El experimento de Cavendish

El experimento de Cavendish o de la balanza de torsión constituyó la primera medida de la constante de gravitación universal y, por ende, a partir de la Ley de gravitación universal de Newton y las características orbitales de los cuerpos del Sistema Solar, la primera determinación de la masa de los planetas y del Sol.

El instrumento reconstruido por Cavendish consistía en una balanza de torsión con una vara horizontal de seis pies (1.8288 m) de longitud en cuyos extremos se encontraban dos esferas de plomo de idéntica masa. Esta vara colgaba suspendida de un largo hilo. Cerca de las esferas, Henry Cavendish dispuso dos esferas de plomo de unos 175 kg cada una, cuya acción gravitatoria debía atraer las masas de la balanza produciendo un pequeño giro sobre ésta. Para impedir perturbaciones causadas por corrientes de aire, Cavendish emplazó su balanza en una habitación a prueba de viento y midió la pequeña torsión de la balanza utilizando un microscopio.

Es común encontrar libros que señalan erróneamente que el propósito de Cavendish era determinar la constante gravitacional, G,1 2 3 4 5 y este error ha sido señalado por diversos autores.6 7 8 9 En realidad, el único propósito de Cavendish era determinar la densidad de la Tierra. Él llamaba a esto «pesar el mundo». El método de Cavendish utilizado para calcular la densidad de la Tierra consistía en medir la fuerza sobre una pequeña esfera debida a una esfera mayor de masa conocida y comparar esto con la fuerza sobre la esfera pequeña debida a la Tierra. De esta forma se podía describir a la Tierra como N veces más masiva que la esfera grande sin necesidad de obtener un valor numérico para G.10 La constante gravitacional no aparece en el artículo de Cavendish y no hay indicio de que él haya vislumbrado esto como propósito experimental. Una de las primeras referencias a G apareció en 1873, 75 años después del trabajo de Cavendish.

En la época de Cavendish, G no tenía la importancia entre los científicos que tiene actualmente. Esta constante era simplemente una constante de proporcionalidad en la ley de la gravitación universal de Newton.12 En vez de eso, el propósito de medir la fuerza de gravedad era determinar la densidad terrestre. Esta cantidad era requerida en la astronomía del siglo XVIII, dado que, una vez conocida, las densidades de la Luna, el Sol y el resto de los planetas se podrían encontrar a partir de ella.

Una complicación adicional fue que a mediados del siglo XIX, los físicos no utilizaban una unidad específica para la fuerza. Este hecho vinculó innecesariamente G a la masa de la Tierra, en vez de reconocer a G como una constante universal. Sin embargo, aunque Cavendish no reportó un valor para G, los resultados de su experimento permitieron determinarlo. A finales del siglo XIX los científicos comenzaron a reconocer a G como una constante física fundamental, calculándola a partir de los resultados de Cavendish. Por lo tanto:

Después de convertir a unidades del Sistema Internacional, el valor obtenido por Cavendish para la densidad de la Tierra, 5,45 g/cm3, así como del resto de los datos recabados se obtuvo el valor G = 6,74*10-11 N*m2/kg2, lo cual se encuentra dentro de un 1% del valor actualmente aceptado.11

Formulación matemática

El objetivo del experimento es medir el giro en la balanza de torsión producido por la fuerza de gravedad ejercida entre las esferas externas y las masas dispuestas en los extremos.

La fuerza de recuperación en la balanza puede escribirse en función del ángulo girado sobre la posición de equilibrio. El ángulo tita puede ser medido mediante un espejo situado en la fibra de torsión. Si M representa la masa de las esferas exteriores y m la masa de las esferas en la balanza de torsión, se puede igualar la fuerza de torsión con la fuerza de la gravedad ejercida por las esferas mediante la fórmula:

Donde G es la constante de gravitación universal, L la distancia entre el hilo de torsión y las esferas m y r la distancia entre los centros de las esferas M y m. Por lo tanto

.

Dado que k puede medirse a partir del periodo de oscilación de la balanza de torsión, T, G puede escribirse de la siguiente manera:

Donde "r" es la distancia entre el centro de la masa al centro de la otra masa.

