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SABER CIENTÍFICO

BARQUISIMETO, 31 DE ENERO DE 2013 VOLUMEN 1, Nº 1

Página 2 SABER CIENTÍFICO

ÍNDICE

Pág.

Editorial ............................................................................................................................................................... 3

Descarga Atmosférica ......................................................................................................................................... 4

Características de las Cargas Atmosféricas ........................................................................................................ 6

Sistema de Protección ......................................................................................................................................... 7

Sistema de Franklin ............................................................................................................................................. 7

Sistema Tipo Jaula de Faraday ........................................................................................................................... 7

Sistema de Parrarrayos ....................................................................................................................................... 8

Pasatiempos ......................................................................................................................................................... 9

La Tierra está cargada de electricidad negativa mientras la atmósfera está cargada de electricidad posi-

tiva. El aire mantiene generalmente aisladas esas dos clases de cargas; sin embargo, éste aislamiento

es sólo posible dentro de determinados límites de desigualdad. En efecto, cuando entre ambas clases

de cargas hay grandes diferencias, vencen las resistencias que les viene poniendo el aire, produciéndo-

se un fluido violento de corriente acompañada con un intenso ruido. Estos son el relámpago y el true-

no, cuyas velocidades de posible percepción en el sitio donde nos encontremos son sensiblemente di-

ferentes; por ello, vemos primero el rayo y luego oímos el trueno, porque mientras la luz se desplaza

aproximadamente a 300,000 Kms. por segundos, el sonido sólo se desplaza a 340 metros por segundo.

Por causas aún no conocidas en todos sus detalles, las descargas eléctricas se producen mayoritaria-

mente sobre los campos; en consecuencia, en esas extensiones se registra la mayor frecuencia e daños

humanos y materiales.En consecuencia, dentro de relaciones mundiales mas o menos semejantes, las

posibilidades de ser muerto por un rayo cuando estemos bajo techos bien construidos, son remotas.

Aún mas, las víctimas sucedidas dentro de grandes edificios y en instalaciones o viviendas de buena

calidad son muy esporádicas. Dentro de lo que la práctica has venido demostrando durante muchos

años, veremos seguidamente las clases de posibles protección que pueden practicarse en caso que se

estén produciendo tormentas eléctricas o existan indicios de que puedan presentarse.

Javier Ortegano

C.I.: 20.923.438

Editorial

Página 3 VOLUMEN 1, Nº 1

Página 4

DESCARGAS ELÉCTRICAS

La descarga atmosféri-

ca conocida como rayo,

es la igualación violenta

de cargas de un campo

eléctrico que se ha crea-

do entre una nube y la

tierra o, entre nubes.

Los rayos que nos in-

teresan por su efecto,

son los de nube a tierra,

y en éstos se pueden

encontrar 4 tipos: 2 ini-

ciados en las nubes, y 2

iniciados en tierra, ya

que pueden ser positivos

o negativos. Los más

comunes, siendo el 90

% de los rayos detecta-

dos, son de una nube

negativa hacia tierra.

Los rayos que inician

en tierra son relativa-

mente raros y ocurren

normalmente en monta-

ñas o en estructuras al-

tas, por lo que no los

tomaremos en cuenta en

lo subsiguiente. En la

referencia http://sky-

f i r e . t v / i n d e x . c g i /

spritegallery.html pue-

den verse fotografías de

ellos y de los fenómenos

electroatmosféricos lla-

mados "sprites" y

"elves"

Los rayos iniciados en

las nubes negativas, nor-

malmente aparecen en

nubes de tormenta del

tipo cumulonimbus con-

vectivas que usualmente

miden de 3 a más de 50

km de largo, y son con-

secuencia de un rompi-

miento dieléctrico atmosfé-

rico.

Este rompimiento una

vez iniciado, avanza en

zigzag a razón de unos 50

metros por microsegundo

con descansos de 50 micro-

segundos.

