Trabajo El rayo
Física II
Andrea Carolina Rojas Villanueva T00045674
Hedier Humberto Lastre Gomez
Universidad Tecnológica de Bolívar
Cartagena, Marzo 19 del 2017
Introducción
Principio de formación del rayo I.
Categorización del rayo
Berger (1978) fue el primero en plantear cuatro tipos de rayos en términos de la dirección del movimiento entre nube y tierra: ascendente o descendente y en términos del signo de la carga del líder que inicia la descarga: positivo o negativo. La categoría 1 son los rayos negativos nube-tierra, la cual es aparentemente la más común. De acuerdo con estadísticas disponibles a nivel mundial, más del 90% de las descargas son de esta categoría. La categoría 3 son los rayos positivos nube-tierra. Estas dos categorías son las más estudiadas debido a que son la causa de daños en bienes y equipos electrónicos, muertes, perturbaciones en los sistemas de potencia eléctrica y comunicaciones e incendios forestales. También están las categorías 2 y 4 que son descargas iniciadas desde la tierra hasta la nube. Sin embargo, estas descargas son relativamente raras y ocurren normalmente en zonas de gran altitud, desde los picos de las montañas o desde altas estructuras construidas por el hombre.
II.
Proceso de formación del rayo
La mayoría de los rayos nube-tierra se inician por el fuerte campo eléctrico que existe en la carga positiva p situada debajo de la nube y la carga negativa N de la base de la nube. Por inducción electroestática la tierra resultará positiva inmediatamente por debajo de la nube. Una vez que la nube de tormenta se ha cargado hasta el punto en que el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local de la atmósfera -es decir, la capacidad de la atmósfera de mantener una separación de cargas eléctricas-, el resultado es la iniciación de una descarga eléctrica atmosférica o rayo.
En ese instante, el campo eléctrico es del orden de un millón de voltios por metro; en menos de un segundo, el rayo transportará la carga correspondiente a 1020electrones y proporcionará una potencia eléctrica equivalente a 100millones de bombillas de alumbrado residencial. Durante esa fracción de segundo, la energía electrostática de la carga acumulada pasa a energía electromagnética (el relámpago visible), energía acústica (el trueno audible) y, finalmente, calor. No se conoce exactamente el proceso físico mediante el cual la carga almacenada en la nube de tormenta se transfiere a la tierra en forma de rayo. A pesar de las diferencias teóricas y experimentales, la mayoría está de acuerdo en que una descarga eléctrica atmosférica se compone de las siguientes cinco etapas: a.
Rompimiento preliminar El rompimiento preliminar puede definirse como aquel proceso de descarga la cual lleva directamente a la iniciación de una guía escalonada. Se considera que los canales del rompimiento preliminar son verticales, concluyendo que comienzan entre la región N y la parte baja de la región P. La duración de este rompimiento preliminar fue calculada en varios milisegundos y esta se caracteriza por transportar carga negativa a tierra.
b. Líder escalonado: La guía escalonada inicia la primera descarga de retorno al propagarse el rayo de nube a tierra en una serie de pasos discretos. La guía escalonada es iniciada por el rompimiento preliminar dentro de la nube. La descarga escalonada es una secuencia de descargas eléctricas que parecen tener su origen en la acción del viento, con una corriente de pocos amperios y acompañada de pequeños puntos de baja luminosidad. Esta se propaga de forma discreta con una velocidad de aproximadamente 15 a 20% de la velocidad de la luz, avanzando aproximadamente 50 metros por escalón Según Uman la guía escalonada se car acteriza por: La velocidad promedio mínima para guías negativas descendentes es de aproximadamente 1x105 m / seg. El intervalo de tiempo entre cada paso es relativamente constante y tiempos de pausa más prolongados producen pasos de mayor longitud. La longitud de los pasos para Guías está entre 10 y 200 metros con un valor promedio de 50 metros. Esta longitud varía de acuerdo con el grado de evolución de la guía escalonada. El tiempo de pausa entre pasos es del orden de 50 seg. Durante este tiempo el canal de la guía escalonada no es lo suficientemente luminoso para ser registrado mediante técnicas fotográficas. El tiempo promedio de avance de un paso es de alrededor de 300 seg, pero su luminosidad apenas dura 1 seg. ó menos. Durante el descenso se produce un cambio de c ampo electrostático relativamente suave, lo que indica que el mecanismo de escalonamiento no baja, por sí mismo, una cantidad apreciable de carga. Cuando una guía escalonada típica se acerca a tierra tiene una carga de alrededor de 5 Culombios distribuida en su longitud. Para guías escalonadas ascendentes las corrientes están entre 20 y cientos de amperios. Las guías positivas son de naturaleza m ás continua que las cargadas negativamente, los cuales son marcadamente escalonadas
c.
