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Si el aire no puede conducir la electricidad, ¿cómo pueden ocurrir los relámpagos?

Si el aire no puede conducir la electricidad, ¿cómo pueden ocurrir los relámpagos?

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Kieran Hunt Puntos 1870

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 cuyo momento hay electrones libres para transportar la corriente y el aire se vuelve, esencialmente, conductor.

13voto

Mike Puntos 33

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

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

Ahora bien, si utilizamos un voltaje muy muy alto - de unos 200 V a 1000 V (o más) en su mayoría - entonces podemos obtener la formación de chispas, relámpagos u otros tipos de plasmas donde hay electrones libres moviéndose en el gas que pueden conducir la electricidad. Se requiere una cantidad significativa de energía para generar estos plasmas porque los electrones de los átomos y las moléculas deben ser removidos contra grandes barreras de energía. Se requiere un alto voltaje para conducir este proceso de "ionización" en el gas. Echa un vistazo a La Ley de Paschen y observe las curvas de Paschen que muestran los voltajes mínimos de ruptura para los diferentes gases. (Obsérvese que se requiere energía para mantener los electrones libres en un ambiente gaseoso como el aire, mientras que en un conductor metálico los electrones libres están siempre presentes. Cada electrón libre debe ser generado por ionización de un átomo/molécula de gas o por emisión de electrones desde una superficie - así que por cada electrón libre en el plasma debe haber habido de 5 a 10 eV o más de energía utilizada para generar el electrón libre... y entonces los electrones se perderán, por ejemplo en la recombinación con iones positivos, por lo que la energía debe ser utilizada continuamente para mantener un número significativo de electrones libres)

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

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ash108 Puntos 226

Además de las otras respuestas, aquí hay una visión sobre el nivel atómico.

En las moléculas de aire, los átomos que componen las moléculas tienen valence electrones que se unen para formar las moléculas. La cubierta exterior no es inicialmente completo de electrones pero será estar lleno cuando tales átomos "comparten" electrones.

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

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Esta banda está llena. No hay espacio para más electrones. (El _principio de exclusión_ prohíbe que dos electrones ocupen el mismo estado, así que como todos los estados tienen un electrón, la banda está llena). Ningún electrón puede pasar de un estado a otro dentro de esta banda, ya que ningún estado está vacío. (El principio de exclusión también explica por qué normalmente sólo la cubierta exterior es importante en las reacciones - las cubiertas interiores ya están llenas).

Ahora, si uno el electrón puede saltar arriba en el nivel de energía - todo el camino hasta otra banda - entonces en esta nueva banda, todos los demás 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 banda de conducción .

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

  • Los muy buenos directores tienen una banda de conducción y una banda de valencia que casi se superponen.
  • Los muy buenos aislantes tienen bandas alejadas entre sí - hay una gran brecha de la banda en el medio.

Para que los electrones suban a la banda de conducción en un material aislante, se les debe agregar suficiente energía igual a la brecha de la banda $E_g$ para que se mueva hasta allí. Por lo que recuerdo, la brecha de energía está en aproximadamente $5 \: \mathrm {eV}$ para que un aislante habitual mueva un electrón hasta allí. Se trata de una gran cantidad de energía, que sólo en raras ocasiones se aplica; por ejemplo, en una tormenta eléctrica donde se crean enormes diferencias de potencial.

Entonces los electrones se mueven hacia arriba y se "liberan" de sus posiciones fijas con el átomo. Los átomos son ahora ionizado . Entonces los relámpagos pueden ocurrir en un aislante como el aire que de repente se convierte en conductor.

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Amanda S Puntos 1441

Un rayo/ trueno es sólo una chispa eléctrica (que todo el mundo con conocimientos eléctricos sabe cómo se hace), amplificada 1.000.000 veces. Así que si careces de tal fondo es un poco difícil proporcionar una explicación científica sólida, pero lo intentaré.

Pero antes de eso, es útil resolver algunos de los conceptos erróneos que su pregunta implica.

  • Cuando se trata del voltaje, no hay realmente ningún material conocido por el hombre que pueda actuar como un aislante absoluto. Esto incluye cosas como el vidrio, el plástico e incluso el aire mismo. Así que el aire, en el sentido absoluto, conduce la electricidad muy, muy mal y ni de lejos tan bien como lo hacen los metales.

  • Cuando se trata de voltajes suficientemente altos, entonces no se conoce ningún material (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 casi todo lo que conocemos; temperatura, presión y por supuesto carga eléctrica, que es de lo que tratan las chispas y los relámpagos. Y naturalmente (como en todas las cosas) cuanto mayor es el desequilibrio, más drástico y dramático (las chispas vuelan) es el efecto de esta restauración.

Así que en esencia, el rayo no es causado por la electricidad en sí, sino más bien por la drástica "anulación" del potencial eléctrico. En pocas palabras, se trata de una gigantesca chispa que se produce para restablecer 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 necesita más información científica, entonces, como mencionó Kieran Hunt, la "Avería Dieléctrica" es el siguiente tema a leer para obtener un conocimiento más profundo.

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