Los rayos consisten

usualmente de descargas

múltiples, con intervalos

entre descargas de decenas

a centenas de milisegun-

dos. La primera descarga

es la que tiene mayor am-

plitud, mientras que las

subsecuentes tienen tiem-

pos de ataque más rápidos,

aunque la velocidad de las

descargas se ha encontrado

que depende del lugar ge-

ográfico. La primera des-

carga está entre 6 y 15 x

10E7 m/s y la segunda en-

tre 11 y 13 x 10E7 m/s.

Las descargas atmosféri-

cas pueden causar grandes

diferencias de potencial en

sistemas eléctricos distri-

buidos fuera de edificios o

de estructuras protegidas. A

consecuencia de ello, pue-

den circular grandes co-

rrientes en las canalizacio-

nes metálicas, y entre con-

ductores que conectan dos

zonas aisladas. Pero, aún

sin la descarga, una nube

cargada electrostáticamente

crea diferencias de poten-

cial en la tierra directamente

debajo de ella.

El campo eléctrico debajo

de una nube de tormenta es

generalmente considerado

entre 10 y 30 kV/m. Es im-

portante, comparar estos

valores con el de 1.5 kV/m

con el que las puntas empie-

zan a emitir iones.

Una nube de tormenta

promedio podría contener

unos 140 MWh de energía

con voltajes hasta de 100

MV, con una carga en mo-

vimiento intranube de unos

40 Coulombs. Esta energía

es la que se disipa mediante

los rayos, con corrientes

pico que van de unos cuan-

tos kiloamperes a unos 200

kA con un percentil (50) de

20 kA, de acuerdo con los

datos del Sr. R. B. Bent

[5.7]. El Electric Power

Research Institute (EPRI)

en su Transmission Line

Reference Book, 345 kV

and above. 2da. Edición,

Págs. 545-552, maneja una

magnitud promedio de una

descarga negativa de 31 kA,

con una pendiente prome-

dio máxima de 24.3 kV/us.

Y para las descargas que

siguen a la primera, una

magnitud menor aunque

más rápidas, con un pro-

medio de 39.9 kV/us, y

hasta 70 kV/us ha sido re-

g i s t r a d o .

Los rayos de una nube po-

sitiva hacia tierra contie-

nen más carga que sus

contrapartes negativos, por

lo que son muy estudiados.

En general no exhiben el

mismo comportamiento de

pasos de los negativos, y

suceden más frecuente-

mente en tormentas inver-

nales con nieve y en latitu-

des altas.

Algunas particularidades

aumentan la probabilidad

de la caída de rayos en un

lugar. Por ejemplo, la fre-

cuencia de descargas en un

lugar es proporcional al

cuadrado de la altura sobre

el terreno circundante. Es-

to hace que las estructuras

aisladas sean particular-

m e n t e vu l n e r a b l e s .

Además, las puntas agudas

incrementan también la

probabilidad de una des-

carga.

SABER CIENTÍFICO

Página 5 VOLUMEN 1, Nº 1

al caer el rayo sobre el coche este se carga de energía, pero debi-

do a que las ruedas del coche actúan como aislantes de la electrici-

dad esta no tiene modo de ser transmitida a la tierra por lo que

ocurre un caso similar al que ocurre cuando los pájaros se encuen-

tran sobre un cable de alta tensión y no les pasa nada. Por eso, si la

persona que se encuentre dentro del coche al salir no toca el suelo

y al mismo tiempo el coche, no le ocurrirá nada,pero si lo hace

quedara un poco tostado. P.D: se recomienda no hacer la prueba

con uno mismo.

Nota Curiosa

Características de las Cargas Atmosféricas

Si bien las teorías sobre la

forma en que se generan las

cargas en una nube de tor-

menta son muy especulativas,

en cambio, las características

eléctricas de las descargas que

la acumulación de dichas car-

gas produce, son bastante bien

conocidas debido a las inves-

tigaciones realizadas por

científicos a lo largo de mu-

chos años.