Proceso de contacto: La diferencia de potencial eléctrico entre la base de la guía cargada negativamente y la tierra, tiene una magnitud superior a 107 Voltios. Cuando la guía está cerca de tierra, el campo eléctrico en objetos puntiagudos (pararrayos, árboles, torres de transmisión, antenas, aristas de edificios etc.) o en irregularidades propias de la misma tierra, supera el valor de tensión disruptiva del aire y se presentan una o más descargas (rayos) que ascienden desde estos objetos al enc uentro de la guía descendente. Se inicia así el llamado proceso de contacto. La distancia disruptiva de un rayo es quizás el factor más importante a tener en cuenta en las discusiones sobre el efecto del apantallamiento de cables en líneas de transmisión o protección de estructuras contra rayos. Se define la Distancia Disruptiva como la distancia media desde la punta de la guía escalonada hasta el punto de impacto sobre cualquier objeto aterrizado. Esta Distancia Disruptiva o también conocida como Radio de Acción es la distancia a la cual el líder “siente” la influencia del objeto o de la tierra misma. Una vez que el líder escalonado “siente” la presencia del punto de impacto, se inicia en este una descarga inducida ascendente que sale al encuentro de la guía descendente y el instante de co ntacto marca el inicio del llamado Rayo de Retorno.
d. Descarga de retorno: Fue definido por Loeb como una onda de campo eléctrico que asciende por el canal de la guía escalonada, alcanzando, en la mayoría de los casos, a penetrar en la base de la nube. Esta onda ionizante “baja” de la nube de 2 a 10 Culombios de carga eléctrica con corrientes de hasta 10 amperios y es la fase más energética del rayo. Cuando a una decenas de metro obre la tierra, una de las descargas ascendente de la tierra hace contacto con el líder escalonado que desciende, el líder queda al potencial de tierra, y se presenta lo que se conoce como la primera descarga de retorno, quedando el camino nube-tierra totalmente ionizado. La primera descarga de retomo produce una corriente pico cerca a tierra de un valor típico de más 30 kiloamperios, dependiendo de la latitud en donde impacte el rayo, con un tiempo de cer o a pico de unos pocos microsegundos. Las corrientes a tierra medidas caen a la mitad del valor pico en cerca de 50, y corrientes del orden de ciento de amperios pueden fluir por tiempos de unos cuantos hasta varios cientos de milisegundos. Después de que la corriente de retorno ha dejado de fluir, el rayo, incluido el movimiento de carga en la nube, finaliza. El rayo es llamado entonces una descarga simple. Una descarga inducida ascendente ocurre, e ntonces, cuando un rayo impacta cerca de una instalación. Estos fenómenos causan severos daños, sobre todo en estructuras altas como la torres de comunicación. e. Líder dardo: Después de que la de carga de retorno alcanza la base de la nube y se expande lateralmente, ésta alcanza el límite de la región de descarga de la nube, aumentando el campo eléctrico y produciendo así un nuevo drenaje de carga mediante penachos que penetran alrededor de 300 metros de nube, todavía cargada. Este periodo está caracterizado por una intensa descarga corona de la gotas de agua, debido a la propagación de la onda ionizante dentro de la nube. Esta corona drena la carga desde una gran área a una más pequeña dejada por el líder escalonado y su carga de retorno, emergiendo de la base de la nube como un canal luminoso llamado líder dardo. Lo lidere dardo usualmente se propagan en forma continua, sin escalonamientos, desde la nube hasta la tierra, siguiendo el canal preionizado. Sin embargo, cuando 1 intervalo de tiempo desde la descarga de retorno e excepcionalmente largo, el líder dardo presenta tortuosidades a medida que se aproxima a tierra. Los líderes dardo, a su vez, pueden producir una de c arga de retorno dando origen a 1 r ayo de carácter múltiple. El líder dardo inicializa así la segunda y otras descargas subsecuentes, presentándose así más de una descarga por rayo, definido como multiplicidad. Durante el tiempo entre la finalización de la primera descarga de retorno y la inicialización del líder dardo ocurren procesos que se manifiestan en rápidas variaciones del campo eléctrico, conocido como procesos J y K. III.
