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Respuestas (L): ¿Se puede aprovechar la energía de los rayos?

Bruno Pérez me ha preguntado esta semana: ¿Sería posible aprovechar la energía de los rayos?


(Fuente)

Resulta que hay gente que ha llegado a poner a prueba dispositivos destinados a capturar y almacenar la corriente de los rayos. Al fin y al cabo, un rayo debe contener muchísima energía… ¿No?

Un rayo desarrolla unos 5 mil millones de Joules, lo mismo que 145 litros de gasolina. En la Tierra caen 8.640.000 rayos cada día, que equivaldría a la energía liberada por 1.252.800.000 litros de petróleo. Es una cantidad de energía bestial y sería estupendo poder aprovecharla pero, para variar, la naturaleza nunca nos pone las cosas fáciles.
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Nikola Tesla

Aunque no suelo hablar de personas porque la gente tiende a ser menos interesante que la propia realidad, existió un individuo que destacó por su dominio de la misma. En esta entrada quiero exponer una de las mentes más brillantes que ha dado la historia, alguien que estaba tan versado en su trabajo que dormía dos horas diarias, hablaba ocho idiomas, podía memorizar libros enteros y renegó de cualquier relación sentimental con tal de tener el máximo tiempo posible que dedicar a sus inventos. Vengo a hablar de Nikola Tesla.

Conocido también por ser una de las pocas personas conocidas a las que les sentaba bien el bigote.

Además, sin Tesla tal vez no existirían los ordenadores o, peor aún, el Wi-Fi, así que se lo debo.

Nikola Tesla nació en 1856 de padres serbios, en el lugar que hoy en día ocupa Croacia. Su padre era un cura ortodoxo católico y su madre, de quién decía haber heredado sus capacidades mentales, tenía una gran habilidad para construir artilugios caseros y memorizar poemas larguísimos al momento, pese al hecho de no haber recibido ninguna educación.

Tesla terminó sus estudios básicos con un año de antelación (no es que fuera uno de esos niños de 9 años que dan conferencias en universidades, pero tiene mérito de todas maneras) y a los 18 años escapó a las montañas para no ser reclutado por el ejército Austro-Húngaro. Pasó un año explorando las montañas y leyendo en una cabaña de cazadores. Al año siguiente se matriculó en la Politécnica Austríaca y empezó a sacar las notas más altas que la universidad había visto.

El rector de la universidad estaba preocupado porque Tesla temía que muriera de extenuación en sus jornadas de trabajo de 20 horas (de 3 de la madrugada a 11 de la noche cada día). La apariencia del joven genio probablemente reforzaba esta impresión: medía 1.88 metros de altura, pero tan sólo pesaba 64 kg. En una carta a su padre, le hacía saber que si no sacaba a su hijo de la universidad, el trabajo lo iba a matar.

El estrés no parecía afectarle mucho. (Fuente)

Después de la muerte de su padre y un par de discusiones con un profesor por intentar corregir una de sus patentes, Tesla perdió su beca y se volvió adicto al juego. Se quedó sin dinero apostando, aunque lo terminó recuperando a base de apostar más (mala moraleja, no sigáis su ejemplo) y perder horas de clase, lo que le valió muchos suspensos y su expulsión de la universidad. Tras este suceso, trabajó de delineante y telegrafista y sufrió una crisis nerviosa, que tampoco era nada extraño considerando que tenía un transtorno obsesivo-compulsivo que le obligaba a limpiar sus cubiertos con 18 servilletas antes de comer y leer todos los libros de un autor cuando había leído uno de ellos (menos mal que aún no había nacido Stephen King). Además, tenía otras manías curiosas como un odio profundo hacia los objetos esféricos, una obsesión enfermiza con el número 3 y un sentimiento de afecto muy profundo hacia las palomas.

Pero, bueno, lo importante es que, en 1882, fue contratado por la Continental Edison Company, en Francia, diseñando y mejorando el equipamiento eléctrico. Sí, era la empresa del mismísimo Thomas Edison, el padre del juego sucio y el mal perder y no de la electricidad, como se cree en general.

En 1884 la empresa le destinó a Nueva York, y ahí es donde empezó lo emocionante.

Sabiendo de su trabajo, Thomas Edison contrató personalmente a Tesla para que le ayudara en Edison Machine Works, una de las secciones de su empresa. Tesla empezó haciendo trabajos ingenieriles básicos y terminó resolviendo algunos de los problemas más difíciles de la compañía. Edison le ofreció 50.000$ si conseguía mejorar sus cochambrosos motores de corriente continua(recordamos que, presuntamente, en aquella época podía irse al cine por 5 céntimos). Pese a ser una tarea complicada, Tesla consiguió rediseñar los motores. Cuando fue a pedirle el dinero a Edison, éste rió y le dijo “Tesla, no entiendes nuestro humor americano. Esto no sentó muy bien a Tesla.

