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El rayo es una poderosa descarga electrostática

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El rayo es una poderosa descarga electrostática

Mensaje por elita el Mar Abr 19, 2011 7:56 pm

Elita
Abril 2011

El rayo es una poderosa descarga electrostática natural,es plasma, producida durante una tormenta eléctrica; generando un "pulso electromagnético". La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del rayo; es decir, el trueno.
Generalmente, los rayos son producidos por partículas positivas por la tierra y negativas a partir de nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbo alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas, causando un relámpago o rayo. Esto produce un efecto de ida y vuelta; se refiere a que al subir las partículas instantáneamente regresan causando la visión de que los rayos bajan.
La disciplina que, dentro de la meteorología, estudia todo lo relacionado con los rayos se denomina ceraunología.
Formación del rayo

Cómo se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate.[sup][1] Los científicos han estudiado las causas fundamentales, que van desde las perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión) hasta los efectos del viento solar y a la acumulación de partículas solares cargadas.[2] Se cree que el hielo es el elemento clave en el desarrollo, propiciando una separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube.[2]

El rayo también puede producirse dentro de las nubes de cenizas de erupciones volcánicas, o puede ser causado por violentos incendios forestales que generen polvo capaz de crear carga estática.[3] [4]Hipótesis de la inducción electroestática

De acuerdo con la hipótesis de la inducción electrostática, las cargas son impulsadas con procesos que aún son inciertos. La separación de las cargas parece requerir de una fuerte corriente aérea ascendente que lleve las gotas de agua hacia arriba, superenfriandolas entre los -10 y los -20 grados centígrados. Estas colisionan con los cristales de hielo formando una combinación de agua-hielo denominada granizo. Las colisiones producen que una carga ligeramente positiva sea transferida a los cristales de hielo, y una carga ligeramente negativa hacia el granizo. Las corrientes conducen los cristales de hielo menos pesados hacia arriba, causando que en la parte posterior de la nube se acumulen cargas positivas. La gravedad causa que el granizo más pesado con carga negativa caiga hacia el centro y a las partes más bajas de las nubes. La separación de cargas y la acumulación continua hasta que el potencial eléctrico se vuelve suficiente para iniciar una descarga eléctrica, que ocurre cuando la distribución de las cargas positivas y negativas forman un campo eléctrico lo suficientemente fuerte.
Hipótesis del mecanismo de polarización


El mecanismo por el cual la separación de cargas sucede sigue siendo objeto de investigación. Otra hipotesis es el mecanísmo de polarización, que tiene dos componentes: [5]


  1. La caída de las gotas de hielo y agua se vuelven electricamente polarizadas en el momento en que caen a través del campo eléctrico natural de la Tierra;
  2. Las partículas de hielo que chocan se cargan por inducción electroestática (mirar arriba).



Hay varias hipotesis adicionales que explican el origen de la seperación de cargas.[6] [7]

Formación de líderes y el impacto de retorno

En una nube de tormenta, una carga eléctrica igual pero opuesta a la carga de la base de la nube se induce en la tierra por debajo de la nube. El suelo con carga inducida sigue el movimiento de la nube manteniendose por debajo de esta.
La descarga inicial bipolar, o ruta de aire ionizado, empieza con una combinación de agua con carga negativa y una región de hielo en la nube de tormenta. Los canales de descarga ionizados son conocidos como líderes de paso, la mayoría de los líderes
superan los 45 metros de longitud.[8] Los líderes cargados positiva y negativamente avanzan en direcciones opuestas. Los cargados negativamente avanzan hacia abajo en una serie de saltos rápidos (pasos). A medida que continúa el descenso, los líderes de paso pueden ramificarse en varios caminos.[9] La progresión de los líderes de paso toma un tiempo relativamente largo en llegar al suelo (cientos de milisegundos). Esta fase inicial necesita de una relativamente pequeña corriente eléctrica (decenas o cientos de amperios siendo esta casi invisible cuando se compara con el canal de rayos posterior.
Cuando un líder de paso alcanza el suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo mejora la potencia del campo eléctrico. El campo eléctrico es más fuerte en objetos en contacto con el suelo cuyas partes más altas están cercanos a la base de la nube de tormenta, como árboles o edificios altos. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, una descarga electrostática (denominada corriente positiva) puede desarrollarse a partir de estas condiciones. Esta fue teorizada por Heinz Kasemir.[10] [11] A medida que el campo eléctrico aumenta, la corriente positiva puede convertirse en un líder más grande y caliente que el actual y finalmente llegar al líder de paso que desciende desde la nube. Es también posible que muchas corrientes se desarrollen a través de diferentes objetos simultaneamente, con solo uno haciendo contacto con el líder y formando la trayectoria de la descarga principal. Se han tomado fotografías de este proceso aún cuando ambas corrientes no estaban aun conectadas.[12]
Una vez que el canal de aire ionizado se establece entre la nube y el suelo, se convierte en una ruta de menos resistencia eléctrica y permite que una mayor corriente sea propagada desde el suelo para luego regresar al líder de la nube. Este es el impacto de retorno y es el que más intensidad luminosa posee siendo una de las partes más notables de la descarga del rayo.

Impactos del rayo
Tipos de rayos

Algunos rayos presentan características particulares; los científicos y el público en general han dado nombres a estos diferentes tipos de rayos. El rayo que se observa más comúnmente es el rayo streak. Esto no es más que el trazo de retorno, la parte visible del trazo del rayo. La mayoría de los trazos se producen dentro de una nube, por lo que no vemos la mayoría de los trazos individuales de retorno durante una tormenta.