Orden de carga de una nube
Franklin propuso en 1749 su experimento de la "caja centinela", en la cual una persona estando en un banquillo aislado, sosteniendo una varilla de acero terminada en punta y extendida verticalmente varios metros, podía atraer un arco de una nube de tormenta que pasara por e ncima. En mayo de 1752, el francés Franrcois D'Alibard realizó el experimento con éxito. Mientras tanto Franklin, un mes más tarde en Filadelfia, Estados Unidos, usó una cometa como conductor para atraer la electricidad con un cordel húmedo, colocándola dentro de una nube tormentosa. Para atraer corriente a tierra, el cordel tenía en la parte baja una llave metálica colgada. El alto de un
arco de la llave a tierra o el cargar un condensador como el "jarrón de Ley den" sería la demostración de su teoría. Franklin realizó este experimento bajo una nube de tormenta en junio de 1752.Lo más probable es que no hubiese habido una descarga eléctrica atmosférica durante el experimento, sino que el campo eléctrico pre ente entre nube y tierra indujo electricidad en la llave. De la llave metálica colgada al final del cordel de la cometa saltaron chispa a los nudillos de su mano. Así había verificado u teoría, sin saber que D'Alibard había obtenido similares resultados un me antes. Una consecuencia del experimento de Franklin, y la primera aplicación práctica del estudio de la electricidad, fue el pararrayos. Además de demostrar que las nube contenían electr icidad, Franklin, por mediciones del signo de la carga entregada a las varilla en su experimento de la "caja centinela" y el experimento del carillón, cuando la nube de tormenta se encontraba encima, pudo inferir que la parte baja de la nubes de tormenta estaban cargada por lo general negativamente pero algunas vece se encontraban en estado positivo. Pasaron casi do siglo para que esta ambigüedad provocara la controversia entre los investigadores ingleses T.R. Wilson y George C. Simpson obre la estructura de la distribución de carga en una nube tormentosa. El físico inglés C. T.R. Wilson 15 fue el primero en efectuar mediciones de campo eléctrico y, tras realizar observaciones de numerosas tormentas a cierta distancia, concluyó que la est ructura básica de una nube de tormenta era la de un dipolo positivo (cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en la parte inferior de la nube) Simpson, por aquella misma época, midiendo la carga de la lluvia producida por nubes de tormenta llegó, sin embargo, a la conclusión opuesta: la región inferior de una nube de tormenta estaba cargada positivamente y la superior negativamente, formando así un dipolo negativo. Sólo en las últimas décadas del siglo XX, los investigadores en física de la atmósfera pudieron explicar esos resultados incompatibles a primera vista. Tanto Wilson como Simpson realizaron mediciones des de un solo lugar, lo que no bastaba para inferir correctamente la distribución de cargas en la nube de tormenta. La discrepancia entre el dipolo positivo o negativo obedece a que rara vez se mide la carga en una nube de tormenta; en general, se infiere de las mediciones del campo eléctrico de la nube. Un campo eléctrico que rodee un cuerpo cargado es similar al campo gravitatorio que rodea a un cuerpo de gran masa. Ambo campo hacen que otros objetos situado en el interior de los mismos se muevan. Ambos campos están caracterizados por una intensidad y una dirección, por tanto, los campos definidos por una intensidad y una dirección se conocen como campos vectoriales. Cuando hay más de un cuerpo cargado, el campo eléctrico resulta muy complicado. Además, cualquier número de configuraciones de carga puede producir la misma intensidad y dirección del campo en un punto dado. Por tanto, una medida única del campo eléctrico no puede determinar la distribución de cargas. Se necesitan muchas medidas; en principio, debería medirse el campo eléctrico en todas partes para deducir la verdadera distribución de cargas.
