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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
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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
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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..
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