EL GRADIENTE DE POTENCIAL ELECTRICO EN LA
En un día ordinario sobre un plano país desértico o sobre el mar, en la medida que se asciende por encima de la superficie terrestre el potencial eléctrico aumenta cerca de 100 voltios por metro. Por lo tanto existe un campo eléctrico vertical E de 100 voltios/m en el aire. El signo que tiene dicho campo corresponde a una carga negativa sobre la superficie terrestre. Esto quiere decir que al aire libre tendrás un potencial en la punta de tu nariz de 100 voltios más que el que tienes en tus pies, Podrías preguntarte: “Por qué no tomar tan solo un par de electrodos y conectarlos a un metro sobre el aire y usar esos 100 voltios para alimentar nuestras luces eléctricas?” O también podrías preguntar: ¿Si realmente existe una diferencia de potencial de 200 voltios entre mi nariz y mis pies, por que no recibo una descarga cuando camino por las calles?
Respondamos la segunda pregunta primero. Nuestro cuerpo es relativamente un buen conductor. Si estamos en contacto con el suelo, tenderemos a establecer una superficie equipotencial. Normalmente, los equipotenciales son paralelos a la superficie, tal como se muestra en la figura:
Pero cuando estamos allí parados, los equipotenciales son distorcionados, y el campo pasa a ser como se mostró en la figura (b) anterior. Entonces aún se tiene un potencial casi neutro entre la cabeza y los pies. Existen cargas que están circulando desde debajo de la tierra y siguen hasta tu cabeza, cambiando el campo. Algunas de ellas pueden ser descargadas por iones colectados por el aire, pero la corriente de estos es muy pequeña debido a que el aire es un conductor pobre.
¿Cómo podemos medir cada campo si el campo varia con la presencia de un objeto? Existen varias formas de hacerlo. Una manera es colocar un conductor aislado a cierta distancia por encima del suelo y dejarlo allí hasta que tenga el mismo potencial del aire. Si lo dejamos lo suficiente, la pequeña conductividad en el aire permitirá la fuga de cargas del conductor hasta que llegue a su nivel. Luego podemos traerlo de vuelta al suelo y medir la variación de su potencial. Una manera rápida es dejar al conductor en una cubeta de agua con una pequeña fuga. Como las gotas de agua saldrán hacia afuera por el orificio, estas gotas llevaran cualquier exceso de carga y la cubeta se acercara al mismo potencial del aire. (Las cargas, como sabemos, residen en la superficie, por lo tanto las gotas de agua desprenderán trozos de estas cargas). Se puede medir el potencial de la cubeta con un electrómetro.
Ya existe un campo eléctrico, hay una superficie de carga sobre la tierra (ѳ= E0E). Si tomamos una barra de metal plana y la colocamos sobre la superficie del suelo y la aterramos, cargas negativas aparecerán. Si esta barra ahora es cubierta por otra igualmente aterrada, las cargas aparecerán en la nueva barra y no habrá cargas circulando en la barra principal.
Si medimos la carga que fluye de la barra A a tierra (por decir, con un galvanómetro en el terminal aterrado) como la cubrimos, podemos encontrar la densidad de carga superficial y por lo tanto también encontrar el campo eléctrico.
Habiendo sugerido como medir el campo eléctrico en la atmosfera, ahora continuaremos nuestra descripción de ello. Las mediciones muestran primero que todo que el campo continua existiendo, pero se hace más débil en la medida que alcanza mayores altitudes. Cerca de 50 km el campo es muy pequeño, así que la mayoría del cambio de potencial (La integral de E) se encuentra en altitudes más bajas. La diferencia total de potencial desde la superficie de la tierra hasta el tope de la atmosfera es alrededor de 400.000 voltios.
Corrientes eléctricas en la
Otra cosa que puede ser medida, en adición al gradiente de potencial, es la corriente eléctrica en la atmosfera. La magnitud de corriente es pequeña cerca de los 10 micro micrones-amperios que atraviesan cada metro cuadrado paralelo a la tierra. El aire es evidentemente no un aislante perfecto, y por causa de esta conductividad, una pequeña corriente la origina el campo eléctrico, que acabamos de describir pasa del cielo a la tierra.
¿Por qué la atmosfera tiene conductividad? Aquí y allá entre las moléculas de aire existe un ion- una molécula de oxígeno, es decir, adquiere un electrón extra o lo pierde. Estos iones no están como únicas moléculas; a causa de su campo eléctrico ellos acumulan algunas moléculas a su alrededor. Cada ion se convierte entonces en un pequeño bulto que, junto con otros se alejan del campo moviéndose lentamente hacia arriba o hacia abajo, lo que hace que se pueda observar una corriente eléctrica.
