Las tormentas eléctricas son descargas de electricidad atmosférica en forma de relámpagos, acompañadas de truenos.
Una tormenta eléctrica es uno de los fenómenos más majestuosos de la atmósfera. Causa una impresión particularmente fuerte cuando pasa, como dicen, "justo sobre tu cabeza". Thunderbolt sigue al rayo simultáneamente con destellos de relámpagos en vientos huracanados y fuertes lluvias.
El trueno es una especie de explosión de aire cuando está bajo la influencia de alta temperatura el relámpago (alrededor de 20,000°) se expande instantáneamente y luego se contrae al enfriarse.
relámpago de línea- una enorme chispa eléctrica de varios kilómetros de largo. Su aparición va acompañada de un crujido ensordecedor (trueno).
Los científicos han estado observando cuidadosamente y tratando de estudiar los rayos durante mucho tiempo. Su naturaleza eléctrica fue descubierta por el físico estadounidense W. Franklin y el naturalista ruso M. V. Lomonosov.
Cuando se forma una poderosa nube con grandes gotas de lluvia, fuertes y desiguales corrientes de aire ascendentes comienzan a aplastar las gotas de lluvia en su parte inferior. Las partículas de gotas exteriores separadas tienen una carga negativa y el núcleo restante tiene una carga positiva. Las pequeñas gotas son transportadas fácilmente hacia arriba por el flujo de aire y cargan las capas superiores de la nube con electricidad negativa; gotas grandes se acumulan en la parte inferior de la nube y se cargan positivamente. La fuerza de la descarga del rayo depende de la fuerza del flujo de aire. Este es el esquema de electrificación de la nube. En realidad, este proceso es mucho más complicado.
Los rayos a menudo provocan incendios, destruyen edificios, dañan las líneas eléctricas, interrumpen el movimiento de los trenes eléctricos. Para combatir los efectos nocivos de los rayos, es necesario "atraparlos" y estudiarlos cuidadosamente en el laboratorio. Esto no es fácil de hacer: después de todo, los rayos atraviesan el aislamiento más fuerte y los experimentos con él son peligrosos. Sin embargo, los científicos se las arreglan brillantemente con esta tarea. Para atrapar rayos, en los laboratorios de rayos de montaña, se instala una antena de hasta 1 km de largo entre los salientes de las montañas o entre una montaña y los mástiles del laboratorio. Un rayo cae sobre tales antenas.
Después de haber golpeado el colector de corriente, el rayo ingresa al laboratorio a lo largo del cable, pasa a través de dispositivos de registro automático e inmediatamente cae al suelo. Los autómatas hacen que los rayos parezcan "firmar" en el papel. Así es posible medir el voltaje y la corriente de un rayo, la duración de la descarga eléctrica y mucho más.
Resultó que el rayo tiene un voltaje de 100 o más millones de voltios, y la corriente alcanza los 200 mil amperios. A modo de comparación, señalamos que en las líneas de transmisión energía eléctrica se utilizan voltajes de decenas y cientos de miles de voltios, y la intensidad de la corriente se expresa en cientos y miles de amperios. Pero en un solo rayo, la cantidad de electricidad es pequeña, ya que su duración suele calcularse en pequeñas fracciones de segundo. Un rayo sería suficiente para encender una sola bombilla de 100 vatios por día.
Sin embargo, el uso de "captadores" hace que los científicos esperen a que caigan rayos, y estos no son tan frecuentes. Para la investigación, es mucho más conveniente crear rayos artificiales en los laboratorios. Con la ayuda de equipos especiales, los científicos lograron obtener un tiempo corto Tensión eléctrica de hasta 5 millones de voltios. La descarga de electricidad arrojó chispas de hasta 15 metros de largo y estuvo acompañada de un ensordecedor crujido.
La fotografía ayuda a estudiar los rayos. Por esto en noche oscura apunte la lente de la cámara a la nube de tormenta y deje la cámara abierta por un tiempo. Después de un relámpago, la lente de la cámara se cierra y la imagen está lista. Pero tal fotografía no da una imagen del desarrollo de partes individuales del rayo, por lo que se utilizan cámaras giratorias especiales. Es necesario que el mecanismo del dispositivo durante el disparo gire lo suficientemente rápido (1000-1500 revoluciones por minuto), luego aparecerán partes individuales del rayo en la imagen. Mostrarán en qué dirección y con qué velocidad se desarrolló la descarga.
Hay varios tipos de rayos
El relámpago plano tiene la apariencia de un destello eléctrico en la superficie de las nubes.
