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Cómo funcionan los rayos


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Rayos múltiples

Imagínense que ven a través de la ventana de su casa el destello de un rayo (relámpago). Lo primero que notan es que también destellaron varias ramificaciones al mismo instante que el rayo principal. Luego notan que el rayo principal se enciende y apaga varias veces más. Las ramificaciones que se vieron son en realidad otras rutas de paso conectadas a la ruta de paso que logró llegar al suelo antes que las otras.

Cuando el primer relámpago ocurre, la corriente fluye o circula hacia el suelo para neutralizar la diferencia de carga entre la nube y la superficie. Sin embargo muchos de los electrones llenan por un instante a los átomos del aire ionizado positivamente en las diferentes rutas de paso que no lograron llegar al suelo y que se encuentran conectadas a la ruta principal de paso que sí logro tocar el suelo, pero luego vuelven atrás hacia dicha ruta de paso, para finalizar en el suelo.

Dado que muchos electrones por un instante entran a esas rutas de paso que no llegaron al suelo, como si se tratase de un automóvil que por error entra a un callejón sin salida y luego debe retroceder hasta el camino principal, luego esos electrones deberán circular hacia la ruta principal y por ahí al suelo, ese flujo de electrones que circula por las rutas de paso secundarias también generará calor y posteriormente energía lumínica en forma de destellos de luz secundarios similares a aquellos de la ruta de paso principal.

Ahora que conocen todo el proceso de generación de rayos explicado en las secciones anteriores, impresiona saber que todas etapas, desde el momento de la ionización del aire hasta que el rayo golpea el suelo, ocurren en tan solo una fracción de segundo. Con cámaras de gran velocidad se ha llegado a tomar todo el proceso de generación de un rayo desde la ionización del aire con la creación de rutas de paso desde la nube hacia abajo y de corrientes positivas desde el suelo hacia abajo, hasta la circulación de electrones a través de la ruta de paso hasta neutralizarse la diferencia de carga entre la parte inferior de la nube y el suelo.
 

Tipos de rayos


Existen distintos tipos de rayos:

 

  • Rayo nube a tierra: El segundo tipo de rayo más común. Estos rayos ya fueron descritos anteriormente. Son los más peligrosos para los seres humanos, ya que golpean la tierra, generando daños.
  • Rayo nube a nube: Se trata del tipo de rayo más común y físicamente funciona igual al anterior tipo, sólo que viaja de una nube a otra nube cercana, viajando desde la parte cargada negativamente de la primera nube a la parte cargada positivamente de la segunda nube. El rayo por lo general se origina en la parte inferior, cargada negativamente, de la primera nube y finaliza en la parte superior, cargada positivamente, de la segunda nube. También puede ocurrir dentro de la misma nube entre secciones con cargas opuestas, con el rayo partiendo de la parte de la nube cargada negativamente a la parte cargada positivamente. Los rayos que ocurren entre dos nubes se denominan rayos internube mientras que los que se dan dentro de una misma nube se denominan rayos intranube.
  • Rayo tierra a nube: Iguales que los anteriores con excepción de que la descarga se da entre la tierra y una nube cumulonimbus. Es mucho menos usual que el anterior tipo de rayo, ocurriendo raras veces, y sucede cuando un cuerpo grande u objeto en la tierra se carga negativamente y dichos electrones o iones cargados negativamente (átomos con exceso de electrones o mayor cantidad de electrones negativos que protones positivos) son atraídos por iones cargados positivamente en una nube.
  • Duendes rojos: Ocurren por encima de las nubes de tormentas luego de darse un poderoso rayo nube a tierra. Los relámpagos débiles o destellos de luz débiles del rayo se esparcen hacia arriba alcanzando la estratósfera, a unos 95 kilómetros de altura. Tienen forma de tubo o medusa con tenues colgantes azules o zarcillos por debajo. Cuando llegan a su punto más alto, pueden generar rayos en forma de disco que se denominan aureolas de duendes o elfos. Son rojos porque al ionizarse el nitrógeno (que es el gas que más abunda en la atmósfera) emite luces de ese color. La duración de los duendes rojos es de tan sólo milésimas de segundo.
  • Jets azules: Arrancan de la parte superior de la nube cargada eléctricamente. De forma algo cónica van abriendo hasta desvanecerse a unos 40 kilómetros de altura en la estratósfera. Tienen una duración aproximada de dos décimas de segundo.
  • Rayos globulares o en forma de bola: Este tipo de rayos es extremadamente raro, son de color amarillento, tienen forma esferoidal u ovoidal y suelen flotar en el aire moviéndose lentamente. Sus dimensiones varían entre los 3 y 30 centímetros. Se trata de cargas eléctricas que pueden moverse aleatoriamente y otras veces son atraídas por algún objeto. Luego de varios segundos puede disiparse, ser absorbido por algún objeto o incluso explotar. Se trata de un fenómeno bastante difícil de explicar y hay varias hipótesis al respecto. Una de ellas es la que intenta explicar la duración de los mismos, la cual posiblemente es causada por una combinación química lenta que libera energía térmica la cual termina convirtiéndose en energía lumínica que alimenta el brillo. Estos rayos globulares pueden causar daños físicos quemando lo que encuentran a su paso.