Las descargas eléctricas de

origen atmosférico se produ-

cen de 4 diferentes maneras:

a. Dentro de una misma nube

b. De una nube a otra

c. De una nube al aire circun-

dante

d. De una nube a tierra.

Las tres primeras maneras

de producirse las descargas

tienen poca influencia sobre

la superficie de la tierra, aun-

que si son una fuerte de pre-

ocupación para la aviación,

pues se estima que un avión

comercial recibe en promedio

una descarga eléctrica de ori-

gen atmosférico por año.

Las descargas de nube a

tierra son las que normalmen-

te nos preocupan por sus efec-

tos destructivos.

Las corrientes que circulan

durante las sucesivas descar-

gas de retorno de un rayo, son

muy intensas, tienen muy

corta duración y su forma de

onda muestra inicialmente un

crecimiento muy empinado

hasta alcanzar su pico máxi-

mo, seguido de un decreci-

miento más lento.

Página 6 SABER CIENTÍFICO

Curiosidades de Rayos

Diariamente en el mundo

se producen unas 44.000

tormentas y se generan más de 8 millones de rayos según

el sistema de detección mun-dial de meteorología. El pe-

ligro puede no ser aparente:

se dan casos de caída de rayos a más de 20 km de

distancia del lugar en que

descarga la tormenta. Aproximadamente el 30%

de las personas alcanzadas por un rayo mueren, y el

74% de los supervivientes

quedan con discapacidades permanentes.

Más del 70% de los falle-

cimientos se dan entre junio

y agosto y el 92% entre ma-

yo y septiembre. Sólo muy ocasionalmente se produce

alguno en invierno. La probabilidad de ser

alcanzado por un rayo es

mucho mayor en el medio rural que en el urbano.

Aunque parezca increí-

ble, sobrevive el 80% de las personas que reciben la des-

carga de un rayo. El 30% lo recibe de un teléfono, dentro

de sus casas. De los sobrevi-

vientes, el 50% queda con alguna secuela: problemas

psicológicos, como miedo a

las luces y al aire libre; pro-

blemas fisiológicos, como

cataratas, problemas de au-dición, quemaduras en la

piel, pérdidas de memoria. Las quemaduras suelen ser

superficiales al actuar la piel

como un escudo, generando vapor de agua por el intenso

calor de la corriente eléctri-

ca, lo que hace ésta circule por el vapor, que es mejor

conductor.

La protección de estructuras es

más tolerante que una protección

electrónica. Así, un edificio puede

tolerar hasta 100,000 V mientras que

componentes electrónicos a 24 V se

dañarán con voltajes sostenidos de

48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes

intensidades y un sistema que prote-

ja contra su efecto deberá ser diseña-

do tomando en cuenta los rayos pro-

medio o mayores del área en cues-

tión. Las descargas no pueden ser

detenidas, pero la energía puede ser

desviada en una forma controlada.

El intentar proteger contra descargas

directas puede ser excesivamente

caro.

Un sistema de protección contra

descargas, llamado de pararrayos,

debe:

Capturar el rayo en el punto dise-

ñado para tal propósito llamado

terminal aérea.

Conducir la energía de la descar-

ga a tierra, mediante un sistema

de cables conductores que trans-

fiere la energía de la descarga

mediante trayectorias de baja

impedancia, y;

Disipar la energía en un sistema

de terminales (electrodos) en

tierra.

Cuando la energía de un rayo

viaja a través de una trayectoria de

gran impedancia, el daño causado

puede ser grave por el calor y las

fuerzas mecánicas que se crean .

Como la tierra no tiene una resis-

tividad uniforme en todos los pun-

tos, dentro de un mismo predio pue-

de existir un potencial entre dos pla-

cas de metal enterradas. Por eso, en

un sistema de electrodos múltiples

conectados entre sí, a manera de

malla, existe la probabilidad de que

exista una diferencia de potencial

entre algunos de sus puntos aterriza-

dos.

