¿Qué determina la forma de un rayo? [duplicar]

Todo el mundo ha visto rayos, ya sea en la vida real o en imágenes y videos.

Mi pregunta es, ¿por qué se ve así? ¿Los relámpagos se propagan de manera aleatoria, o hay física detrás del camino que trazan los relámpagos en el cielo?

Relacionado, posible duplicado: physics.stackexchange.com/q/136694/56299 .

Respuestas (3)

Tus suposiciones son correctas. De hecho, hay física involucrada en las formas de los rayos.

¿Por qué los rayos no pueden tener una forma sencilla y recta?

Del episodio " La forma de los rayos " del podcast Moment of Science de Indiana Public Media:

La respuesta tiene que ver con la forma compleja en que se forma un rayo. Aunque parece que se forma todo a la vez, un rayo en realidad se produce en muchos pasos. En lugar de saltar directamente al suelo, la carga negativa de la nube comienza con un pequeño salto hacia abajo.

Este salto inicial se llama "líder" y no tiene más de unos cientos de pies de largo. Desde el extremo inferior de este líder, se forma otro líder, y desde el extremo inferior de este, otro. De esta manera, la carga negativa salta hacia abajo de un líder a otro como una rana que salta de un nenúfar a otro en un estanque.

Mientras esto sucede, el suelo envía su propia cadena de líderes más cortos y cargados positivamente. Solo cuando estas dos cadenas se encuentran, a unos treinta metros del suelo, vemos el destello del rayo.

El relámpago es irregular porque cada líder se forma independientemente de los demás. Cada lugar donde un rayo zigzaguea o zigzaguea es donde un líder se detuvo y otro comenzó.

Cada lugar donde se bifurca un relámpago es donde se formaron dos líderes separados desde el extremo inferior de un solo líder superior. Todo este proceso toma solo unas pocas milésimas de segundo, pero eso es tiempo suficiente para esculpir rayos hermosos y complejos.

Dato curioso: los rayos son en realidad 5 veces más calientes que la "superficie" del Sol.

Todos los datos sobre los rayos son divertidos.
Aquí hay un video divertido que muestra los líderes y el flash principal.
¿Hay algún fenómeno en el universo en el que no esté involucrada la física?

Los rayos son una forma de corriente eléctrica, por lo que encontrarán el camino de menor resistencia hacia el suelo, donde haya la menor cantidad de carga negativa. Para llegar allí, el rayo tiene que atravesar parte de la atmósfera, pero no todo el aire tiene la misma cantidad de conductividad.

La corriente eléctrica toma el camino de menor resistencia, o donde la conductividad es mayor, para que pueda llegar a tierra por el camino óptimo. Si toda la atmósfera tuviera una conductividad uniforme, el rayo sería una línea recta, perpendicular al suelo. Dado que las regiones con alta conductividad en el aire son aleatorias, los rayos aparecen irregulares.

Aquí hay una fuente que profundiza en por qué es así: https://www.scientificamerican.com/article/why-are-lightning-bolts-j/

Vale la pena señalar que el rayo no "sabe" mágicamente dónde está el camino global de menor resistencia. Si ve un video en cámara lenta de un rayo, puede verlo ramificándose y delimitando diferentes caminos a medida que encuentra su camino hacia abajo.
Si un rayo fuera simplemente una corriente eléctrica (tenga en cuenta que no va en un circuito, por lo que tendría que ser una corriente de desplazamiento), viajaría con una intensidad inversamente proporcional a la resistencia. Si la conductividad varía continuamente, entonces la intensidad solo disminuirá gradualmente a medida que se desvía del camino de menor resistencia. Sin embargo, la iluminación muestra un fenómeno de retroalimentación, en el que la energía de la corriente disocia los átomos, lo que facilita aún más el flujo de corriente. haciendo que pequeñas variaciones se magnifiquen.
Pero, ¿por qué hay caminos de menor resistencia? ¿Qué aumenta la conductividad? La conductividad de un gas depende de la ionización, entonces, ¿qué está creando iones?
The electric current takes the path of least resistanceesto no es exacto. La corriente eléctrica toma todos los caminos con corriente inversamente proporcional a la resistencia de ese camino.
@Matt es cierto, pero es el camino menos resistivo el que tiene la mayor magnitud/corriente de electricidad, por lo que puede marginar los otros caminos a nada y decir que la mayoría toma el camino de menor resistencia, aunque solo sea conceptualmente.
@vol7ron Es posible que a veces tengas razón, pero decir eso en este caso es muy engañoso. Afirmar que la electricidad pasa por el camino de menor resistencia, una mentira, se ve reforzado por el hecho de que esto es básicamente cierto para los rayos, un ejemplo fácil de visualizar, pero incorrecto para la corriente "normal". Decir esta mentira a las personas a) significa que tendrán que desaprenderla si tienen la intención de estudiar incluso el análisis básico de circuitos yb) confunde el problema en juego aquí al ocultar un factor importante en cómo funciona el rayo.
La teoría es "agregación limitada por difusión". También puede haber otros procesos aleatorios involucrados, como los muones cósmicos.

Puede que esta no sea una respuesta completa ya que no soy físico, pero hay tres puntos principales a considerar:

  1. Los rayos, al igual que con otras formas de corriente eléctrica, en un sistema simple tendrán la mayor magnitud a lo largo del camino de menor resistencia (los sistemas/circuitos más complejos muestran que la electricidad puede fluir por igual entre muchos caminos)
  2. La electricidad es el flujo simultáneo de electrones o partículas cargadas positiva y negativamente.
  3. La electricidad no es un fenómeno propio, sino que en realidad está agrupada con el magnetismo en su campo unificado de electromagnetismo.

Habiendo dicho estos puntos, sabemos que con suficiente energía en el vacío se producirá un perno. También sabemos que el aire puede ser un conducto como se ve en la electricidad estática o en las lámparas de plasma, pero las moléculas y las cargas dentro de él también ofrecen cierta resistencia.

Solo tengo un nivel fundamental de comprensión a través de una serie de cursos de física, por lo que cualquier físico verdadero debería corregir estos comentarios: creo que los elementos del sistema se alteran incluso debido a un rayo de electricidad. Cambia las partículas cargadas en el sistema, por lo que los pernos derivados encuentran una carga mayor en otro lugar. Otros factores, como la culminación del clima, el calor, el sonido y el magnetismo/gravedad también provocan cambios en el aire y otras partículas cargadas (y neutras), lo que también afecta las cargas y la ruta de resistencia. Además, los electrones se repelen entre sí, lo que introduce otra variable, lo que hace que se desarrollen otros caminos, incluso si esos caminos inicialmente tenían más resistencia.

Una nota al margen: el rayo que la gente suele ver es el que se originó desde el suelo hacia el cielo y no de arriba hacia abajo como se podría pensar.

¿Qué son los "pernos de electricidad en el vacío"?
Los pernos son la descarga visual de la electricidad. Pensé que eran más fáciles de visualizar en el vacío, pero podría estar equivocado. Ciertamente son fáciles de ver en un sistema cerrado con mezclas de gases, como con una lámpara de plasma.
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