Para comprobar si algo es humor americano, intenta a imaginar a Jim Carrey haciendo la broma. Si el resultado no queda bien o da rabia, no lo es.

Pese a que Edison le ofreció un aumento de sueldo, Tesla dimitió y montó su propia empresa en 1886, la Tesla Electric and Light Manufacturing, con la que estaba dispuesto a desarrollar la corriente alterna, un sistema mejor para producir y transmitir la electricidad. Tristemente, no encontró inversores dispuestos a respaldar su idea y su empresa quebró el mismo año.

Sin un duro, Tesla se vio obligado a trabajar cavando zanjas durante un año hasta que consiguió el apoyo económico de un abogado y del director de la Western Union, quienes le respaldaron para empezar una nueva empresa llamada Tesla Electric Company.Sus nuevos socios le proveyeron de un laboratorio y todo el equipamiento que necesitaba para fabricar sus inventos y, además, firmaron un contrato que le daba la mitad de los beneficios que granjearan sus patentes. En 1888, había desarrollado el motor de corriente alterna, lo que le reportó un puesto de consejero en una empresa llamada Westinghouse pagado a 2.000$ mensuales y compensaciones económicas por el uso de sus patentes.

El éxito de Tesla cabreó bastante a Edison, al ver que su propio invento, la corriente continua, corría peligro de ser desbancada. Se trata de un sistema muy ineficiente que, aunque  hoy en día tiene ventajas para aplicaciones de corto alcance (como dispositivos electrónicos o electrodomésticos), no es capaz de transmitir energía a lo largo largas distancias y requeriría la presencia de una planta eléctrica en prácticamente cada kilómetro cuadrado de una ciudad para iluminarla. En una época en la que las ciudades empezaban a iluminarse con luz artificial, esto era bastante importante. Como dato extra, Edison era conocido por ser el primero en coger las ideas de sus empleados y correr a la oficina de patentes para registrarlas como suyas.

El sistema de transmisión de electricidad de Tesla, la corriente alterna, le daba mil vueltas al de su rival: podía llevar grandes cantidades de electricidad a dónde fuera, usando cables más finos y perdiendo muy poca energía por el camino pero, en vez de hacerse educadamente a un lado, admitir que sus patentes no servían para el propósito y aliarse con Tesla para hacer del mundo un lugar mejor, Edison decidió que no iba a darse por vencido como la alimaña el duro contendiente que era.

Thomas Edison, maquinando planes tan sucios contra Tesla que necesitaba tener a mano rollos de papel higiénico (es broma, en realidad parecen algún tipo de acumulador o componente eléctrico antiguo).

Perros y gatos empezaron a desaparecer de la ciudad para hacer luego su aparición en espectáculos montados por los subordinados de Edison en los que los animales eran electrocutados utilizando la corriente alterna de Tesla para intentar demostrar que se trataba de un invento peligroso que nadie debería utilizar. Hicieron lo mismo con caballos y ovejas e, incluso, después de que la guerra de las corrientes hubiera terminado, grabaron un cortometraje electrocutando a un elefante de circo que había matado a tres hombres.

Por si esto fuera poco, Thomas Edison movió hilos para que este sistema se utilizara para ejecutar a seres humanos, inventando así la silla eléctrica, que funcionaba con corriente alterna, por supuesto. Muy noble por tu parte, Tommy.

Mientras su rival hacía lo posible por desprestigiarle, Tesla hacía algo constructivo como demostrar que podía transmitirse energía e información sin cables y el mismo año patentó la bobina de Tesla, capaz de producir arcos voltaicos de una potencia sin precedentes.

Recreación moderna de una bobina de Tesla. (Fuente)

Por aquella época también estuvo experimentando con los rayos-X al darse cuenta de que algunos de sus aparatos producían manchas en las fotografías cuando intentaba registrar su funcionamiento. Lamentablemente, su laboratorio sufrió un incendio en 1894 y perdió una gran cantidad de planos e información sobre el tema con un valor estimado de unos 50.000$.

Radiografía de la mano de Tesla hecha por él mismo. (Fuente)

En 1895 Tesla implantó la primera planta hidroeléctrica en las cataratas del Niagra, demostrando que podía extraerse energía de las fuerzas naturales a gran escala de manera práctica, limpia y eficiente. Además, funcionaba con corriente alterna, lo que probablemente contrarrestó la mala publicidad que había hecho Edison, si es que realmente alguien había creído sus niñerías.

En 1899, Tesla cambió de laboratorio y fue a Colorado Springs, donde tenía espacio de sobra para experimentar con cosas más grandes.

¿Sabes esos aparatos junto a los que suelen representarse los científicos locos? Tesla los inventó. (Fuente)>/span>

Aquí estuvo probando experimentos más serios sobre la conducción eléctrica del suelo y la atmósfera. Empezó a producir rayos artificiales tan potentes que su marca magnética quedaba registrada a 24 kiliómetros de distancia y algunos testigos que caminaban por la calle observaban chispas entre sus zapatos y el suelo al caminar cuando el laboratorio entraba en funcionamiento. Durante estos experimentos, cualquier bombilla que estuviera a u nos 30 metros del laboratorio brillaba con intensidad aunque no estuviera conectada a ningún cable. Los caballos recibieron descargas eléctricas a través de sus herraduras y, al parecer, las alas de algunas mariposas prendieron fuego.

