As nuvens nas asas dos aviões poderiam produzir relâmpagos?

O relâmpago ocorre quando uma carga elétrica é acumulada dentro de uma nuvem, devido à eletricidade estática gerada por gotículas de água super-resfriadas colidindo com cristais de gelo perto do nível de congelamento. Quando uma carga grande o suficiente é acumulada, uma descarga grande ocorrerá e pode ser vista como um relâmpago (de Wikipedia ). / p> Então você precisa de duas coisas para que o raio aconteça - um acúmulo de carga em um local e um gradiente de carga (diferença de carga, como entre duas nuvens ou nuvem para a superfície) para que um raio ocorra.

Com base nisso, há poucas chances de acúmulo de carga e descarga na condensação sobre as asas - ela é muito curta para qualquer acúmulo de carga em si mesma e as cargas sobre as asas da aeronave são dissipadas pelas mechas estáticas no arrasto. arestas, então nenhuma chance de 'nuvem' para a superfície da asa também.

O atrito cria eletricidade estática

No princípio, você está certo: os elétrons são separados das moléculas de ar ou vapor de água devido à fricção que ocorre na camada limite e em outras áreas de atrito. Instantaneamente existem dois tipos de eletricidade estática criados: Negativo onde alguns elétrons arrancados estão localizados e positivos onde as moléculas de ar com um elétron ausente estão localizadas (essas moléculas são chamadas de "íons" para indicar seu desequilíbrio eletrônico).

Íons são naturalmente neutralizados

^{Observe que a recombinação é acelerada pela água no ar, já que a água - com impurezas - é um melhor condutor de eletricidade do que o ar seco. A condensação não ajuda na criação de carga estática em aeronaves.}

Grandes diferenças de potencial são necessárias para o raio

A diferença de potencial é medida em volts *. Requer 3.000 V para iniciar uma falha eletrostática para cada milímetro de ar seco - a tensão usada em um plugue de centelha automotiva é cerca de 10 vezes esse valor para garantir uma boa faísca - ou 3 GV por km.

^Fonte

Se os elétrons estivessem presos na superfície da aeronave, o potencial da aeronave alcançaria o valor necessário para criar raios com o solo: -)

Então, por que raios acontecem com nuvens, mas não com aeronaves?

A superfície de atrito das asas é ridiculamente pequena em comparação com a superfície de atrito na enorme nuvem cumulonimbus. A eletricidade estática criada não é da mesma ordem de grandeza. Essa é a primeira razão, mas também há uma diferença significativa em como os custos se comportam.

Em raios naturais, os elétrons e os íons positivos são criados pelo vento violento dentro de nuvens específicas. No entanto, ao contrário do que acontece com uma aeronave, e por razões que ainda não foram realmente compreendidas, as partículas carregadas são fisicamente separadas. Os íons positivos se movem na parte superior da nuvem enquanto os negativos as cargas se movem no centro, onde combinam moléculas temporárias com neutras para formar íons negativos.

Uma quantidade menor de íons positivos também se move na parte inferior. Este fundo de nuvem positivo também move as cargas negativas do solo em seu ponto mais baixo, o que, por sua vez, reduz a espessura da camada de ar a se mover e, ao mesmo tempo, aumenta o gradiente do campo elétrico.

À medida que o atrito continua na nuvem, o potencial elétrico aumenta até que a diferença de potencial entre a parte inferior da nuvem e o solo atinja o limite de tensão exigido para a quebra. O enorme calor de quebra de avalanche cria o plasma usado pelas partículas em excesso para se unir ao solo atraente. Este fenômeno é complexo e ainda não totalmente explicado.

^{*: O volt é o potencial elétrico necessário para criar um joule de trabalho com uma carga de um coulomb. Veja esta página legal para mais detalhes.}

can this cloud formed over the wing of an airplane produce lightning activity just like some other kinds of "normal clouds"?