 Tipos de rayos
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Tipos de rayos
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Cómo funcionan los pararrayos

Los pararrayos fueron desarrollado por Benjamin Franklin. Un pararrayos es un artefacto muy sencillo. Se trata de una barra de metal con punta, y que se encuentra instalada en el techo de un edificio. Debe tener un diámetro de aproximadamente 2 o 3 centímetros y se conecta a un cable o alambre de cobre o aluminio de también unos 2 o 3 centímetros de diámetro. El cable o alambre se dirige hasta una varilla conductora que se encuentra bajo tierra.

Mucha gente piensa que los pararrayos atraen a los rayos, aunque lo correcto sería decir que los pararrayos ofrecen un medio conductor de baja resistencia a tierra, que puede ser utilizado para conducir las enormes corrientes eléctricas de los rayos. Si hay un rayo, el sistema de pararrayos intentará conducir la dañina corriente eléctrica liberada fuera de la estructura edilicia hasta la tierra debajo de la superficie para evitar daños en las estructuras y objetos cercanos. El sistema de pararrayos tiene la capacidad de soportar la enorme cantidad de corriente eléctrica liberada por el rayo. Si el rayo golpeara o entrara en contacto con un material o cuerpo que no es buen conductor eléctrico, dicho material o cuerpo se calentaría rápidamente sufriendo un terrible daño causado por la altísima temperatura. Por lo tanto como el pararrayos es un excelente conductor eléctrico que transporta a la poderosa corriente eléctrica hasta bajo tierra, se evitan daños causados por la gran cantidad de energía térmica (calor) desatada por el rayo.

Hay veces en que un rayo puede saltar al golpear en un sitio. Esto ocurre porque una vez que haya golpeado un determinado punto u objeto, el rayo puede encontrar cerca a su alrededor algún otro objeto de menor resistencia eléctrica (mejor conductor) que permita conducirlo con mayor eficiencia hasta la tierra cargada positivamente. Por ejemplo si el rayo se dirige hacia un objeto cercano a un pararrayos (excelente conductor a tierra), gracias a su baja resistencia eléctrica y conexión directa a tierra, al acercarse dicho rayo al objeto hay mayores probabilidades de que el rayo se desvíe hacia el pararrayos antes de golpear al objeto o por lo menos que salte hacia el pararrayos luego de golpear al objeto disminuyendo de esa manera las posibilidades de que cause más daños.

Por lo tanto, el propósito de los pararrayos no es el de atraer rayos, sino que el de proveer una opción alternativa más segura para que el rayo elija al momento de golpear, disminuyendo las probabilidades de que golpee algún objeto, persona o estructura cercana al mismo.

Si por ejemplo la estructura que se desea proteger se encuentra en una zona abierta y plana, se debe instalar un sistema que cuente con un pararrayos muy alto. Efectivamente, este pararrayos tiene que ser más alto que la estructura que se quiere proteger. Si la zona se encuentra dentro de un fuerte campo eléctrico provocado por una tormenta eléctrica, el pararrayos enviará corrientes positivas (ya explicadas en una sección anterior) hacia arriba, aumentando las probabilidades de que la ruta de paso principal proveniente de la nube se junte con este canal de corrientes positivas que parte desde el pararrayos, en lugar de hacerlo con las que provienen de otros objetos de la tierra, incluyendo la estructura a proteger. Si bien no es infalible y los rayos no siempre se dirigen hacia el pararrayos, hay mayores probabilidades de que se desacargue en el pararrayos que en la estructura, por lo que aumenta considerablemente el nivel de protección de la estructura ante posibles descargas eléctricas provocadas por rayos.