Los rayos son señales eléctricas

de alta frecuencia, gran potencial y

alta corriente, por ello son causa de

interferencia en sistemas electróni-

cos. Son de alta frecuencia por la

elevada razón de cambio de la señal,

de aproximadamente 1 us. Por ello,

para dirigir a tierra las descargas

atmosféricas se utilizan las técnicas

para señales en altas frecuencias.

Sistema de Protección

Página 7 VOLUMEN 1, Nº 1

El sistema más sencillo y más

antiguo de pararrayos, es el que con-

siste en terminales aéreas de cobre,

bronce o aluminio anodizado termi-

nadas en punta, llamadas puntas

Franklin, colocadas sobre las estruc-

turas a proteger de los rayos. Este

sistema se aplica en iglesias, casas

de campo, graneros y otras estructu-

ras ordinarias.

Sistema de Franklin

Para estructuras grandes, se utiliza una

modificación al sistema Franklin de para-

rrayos, al añadir a las terminales aéreas

conductores que crucen sobre la estructu-

ra a proteger como una caja de Faraday

limitada sobre y a los lados de la cons-

trucción, y todo ese conjunto resultante

es conectado a cables múltiples de baja-

da, que a su vez se conectan al sistema de

tierras perimetral del edificio

Sistema Tipo Jaula de

Faraday

Sistemas de Pararrayos

Un sistema pararrayos

es un elemento que se

compone de tres partes:

a) Parrayo propiamente

dicho

b) Cable o elemento con-

ductor

c) Tierra Física (en el

caso de embarcaciones,

el elemento que asegure

contacto eléctrico con el

agua).

Entre los factores que

Determinan un Pararra-

yo, se tienen:

1. Conductividad. La

resistencia total desde el

pararrayos hasta la placa

será de menos de 0,03

ohms.

2. Conexionado y dis-

posición. Las interco-

nexiones deben ser míni-

mas;

La trayectoria será lo

más sencilla posible, evi-

tando curvas pronuncia-

das y ángulos rectos,

según se detalla a conti-

nuación:

La sección del con-

ductor de bajada será de

cobre de 50 mm2, por lo

menos.

El elemento receptor

(punta del pararrayo)

deberá estar dispuesto de

tal forma que sobresalga

por lo menos 15 cm con

respecto a cualquier otro

elemento que este mon-

tado.

3. Placa de descarga y

puesta a masa: la placa

de contacto directo con

el agua será de cobre, de

más de 0,2 m2 de super-

ficie, y de un espesor que

no sea inferior a 4 mm,

fijado en una posición tal

que se encuentre en todo

momento en contacto

con el agua, en cualquier

condición de navega-

ción.

Los cuerpos metálicos

interiores (motor, tan-

ques de agua y nafta,

mecanismos metálicos

de timón, etc. ) se conec-

tarán a la placa de con-

tacto con el agua

(especialmente el motor

para que la corriente de

descarga no pase por los

Página 8 SABER CIENTÍFICO

cojinetes) o al conductor

de bajada principal.

4. Precauciones. Todo

elemento por el cual cir-

cula corriente provoca

un campo magnético al-

rededor del mismo, se

deberá prestar atención

entonces en la ubicación

del instrumental eléctri-

co, electrónico y de na-

vegación.

Debe evitarse el uso

de combinación de meta-

les que formen cuplas

galánicas o electrolíticas

tal que aceleren la corro-

sión en presencia de

humedad o en inmersión

directa. Si es impráctica

emplear la combinación

conveniente, pueden re-

ducirse los efectos de la

corrosión con revesti-

mientos adecuados o co-

nectores especiales.

Página 9 VOLUMEN 1, Nº 1

Ayuda al Rayos a encontrar el pararrayo..

Física

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