Rayo

Desde siempre, las descargas eléctricas han llamado la atención y cautivado a la humanidad. En el ámbito científico y tecnológico han sido estudiadas permanentemente, lo que ha dado origen, entre otras cosas, a invenciones como el pararrayos de Benjamín Franklin, a la física de plasmas y al diseño de aislamientos eléctricos. No obstante, aún hay muchos aspectos de las descargas eléctricas quehasta la fecha no han sido bien comprendidos, uno de ellos son las causas que originan sus trayectorias, por cierto segmentarias. Julio Cesar escribió en sus Comentarios de la Guerra de las Galios que “en el mes de febrero, alrededor de la segunda hora de la noche, apareció repentinamente una nube seguida de una tormenta de granizo, y en la misma noche las puntas de las lanzas de los soldados quepertenecían a la Quinta Legión parecían estar en llamas”. Posteriormente, este fenómeno fue conocido como El fuego de San Elmo (S. iv DC) [1], el cual es un tipo de descarga eléctrica, conocida como Corona, que no necesariamente conduce a la ruptura eléctrica y que puede ocurrir en los objetos cuando la intensidad del campo eléctrico (E) entre ellos se incrementa por un aumento de su diferencia depotencial. La descarga puede llegar a ser luminosa y audible; es un efluvio de electrones [2]. La carga eléctrica atmosférica, por ejemplo, induce cargas en los mástiles y estructuras de los barcos, cuya densidad es mayor en las puntas; el resultado es una luminosidad esférica notable alrededor de éstas. En condiciones atmosféricas estándar (presión p = 760 mm Hg, humedad absoluta H = 11 gr/m3 ytemperatura t = 20 °C), el campo eléctrico en la atmósfera es E = 1 V/cm. Al formarse las nubes de tormenta (Cumulonimbus) este campo se incrementa a valores de hasta 5 V/cm y justo antes de la aparición de las descargas atmosféricas puede alcanzar valores del orden de 30 000 V/cm. Cuando finalmente se presentan las descargas, se producen campos magnéticos variantes en el tiempo que generansobretensiones transitorias del orden de microse-gundos, conocidos como impulsos de rayo. Estos pueden ser reproducidos en los laboratorios de alta tensión y conducir a la ruptura eléctrica. El aislamiento eléctrico es entonces un parámetro fundamental para el diseño de equipos e instalaciones de alta tensión, de hecho determina su tiempo de vida promedio. Hasta ahora, para el diseño y construcción deaislamientos gaseosos, no se han incorporado como variables las trayectorias de las descargas,eléctricas, que son función, principalmente, de la polaridad y el tipo de tensión aplicada, de la separación entre electrodos, de su geometría, de la humedad y de la densidad relativa del aire. Algunos resultados de investigaciones sistemáticas sobre los procesos físicos que inciden en las trayectorias de lasdescargas eléctricas pueden encontrarse en [3] y en las referencias ahí citadas. En la figura 1 se muestra un esquema de un arreglo experimental de pruebas llevadas a cabo en el Laboratorio de Alta Tensión del Instituto Politécnico Nacional (IPN), el cual está localizado a una altitud de 2 240 metros sobre el nivel del mar, con una densidad relativa del aire promedio1 6 = 0.77. Con el mismoarreglo se hicieron pruebas en el Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticas (CIPEL) de La Habana, Cuba, con un valor de 5 = 1. Todos los experimentos fueron hechos en aire ambiente con impulsos de rayo estándar (1.2/ 50 fis) de polaridad positiva y de polaridad negativa. El objetivo fue investigar la influencia de la humedad absoluta y de la densidad relativa del aire sobre lastrayectorias de las rupturas eléctricas. Se registraron los puntos de impacto sobre el plano y se contabilizaron los más cercanos y los más lejanos con respecto a la axial. En la figura 2 puede apreciarse el efecto de H para impulsos de polaridad negativa, para una separación entre electrodos de 20 cm y 6 = 0.77 y en la figura 3 para impulsos de polaridad positiva. Se puede observar que para impulsos…