Experimento de Faraya.-

Faraday empezó a investigar acerca de esto hasta que descubrió que el magnetismo puede originar en un conductor corriente eléctricas. Como resultado de este descubrimiento, los hombres no dependerían de las pequeñas corrientes eléctricas que efectúa la acción química en las pilas o baterías. Gracias a esto se basan los generadores eléctricos.

En 1831, Michael Faraday descubrió las corrientes inducidas al realizar un experimento con una bobina y un imán.

Supongan que tienen un alambre enrollado en forma de bobina con gran número de vueltas, y sus extremos se encuentran conectados a un galvanómetro, este instrumento nos dará indicios de corriente. Ahora, al acercar el imán a la bobina, aquí ocurrirá un fenómeno, el galvanómetro indicará el paso de una corriente, ocurriría lo mismo si el imán permanece fijo y se mueve la bobina, pero al permanecer quieto el imán y la bobina, no pasará nada, y el galvanómetro volverá a cero. Basta con mover el imán o la bobina para que haya corriente. El sentido de la corriente está en si se aleja o acerca el imán.

La corriente inducida tendrá más intensidad ya sea si se acerca rápidamente la bobina o el imán. El hecho de que se haya producido una corriente en el circuito formado por la bobina, señala la inducción de una fuerza electromotriz en el circuito al variar el flujo magnético debido al movimiento del imán.

Pero esto no es todo, si movemos el imán hacía la derecha, la aguja del galvanómetro se desvía hacía un lado, y si movemos el imán a la izquierda, la aguja se desvía en dirección contraria. Esto mantuvo a Faraday asombrado, y se dice que durante siete años, este físico estuvo muy obsesionado por el problema, el cual lo hacía llevar un imán y una bobina en el bolsillo.

Al mover el imán o la bobina, lo que se está haciendo es modificar el número de las líneas de fuerza del campo magnético que atraviesan la sección de la bobina.

Ahora supongamos que el movimiento hace que las líneas crezcan, entonces se genera en la bobina una corriente inducida, cuyo campo magnético se opone al aumento de campo, debido al movimiento del imán. Lo mismo ocurriría si se muestra lo contrario, es decir, si el movimiento hace que el número de fuerzas que atraviesan a la bobina disminuye; esto producirá una corriente inducida en la bobina, ya que su campo magnético compensa la disminución de las líneas de fuerzas provocadas por el movimiento del imán.

Otro experimento que hizo fue dar vueltas rápidamente a una bobina situada en el interior de un campo magnético creado por unos imanes, y este movimiento generaba electricidad.

En base con los experimentos de Faraday se puede decir que:

1.- Las corrientes inducidas son aquellas producidas cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético.

2.-La inducción electromagnética es la que da origen a la producción de una fuerza electromotriz (fem) y de una corriente eléctrica inducida.

Con base a sus experimentos, Faraday hizo la Ley de electromagnetismo, conocida como la Ley de inducción, en donde menciona que la fem inducida en un circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que envuelve. Esta ley se expresa matemáticamente así:

ε= - Φf-   Φ i

                                                            t      t= tiempo  (s)

ε = fem media inducida en volts (V)

Φf = flujo magnético final en webers (wb)

Φi = flujo magnético innicial en webers (wb)

El signo negativo de la ecuación es por la oposición entre la fem inducida y la variación del flujo que la produce.

Cuando se trata de una bobina que tiene N número de vueltas, la expresión para calcular la fem inducida es:

ε= - N Φf- Φi

t

Pero al calcular la fem inducida en un conductor recto de longitud L que se desplaza a una velocidad v en forma perpendicular a un campo de inducción magnética B, la ecuación es:

ε= BLv

En la actualidad, casi toda la energía eléctrica que se produce en nuestras casas o en industrias se obtiene gracias a este fenómeno (Inducción electromagnética).

En los fenómenos de inducción electromagnética se fundan las dinamos y los alternadores que transforman la energía mecánica en eléctrica. Este experimento es el fundamento de las actuales centrales eléctricas.

Tensión eléctrica

La tensión eléctrica o diferencia de potencial (también denominada voltaje1 2 ) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con un voltímetro.3 Su unidad de medida es el voltio.

La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un sólo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial se defina como cero.

Poder de las puntas

En Electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue descubierto hace 200 años por Benjamin Franklin, al observar que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado.

Actualmente se sabe que esto se produce debido que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

Viento eléctrico

Cuando los conductores metálicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire.

