Diferencia entre revisiones de «Física/Lo que aprendí leyendo a Feynman - Electromagnetismo/La electricidad en la atmósfera»

Contenido eliminado Contenido añadido
Sýllabus (discusión | contribs.)
Página nueva: Si bien éste capítulo se aleja un poco de la línea general del libro, se complementa con una temática que aborda algo tan común como son los fenómenos de los rayos y las torment...
 
Sýllabus (discusión | contribs.)
Línea 3:
==El potencial en la nariz y la electricidad en las alturas==
 
Para muchos, verano es época de sol, playa y vacaciones. Pero en un día normal –que sea claro y despejado- por cada metro de elevación con respecto a la superficie terrestre, la diferencia de potencial terrestre aumenta unos 100 volts. ¡Suficiente para que funcionen algunos aparatos eléctricos! Si a esas vamos, la diferencia de potencial entre mis rodillas y mi nariz sería de 120 volts, ¡ya estuvo!
Para muchos, verano es época de sol, playa y vacaciones.
La pregunta obvia es que si realmente existe semejante oportunidad para adquirir energía gratis, ¿por qué no recibo también una buena descarga gratis?
Claramente, aquí hay gato encerrado. Primeramente, el cuerpo humano es un conductor más o menos aceptable. Así que en nuestro diario andar por la vida nuestros pies entran en contacto con la superficie de la tierra y ambos tienden a formar una superficie '''equipotencial''', osea, que adquieren ''el mismo'' valor. Dichas superficies equipotenciales son paralelas al suelo, pero cuando uno entra en escena, se distorsionan (ver figura). Por lo tanto, la diferencia de potencial en el cuerpo, que bien pudo haber causado pánico al lector, al final es prácticamente nula.
 
¿Cómo le hicieron para medir el campo eléctrico de la superficie de la tierra? Bueno, en esencia es muy sencillo. Se coloca una placa metálica sobre el suelo y se conecta a tierra. Dado que hay un campo '''E''' (que asumimos es el terrestre), existirá una densidad superficial de carga  =0E –en tierra- por lo que habrán cargas negativas (¿porqué negativas?) sobre la superficie de la placa.
Si ahora se cubre la placa anterior con otra placa conductora a una altura muy pequeña, las cargas ahora se irán directamente a la nueva placa y no habrá en la anterior.
Si medimos la carga que fluye desde la placa inferior hacia tierra cuando se le recubre con la placa superior (por medio de un galvanómetro) se puede encontrar  y en por ende, el campo E.
El campo eléctrico terrestre existe a grandes alturas pero disminuye en magnitud. Alrededor de los 50 kilómetros es mucho muy débil ya, por lo que lo interesante sucede a bajas alturas. Aún así, la diferencia de potencial total desde la superficie terrestre hasta los límites de la atmósfera es alrededor de ¡400 000 volts!
 
¿Y qué podemos decir de la atmósfera? Bueno, pues que el aire, tal y como lo conocemos, no es un aislante perfecto (en sí, nada es perfecto) por lo que existe también una muy pequeña –del orden de los micromicroampers- densidad de corriente que pasa del cielo a la tierra por medio del aire, que sirve como conductor mediador.
¿Cómo es posible que el aire sea conductor? Si pensamos en el aplastante número de moléculas que tiene un metro cúbico de aire, podría pasar que de todas ellas al menos una molécula es un ion: el oxígeno es un buen candidato (aunque también lo puede ser el nitrógeno, etc.) ya que los choques entre partículas pueden hacer que el oxígeno pierda o gane electrones. Una molécula ionizada tiende a conglomerarse con otras partículas y juntas se mueven de acuerdo con el campo eléctrico. Allí generan esa minúscula corriente.
Ahora bien, ¿cuál sería el origen de esos iones? ¿simples choques moleculares? En un principio se pensó que las partículas  (electrones a altas energías) producidas por la radioactividad de la tierra sacaban a los electrones de las moléculas y producían iones. Lógico pensar es que a grandes alturas, la ionización disminuiría. Pero, ¡oh sorpresa! cuando unos físicos llevaron acabo un experimento para medir dicha ionización usando globos (Hess, en 1912) encontraron que la ionización aumentaba con la altura. Éste hecho fue el logro más impactante de la física atmosférica –en aquel tiempo- y originó una rama completamente nueva: la física de los rayos cósmicos.
Aquí Feynman da el avionazo en su explicación argumentando poco acerca de los rayos cósmicos. Lo trascendente es que partículas nuevas a las conocidas en aquel entonces (muones, neutrinos, etc.) provenientes de remotos lugares en el espacio exterior, llegaban a la atmósfera a velocidades cercanas a la de la luz, chocando con las moléculas y disparando una cascada de partículas atómicas y subatómicas que producían iones en altas alturas (por algo se llama ionosfera).
Pero la historia no acaba ahí. Es preciso sugerir que además de esos pequeños iones producidos por los rayos cósmicos existe otra clase de iones más pesados y relativamente más grandes –como partículas de polvo- que no están a grandes alturas, pero que influyen en la variación de la conductividad del propio aire.
Un ejemplo de dichas partículas “pesadas” son los granos de sal. En el mar no sólo la vida es más sabrosa sino que cuando una ola de mar rompe, muchísimas gotas son proyectadas hacia el aire. Cuando éstas se evaporan dejan a su paso un pequeñísimo grano de sal común (NaCl) flotando en el aire. Tales cristales son los encargados de acaparar carga y convertirse en iones pesados.
Dada la relativa inmensidad de la superficie terrestre comparada con un ión pesado y un ión pequeño, la intensidad de la corriente eléctrica atmosférica está relacionada con la densidad. Así pues, conforme vamos incrementando en altitud, los iones pesados son cada vez menos abundantes debido al factor peso, al factor humano –contaminación- o a que las gotitas de las olas de mar no llegan tan alto, mientras que las partículas ionizadas ligeras, que se originan en su gran mayoría por las colisiones con los rayos cósmicos en la atmósfera superior, tienen mayor espacio para avanzar antes de decaer/colisionar en otras partículas. En resumen, iones pesados implica menos velocidad, lo que a su vez se traduce en una corriente muy débil; por otro lado, iones ligeros, por minúscula que sea la carga que transporten, si van a altas velocidades (cercanas a las de la luz) pueden generar una corriente notable. La intensidad de corriente atmosférica aumenta con la altura tal como se había visto experimentalmente
 
Hasta ahora, nos hemos dado cuenta que el aire no es un aislante perfecto, que existe una corriente eléctrica en la atmósfera debido a la ionización por partículas cargadas y que el voltaje aumenta en promedio 100 volts por metro, entre otras cosas. O sea, que podemos imaginar el asunto viendo a la tierra como una gran esfera sólida con carga negativa y a la atmósfera como un cascarón que la cubre con caga positiva. ¿Por qué no simplemente se descargan? ¿qué mantiene a las cargas en su lugar? Para terminar, recordemos que a 50 km aproximadamente, la atmósfera tiene las condiciones de comportarse como una superficie conductora, estamos hablando de unos 400 000 volts…