El rayo lineal es una chispa eléctrica gigante, muy sinuosa y con numerosos apéndices. La longitud de dicho rayo es de 2 a 3 km, pero puede ser de hasta 10 km o más. El rayo lineal tiene un gran poder. Parte árboles altos, a veces infecta a las personas y, a menudo, provoca incendios cuando golpea estructuras de madera.
Relámpago inexacto: relámpago punteado luminoso que corre contra el fondo de las nubes. Esta es una forma muy rara de rayo.
El rayo de cohete se desarrolla muy lentamente, su descarga dura de 1 a 1,5 segundos.
La forma más rara de rayo es el rayo en bola. Es una masa luminosa redonda. Se observaron relámpagos en bola del tamaño de un puño e incluso una cabeza en interiores y en una atmósfera libre de hasta 20 m de diámetro. Por lo general, el relámpago en bola desaparece sin dejar rastro, pero a veces explota con un estruendo terrible. Cuando aparece un rayo en bola, se escucha un silbido o zumbido, parece hervir, esparciendo chispas; después de su desaparición, la neblina a menudo permanece en el aire. La duración de un rayo esférico es de un segundo a varios minutos. Su movimiento está asociado a las corrientes de aire, pero en algunos casos se mueve de forma independiente. Los relámpagos en bola ocurren durante tormentas severas.
Iluminación del salón ocurre bajo la influencia de una descarga de rayo lineal, cuando la ionización y la disociación del volumen de aire ordinario ocurren en el aire. Ambos procesos van acompañados de absorción. enorme cantidad energía. El rayo en bola, en esencia, no tiene derecho a llamarse rayo: después de todo, es solo aire caliente y cargado de energía eléctrica. Un montón de aire cargado cede gradualmente su energía a los electrones libres de las capas de aire circundantes. Si la bola cede su energía al resplandor, entonces simplemente desaparece: vuelve a convertirse en aire normal. Cuando en su camino la pelota encuentra sustancias que actúan como estimulantes, explota. Dichos patógenos pueden ser óxidos de nitrógeno y carbono en forma de humos, polvo, hollín, etc.
La temperatura del rayo esférico es de aproximadamente 5000°. También se calcula que la energía de la explosión de la sustancia del rayo es 50-60 veces mayor que la energía de la explosión del polvo sin humo.
Durante fuertes tormentas, hay muchos relámpagos. Así, durante una tormenta eléctrica, un observador contó 1000 rayos en 15 minutos. Durante una tormenta eléctrica en África, se observaron 7 mil rayos por hora.
Para proteger los edificios y otras estructuras de los rayos, se utiliza un pararrayos o, como ahora se le llama correctamente, un pararrayos. Esta es una varilla de metal conectada a un cable conectado a tierra de forma segura.
Para protegerse de los rayos, no permanezca debajo árboles altos, especialmente estando solos, ya que los rayos a menudo los golpean. El roble es muy peligroso en este sentido, porque sus raíces se hunden profundamente en el suelo. Nunca, no os escondáis en pajares y gavillas. En un campo abierto, especialmente en lugares elevados, durante una fuerte tormenta, una persona que camina corre un gran peligro de ser alcanzada por un rayo. En tales casos, se recomienda sentarse en el suelo y esperar a que pase la tormenta.
Antes de que comience una tormenta, es necesario eliminar las corrientes de aire en la habitación y cerrar todas las chimeneas. V zonas rurales No debe hablar por teléfono, especialmente durante fuertes tormentas eléctricas. Normalmente, nuestras centrales telefónicas rurales dejan de conectarse en este momento. Las antenas de radio siempre deben estar conectadas a tierra durante las tormentas eléctricas.
Si ocurre un accidente: un rayo impactará a alguien, es necesario brindar primeros auxilios a la víctima de inmediato ( Respiración artificial, infusiones especiales, etc.). En algunos lugares existe el prejuicio dañino de que uno puede ayudar a una persona alcanzada por un rayo enterrando su cuerpo en el suelo. En ningún caso se debe hacer esto: una persona afectada por un rayo necesita especialmente un mayor flujo de aire al cuerpo.