¿De dónde vienen estos iones? Esto fue lo primero en estudiarse, estos iones eran producidos por la radioactividad de la tierra. (Se conoció que la radiación de materiales radioactivos hacia al aire conductor por la ionización de las moléculas en el). Partículas como rayos β viniendo desde el núcleo atómico se movían tan rápido que ellas arrancaban electrones de los átomos, dejando iones tras de sí. Esto implica, desde luego, que si iríamos hacia mayores altitudes, deberíamos encontrar menos ionización, porque la radioactividad contamina todo lo que se encuentra en la tierra, las huellas de Radium, uranio, potasio, etc.
Para probar esta teoría, algunos físicos llevaron a cabo un experimento hacia distancias más elevadas en la atmosfera en globos para medir la ionización del aire (Hess 1912) y descubrieron que lo contrario a lo que se creía era cierto; la ionización por unidad de volumen era mayor con la altitud. (El aparato utilizado era similar al de la figura).
Las dos placas fueron cargadas periódicamente al potencial V. Debido a la conductividad del aire las placas eran descargadas lentamente; la tasa de la descarga era medida con el electrómetro.
Esto fue un resultado misterioso, el descubrimiento más dramático en la historia de la electricidad atmosférica. Fue tan dramático, de hecho, que se requirió hacer un completo desvío hacia una nueva materia sobre rayos cósmicos. La electricidad atmosférica se mantuvo menos dramática. La ionización era evidentemente producida por algo desde fuera de la tierra; la investigación de esta fuente condujo al descubrimiento de los rayos cósmicos. No discutiremos la materia de rayos cósmicos ahora, excepto para decir que ellos mantienen el suministro de iones. A pesar de que los iones son barridos todo el tiempo, nuevos están siendo creados por las partículas de rayos cósmicos que vienen del exterior.
Para ser más precisos hay que decir que además de los iones compuestos por moléculas, hay además otras clases de iones. Pequeñas partículas de sucio, como trozos muy finos de polvo flotan en el aire y son cargados. Ellos son a veces llamados “núcleos”. Por ejemplo: Cuando una ola rompe en el mar, pequeñas partículas de rocío se dispersan en el aire. Cuando una de estas gotas se evapora, deja un cristal infinitesimal de NaCl flotando en el aire. Estos pequeños cristales pueden luego llevar cargas y convertirse en iones; ellos son conocidos como “iones grandes”.
Los iones pequeños, los que se forman por rayos cósmicos son los que tienen mayor movimiento. Por ser tan pequeños, se mueven rápidamente a través del aire con una velocidad cerca de 1 cm/s en un campo de 100 volts/m ó 1 volt/cm. Los iones más grandes y pesados se mueven mucho más lento. Resulta que sí hay muchos “núcleos”, ellos llevaran las cargas de los iones pequeños. Luego, puesto que “los iones grandes”se mueven tan lento en un campo, la conductividad total es reducida. La conductividad del aire, por lo tanto, es muy variable, ya que es muy sensible a la cantidad de suciedad que hay en él.
Existe más sucio sobre la tierra, donde el viento puede soplar el polvo o donde el hombre pone todo tipo de contaminantes en el aire, que la que existe sobre el agua. No es de sorprender que día a día, de momento en momento, de lugar a lugar, la conductividad cerca de la superficie terrestre varíe enormemente. El gradiente de tensión observado en un lugar particular de la superficie terrestre también varía en gran medida porque aproximadamente la misma corriente fluye hacia abajo desde las alturas en diferente lugares, y la conductividad varia cerca del suelo resultando en una variación del gradiente de tensión.
La conductividad del aire debido a la deriva de iones también aumenta rápidamente con la altitud por dos razones: Primero que todo, la ionización de los rayos cósmicos aumenta a mayor altura; Segundo, como la densidad del aire disminuye, el camino libre de los iones aumenta, para que puedan viajar más lejos en el campo eléctrico antes de que tengan una colisión, dando como resultado un rápido aumento de la conductividad en la medida que se sube.
Aunque la densidad de corriente eléctrica en el aire es solo de algunos micros micrones-amperios por metro cuadrado, existen muchos metros cuadrados sobre la superficie terrestre. La corriente eléctrica total que llega a la superficie terrestre a cualquier hora es casi constante en 1800 Amperios, esta corriente desde luego es “positiva” y lleva más carga a la tierra. Entonces tenemos una tensión de suministro de 400.000 voltios con una corriente de 1800 amperios a una potencia de 720 MW.
