Tensión e intensidad del rayo positivo

Question

Para una investigación sobre temas de física elegí investigar qué efectos podrían tener los rayos en un avión en vuelo si fuera alcanzado y luego discutir algunas posibles implicaciones de que los ingenieros no tuvieran en cuenta la potencia de los rayos positivos.

Por si no sabes lo que es un rayo positivo, lo que yo entiendo es que cuando las cargas se acumulan en las nubes (no voy a explicar cómo), en la mayoría de los casos la parte inferior de la nube se carga negativamente y la parte superior se carga positivamente. Básicamente, los rayos positivos son mucho más potentes que los negativos, ya que tienen un voltaje y una corriente mayores.

Q1. ¿Cómo determinarías la diferencia de potencial entre la parte inferior de la nube (dada una carga global) y el suelo (dada la carga global) y, por tanto, la intensidad del campo eléctrico? $E = V/d$ ? Pero, ¿cómo puedo calcular la tensión?

Q2. Tengo entendido que $V = IR$ . Y por eso la tensión de un rayo positivo es mayor que la de un rayo negativo, ya que la resistencia del rayo positivo es mayor (tiene que salir por el lado de la nube y DESPUÉS bajar). ¿Pero por qué la corriente es mayor? Si $I = V/R$ y la resistencia es mayor, ¿no sería menor la corriente?

(Esta pregunta probablemente no sea de un nivel tan alto como muchas de las otras preguntas de este sitio, por lo que debería resultarte bastante fácil de responder).

Answer 1

(1) Para responder a tu primera pregunta: tienes que tratar la nube y la tierra que hay debajo de ella formando como una condensador . Hay una buena descripción popular de esto en http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/ . Un condensador se describe por su capacitancia, y ésta se relaciona con la tensión y la carga mediante:

$$C = \frac{Q}{V}$$

donde $Q$ es la carga eléctrica y $V$ es la diferencia de tensión a través del condensador. Se puede aproximar la nube y la tierra como un condensador de placas paralelas, y la capacitancia viene dada por:

$$C = \frac{\epsilon A}{d}$$

donde $A$ es el área de la base de la nube, $d$ es la distancia entre la base de la nube y la tierra, y $\epsilon$ es la permitividad del aire ( $8.854 \times 10^{-12}C^2N^{-1}m^{-2}$ ). Combinando las dos ecuaciones y un rápido reordenamiento se obtiene:

$$V = \frac{Qd}{\epsilon A}$$

Obviamente, esto es una simplificación burda, pero debería darte una idea aproximada de la diferencia de potencial.

(2) En cuanto a su segunda pregunta: como usted dice, los rayos positivos requieren una tensión más elevada para ponerse en marcha. Si nos fijamos en la ecuación de la tensión, suponiendo que la nube se mantenga igual, la única forma de que la tensión sea mayor es que la carga sea mayor. La corriente se define como carga por unidad de tiempo Si la duración del rayo es más o menos constante, un rayo positivo tiene que transferir más carga en el mismo tiempo y, por lo tanto, tiene una corriente mayor.

Answer 2

En última instancia, lo único que importa para el avión es la corriente, a partir de la cual se puede hallar la tensión a través del propio avión (conociendo la resistencia del avión). La longitud del impulso también puede importar si el calentamiento de los materiales es un problema. También está el campo magnético, que también depende de la corriente.

La "tensión" inicial entre el suelo y la nube no es muy relevante, salvo quizás por su efecto sobre la duración del impacto.

Si se quiere entrar en detalles de muy corta duración puede ser necesario considerar la inductancia, pero no creo que sea muy relevante para el avión en sí.

Y el avión puede probarse con tensiones relativamente bajas que inducen la misma corriente a través del avión.