Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizando el aire para excitar, llamar y conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las personas o construcciones. Este artilugio fue inventado en 1753 por Benjamín Franklin. Este primer pararrayos se conoce como "pararrayos Franklin", en homenaje a su inventor.
Historia
En 1747 Benjamín Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad; defendió la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método efectivo para demostrarlo. En 1749 inventó el pararrayos en las Américas1 y quizás, independientemente, también fue inventado por Prokop Diviš en Europa en 1754.2
La Torre inclinada de Nevyansk coronada por una barra metálica y puesta a tierra con un complejo sistema de barras de refuerzo
"Machina meteorologica" inventada por Diviš la que funcionaba como un pararrayos
El paper más antiguo de Franklin respecto de electricidad3
En 1752 publicó en Londres en su famoso almanaque (Poor Richard’s Almanack), una aplicación donde propuso la idea de utilizar varillas de acero en punta, sobre los tejados, para protegerse de la caída de los rayos. Su teoría se ensayó en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y negativa.
A partir de entonces nacen los pararrayos que, contrariamente a lo que indica su nombre, se diseñan para excitar y atraer la descarga para luego conducirla adonde no ocasione daños. La confianza de protección era tan grande en la sociedad, que inconscientemente, no contemplaban sus riesgos, llegándose incluso a diseñar estéticos paraguas con pararrayos incorporado.
En 1753, el ruso Georg Wilhelm Richmann siguió las investigaciones de B. Franklin para verificar el efecto de protección, pero en su investigación, un impacto de rayo lo fulminó cuando éste fue excitado y atraído por el pararrayos, recibiendo una descarga eléctrica mortal cuando manipulaba parte de la instalación del pararrayos.
En 1919 Nikola Tesla definió correctamente el principio de funcionamiento del pararrayos, rebatiendo las teorías y la técnica de B. Franklin y su patente. Desde entonces, la industria del pararrayos ha evolucionado y se fabrican modelos de distinto diseño, como pararrayos de punta simple, con multipuntas o punta electrónica, pero todos con el mismo principio físico de funcionamiento: ionizar el aire a partir de un campo eléctrico natural generado en el suelo por la tormenta, con el principio de excitar y capturar el rayo en la zona que queremos proteger. Una instalación de pararrayos está compuesta, básicamente de 3 elementos, un electrodo captador (pararrayos), una toma de tierra eléctrica y un cable eléctrico para conducir la corriente del rayo, desde el pararrayos a la toma de tierra.
Estructura y funcionamiento
Esquema de la estructura y el funcionamiento de un pararrayos.
Las instalaciones de pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero), con un cabezal captador. El cabezal tiene muchas formas en función de su primer funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio. El cabezal está unido a una toma de tierra eléctrica por medio un cable de cobre conductor. La toma de tierra se construye mediante picas de metal que hacen las funciones de electrodos en referencia al terreno o mediante placas de metal conductoras también enterradas. En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono y a su vez éste depende de cada tipo de protección. Las instalaciones de pararrayos se regulan en cada país por guías de recomendación o normas.
El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos. Muchos instrumentos son vulnerables a las descargas eléctricas, sobre todo en el sector de las telecomunicaciones, electromecánicas, automatización de procesos y servicios, cuando hay tormenta con actividad eléctrica de rayos. Casi todos los equipos incluyen tecnologías electrónicas sensibles a las perturbaciones electromagnéticas y variaciones bruscas de la corriente. La fuente más importante de radiación electromagnética es la descarga del rayo en un elemento metálico, o en su caso en un pararrayos. Las instalaciones de pararrayos generan pulsos electromagnéticos de gran potencia cuando funcionan.
Otros tipos de pararrayos
Pararrayos desionizador de carga electrostática
A partir del 2002 se desarrolla y patenta el pararrayos desionizador de carga electrostática. Algunos autores4 aseguran que gracias a su diseño anula el campo eléctrico en las estructuras, inhibiendo por tanto la formación del rayo en la zona que se protege al adelantarse al proceso de formación del rayo, para debilitar el campo eléctrico presente, en débiles corrientes que se fugan a la toma de tierra evitando posibles impactos de rayos en las estructuras. Otros autores afirman que su presencia no constituye una protección distinta a la otorgada por un pararrayos convencional
Al respecto se ha afirmado que:
"no hay evidencia teórica ni experimental que sustente la posibilidad de impedir la formación del rayo ni de extender la zona de protección más allá de un captor convencional”
Pararrayos con dispositivo de cebado
Un pararrayos con dispositivo de cebado es un pararrayos que incorpora un dispositivo de cebado (PDC), electrónico o no, que garantiza una mayor altura del punto de impacto del rayo, aumentando así, el área de cobertura y facilitando la protección de grandes áreas, simplificando y reduciendo costes de instalación.
Su funcionamiento se basa en el siguiente proceso:
Cuando se dan las condiciones atmosféricas para la formación de nubes con carga eléctrica (cumulonimbus), el gradiente atmosférico aumenta de una forma rápida, creando un campo eléctrico de miles de V/m, entre nube y tierra. Durante este proceso, el sistema PDC capta y almacena la energía de la atmósfera en su interior. El cabezal emite un trazador ascendente en forma de impulso de alta frecuencia a partir de la energía almacenada, cuando el control de carga detecta que está próxima la caída de un rayo (valor de tensión cercano al de ruptura del gradiente de la atmósfera). Mediante el trazador ascendente, se facilita un camino ionizado de baja impedancia para la descarga hacia tierra de la energía almacenada en la nube, a través del conductor bajante de la instalación, neutralizando el potencial de tierra.
El nivel de protección está relacionado con la eficiencia requerida para que un sistema de protección contra el rayo intercepte las descargas sin riesgo para las personas, estructura e instalaciones. Indica la eficacia del sistema de protección dentro del volumen a proteger.