Este efecto fue descubierto por el norteamericano Franklin y en él se basa su invento del pararrayos publicado en 1753 en su famoso “Almanaque del pobre Richard”.

Los pararrayos iniciales consistían en una varilla de unos dos metros de largo colocada en la parte alta de los edificios y unida eléctricamente a tierra por medio de un cable conductor. En la punta del pararrayos se ioniza el aire y por esa parte del aire, que conduce mejor que el resto, se desplaza el rayo. Si se produce una descarga la chispa es conducida a tierra a lo largo del cable.

Parece ser que Franklin lanzó una cometa de seda, con una punta metálica en la parte más alta, unida a un cordel también de seda. Del cordel colgaba una llave. Para conocer el relato de su experiencia pulsa aquí.

No es muy conveniente repetir la experiencia de Franklin por el peligro de ser alcanzados por el rayo.

Las puntas cargadas positivamente producen viento eléctrico positivo. Las puntas cargadas negativamente producen viento eléctrico negativo

El molinete

El molinete (o molinillo) electrostático proporciona una demostración contundente del efecto de las puntas, con el que se consigue generar campos eléctricos muy intensos e ionización del aire aún con pocas cargas. Su uso se describe en el módulo XII El poder de las puntas, demostración con el molinete eléctrico

Materiales

Para la confección del molinete puede utilizarse el papel de aluminio proveniente de una bandeja descartable.

Marque prolijamente sobre la hoja de aluminio con una lapicera a bolilla las líneas y el perímetro, según las medidas indicadas en la figura 14. Produzca con la misma lapicera una depresión en el punto central, cuidando que el aluminio no se perfore. Para ello, trabaje apoyando la hoja metálica sobre un cuaderno.

Recorte el perímetro y doble en suave curva hacia abajo los extremos, a unos 3 centímetros de los vértices.

El molinete debe quedar en equilibrio y horizontal apoyándolo sobre una aguja en su depresión central. Si así no ocurre, corrija la posición de sus dobladuras hasta lograrlo.

Soporte

Recorte dos tacos de telgopor de las medidas indicadas. Con una sierra de corte de metales practique en ellos un corte longitudinal hasta la mitad de su espesor.

Tome un trozo de 80 centímetros de alambre de cobre de 1 milímetro de diámetro. Si está esmaltado, remueva el esmalte raspando con cortaplumas unos 10 centímetros de sus extremos. En uno de ellos sujete una aguja de punta roma (de las que se utilizan para coser lana). Doble el otro extremo formando un anillo de unos 2 centímetros de diámetro.

A mitad de la longitud total, doble el alambre en un codo de 90º, e insértelo hasta el fondo de los cortes de los tacos de telgopor.

Verifique la verticalidad del tramo con la aguja. Instale el molinete en su extremo. Sople suavemente: el molinete debe girar sin resistencia.

Si un cuerpo está fabricado con un material en el que las cargas pueden moverse libremente, estas se desplazarán y reacomodarán hasta que no se ejerza ningua fuerza sobre ellas. Es decir, hasta que se anule el campo eléctrico en el volumen del mismo.

CONCEPTOS

Influyente o Inductor.-

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.

Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.

El inductor consta de las siguientes partes:

Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.

Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.

Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

Funcionamiento de una bobina

Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N, por el que circula una corriente eléctrica i(t).

Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que el flujo magnético Φ(t) que abarca es igual a:

Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza contra electromotriz. Ésta tiene el valor:

A la expresión se le denomina Coeficiente de autoinducción, L, el cuál relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende

únicamente de la geometría de la bobina o solenoide. Se mide en Henrios.

Energía almacenada

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar (Fig. 5.3.6) que la energía \mathcal{U} \,\!, almacenada por una bobina con inductancia L\,\!, que es recorrida por una corriente de intensidad I \,\!, viene dada por:

En circuitos

De la formulación física de la bobina se ha extraído la expresión:

Suponiendo una bobina ideal, (figura 1), sin pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de Kirchhoff, se tiene que:

Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una caída de tensión:

Despejando la intensidad:

Si en el instante t = 0, la bobina está cargada con una corriente I, ésta se puede sustituir por una bobina descargada y una fuente de intensidad de valor i(0) = I en paralelo.

La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que si no la tensión {v_{L}(t)} debería hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina.

Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión sobre la resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz auto inducida.

Influido o inducido.-

Electrización de un cuerpo por inducción.-

La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

Teorema de Faraday

Supongamos ahora que tenemos el mismo conductor, con el mismo hueco, pero que ahora ya no está vacío, sino que en el interior hay cargas eléctricas. Puede haber una, o varias, o una distribución continua, otro conductor cargado, etc. En este caso por supuesto que habrá campo eléctrico en el hueco. Si dentro lo que hay es una carga positiva, habrá líneas de campo que salgan de la carga y vayan

a parar al conductor. Puesto que el campo entra en el conductor, debe haber una densidad superficial de carga negativa en la pared del hueco. A la inversa si la carga del interior del hueco es negativa.

¿Cuánta carga hay acumulada en la superficie del hueco? Supongamos que envolvemos al hueco con una superficie cerrada S0 que se halla completamente contenida en el material conductor. De acuerdo con la ley de Gauss

pero, por ser la superficie parte del material conductor el flujo es nulo

y por tanto la carga encerrada es nula. Esta carga es suma de la que hay dentro del hueco y la que hay en su superficie.

Es decir, en la pared del hueco se induce una carga igual en magnitud y de signo opuesto a la que haya dentro del hueco (teorema de Faraday). Esto es independiente de que la carga interior sea una carga puntual o una distribución. La carga de la superficie interior no se reparte uniformemente, sino que tendrá mayor densidad en los puntos más próximos a la carga interior.

¿De dónde sale esta carga que se induce en la superficie del hueco? Depende de si el conductor está aislado o no.

Si lo está, puesto que la carga de un conductor aislado permanece constante, solo puede provenir del propio conductor. Dado que la densidad de carga en un conductor se encuentra siempre en sus superficies, concluimos que debe provenir de la superficie exterior. Unos cuantos electrones se acumulan en la pared del hueco, y esto lo hacen abandonando algunos átomos de la superficie exterior, que por tanto ve aumentada su carga en − Qsup = + Qhueco.

Si el conductor está unido a una fuente (o a tierra) esta carga proviene de la fuente, que aporta la carga necesaria para mantener el potencial del conductor.

La chispa eléctrica

Es el aumento en el número de los electrones y los iones en el aire libre, provocando temporalmente el aire se convierta en un conductor eléctrico a través de la ruptura dieléctrica.

El rayo es un ejemplo de una chispa eléctrica en la naturaleza, mientras que las chispas eléctricas, grandes o pequeñas, se producen en o cerca de muchos objetos hechos por el hombre, tanto por el diseño y, a veces por accidente.

Un flujo continuo de corriente eléctrica a través de un gas es un arco eléctrico.

Alrededor del año 600 aC, filósofo griego Tales de Mileto observó que el ámbar podía estar electrificada cuando se frota con un paño y atraer a otros objetos y producir chispas. En 1671, Leibniz descubrió que las chispas se asociaron con los fenómenos eléctricos. En 1708, Samuel Pared realizó experimentos con el ámbar frotado con un paño para producir chispas. En 1752, Thomas-François Dalibard y Benjamin Franklin demostraron independientemente que el rayo y la electricidad eran equivalentes. En el famoso experimento de la cometa de Franklin, se extrajo con éxito las chispas de una nube durante una tormenta.

El rayo

El rayo es una poderosa descarga electroestática natural 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 trueno. Los rayos se encuentran en Estado plasmático.

La probabilidad de ser alcanzado por un rayo es de 1 en 2.320.000 [cita requerida]. En promedio, un rayo mide 1 1/2 Km y el más extenso fue registrado en Texas y alcanzó los 190 Km de longitud [cita requerida]. Un rayo puede alcanzar los 200.000 Km/H [cita requerida]. La diferencia de potencial es 1000 millones de voltios con respecto al suelo [cita requerida]. Cada año se registran 16 millones de tormentas con rayos.

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. Un rayo puede generar una potencia instantánea de 1 GigaWatt (mil millones de vatios), [cita requerida] pudiendo ser comparable a la de una explosión nuclear.

El relámpago.-

El relámpago es el resplandor muy vivo producido en las nubes por una descarga eléctrica.

No se sabe exactamente cómo se produce un relámpago, hay varias teorías aunque muchas de ellas no explican la procedencia de la cantidad de energía liberada por este fenómeno.

