Como el otro día me despertó una tormenta, al levantarme no pude por menos que revisar mis viejos apuntes de electromagnetismo (ajam, cualquier cosa mejor que estudiar lo que realmente tenia que estudiar) para consultar algunos datos y bueno ya que los tengo a mano voy a intentar explicar cual es la física que se esconde detrás de las tormentas eléctricas.
El campo electrostático en la superficie terrestre varía localmente con la hora del día, actividad atmosférica... pero un día ordinario, podemos medir al elevarnos de la superfice terrestre un campo eléctrico Eº dirigido verticalmente hacia abajo, con un valor aproximado de 100 V/m. A partir de ese valor como referencia podemos obtener una serie de datos curiosos. Se puede calcular que la Tierra tiene una carga aproximada (calculando primero su densidad superficial)
Q=-5 10^5 C
A medida que subimos en la atmósfera se mide experimentalmente que el campo sigue existiendo pero siendo cada vez más débil. Alrededor de los 50 km de altura el campo es muy pequeño, de manera que la mayor parte de la variación de potencial se produce a pequeñas alturas.
Esto nos permite equiparar la tierra con un con un condensador esférico, el cual tendría su segundo electrodo en la ionosfera.
Una medida tomando en cuenta esta comparación nos da una diferencia de potencial de
4 10^5 V (para los no letrados en ciencias 400000V). Al igual que un condensador pues, tendremos una cierta cantidad de energía almacenada, en este caso 10^11 J.
Esto ya nos puede ir dando una idea de como funcionan las tormentas eléctricas. Hay que destacar también que el aire no es un aislante perfecto, debido a su ionizacion se produce conducción eléctrica. Una pequeña corriente pasa del cielo a la tierra. La densidad de corriente es muy pequeña, inapreciable, de tan solo unos pico-amperios. Sin embargo en el cómputo total de todo el planeta hay una corriente positiva hacia la Tierra que en promedio es de unos 1800 A (correspondiente con ese potencial de 400000 V)
Las Tormentas:
Las tormentas eléctricas y sus rayos dan lugar a corrientes negativas que hacen que la carga permanezca constante. Seproducen alrededor de 40.000 tormentas eléctricas por día sobre la tierra . La corriente del rayo es de unos 10^4 A y transportan unos 10C. Como la diferencia de potencial entre una nube de tormenta y la Tierra es de unos 10^8 V, la potencia alcanza valores de 10^12 vatios.
La descarga en forma de rayo comienza con un rayo guía invisible ("descarga guía escalonada"). Esta descarga empieza en la parte inferior de la nube y baja muy rapidamente, moviéndose en pasos discretos (recorre unos 50 m y se detiene unos 50 microsegundos, luego da otro paso, se para... En la descarga se produce un transporte de cargas negativas desde la nube. El aire que la rodea se se ve ionizadopor las cargas en movimiento rápido, de este modo el aire se vuelve conductor a lo largo de este camino trazado. Cuando la guía se encuentra a unos 100 m sobre la tierra salta una chispa desde la misma a su encuentro estableciéndose un camino conductor Tierra-nube, a través del cual la carga negativa de la nube puede escapar hasta agotarse. Equilibrando el flujo de cargas, las cargas positivas son atraidas desde la Tierra a la nube. Ésta es la descarga que podemos ver y que se denomina "rayo de retorno". El rayo de retorno dura unos 100 microsegundos y parece como si todo el camino se iluminara al mismo tiempo. La corriente del rayo de retorno es del orden de 10kA, pero puede llegar a unos 200 kA. La temperatura por efecto Joule puede alcanzar los 30000 K. Todo es tan rápido que el aire no tiene tiempo a expandirse, por lo que su presion aumenta varios millones de Pascales lo que produce una gran sacudida sonora, el trueno.
Y hasta aquí nuestra lección física de hoy.
Referencias: Apuntes técnicas electromagnetismo
El campo electrostático en la superficie terrestre varía localmente con la hora del día, actividad atmosférica... pero un día ordinario, podemos medir al elevarnos de la superfice terrestre un campo eléctrico Eº dirigido verticalmente hacia abajo, con un valor aproximado de 100 V/m. A partir de ese valor como referencia podemos obtener una serie de datos curiosos. Se puede calcular que la Tierra tiene una carga aproximada (calculando primero su densidad superficial)
Q=-5 10^5 C
A medida que subimos en la atmósfera se mide experimentalmente que el campo sigue existiendo pero siendo cada vez más débil. Alrededor de los 50 km de altura el campo es muy pequeño, de manera que la mayor parte de la variación de potencial se produce a pequeñas alturas.
Esto nos permite equiparar la tierra con un con un condensador esférico, el cual tendría su segundo electrodo en la ionosfera.Una medida tomando en cuenta esta comparación nos da una diferencia de potencial de
4 10^5 V (para los no letrados en ciencias 400000V). Al igual que un condensador pues, tendremos una cierta cantidad de energía almacenada, en este caso 10^11 J.
Esto ya nos puede ir dando una idea de como funcionan las tormentas eléctricas. Hay que destacar también que el aire no es un aislante perfecto, debido a su ionizacion se produce conducción eléctrica. Una pequeña corriente pasa del cielo a la tierra. La densidad de corriente es muy pequeña, inapreciable, de tan solo unos pico-amperios. Sin embargo en el cómputo total de todo el planeta hay una corriente positiva hacia la Tierra que en promedio es de unos 1800 A (correspondiente con ese potencial de 400000 V)
Las Tormentas:
Las tormentas eléctricas y sus rayos dan lugar a corrientes negativas que hacen que la carga permanezca constante. Seproducen alrededor de 40.000 tormentas eléctricas por día sobre la tierra . La corriente del rayo es de unos 10^4 A y transportan unos 10C. Como la diferencia de potencial entre una nube de tormenta y la Tierra es de unos 10^8 V, la potencia alcanza valores de 10^12 vatios.La descarga en forma de rayo comienza con un rayo guía invisible ("descarga guía escalonada"). Esta descarga empieza en la parte inferior de la nube y baja muy rapidamente, moviéndose en pasos discretos (recorre unos 50 m y se detiene unos 50 microsegundos, luego da otro paso, se para... En la descarga se produce un transporte de cargas negativas desde la nube. El aire que la rodea se se ve ionizadopor las cargas en movimiento rápido, de este modo el aire se vuelve conductor a lo largo de este camino trazado. Cuando la guía se encuentra a unos 100 m sobre la tierra salta una chispa desde la misma a su encuentro estableciéndose un camino conductor Tierra-nube, a través del cual la carga negativa de la nube puede escapar hasta agotarse. Equilibrando el flujo de cargas, las cargas positivas son atraidas desde la Tierra a la nube. Ésta es la descarga que podemos ver y que se denomina "rayo de retorno". El rayo de retorno dura unos 100 microsegundos y parece como si todo el camino se iluminara al mismo tiempo. La corriente del rayo de retorno es del orden de 10kA, pero puede llegar a unos 200 kA. La temperatura por efecto Joule puede alcanzar los 30000 K. Todo es tan rápido que el aire no tiene tiempo a expandirse, por lo que su presion aumenta varios millones de Pascales lo que produce una gran sacudida sonora, el trueno.
Y hasta aquí nuestra lección física de hoy.
Referencias: Apuntes técnicas electromagnetismo
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