¿Qué es un rayo y cómo se produce?

El origen de las nubes tormentosas

La niebla que se eleva por encima del suelo se compone de partículas de agua y forma nubes. Las nubes más grandes y pesadas se llaman cúmulos. Algunas nubes son simples: no provocan relámpagos ni truenos. Otros se llaman tormentas eléctricas porque crean una tormenta eléctrica, forman relámpagos y truenos. Las nubes de tormenta se diferencian de las nubes de lluvia ordinarias en que están cargadas de electricidad: algunas son positivas, otras negativas.

¿Cómo se forman las nubes de tormenta? Todo el mundo sabe lo fuerte que es el viento durante una tormenta eléctrica. Pero vórtices de aire aún más fuertes se forman más arriba del suelo, donde los bosques y las montañas no impiden el movimiento del aire. Este viento genera principalmente electricidad positiva y negativa en las nubes.

Hay electricidad positiva en el centro de cada gota y una cantidad igual de electricidad negativa se encuentra a lo largo de la superficie de la gota. Las gotas de lluvia que caen son atrapadas por el viento y caen en las corrientes de aire. El viento, golpeando la gota con fuerza, la rompe en pedazos.En este caso, las partículas exteriores desprendidas de la gota se cargan con electricidad negativa.

La parte restante más grande y más pesada de la gota se carga con electricidad positiva. La parte de la nube donde se acumulan las gotas pesadas está cargada de electricidad positiva. La lluvia que cae de la nube transfiere parte de la electricidad de la nube al suelo y, por lo tanto, se crea una atracción eléctrica entre la nube y el suelo.

En la Fig. 1 muestra la distribución de electricidad en una nube y en la superficie de la tierra. Si una nube está cargada con electricidad negativa, entonces, al esforzarse por atraerla, la electricidad positiva de la tierra se distribuirá sobre la superficie de todos los objetos elevados que conducen corriente eléctrica. Cuanto más alto esté el objeto en el suelo, menor será la distancia entre la parte superior e inferior de la nube y menor será la capa de aire que queda aquí, emitiendo la electricidad opuesta. Es obvio que los rayos penetran más fácilmente en el suelo en tales lugares. Te contamos más sobre esto más adelante.

Arroz. 1. Distribución de electricidad en una nube de tormenta y objetos terrestres

¿Qué causa los rayos?

Al acercarse a un árbol alto oa una casa, una nube de tormenta cargada de electricidad actúa sobre él. En la Fig. 1 nube cargada con electricidad negativa atrae electricidad positiva al techo, y la electricidad negativa de la casa irá al suelo.

Tanto la electricidad, en la nube como en el techo de la casa, tienden a atraerse entre sí. Si hay mucha electricidad en la nube, entonces se forma mucha electricidad en la casa a través de la influencia.

Así como el agua entrante puede erosionar una presa y precipitarse en un torrente, inundando un valle en su movimiento sin restricciones, así la electricidad, que se acumula cada vez más en una nube, puede finalmente atravesar la capa de aire que la separa de la superficie de la tierra y precipitarse. a la tierra, a la electricidad opuesta. Se producirá una fuerte descarga: una chispa eléctrica se deslizará entre la nube y la casa.

Este es el relámpago que golpea la casa. Las descargas de rayos pueden ocurrir no solo entre una nube y el suelo, sino también entre dos nubes cargadas con diferentes tipos de electricidad.

Cuanto más fuerte es el viento, más rápido se carga la nube con electricidad. El viento gasta una cierta cantidad de trabajo, que se dedica a separar la electricidad positiva y negativa.

¿Cómo se desarrolla el rayo?

La mayoría de las veces, los rayos que golpean el suelo provienen de nubes cargadas con electricidad negativa. Los relámpagos que caen de tal nube se desarrollan de esta manera.

Primero, pequeñas cantidades de electrones comienzan a fluir desde la nube hacia el suelo, en un estrecho canal, formando una especie de corriente en el aire.

En la Fig. 2 muestra este inicio de formación de rayos. En la parte de la nube donde comienza a formarse el canal, se han acumulado electrones que poseen una alta velocidad de movimiento, por lo que, al chocar con los átomos de aire, los rompen en núcleos y electrones.

Arroz. 2. Comienza a formarse un rayo en una nube

Los electrones liberados en este caso también se precipitan hacia el suelo y, chocando de nuevo con los átomos del aire, los separan.Es como la nieve que cae en las montañas, cuando al principio un pequeño bulto, rodando hacia abajo, crece cubierto de copos de nieve adheridos a él y, acelerando su vuelo, se convierte en una gran avalancha.