La diferencia de voltaje se debe sobre todo a las diferentes velocidades de ionización de los componentes de los gases que forman dichas nubes. La ionización de estos componentes se debe en sí misma al efecto de la luz solar y a la diferencia de temperaturas entre los distintos estratos de la nube, así como a la diferencia de temperaturas entre día y noche. A diferencia del rayo, el relámpago desciende de las nubes en forma ramificada y jamás llega a la tierra aunque el mismo siga, al igual que el rayo, lo que se llama gradiente de voltaje o de potencial eléctrico; esto es, la línea recta más corta que une dos variaciones máximas de voltaje, dándole al rayo esa forma tan peculiar. El relámpago se produce así: Cuando llueve sobre la superficie terrestre, se produce evaporación natural (causada por el fenómeno de la convección), llevando hacia arriba gotas de agua, es decir, H2O. Mientras tanto, a una altura de 2,5 a 3 kilómetros donde la temperatura es de 15 a 20 grados Celsius bajo cero, se producen partículas de hielo que caen por gravedad y que chocan con las gotas de agua que suben por la evaporación. Estas fricciones y colisiones producen separación de cargas eléctricas (disociación), y se genera un campo eléctrico, es decir, fuerzas que se ejercen entre cargas, hasta que llega el momento en que se dan transferencias de cargas, comúnmente conocidas como relámpagos.

Trueno.-

El trueno es el sonido de la onda de choque causada cuando un rayo calienta instantáneamente el aire por el que se mueve entre nubes, o de ellas hasta la superficie terrestre, a más de 28.000 °C. Este aire muy caliente aumenta de volumen y se expande a gran velocidad, pero al mezclarse con el aire frío del entorno baja bruscamente su temperatura y se contrae. Esta rápida expansión y contracción genera ondas de choque que son las responsables del ruido del trueno.

Los cumulonimbos suelen generar truenos

El origen del trueno ha sido objeto de discusión científica durante siglos. La primera teoría de la que se tiene noticia está atribuida al filósofo Aristóteles en la tercera centuria antes de Cristo, especulando que el sonido podía ser causado por la colisión de nubes. Desde entonces muchas teorías han sido propuestas. En el siglo XIX la teoría más aceptada era que el rayo producía el vacío generando después el ruido consecuente. En el siglo XX está bastante consensuado que el trueno viene originado por la onda de choque en el aire debida a la súbita expansión térmica del plasma en la trayectoria del rayo.1 La temperatura dentro del rayo, medida mediante análisis espectroscópico, varía durante 50 microsegundos de la temperatura ambiente a 20.000 K o hasta 30.000 K, para ir descendiendo paulatinamente hasta los 10.000 K.2 Este calor causa una enorme expansión del aire hacia todas direcciones, impulsando el aire circundante a velocidades superiores a la del sonido. Esta onda finalmente es una onda de choque que recorre rápidamente la atmósfera. En algunos casos el sonido del trueno puede alcanzar los 110 dB, cercano al umbral del dolor para el oído humano.3

Pararrayos.-

Las cargas alrededor de un conductor no se distribuyen uniformemente, sino que se acumulan más en las partes afiladas.

De esta manera, si se tiene un objeto en forma de punta sometido a un intenso campo electrostático (como el generado por una nube de tormenta), la acumulación de cargas en la punta es también muy elevada.

Esta propiedad fue aprovechada por Benjamín Franklin para diseñar su pararrayos a mediados del siglo XVIII.

El pararrayos no es más que un dispositivo que, colocado en lo alto de un edificio, dirigen al rayo a través de un cable hasta la tierra para que no cause desperfectos.

Ya hemos comentado que normalmente las nubes de tormenta tienen su base cargada negativamente, mientras que la región de tierra que se encuentra debajo de ellas, por efecto de inducción electroestática, presenta carga positiva.

Las cargas negativas de la nube se repelen entre sí y son atraídas por las cargas positivas de la tierra.

Puesto que el pararrayos está conectado a tierra, sus electrones son repelidos por los de la nube con lo que queda cargado positivamente al igual que la tierra bajo la nube.