Modelos de la estructura bipolar
a.
Modelo de precipitación: El modelo de precipitación supone que las gotas de lluvia y las partículas de granizo en una tormenta son atraídas hacia abajo por la gravedad a través del
aire, dejando en suspensión gotas de agua menores y cristales de hielo. Las colisiones entre las grandes partículas de precipitación y la neblina de gotitas de agua y cristales de hielo parece que cargan negativamente las partículas de precipitación; por conservación de la carga total, la neblina se carga negativamente y las partículas de precipitación positivamente. De este análisis se concluye que la parte más baja de la nube acumula carga negativa y la parte superior, car ga positiva, es decir un dipolo positivo. b. Modelo de convección: Supone que las cargas eléct ricas de la nube proceden, inicialmente, de dos fuentes externas: de los rayos cósmicos y de un fuerte campo eléctrico. Los rayos cósmicos inciden sobre las moléculas de aire por encima de la nube y lo ionizan. La se gunda fuente es el intenso campo eléctrico que se presenta sobre objetos puntiagudos de la superficie de la Tierra; este campo produce lo que se conoce en la literatura de la alta tensión como "descarga de corona" de iones positivos. El aire caliente los transporta hacia arriba por convección y una vez han alcanzado las regiones superiores de la nube, esos iones positivos atraen a los negativos que los rayos cósmicos habían formado por encima de la nube de tormenta. Los iones negativos penetran en la nube y se unen rápidamente a gotita de agua o cristales de hielo, creando una "capa pantalla" cargada negativamente. Por hipótesis, las corrientes de aire descendentes en la periferia de la nube transportándose, entonces, las partícula cargada negativamente de la capa protectora hacia abajo; el resultado vuelve a ser la formación de una estructura de dipolo positivo.
Estructura tripolar de la nube Malan y Schonland (1947) y Kaemir (1965) establecieron que la estructura básica de las nubes de tormentas no es bipolar, sino tripolar: hay una región de carga negativa N en el centro, con una región de carga positiva P encima de ella y una segunda región, menor, de carga positiva p debajo de aquélla. Esta estructura tripolar ayuda a comprender los resultados de Wilson y Simpson. Wilson midió el campo eléctrico a una distancia considerable de la nube; el efecto de la pequeña región positiva p de la base de la nube, quedaba anulado por la región negativa N principal. Por tanto, Wilson vio la carga positiva superior P y una carga negativa N debajo de ella, es decir, un dipolo positivo. Simpson, por su parte, midió debajo de la nube. Sus instrumentos detectaron la región positiva inferior p por encima mismo del investigador. Como la carga negativa central N, más arriba, apantallaba la región positiva superior P, Simpson concluyó que la carga negativa estaba en la parte alta y que la estructura de la nube era un dipolo negativo.
DIBUJO IV.
Biografía de Benjamín Franklin
Nació en Boston el 17 de enero de 1706. Trabajó ayudando a su padre en la cerería de su propiedad. A los 10 años abandonó sus estudios y a los 13 fue aprendiz en la imprenta de su hermano. Desde 1721 c olaboró con su hermano James en la redacción y edición del New England Courant.
En 1723, tras una disputa con su hermano, huyó a Filadelfia, donde, sin un céntimo en el bolsillo, halló trabajo en una tipografía. Tras haber desempeñado por espacio de dos años la misma actividad en Inglaterra, adonde había sido enviado con recomendaciones sin ningún valor, regresó a Filadelfia y trabajó por su cuenta como tipógrafo y editor. En 1727 fue responsable de la emisión de papel moneda en las colonias británicas de América. Más tarde fundó el periódico La Gaceta de Pensilvania, que publicó entre los años 1728 y 1748, y en 1732 emprendió la edición del Almanaque del pobre Richard (1732-1757). En 1736 formó parte de la Asamblea General de Pensilvania y al año siguiente es nombrado administrador de Correos de Filadelfia. Por esta época organizó también la primera compañía de seguros contra incendios de la ciudad e introdujo métodos para mejorar la pavimentación e iluminación de las calles. En 1747 inició sus experimentos sobre la electricidad. Defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. Su teoría se publicó en Londres y se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que é l mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad, positiva y negativa. En reconocimiento a sus logros científicos, rec ibió títulos honorarios de las universidades de Saint Andrews y Oxford. También fue elegido miembro de la Sociedad Real de Londres y en 1753 es galardonado con la Medalla Copley por sus destacadas contribuciones a la ciencia experimental. En 1723, con 17 años, se comprometió en matrimonio con Deborah Read, de 15 años. Finalmente, se casaron en 1730. A los 24 años, Franklin reconoció la paternidad de un hijo ilegítimo llamado William, acogiéndolo en su casa. La pareja tuvo además dos hijos legítimos, Francis Folger Franklin, que murió a los 4 años víctima de viruela y Sarah Franklin, nacida en 1743, quien procreó a su vez siete niños. Benjamin Franklin falleció el 17 de abril de 1790 en Filadelfia a los 84 años. DIBUJO
V.