Rayo nube a tierra

Es el más conocido y el segundo tipo más común. De todos los tipos de rayos, éste representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad, puesto que impacta contra la tierra. El rayo nube a tierra es una descarga entre una nube cumulonimbus y la tierra. Comienza con un trazo inicial que se mueve desde la nube hacia abajo.
Rayo perla



El Rayo perla es un tipo de rayo de nube a tierra que parece romper en una cadena de secciones cortas, brillantes, que duran más que una descarga habitual. Es relativamente raro. Se han propuesto varias teorías para explicarlo; una es que el observador ve porciones del final de canal de relámpago, y que estas partes parecen especialmente brillantes. Otra es que, en el rayo cordón, el ancho del canal varía; como el canal de relámpago se enfría y se desvanece, las secciones más amplias se enfrian más lentamente y permanecen aun visibles, pareciendo una cadena de perlas .

Rayo Staccato

Rayo Staccato es un rayo de nube a tierra, con un trazo de corta duración que aparece como un único flash muy brillante y a menudo tiene ramificaciones considerlesab.[15]

Rayo bifurcado

Rayo bifurcado es un nombre, no uso formal, para rayos de nube a tierra que exhiben la ramificación de su ruta.

Rayo tierra a nube
El rayo tierra a nube es una descarga entre la tierra y una nube cumulonimbus, que es iniciado por un trazo inicial ascendente, es mucho más raro que el rayo nube a tierra. Éste tipo de rayo se forma cuando iones cargados negativamente, se elevan desde el suelo y se encuentran con iones cargados positivamente en una nube cumulonimbus. Entonces el rayo vuelve a tierra como trazo de retorno.

Rayo nube a nube

Este tipo de rayos pueden producirse entre las zonas de nube que no esten en contacto con el suelo. Cuando ocurre entre dos nubes separadas; es llamado rayo inter-nube y cuando se produce entre zonas de diferente potencial eléctrico, dentro de una sola nube, se denomina rayo intra-nube. El rayo Intra-nube es el tipo que ocurre con más frecuencia.[16]

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Re: El rayo es una poderosa descarga electrostática

Mensaje por elita el Mar Abr 19, 2011 8:12 pm

Elita
Abril 2011

EFECTOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DE UN RAYO
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello, son causa de interferencias en sistemas electrónicos. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se requiere de las técnicas para señales en altas frecuencias.
A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las puestas a tierra (de unos 1.64 uH/m) presenta un carácter predominantemente inductivo. En conductores de más de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cual impide la conducción de la corriente. Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga.

Efectos producidos por la caída directa de un rayo
Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo, produciéndose importantes incendios.
Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectadoa un equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la caida directa del rayo es la más devastadora, también es la más improbable.
Efectos secundarios producidos por la caída de un rayo
Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación incluye:
La carga electrostática
La célula de tormenta induce una carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. Esta carga estática estará relacionada con la carga de la célula de la tormenta. Por esto se inducirá una diferencia de potencial en la estructura o conductor respecto a tierra que será un posible causante de interferencias. Como consecuencia de la carga electrostática se producen los arcos secundarios que es una de las interferencias más frecuentes.
Los pulsos electromagnéticos
Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente y produce un campo magnético en relación a la misma. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP) dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente, puede también ser muy significativo.
Los pulsos electrostáticos
Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura, sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100 kV y 300 kV con respecto a la tierra.
Las corrientes de tierra
La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo impactó. A este voltaje inducido se le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto. La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:




  • Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o sistemas de tierra.




  • La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de potencial de tierra no uniforme en el sistema de tierra.
El sobrevoltaje transitorio.
Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daños en los equipos o sistemas si no están convenientemente protegidos. La carga electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común.
Como ejemplo tenemos la carga electrostática y los pulsos electromagnéticos que inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Además estos sobrevoltajes pueden llegar por los conductores hacia los equipos o sistemas que estén dentro del área de influencia causando fallos y averías en los mismos si estos no están protegidos contra las sobretensiones.
Debemos tener en cuenta que en un radio de unos 1�5 km desde el punto de impacto de un rayo, las instalaciones electrónicas pueden ser perturbadas y en ocasiones destruidas.
Las formas en que se acoplan las interferencias producidas por el rayo son:


1 Acoplamiento resistivo:
al caer un rayo sobre una construcción o sobre la tierra, se produce una elevación del potencial eléctrico que afecta a las tuberías y a los cables enterrados y viajan a través de ellas hasta penetrar en las edificaciones. Especial riesgo corren, como es de suponer, los cables y tuberías aéreas. Así, un rayo es capaz de inducir corriente de 1�5 kA y 5kV en cables subterráneos, y de 3 kA y 6 kV en cables aéreos.

2 Acoplamiento inductivo:
Las enormes corrientes del rayo al caer a tierra mediante descargadores establecen un camino que genera un campo electromagnético que induce a otros conductores, de fuerza principalmente por que no están apantallados, voltajes destructivos de varios KVs.

3 Acoplamiento capacitivo:
Debido a la naturaleza de alta frecuencia de los rayos se acopla capacitivamente entre arrollamientos de Alta a Baja tensión (transformadores). Provocando fallas en las fuentes de equipos electrónicos que son más sensibles y débiles.
Los efectos secundarios no siempre son fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección convencional o protección primaria no influirá ni reducirá ninguno de los efectos secundarios, sin embargo si que aumenta el riesgo de un evento. Las puntas pararrayos o terminales aéreos atraen el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de la zona de influencia, causando interferencias con los equipos existentes.
Además, la tendencia hacia la microelectrónica, trae como consecuencia que los sistemas electrónicos sean más sensibles a los fenómenos transitorios, por ejemplo, transitorios de menos de 3 V pico o niveles de energía más bajos que 10-7 Julios, pueden dañar o "confundir" esos sistemas y sus componentes.
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