Debido a la forma y características del pararrayos (efecto punta), la densidad de carga en la punta del pararrayos es tal que ioniza el aire que lo rodea, de modo que las partículas de aire cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y atraídas por la nube, realizando así un doble objetivo: por un parte, se produce una compensación del potencial eléctrico al ser atraídos esos iones del aire por parte de la nube, neutralizando en parte la carga. De esta forma se reduce el potencial nube-tierra hasta valores inferiores a los 10000 V que marcan el límite entre el comportamiento dieléctrico y el conductor del aire, y por tanto previenen la formación del rayo.

por otra, conducen al rayo a tierra ofreciéndole un camino de menor resistencia. Este camino lo formarán el pararrayos, el conductos de descarga y las tomas de tierra.

Un fenómeno que debemos tener en cuenta es el de "disipación natural", que es producida por los árboles, vallas, rocas y demás objetos de forma puntiaguda, ya sean natural o artificiales, sometidos al campo eléctrico de la nube de tormenta, que irán produciendo esa compensación de potencial de forma natural, produciendo la neutralización de la carga de la nube, o al menor, reduciéndola significativamente, con lo que se disminuye el riesgo al llegar la nube sobre zonas habitadas o peligrosas.

El pararrayos de Benjamín Franklin.-

Es un dispositivo formado por una o más barras metálicas terminadas en punta y unidas entre sí y con la tierra, o con el agua, mediante conductores metálicos, y que se coloca sobre los edificios o los buques para preservarlos de los efectos del rayo.

El rayo se debe a un desequilibrio eléctrico entre nubes, o entre la tierra y las nubes. Si la base de la nube está cargada negativamente, atrae cargas positivas de la tierra que está debajo. La diferencia de

potencial aumenta hasta que tiene lugar una repentina descarga, el rayo, que neutraliza de nuevo las cargas en la nube y la tierra.

La mayoría de los pararrayos están fundados en el efecto de las puntas, o tendencia de las cargas a escapar por las regiones de máxima curvatura; en este efecto se basó el pararrayos de Benjamín Franklin. El campo eléctrico en el extremo del pararrayos es lo suficientemente intenso para ionizar el aire y estas cargas, opuestas a las de la nube,

Partes principales del Pararrayos:

Es un dispositivo formado por una o más barras metálicas terminadas en punta y unidas entre sí y con la tierra, o con el agua, mediante conductores metálicos, y que se coloca sobre los edificios o los buques para preservarlos de los efectos del rayo.

La barra: Es cilíndrica de 3 a 5 metros de altura, con una punta o puntas de hierro galvanizado o de cobre.El conductor aéreo: está formado de cable de cobre de más de 8 mm de diámetro o cable de hierro de más de 11 Mm. de diámetro, aunque también se puede emplear tubos de los mismos

materiales. Una condición importante es que no esté aislado del edificio que protege.

El conductor subterráneo: consiste en placas de cobre o de hierro galvanizado de un metro cuadrado de superficie por lo menos, hundidas en el agua de un pozo o mejor en la tierra húmeda y enlazada al conductor aéreo. Si el terreno es seco, es mejor usar como conductor subterráneo un cable muy largo enterrado alrededor de la casa. Se debe tomar en cuenta que el radio de la base circular (R) es igual a la altura (A) del pararrayos.

Función del Pararrayo:

La formación de un rayo va precedida de una elevación del campo eléctrico ambiental por encima de los 10 kV/m. Esta energía natural es acumulada directamente por el dispositivo de cebado del pararrayos electro pulsante que de esta forma queda en situación de pre control.

A medida que se acerca la descarga, se produce un intenso y brusco incremento del campo eléctrico. Originándose una zona de riesgo de impacto. Si esta zona de riesgo tiene lugar en la zona de protección del pararrayos, la brusca variación del campo eléctrico acciona simultáneamente

el sistema de control del que, en sincronía con la aproximación del rayo, proporciona una vía de descarga a tierra controlada y segura.

Campo eléctrico ambiental como única fuente de alimentación. Totalmente autónomo y libre de mantenimiento. Construcciones que necesitan instalar un Pararrayos:

Se deben instalar en obras que, por su altura o por sus especiales características, sean susceptibles de ser dañadas por descargas eléctricas atmosféricas.

La punta de la barra de un pararrayo está ubicada por lo menos a 1,00 m por sobre las partes más elevadas de un edificio, torres, tanques, chimeneas y mástiles aislados.

Acción de los pararrayos