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Descargas eléctricas de rayos
Los fenómenos de las descargas de rayos han sido durante muchos años un objeto especial de mi investigación en el campo de la electricidad. Al principio, me atraía exclusivamente la grandeza de las manifestaciones, pero después de un tiempo, cuando comencé a estudiar la electricidad atmosférica, me interesé por los rayos debido al asombroso papel que desempeñan en la estructura del universo. A una persona común ni siquiera puede entrar en nuestras cabezas que le debemos nuestra existencia a este fuerza operativa, ya que sirve como medio para gestionar las precipitaciones. El sol convierte las aguas del océano en vapor, y las corrientes de aire transportan estas diminutas gotitas a regiones distantes, donde permanecen en un estado de fina suspensión hasta que las fuerzas eléctricas las unen en densas masas de nubes. Cuando el voltaje se vuelve excesivo, se producen brotes que provocan fuertes lluvias. Entonces, todo se reduce al hecho de que los rayos sostienen el ciclo del agua y, por lo tanto, la vida misma.
No quiero que se me malinterprete diciendo que si no fuera por los rayos, no llovería. Sin embargo, el hecho de que sea la principal fuerza reguladora es un hecho confiable.
Érase una vez que se creía que una persona no tenía el poder de generar fuerzas de interacción eléctrica y perturbación comparables a las que estamos presenciando en ciertas condiciones. Pero al mejorar gradualmente los métodos y dispositivos en el campo de la electricidad, hemos llegado a un punto en el que se vuelve obvio que una persona tendrá la capacidad de convertir desiertos en tierras fértiles y crear lagos y ríos en cualquier lugar, abriendo así una fuente inagotable de energía y multiplicando la fertilidad del suelo.
Con respecto a la energía del rayo, existen muchos conceptos bien conocidos que dan Idea equivocada. Al comienzo de estas investigaciones estaba convencido de que un rayo tenía un poder de no más de unos pocos caballos de fuerza, pero a medida que profundicé mis conocimientos, me convencí de que su poder era enorme. En general, se cree que el voltaje de la descarga de un rayo, así como corriente eléctrica, que pasa a través del arco, es un valor promedio, pero en realidad el voltaje a menudo alcanza cientos de millones de voltios, y la intensidad de la corriente suele ser de varios millones de amperios.
La energía del rayo es la mitad de lo que puede proporcionar la capacidad eléctrica de la nube, y en ella se gasta una cuarta parte del potencial eléctrico. Cuando se producen descargas, una parte muy importante de la energía se disipa en forma de ondas electromagnéticas, otra parte importante de la energía se manifiesta en efecto térmico, y otra parte - en sonido y en luz. Quizás os hagáis una idea de la energía que contienen los rayos si os digo que a veces una sola onda sonora, en la que interviene una parte muy pequeña de la energía, sería suficiente para hacer un motor de 200 CV. trabajó durante un año. Sin embargo, la energía total de la descarga de un rayo es tal que un motor de 5000 hp podría funcionar a plena capacidad durante un año, y en algunos casos la cantidad de energía es mucho mayor. Porque muy Alto voltaje en la nube se puede explicar por el hecho de que la curvatura de la superficie inferior de la nube es muy pequeña, por lo que se requiere una gran tensión para atravesar la capa de aire. Para ilustrar: si una gran superficie fuera una esfera con un radio de unos 40 centímetros, entonces se necesitarían más de 3 millones de voltios para crear una serpentina eléctrica, el voltaje aumenta en proporción directa al radio de la esfera, por lo que una descarga que emana de un cuerpo como una nube, superficie inferior que es esencialmente plano, requeriría miles de millones de voltios.
Existe la creencia popular de que los rayos siempre caen de la nube al suelo, pero en realidad las descargas más potentes vienen del suelo hacia la nube. He visto varias descargas de este tipo, que a una distancia de quince millas desde el punto de observación parecían gigantescos árboles de fuego con innumerables ramas que irradiaban de un tronco muy poderoso que se hundía en la tierra. Según mis cálculos, basados en datos experimentales obtenidos con un transmisor de radio, llegué a la conclusión de que la corriente en la tierra debería ser de varios millones de amperios.