Redes de medición de rayo en Colombia En 1988, la Universidad Nacional de Colombia -Programa PAAS y la Empresa de Energía de Bogotá, EEB--, luego de varios año de trabajo conjuntos y exitosos en estudio sobre el tema de las descargas eléctricas atmosféricas, propusieron la reunión de empresas del sector eléctrico colombiano con el objetivo de conocer las experiencias de cada una en este campo y tratar de desarrollar un programa sistemático de cubrimiento nacional sobre el tema. Se concluyó de esta primera reunión que existía gran interés de todas las empresas (ISA, EPM, Corelca, ICEL, CVC, EEB) en desarrollar el programa y la decisión de manejarlo administrativamente a través de ISA y académicamente por la Universidad Nacional de Colombia. De esta manera se creó en noviembre de 1988el Grupo Nacional de Investigación en descargas eléctricas atmosféricas, como grupo de apoyo y asesoría del sector eléctrico
colombiano. Como resultado, nació la Red Colombiana de Medición y Localización de Descargas Eléctricas Atmosféricas, Recma.
Sensor Sabanalarga Cerromatoso San Carlos San Marcos Torca Los Palos
Municipio Sabanalarga (Atlántico) Montelíbano (Córdoba) San Carlos (Antioquia) San Marcos (Valle del Cauca) Bogotá (Cundinamarca) Bucaramanga (Santander)
Coordenadas N: 10°39’00” W: 74°54’14” N: 07°56’25” W: 75°29’18” N: 06°12'51" W: 74°48'41" N: 30°36’26” W: 76°29’17” N: 04°47’19” W: 74°02’13” N: 07°10’19” W: 73°08’02”
Altura (msnm) 150 96 616 992 2561 850
Luego de un par de años en operación, la RECMA fue reemplazada por el Sistema de Información de Descargas Atmosféricas – SID, mediante la actualización del sistema LPATS por equipos de medición de baja frecuencia LS 7000 (Lightning Sensor 7000). Actualmente
el SID cuenta con seis dispositivos de medición, los cuales emplean las técnicas de detección de la dirección magnética y tiempo de arribo para la estimación de los parámetros físicos asociados a los rayos.
VI.