Não. Relâmpagos requerem nuvens grandes e de vida longa, nas quais o ar quente e úmido pode subir, condensar e cair novamente. Esse tipo de estrutura não pode existir em uma nuvem tão pequena e temporária como uma esteira.

A página da Wikipedia em trovoadas contém muitas informações sobre o que é necessário.

O que você vê acima das asas é condensação , mas tecnicamente não é uma nuvem.

Nuvens estão suspensas na atmosfera devido à saturação prolongada . Não é uma queda de pressão momentânea localizada.

Essas condensações se dissipam tão rapidamente quanto se formam, não há tempo suficiente para serem carregadas.

TL-DR : o raio é possível não pela disponibilidade de elétrons livres (uma ocorrência muito comum, na natureza e na atmosfera em particular), mas pela existência de alguns força elétrica não que separa os íons positivos e negativos (apesar de sua atração eletrostática), em escalas grandes o suficiente para dar origem a um aumento grande e súbito no número de elétrons energéticos livres, uma vez que o valor limite do elétron campo é alcançado. Nenhuma dessas forças existe sobre a superfície de um metal.

Todas as respostas anteriores estão corretas, mas elas tocam de passagem (e nem todas, neste ponto) no pré-requisito chave para a formação de raios: a manutenção da carga em grande escala separação, isto é, na escala de quilômetros.

Por exemplo, em uma asa de avião, que é um excelente condutor, as forças elétricas tendem a manter os íons positivos e negativos (= elétrons) muito próximos uns dos outros, e nenhum campo elétrico em larga escala será produzido. .

A chave para explicar o raio é que existem outras forças que tendem a separar os elétrons e os íons positivos, em distâncias muito grandes. Isto já foi afirmado por mins (embora eu acredite menos claramente), e por David Rickerby . O fato de a natureza dessas forças não ser claramente entendida não diminui o fato de que isso é o que torna possível o raio.

É fácil entender por que campos elétricos tão grandes são necessários: um elétron que atinja um átomo neutro pode ionizá-lo, liberando mais um elétron que produzirá duas vezes mais elétrons livres como nossa situação inicial, onde só temos um elétron elétron. Mas ao ionizar um átomo neutro, o elétron original perderá energia, e poderá ser incapaz de ionizar outro átomo quando ocorrer a próxima colisão, e / ou poderá produzir um novo elétron que também não tem energia cinética suficiente para ionizar o próximo neutro ele atinge: assim não há cascata, portanto, não há aumento no número de elétrons, portanto, nenhum raio.

A menos que ... o campo elétrico seja tão strong que reabasteça a energia do elétron original (e também de seus irmãos recém-formados) de energia suficiente entre colisões para ionizar o próximo neutro também. Em outras palavras, os elétrons se reúnem de energia entre as colisões, cortesia do campo elétrico, para iniciar o processo novamente. Isso explica o 3GV por km: a energia necessária para ionizar um elétron fracamente ligado é de aproximadamente 3eV, e o caminho entre as colisões na atmosfera é de aproximadamente 0,0001cm. Isto implica que um único elétron irá adquirir 3GeV ao longo de um km (graças ao campo elétrico), o que corresponde a uma queda potencial de 3GV ao longo de 1 km, exatamente minutos '.

O acima também explica a descarga repentina : quando o campo elétrico excede o valor limiar acima, o número de elétrons dobra a cada colisão: a distância típica no ar entre colisões é 0,0001 cm < Para que, ao longo de 1km, um bom valor para a espessura da nuvem, um único elétron produzisse uma cascata de elétrons. Este número é irrealisticamente grande (o número total de elétrons livres produzidos é limitado a quantidade finita de energia disponível, aproximadamente a de um capacitor de 1 km e 3V por km), mas dá uma boa idéia de como um relâmpago é subitamente liberado. Este é, na verdade, uma cascata, um súbito vácuo breakdown . Para valores mais baixos do campo elétrico, os elétrons recém-formados não terão energia suficiente para ionizar o próximo neutro que atingiram; para valores maiores, causarão um aumento súbito em seus números.