Si el aire no puede conducir electricidad, ¿cómo puede ocurrir un rayo?

Question

Si el aire no puede conducir electricidad, ¿cómo puede ocurrir un rayo?

Answer 1

Esto se debe al principio de ruptura dieléctrica. Durante las tormentas eléctricas, el aire entre la nube y el suelo actúa como un condensador. Cuando el campo eléctrico es lo suficientemente alto, el aire se ioniza parcialmente, en ese momento hay electrones libres para transportar corriente y el aire se vuelve, esencialmente, conductivo.

Answer 2

El aire no conduce electricidad de la misma forma que lo hacen los metales. Normalmente pensamos en los conductores como metales con electrones libres que se mueven fácilmente a lo largo de todo el metal. Pequeños voltajes mueven los electrones y puede fluir una corriente.

En el caso del aire y muchos otros materiales, hay electrones presentes, pero están firmemente unidos a átomos y moléculas individuales y no pueden moverse de la forma en que lo hacen los electrones libres en los metales.

Ahora, si usamos un voltaje muy alto - desde alrededor de 200 V hasta 1000 V (o más alto) en su mayoría - entonces podemos obtener chispas formadas, rayos u otros tipos de plasmas donde hay electrones libres moviéndose en el gas que pueden conducir electricidad. Se requiere una cantidad significativa de energía para generar estos plasmas porque los electrones de los átomos y moléculas deben ser removidos contra grandes barreras de energía. Se requiere un alto voltaje para impulsar este proceso de 'ionización' en el gas. Echa un vistazo a Ley de Paschen y observa las curvas de Paschen que muestran los voltajes mínimos de ruptura para diferentes gases. (Ten en cuenta que se requiere energía para mantener electrones libres en un ambiente gaseoso como el aire, mientras que en un conductor metálico los electrones libres siempre están presentes. Cada electrón libre debe ser generado por ionización de átomos/moleculas del gas o emisión de electrones desde una superficie - así que por cada electrón libre en el plasma debe haberse utilizado 5 a 10 eV o más de energía para generar el electrón libre... y luego los electrones se perderán, por ejemplo en la recombinación con iones positivos, así que la energía debe ser continuamente utilizada para mantener un número significativo de electrones libres)

Así que con voltajes altos es posible generar electrones que pueden moverse libremente en un gas y conducir electricidad - como en el ejemplo del rayo.

Answer 3

Además de las otras respuestas, aquí está una vista a nivel atómico.

En las moléculas de aire, los átomos que componen las moléculas tienen electrones de valencia que se unen para formar las moléculas. La capa externa no está inicialmente llena de electrones pero se llenará cuando dichos átomos "compartan" electrones.

Los electrones pueden tener diferentes niveles de energía - o estados de energía. Muchos estados muy cercanos forman una banda. La banda donde se encuentran los electrones de valencia, cuando están unidos en la molécula, se llama la banda de valencia.

Esta banda está llena. No hay espacio para más electrones. (El _principio de exclusión de Pauli_ prohíbe que dos electrones ocupen el mismo estado, por lo que dado que todos los estados tienen un electrón, la banda está llena). Los electrones no pueden moverse de un estado a otro dentro de esta banda, ya que no hay estados vacíos. (El principio de exclusión también explica por qué generalmente solo la capa externa es importante en las reacciones - las capas internas ya están llenas).

Ahora, si un electrón puede saltar hacia arriba a un nivel de energía - hasta otra banda - entonces en esta nueva banda, todos los otros estados están libres y desocupados. Este electrón puede moverse casi libremente de un estado a otro dentro de esta banda, y casi no se necesita fuerza o energía para moverlo. Esta banda se llama la banda de conducción.

Si hay electrones en la banda de conducción, este material puede conducir corriente.

• Los buenos conductores tienen una banda de conducción y una banda de valencia que casi se superponen.
• Los buenos aislantes tienen bandas muy separadas entre sí - hay una gran brecha de banda entre ellas.

Para que los electrones se muevan hacia la banda de conducción en un material aislante, necesitan recibir suficiente energía igual a la brecha de banda $E_g$ para llegar allí. Hasta donde recuerdo, la brecha de energía está alrededor de $5 \:\mathrm{eV}$ para un aislante común para mover un electrón allí. Esta es una gran cantidad de energía, que raramente se aplica; por ejemplo, en una tormenta donde se crean enormes diferencias de potencial.

Luego, los electrones se mueven hacia arriba y se "liberan" de sus posiciones fijas en el átomo. Los átomos ahora están ionizados. Luego puede ocurrir un rayo en un aislante como el aire que repentinamente se vuelve conductor.

Answer 4

Un rayo es simplemente una chispa eléctrica (que todos los que tienen conocimientos en electricidad saben cómo se hace), amplificada por 1.000.000 de veces. Por lo tanto, si no tienes ese conocimiento es un poco difícil proporcionar una explicación científica sólida pero lo intentaré.

Pero antes de eso, es útil aclarar algunas de las ideas falsas que tu pregunta implica.

• Cuando se trata de voltaje, realmente no hay ningún material conocido por el hombre que pueda actuar como un aislante absoluto. Esto incluye cosas como vidrio, plástico e incluso el aire mismo. Entonces, el aire, en el sentido absoluto, SÍ conduce electricidad, solo que muy muy pobremente y de ninguna manera tan bien como lo hacen los metales.

• Cuando se trata de voltajes lo suficientemente altos, no hay material conocido (dependiendo del material) que no pueda actuar como un buen conductor. De eso se trata la "ruptura dieléctrica". ¿Cuánto voltaje puede soportar antes de convertirse en un conductor?

• Una propiedad fundamental de la naturaleza es su deseo de restaurar el equilibrio de cualquier desequilibrio que encuentre. Esto es cierto para prácticamente todo lo que conocemos; temperatura, presión y por supuesto carga eléctrica, que es de lo que se tratan las chispas y los rayos. Y naturalmente (como con todas las cosas), cuanto mayor sea el desequilibrio, más drástico y dramático (las chispas vuelan) será el efecto de esta restauración.

Entonces, en esencia, los rayos no son causados por la electricidad en sí misma, sino más bien por la "nulificación" drástica del potencial eléctrico. Para decirlo de manera simple, es una chispa gigante que ocurre para restaurar rápidamente el equilibrio de las cargas eléctricas entre dos objetos (dos nubes o una nube y el suelo) que tienen diferentes cantidades de cargas.

Si necesitas más información científica, como mencionó Kieran Hunt, el "Ruptura dieléctrica" es el próximo tema a leer para obtener un conocimiento más profundo.