Las tormentas eléctricas son relativamente raras en estas partes, pero hay lugares donde ocurren con más frecuencia. Para no ser infundado, daré un ejemplo: el 3 de julio de 1899, mis instrumentos registraron casi 13.000 descargas en dos horas, y todas ellas ocurrieron en un radio de unas quince millas, digamos, de mi estación de radio en Colorado. Muelles. La energía de las descargas de rayos durante su manifestación alcanzó varios billones de hp, pero me permito mencionar un hecho notable que causó mi interés especial: a veces hay descargas de rayos que no contienen más que unos pocos hp de energía. En dos o tres ocasiones observé descargas tan débiles que apenas se veía el camino de la chispa diminuta desde la nube hasta el suelo, y el sonido que producía no podía compararse en nada ni siquiera con el débil chasquido de un látigo. Cuando imaginamos un rayo, no podemos evitar recordar al gran hombre en cuya lápida está escrito: "Arrancó el rayo del cielo, y luego los cetros de los tiranos". Pero Franklin cometió un error, quizás el único en su vida: creía que los salientes puntiagudos supuestamente descargarían una tormenta eléctrica en el suelo y, por lo tanto, salvarían un edificio equipado con un pararrayos de este tipo. En ese momento, no tenía base para tales conclusiones, a excepción de los resultados de las observaciones obtenidas en experimentos con una máquina electrostática que, como él imaginaba, se descargaría debido a una protuberancia puntiaguda. La verdad es todo lo contrario. La protuberancia puntiaguda hace que el cepillo ionice el aire circundante y atraiga los rayos, por lo que un edificio equipado con este tipo de varilla será golpeado con mucha más frecuencia que si no tuviera este medio de "protección", pero, afortunadamente, Franklin fue justo en la segunda parte de su teoría, a saber, que el rayo penetrará en el suelo sin causar gran daño. Este suele ser el caso, pero en ocasiones, cuando la descarga es demasiado fuerte, pasará por alto el pararrayos y causará la destrucción. Los datos de estudios de poderosas descargas eléctricas, realizados con un transmisor inalámbrico construido sobre una base fundamentalmente diferente, me dieron la oportunidad de desarrollar un tipo de pararrayos que prácticamente funciona a la perfección. El dispositivo se basa en el principio de impedir la acumulación de electricidad, de modo que el rayo caiga en cualquier otro lugar, prefiriéndolo al que así se protegerá. Este dispositivo, sin duda, demostró su eficacia, ya que hasta el momento no se ha golpeado una sola estructura protegida de esta manera, y calculando las probabilidades se puede probar que la posibilidad de golpear incluso directamente un objeto se acerca a un valor infinitesimal. La gran mayoría de las personas tienen miedo a los rayos y generalmente no saben qué hacer en caso de peligro. Estas personas deben saber que, sobre todo, en ciudades como la nuestra, donde los edificios son casi en su totalidad de estructuras de acero, es absolutamente imposible lesionarse, no importa cuán fuerte sea la tormenta, pero en el espacio abierto fuera de la ciudad, si camina o conduce un automóvil, se deben tomar precauciones inmediatas cuando se acerque una tormenta eléctrica. Siempre estarás completamente seguro si prefieres un hueco en el suelo y te mantienes alejado de árboles y edificios altos. No encienda un fuego ni permanezca en espacio abierto y si estas en casa de madera, debe estar en el centro de la habitación y lo más lejos posible de objetos metálicos.
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En la sección sobre la pregunta ¿Cuántos voltios hay en Lightning? dado por el autor Andrei Zasverlin la mejor respuesta es Los relámpagos son descargas de chispas eléctricas gigantes entre las nubes y la superficie de la tierra, o entre nubes, o entre diferentes partes de una nube. La forma de un rayo suele ser similar a las raíces ramificadas de un árbol que ha crecido en el cielo. La longitud del rayo lineal es de varios kilómetros, pero puede alcanzar los 20 km o más. El canal principal de rayos tiene varias ramas de 2-3 km de largo. El diámetro del canal del rayo es de 10 a 45 cm La duración de la existencia del rayo es de décimas de segundo.
La velocidad media del rayo es de 150 km/s. La intensidad de la corriente dentro del canal del rayo alcanza los 200 000 A. La temperatura del plasma en el rayo supera los 10 000 °C. La intensidad del campo eléctrico dentro de una nube de tormenta oscila entre 100 y 300 voltios/cm, pero ante la descarga de un rayo en pequeños volúmenes separados, puede alcanzar hasta 1600 voltios/cm. La carga promedio de una nube tormentosa es de 30 a 50 culombios. En cada descarga de un rayo se transfieren de 1 a 10 culombios de electricidad. Junto con los rayos lineales más comunes, a veces hay rayos de cohetes, perlas y bolas. Los rayos de cohetes son muy raros. Dura de 1 a 1,5 segundos y es una descarga que se desarrolla lentamente entre las nubes. Los relámpagos con cuentas también deben atribuirse a tipos muy raros de relámpagos. Tiene una duración total de 0,5 segundos y aparece a la vista sobre el fondo de las nubes en forma de perlas luminosas de unos 7 cm de diámetro.