Estación medidora de rayos “ILYAPA”
Durante los últimos diez años, la investigación colombiana ha estimado las magnitudes de los parámetros del rayo en zona tropical mediante resultados de mediciones indirectas a través de los sistemas colombianos de localización de descargas, LLS. Pero, se llegó a la necesidad de complementar la caracterización del rayo en el t rópico mediante la obtención de mediciones directas. En 1998, se inició el proyecto de investigación sobre este aspecto, denominado ILYAPA, el cual tiene tres objetivos principales: 1. Obtener, por medio de una torre instrumentada, mediciones directas de parámetros del rayo, con el fin de compararlos con los obtenidos mediante los LLS colombianos. Los datos directos serán muy útiles para el ajuste de los LLS, mejorando así la confiabilidad de la información de descargas en zona tropical. 2. Comparar las magnitudes de parámetros del rayo en zona tropical con las reportadas para otras latitudes, con el fin de demostrar la hipótesis de variación espacio-temporal de las magnitudes de los parámetros del rayo. 3. Introducir mejoras en los equipos eléctricos y electrónicos y sistemas de protección de los mismos, localizados en zona tropical, con el fin de lograr incrementos en la vida útil y reducir costos de reposición por fallas. Diseño y construcción de la estación ILYAPA
La metodología para la localización de la estación se fundamentó en la hipótesis de variación espacial y temporal de los parámetros del rayo, tratando de encontrar un sitio que cumpliera los requerimientos de seguridad, facilidad de acceso y, principalmente, una alta densidad de descargas a tierra, DDT. Se encontró que las zonas de alta DRT coincidían con las zonas de mayor precipitación, confirmando, de esta forma, que las zonas identificadas presentan una elevada actividad eléctrica atmosférica. La información referente al comportamiento de los sistemas eléctricos para estas zonas mostró valores alrededor del 26% para el índice de falla de transformadores de distribución y contadores de energía quemados. Además, en conversaciones con moradores de las zonas se comentaban varias experiencias de falla de equipo eléctrico y electrónico durante las tormentas. Finalmente, para la instalación definitiva de la estación fue seleccionado un sitio cercano al pueblo de Samaná (Caldas) con coordenadas Latitud: 5º26'36"N., Longitud: 74 56'12" W, Altitud: 1000 msnm, el cual cumplía con los requisitos predeterminados y DDT de 35 strokes/km2 –año.
La altura de la estructura tiene una participación en el incremento de la presentación desde cargas de tipo ascendente sobre las de tipo descendente. Adicionalmente, las estructuras empleadas para transmisión de energía normalmente no superan los 60 metros. Tomando en consideración lo anterior, se determinó instalar una torre instrumentada con una altura total por debajo de los 60 m. Además, esta altura de la estructura permite su comparación con registros obtenido en zonas templadas, como Italia o Suráfrica o en zonas tropicales como Brasil en estructuras de alturas similares. Para el proyecto inicial bautizado llyapa5 se eligió el uso de una torre venteada de 30m de altura y 60 cm de lado, empleando una base piramidal para la localización de los equipos sensores y remplazando una sección de los templetes de acero por aisladores poliméricos. En diciembre del año 2001la torre fue trasladada a la población de Puerto Olaya en las instalaciones de la estación de bombeo de Sebastopol, de propiedad de la Empresa Colombiana de Petróleos, Ecopetrol, y se aumentó su altura a 60 metros. VII.
Grupo PAAS de la Universidad Nacional de Colombia
El Programa de Investigación sobre Adquisición y Análisis de Señales (PAAS) es una de las agrupaciones de mayor trayectoria y reconocimiento en la Universidad Nacional de Colombia. Se ha dedicado a trabajar en calidad de la energía e léctrica y descargas eléctricas atmosféricas, ya que han logrado demostrar –a través de mediciones y publicaciones internacionales – que Colombia está ubicada en la región de mayor actividad de rayos del mundo. Las investigaciones en este c ampo han permitido el desarrollo de m apas, un equipo con el cual se puede predecir el impacto de un rayo con media ahora de anticipación, caracterización de calidad de energía en el país, así como normas colombianas en la materia. También desarrolló una red nacional de medición y detección de descargas atmosféricas. El grupo PAAS se inició en 1983-1984 pero categóricamente se le dio la fecha de 1993. Y su director de grupo es Horacio Torres, ingeniero electricista.
Conclusiones
Bibliografía Torres, Horacio. El Rayo: Mitos, Leyendas, Ciencia Y Tecnologías. 2nd ed. Bogotá: Unibiblos, 2002. Pg. 39-44, 63-78, 313-316, 333-335. Bolaños, César. Protecciones Contra Descargas Atmosféricas Teoría Y Normativa . Universidad de Costa Rica, 2008. Marin, Víctor. PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. 2010. Print. "Biografía De Benjamin Franklin - Quién Es, Obras, Información, Re sumen, Vida, Bio Wiki". Buscabiografias.com. N.p., 2017. Web. 19 Feb. 2017. Recuperado de: http://www.buscabiografias.com/biografia/verDetalle/2179/Benjamin%20Franklin "Biografia De Benjamin Franklin". Biografiasyvidas.com. N.p., 2017. Web. 19 Feb. 2017.
Recuperado de: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/f/franklin.htm