Y aquí la avalancha de electrones captura nuevos volúmenes de aire, dividiendo sus átomos en pedazos. En este caso, el aire se calienta y, a medida que aumenta la temperatura, aumenta su conductividad. Pasa de ser un aislante a un conductor. A través del canal de aire conductor resultante de la nube, la electricidad comienza a drenarse cada vez más. La electricidad se acerca a la tierra a una velocidad tremenda, alcanzando los 100 kilómetros por segundo.

En centésimas de segundo, la avalancha de electrones llega al suelo. Esto termina solo la primera parte, por así decirlo, "preparatoria" del relámpago: el relámpago ha llegado al suelo. La segunda parte principal del desarrollo de Lightning aún está por llegar. La parte considerada de la formación del rayo se llama conductor. Esta palabra extranjera significa "líder" en ruso. El guía dio paso a la segunda parte más poderosa del relámpago; esta parte se llama la parte principal. Tan pronto como el canal llega al suelo, la electricidad comienza a fluir a través de él con mucha más violencia y rapidez.

Ahora hay una conexión entre la electricidad negativa acumulada en el canal y la electricidad positiva que ha caído al suelo con las gotas de lluvia, y por acción eléctrica hay una descarga de electricidad entre la nube y el suelo. Tal descarga es una corriente eléctrica de enorme fuerza, esta fuerza es mucho mayor que la fuerza de la corriente en una red eléctrica convencional.

La corriente que fluye en el canal aumenta muy rápidamente y, después de alcanzar la fuerza máxima, comienza a disminuir gradualmente.El canal del rayo a través del cual fluye una corriente tan fuerte se calienta mucho y, por lo tanto, brilla intensamente. Pero el tiempo de flujo de corriente en la descarga de un rayo es muy corto. La descarga dura fracciones de segundo muy pequeñas y por lo tanto la energía eléctrica producida durante la descarga es relativamente pequeña.

En la Fig. 3 muestra el movimiento gradual del pararrayos hacia el suelo (primeras tres cifras a la izquierda).

Arroz. 3. Desarrollo gradual del pararrayos (tres primeras figuras) y su parte principal (tres últimas figuras).

Las últimas tres figuras muestran momentos separados de la formación de la segunda parte (principal) del rayo. Una persona que mira el flash, por supuesto, no podría distinguir su guía de la parte principal, ya que se siguen extremadamente rápido, en el mismo camino.

Después de conectar dos tipos diferentes de electricidad, la corriente se interrumpe. Por lo general, el relámpago no se detiene allí. A menudo, un nuevo líder corre inmediatamente por el camino abierto por el primer lanzamiento, y detrás de él, en el mismo camino, está nuevamente la parte del ojo del lanzamiento. Esto completa la segunda descarga.

Puede haber hasta 50 categorías separadas de este tipo, cada una de las cuales consta de su propio líder y cuerpo principal. La mayoría de las veces hay 2-3 de ellos. La aparición de descargas separadas hace que los rayos sean intermitentes y, a menudo, una persona que mira los rayos los ve parpadear. Esto es lo que hace que el flash parpadee.

El tiempo entre la formación de descargas separadas es muy corto. No supera las centésimas de segundo.Si el número de descargas es muy grande, la duración del rayo puede alcanzar un segundo entero o incluso varios segundos.

Hemos considerado solo un tipo de rayo, que es el más común.Este relámpago se llama relámpago lineal porque a simple vista parece una línea, una banda estrecha y brillante de color blanco, azul claro o rosa brillante.

Los rayos lineales tienen una longitud de cientos de metros a muchos kilómetros. El camino del rayo suele ser en zigzag. El relámpago a menudo tiene muchas ramas. Como ya se mencionó, las descargas de rayos lineales pueden ocurrir no solo entre la nube y el suelo, sino también entre las nubes.

Iluminación del salón

Además de los lineales, existen, sin embargo, con mucha menos frecuencia otros tipos de rayos. Examinaremos uno de ellos, el más interesante: el relámpago esférico.

A veces hay descargas de rayos que son bolas de fuego. Aún no se ha estudiado cómo se forma el rayo en bola, pero las observaciones disponibles de este interesante tipo de descarga de rayo nos permiten sacar algunas conclusiones.