El rayo en bola en la mayoría de los casos es una formación esférica con un diámetro de 10-20 cm en la superficie de la tierra, y a una altura de las nubes de hasta 10 m. En la Tierra, se observan alrededor de 100 descargas de rayos lineales cada segundo, la potencia promedio que se gasta en la escala de toda la Tierra para formar tormentas igual a 1018 erg/seg. Es interesante notar que la energía de condensación liberada en una nube de tormenta de tamaño mediano con un área base de unos 30 km2 durante una lluvia de intensidad moderada es de aproximadamente 1021 erg. Es decir, la energía liberada durante la precipitación de una nube de tormenta excede significativamente su energía eléctrica.
Los rayos han emocionado y asustado a la gente durante mucho tiempo con su imprevisibilidad, belleza y terrible poder destructivo. Tan pronto como quedó clara la naturaleza eléctrica de este fenómeno, surgió la pregunta: ¿es posible "atraparlo" y usarlo con fines pacíficos y, en general, cuánta energía hay en un rayo?
Cálculo de la reserva de energía del rayo
Según la investigación, el voltaje máximo de la descarga de un rayo es de 50 millones de voltios, y la corriente puede ser de hasta 100 000 amperios. Sin embargo, para calcular la reserva de energía de una descarga convencional, es mejor tomar datos promediados: una diferencia de potencial de 20 millones de voltios y una corriente de 20 mil amperios. Durante la descarga de un rayo, el potencial se reduce a cero, por lo que para determinar correctamente la potencia de la descarga de un rayo, el voltaje debe dividirse por 2. A continuación, debe multiplicar el voltaje por la intensidad de la corriente, obtendrá la potencia promedio de un descarga de rayo, 200 millones de kilovatios. Se sabe que la descarga promedio dura 0,001 segundos, por lo que la potencia debe dividirse por 1000. Para obtener datos más familiares, puede dividir el resultado por 3600 (la cantidad de segundos en una hora): obtiene 55,5 kWh. Será interesante calcular el costo de esta energía, a un precio de 3 rublos por kWh. ascenderá a 166,7 rublos.¿Se puede domar el rayo?
La frecuencia media de los rayos en Rusia es de unos 2-4 por kilómetro cuadrado. Dado que las tormentas eléctricas ocurren en todas partes, se necesitará una gran cantidad de pararrayos para "capturarlas". Como fuente de energía, solo se pueden considerar las descargas entre las nubes cargadas y la tierra. Para recolectar electricidad, también necesitará condensadores de gran capacidad de alto voltaje, convertidores que estabilizan el voltaje. Dicho equipo es bastante costoso y se han realizado cálculos repetidamente que demuestran la ineficiencia y la falta de rentabilidad de este método de generación de energía. La razón de la baja eficiencia radica, en primer lugar, en la naturaleza del rayo: durante la descarga de una chispa, la mayor parte de la energía se gasta en calentar el aire y el propio pararrayos. Además, la estación operará solo en verano, y aun así no todos los días.Misterio del relámpago esférico
A veces, durante una tormenta eléctrica, aparece una bola de fuego inusual. Brilla intensamente o tenuemente, en promedio, como una lámpara de 100 vatios, tiene un tinte amarillento o rojizo, se mueve lentamente y, a menudo, vuela dentro de las habitaciones. El tamaño de una bola o elipse varía desde unos pocos centímetros hasta 2-3 metros, pero en promedio es de 15-30 cm A pesar de un estudio detallado de este fenómeno, su naturaleza aún no está clara. Durante una tormenta eléctrica, los objetos y las personas están cargados positivamente, y el hecho de que el rayo de bola los pase por alto indica su carga positiva. Es atraído por objetos con carga negativa e incluso puede explotar.El rayo en bola aparece debido a la energía del rayo ordinario, en el lugar de su ruptura, bifurcación o en el lugar del impacto. Hay dos hipótesis de su esencia física: según la primera, recibe constantemente energía del exterior y debido a esto "vive" durante algún tiempo. Los partidarios de otra hipótesis creen que el rayo se convierte en un objeto independiente después de que ocurre y mantiene su forma debido a la energía recibida del rayo ordinario. Nadie ha sido capaz todavía de calcular la energía de un rayo en bola.Los rayos han emocionado y asustado a la gente durante mucho tiempo con su imprevisibilidad, belleza y terrible poder destructivo. Tan pronto como quedó clara la naturaleza eléctrica de este fenómeno, surgió la pregunta: ¿es posible "atraparlo" y usarlo con fines pacíficos y, en general, cuánta energía hay en un rayo?
