera y la
superficie terrestre.
Cuando se forma una nube de tormenta, la carga eléctrica negativa que se forma en
su base llega a ser tan grande que puede originar una d.d.p. respecto tierra
aproximadamente 100×106 V. Considerando que la distancia entre la base de la nube y
tierra es de unos 2000 m, el campo eléctrico por bajo de la nube será muchísimo mayor
que los 100 V/m que en condiciones normales se tendría sobre la superficie terrestre, del
orden de varios miles de V/m. La gran carga negativa de la base de la nube origina una
cantidad semejante de carga positiva sobre la superficie terrestre directamente debajo de
la nube. El aire bajo las condiciones atmosféricas de una tormenta es menos aislante
debido a la presencia de una alta concentración de iones y su ruptura dieléctrica se
produce para valores de E mucho más bajos que en condiciones normales. Bajo estas
condiciones, se puede comprender que se establezca las condiciones necesarias para
generarse un arco de descarga entre la base de la nube y un punto de la superficie
terrestre donde se concentren una alta concentración de cargas inducidas que descargaría
la carga negativa de la nube hacia tierra.
Nube
Carga positiva inducida
por la nube
TIERRA
El mecanismo que da origen al rayo es bastante complejo. En las tormentas los
relámpagos son producidos por las descargas entre nubes y entre las nubes y tierra. La
descarga se inicia en la nube propagándose a tierra buscando el trayecto por donde se
ioniza más fácilmente las moléculas de aire o por donde hay más concentración de iones.
Por eso al aproximarse a tierra la descarga va hacia los puntos más altos y puntiagudos.
La razón es que, además de ser el camino más corto. en sus proximidades el campo
eléctrico es más intenso debido a la acumulación de cargas.
La mejor protección de una estructura contra los rayos sería una envoltura metálica
conectada a tierra. Si un rayo cae sobre esta protección, la carga que transporta va a
tierra sin pasar al interior. Este sistema no es práctico, y por eso se usa el pararrayos
situado en la parte superior de la estructura conectado a tierra por medio de una barra o
un cable suficientemente grueso que permita el paso de una corriente que puede llegar a
ser tan alta como 20×103 A. La punta del pararrayos atraerá al rayo ya que éste tiende a
dirigirse hacia los objetos más altos en el horizonte, tal como se ha comentado
anteriormente. Además, los extremos de los pararrayos solían llevar una fuente
radiactiva cuya función era producir una alta concentración de carga eléctrica en sus
proximidades al ionizar las moléculas de aire mediante la radiación de alta energía que
emite. Por razones de seguridad esta práctica está en desuso ya que la vida media de
estas fuentes es de miles de años, y además para ser efectiva debían ser bastantes
intensas.
Las pruebas experimentales demuestran que un pararrayos proporciona protección a
todo el espacio contenido en el cono con vértice en el extremo superior del pararrayos y
radio de su base igual a su altura.
h
h
Cono de protección de un
pararrayos