La mayoría de las veces, el rayo en bola tiene forma de sandía o pera. Tiene una duración relativamente larga, desde una fracción de segundo hasta varios minutos.

La duración más común de un rayo esférico es de 3 a 5 segundos. La mayoría de las veces, los relámpagos en bola aparecen al final de una tormenta eléctrica en forma de bolas rojas brillantes con un diámetro de 10 a 20 centímetros. En casos más raros, también es grande. Por ejemplo, se fotografió un rayo con un diámetro de unos 10 metros.

La pelota a veces puede ser cegadoramente blanca y tener contornos muy nítidos. Los relámpagos en bola generalmente emiten un silbido, un zumbido o un silbido.

El rayo en bola puede desvanecerse en silencio, pero puede emitir un leve crujido o incluso una explosión ensordecedora. Cuando desaparece, a menudo deja una niebla de olor acre. Cerca del suelo o en interiores, los rayos en bola se mueven a la velocidad de un hombre que corre, aproximadamente dos metros por segundo.Puede permanecer en reposo por un tiempo, y una bola tan "establecida" silba y arroja chispas hasta que desaparece. A veces, los relámpagos en forma de bola parecen ser impulsados ​​por el viento, pero por lo general su movimiento es independiente del viento.

Los rayos en bola se sienten atraídos por los espacios cerrados, donde penetran a través de ventanas o puertas abiertas y, a veces, incluso a través de pequeñas grietas. Las pipas son una buena manera para ellos; por eso a menudo salen bolas de fuego de los hornos de las cocinas. Después de viajar por la habitación, la bola de luz sale de la habitación, a menudo saliendo por el mismo camino por el que entró.

A veces, el rayo sube y baja dos o tres veces a distancias de unos pocos centímetros a unos pocos metros. Simultáneamente con estos altibajos, la bola de fuego a veces se mueve en dirección horizontal, y luego la bola de rayos parece dar saltos.

A menudo, los rayos en bola se "colocan" en los cables, prefiriendo los puntos más altos, o ruedan a lo largo de los cables, por ejemplo, a lo largo de las tuberías de drenaje. Moviéndose a lo largo de los cuerpos de las personas, a veces debajo de la ropa, las bolas de fuego causan quemaduras graves e incluso la muerte. Hay muchas descripciones de casos de daños fatales a personas y animales por rayos. Los rayos de calor pueden causar daños muy graves a los edificios.

¿Dónde cae el rayo?

Dado que el rayo es una descarga eléctrica a través del espesor del aislante, el aire, ocurre con mayor frecuencia donde la capa de aire entre la nube y cualquier objeto en la superficie de la tierra será más pequeña. Las observaciones directas muestran esto: los rayos tienden a caer sobre campanarios altos, mástiles, árboles y otros objetos altos.

Sin embargo, los rayos se precipitan no solo hacia objetos altos.De dos mástiles contiguos de igual altura, uno de madera y el otro de metal, y situados no muy lejos el uno del otro, el rayo se precipitará sobre el de metal. Esto sucederá por dos razones: primero, el metal conduce la electricidad mucho mejor que la madera, incluso cuando está húmedo. En segundo lugar, el mástil de metal está bien conectado a tierra y la electricidad del suelo puede fluir más libremente al mástil durante el desarrollo del líder.

Esta última circunstancia es muy utilizada para proteger varios edificios de los rayos. Cuanto mayor sea la superficie del mástil metálico en contacto con el suelo, más fácil será que la electricidad de la nube pase al suelo.

Esto se puede comparar con cómo se vierte una corriente de líquido a través de un embudo en una botella. Si la abertura del embudo es lo suficientemente grande, el chorro irá directamente a la botella. Si la abertura del embudo es pequeña, entonces el líquido comenzará a rebosar por el borde del embudo y se derramará sobre el piso.

Los rayos pueden caer incluso en una superficie plana de la tierra, pero al mismo tiempo se precipitan donde la conductividad eléctrica del suelo es mayor. Así, por ejemplo, la arcilla húmeda o el pantano son alcanzados por un rayo antes que la arena seca o el suelo seco y pedregoso. Por la misma razón, los rayos caen en las orillas de los ríos y arroyos, prefiriéndolos a los árboles altos pero secos que se elevan cerca de ellos.

Esta característica de los rayos, de precipitarse hacia cuerpos bien conectados a tierra y bien conductores, se usa ampliamente para implementar varios dispositivos de protección.