Como funcionan los pararrayos

Qué son los rayos globulares

Cuando se frotan los pies en la alfombra y luego se toca un picaporte metálico en la puerta, se experimenta un pequeño sacudón eléctrico en la mano, esto se trata de electricidad estática. Como ya se explicó antes los rayos son lo mismo, pero en una escala muchísimo mayor, de hecho tienen tanta energía que son tres veces más calientes que la superficie del sol y podrían entregar energía suficiente para mantener una lámpara o bombilla de luz eléctrica de 100 watts durante tres meses.

Son pocas las personas que han sido testigos de los rayos globulares flotando en el aire a través de las paredes, destruyendo objetos e incluso matando a personas. Hay anécdotas acerca de este extraño tipo de rayo que llegan a nosotros incluso desde el medioevo. Sin embargo ningún caso quedó registrado fidedignamente hasta el siglo XVIII (años 1700s) cuando el investigador Georg Richmann murió por lo que se piensa fue un rayo globular o esférico.

Que son los rayos globulares

Quizás uno de los avistamientos de rayos globulares más famosos es el del joven Zar Nicolás de Rusia, nieto del Zar Alejandro II, quien fue testigo de la aparición de un rayo globular durante una misa en el siglo XIX. Sin embargo la gente seguía dudando de su naturaleza. Muchos no estaban seguros de que fueran rayos, otros pensaban que podrían ser fenómenos de fuera de este mundo. Las dudas comenzaron a desvanecerse en 1963 cuando un grupo de científicos que volaba de la Ciudad de Nueva York a Washington DC, fueron testigos de una bola de luz que flotaba por el pasillo del avión y desapareció al traspasar la parte trasera del avión. Luego de haber visto este fenómeno comenzaron a investigar al respecto.

Rayo globular

Los rayos globulares se manifiestan como bolas esféricas brillantes que ocurren durante tormentas eléctricas, por lo general luego de que un rayo descarga su energía. Estas bolas esféricas flotantes brillan como bombillas eléctricas de 100 watts, y pueden tener un color blanco, amarillo, naranja, rojo o azul, y por lo general tienen el tamaño de una uva aunque hay unos pocos testimonios que describen bolas de hasta 30 centímetros.

De la bola incandescente salen unos pequeños rizos o salientes que dan la sensación que mueven a la esfera como si se tratase que está siendo controlada por un marionetista con espasmos. Se mueven despacio y aleatoriamente, son seguidos por estelas de humo que forman espirales alrededor. Por último, luego de algunos segundos desaparecen.

A pesar de no haber una clara explicación científica de su naturaleza hay algunas hipótesis al respecto.

A lo largo de la historia hubo todo tipo de hipótesis sobre cuál sería la causa de los rayos globulares, desde radiación de ondas electromagnéticas detenidas hasta nubes de plasma. Las explicaciones más extremas sugerían incluso mini agujeros negros creados durante el big bang o incluso hablaban de presencias extraterrestres. Aunque no hay ninguna teoría confirmada todavía, la más plausible es aquella que tiene al elemento químico silicio como protagonista.

Esta teoría habla de que posiblemente se trate de una reacción química de partículas de silicio quemándose o entrando en combustión en el aire.

Cuando un rayo golpea en el suelo, el silicio presente ahí se combina con el oxígeno y el carbono, convirtiéndose en vapor de silicio puro. Al enfriarse el vapor, el silicio se condensa en forma de polvo fino. Las partículas de este polvo fino se atraen unas a otras por acción de la carga eléctrica creada por el rayo, por lo que se juntan formando una bola o esfera.

El brillo y el calor provienen del la energía química liberada durante la reacción del silicio con el oxígeno del aire. Una vez que todo el silicio se haya quemado o reaccionado con el oxígeno, la bola de luz desaparece.

Esta teoría sugiere que otros elementos, como el aluminio y el hierro también involucrados pueden causar que estas esferas hayan sido muchas veces avistadas cerca de postes de energía eléctrica o de luz, filtros eléctricos y otros objetos con carga eléctrica.

Los científicos han realizado experimentos con silicio bajo la influencia de arcos eléctricos de alto voltaje. Aplicando unos 140 amperes de electricidad al silicio, el cual se vaporiza produciendo a veces bolas de luz del tamaño de una bola de golf.

Rayo globular experimental
Rayo globular generado en el laboratorio

 

Lo que todavía no se ha podido explicar bien es la razón de que puedan flotar a través de las paredes, por lo que la investigación continúa.

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Qué son los rayos y cómo se producen


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