Con esa corriente tan grande viniendo hacia abajo, la carga negativa en la tierra debe ser descargada rápidamente. De hecho, esto debe tomar solo cerca de media hora para descargar tota la tierra. Pero el campo eléctrico atmosférico ya ha durado más de media hora desde su descubrimiento. ¿Cómo se mantiene? ¿Qué mantiene la tensión? ¿Y entre qué y la tierra? Son muchas preguntas.
La tierra es negativa, y el potencial en el aire es positivo. Si vas lo suficientemente alto, la conductividad es tan grande que horizontalmente no hay más oportunidad para las variaciones de tensión. El aire, para la escala de tiempo que estamos hablando, se vuelve efectivamente un conductor. Esto ocurre a una altura de 50 km. Esto no es tan alto como lo es la “Ionosfera” en la que se encuentra un gran número de iones producidos por fotoelectricidad del sol. Sin embargo, para nuestra discusión de electricidad atmosférica, el aire se vuelve lo suficientemente conductor cerca de los 50 km que nos podemos imaginar en una superficie perfecta a esa altura de donde las corrientes descienden a la superficie terrestre.
El problema: ¿Cómo es que la carga positiva se mantiene allí? ¿Cómo se hace llegar de nuevo? Porque si se llega a la tierra, tiene que ser devuelta hacia arriba de alguna manera. Esto fue uno de los mayores rompecabezas de la electricidad atmosférica durante mucho tiempo.
Cada pieza de información que podemos obtener debe dar una pista o, al menos, decir algo al respecto. Aquí se encuentra un fenómeno interesante: Si medimos la corriente (Que es más estable que el gradiente de potencial) sobre el océano, por ejemplo, o en condiciones de sumo cuidado, promediando cuidadosamente para deshacernos de las irregularidades, descubriremos que todavía existe una diaria variación. El promedio de muchas mediciones sobre los océanos tiene una variación con el tiempo más o menos como se muestra:
La corriente varía cerca del 15 %, y es más grande a las 7:00 pm en Londres. Lo extraño del asunto es que no importa donde se realice la medición de corriente; sea en el Océano Atlántico, Océano Pacifico o en el Océano Ártico, la corriente está en su valor máximo cuando el reloj en Londres marca las 7:00 pm. Por todo el mundo, la corriente está en su máximo a las 7:00 pm hora de Londres y está en su mínimo a las 4:00 am hora de Londres. En otras palabras, depende en el tiempo absoluto de la tierra, no en la hora local en el lugar de observación. En un sentido esto no es un misterio, esto comprueba con nuestra idea de que existe una conductividad muy alta lateralmente en la parte superior, porque esto hace imposible que la diferencia de tensión desde el suelo a lo más alto varíe según el lugar. Cualquier variación de potencial debe ser igual en todo el mundo, como de hecho lo es. Lo que hoy conocemos, es que la tensión en la superficie superior está cayendo y aumenta en un 15 % con el tiempo absoluto en la tierra.
Origen de las corrientes atmosféricas
Ahora hablemos acerca de la gran corriente negativa proveniente de la fuente, la cual debe de estar fluyendo desde el tope a la superficie terrestre para mantener la carga negativa arriba. ¿Dónde están las baterías que hacen esto? La batería es mostrada en la figura:
Es la tormenta y sus rayos. Resulta que los rayos no descargan el potencial del que hemos estado hablando. Las tormentas de rayos llevan cargas negativas a la tierra. Cuando cae un rayo, estos en una proporción de 10 a 1 brindan carga negativa a la tierra en grandes cantidades. Estas son las tormentas que en todo el mundo están cargando la superficie terrestre con un promedio de 1800 amperios, cada una comienza a descargarse a través de las regiones donde el tiempo atmosférico es más equilibrado.
Existen alrededor de 300 tormentas por día en toda la tierra, y podemos pensar en ellas como baterías que bombean la electricidad hasta lo alto de la capa superior manteniendo la diferencia de tensión. Luego se toma en cuenta la geografía del lugar; se dan tormentas por la tarde en Brasil, tormentas tropicales en África y así sucesivamente.
En orden de entender como estas baterías funcionan, echemos un visto a una tormenta en detalle. ¿Qué ocurre dentro de una tormenta? Vamos a describirla a medida que la conocemos. Como nos metimos en este maravilloso fenómeno natural, en lugar de las esferas idealizadas como conductor perfecto dentro de otras esferas de las cuales podemos discutir muy bien el fenómeno, veamos otra forma.
Cualquiera que ha estado en una tormenta la ha disfrutado, o ha sentido miedo, o al menos ha sentido emoción. Y en aquellos lugares en la naturaleza donde se obtiene una emoción, nos encontramos con que en general hay una complejidad correspondiente respecto al misterio.
THE FEYNMAN LECTURES ON PHYSICS VOL 2.
TRADUCCION: ING. CARLOS CHACON
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