Tesla sosteniendo una bombilla iluminada a través de un aporte energético inalámbrico. (Fuente)

Incluso unas dinamos (generadores mecánicos de corriente, como los que llevan las bicicletas para encender las luces frontales usando el pedaleo como fuente de energía) situadas a 6 millas del laboratorio se quemaron con la energía que les llegó.En 1900 tuvo que cerrar su laboratorio en Colorado Springs y se mudó a Wandercliffe, donde consiguió 150.000$ (3 millones de dólares al cambio actual) con el objetivo de construir la torre Wandercliffe: una instalación que sería capaz de transmitir energía eléctrica a través del aire hasta el otro lado del atlántico.

La torre en cuestión. (Fuente)

Lamentablemente, aquel año estalló el Pánico de 1901, la primera caída de la bolsa que resultó en la ruina de miles de pequeños inversores de la Northern Pacific Railway. Entre ellos estaba Tesla, quién se quedó sin dinero y, tras pedirle más fondos a su inversor J.P. Morgan y señalando que, en parte, la caída del mercado de valores había sido por su culpa, se ganó la antipatía de éste y no quiso subvencionarle más.Hasta 1917 estuvo en Wandercliffe desarrollando tecnologías avanzadas a su tiempo como el radar,  patentes que más adelante servirían para desarrollar los transistores (que permiten que Ciencia de Sofá sea una página web y no un folleto informativo), el velocímetro, fuentes de energía limpia, todo tipo de circuitos electrónicos y aparatos para producir corrientes muy potentes… Ah, y un artilugio que pasó a llamarse la “máquina de terremotos de Tesla“.

Este tipo de motes dan pie a que los amantes de las conspiraciones desarrollen extrañas teorías sobre Tesla y las apliquen al mundo actual, pero la máquina de terremotos de Tesla” es sólo un mote. Lo que ocurrió en realidad es que el movimiento de los impactos cíclicos de este aparato, un generador de corriente alterna propulsado por vapor, entró en resonancia con el edificio donde se estaba demostrando su funcionamiento, haciendo que éste vibrara. No podía provocar verdaderos terremotos.

Aunque de un tipo que sale así en las fotos podrías esperar cualquier cosa. Crédito: Dickenson V. Alley/Burndy Library.

Y, bueno, la Primera Guerra Mundial había estallado en 1914, así que Tesla había perdido toda la financiación que recibía de sus inversores europeos. Finalmente, en 1918, la torre Wandercliffe fue demolida para poner el terreno en venta y Tesla empezó a vivir en el hotel Waldorf-Astoria, con los gastos pagados por Westinghouse, para quienes aún trabajaba.

A partir de entonces empezó a desarrollar proyectos más estrambóticos, como un arma al que llamó el “rayo de la paz” o el “rayo de la muerte“, irónicamente. Se trataba de una especie de cañón de partículas que, según él, podría derribar una flota de 10.000 aviones desde una distancia de 320 kilómetros. Pese a que intentó convencer a varios gobiernos de desarrollar esta arma que, según él, terminaría con todas las guerras, nadie pareció aceptarlo. De todos modos, Tesla alegó que su propiedad había sido allanada varias veces y alguien había estado husmeando en sus planos (probablemente gente del gobierno) pero no habían encontrado nada porque “las instrucciones de cómo fabricar este arma están sólo en mi cabeza“.

Tesla patentó su último invento en 1928, un avión que era capaz de despegar verticalmente y no necesitaba de pistas de despegue o aterrizaje. Decía que podría pesar alrededor de 800 libras y costar 1.000$. O sea, que él estaba pensando en esto cuando lo más avanzado que existía en aquella época era esto otro.

Durante sus 15 últimos años de vida su trabajo se convirtió en algo más filosófico y extendió teorías que ya había desarrollado, pero no aportó nada nuevo respecto a lo que ya había hecho.

Nikola Tesla murió el 7 de enero de 1943 a los 86 años de edad sin esposa ni hijos, algo de lo que terminó arrepintiéndose a medida que envejeció. Antes de morir, su afición por las palomas se había vuelto más intensa y solía pasear por el parque para darles de comer. Si encontraba alguna herida, la llevaba al hotel para cuidar de ella y llegó a gastar 2.000$ fabricando una estructura para curar a una paloma por la que sentía especial cariño y que tenía una pata y un ala rotas, de manera que pudiera descansar sin que sus huesos sufrieran. Según dejó escrito:

“He estado alimentando palomas, miles de ellas durante años. Pero había una, un pájaro hermoso, de color blanco puro y las puntas de las alas grises; esta era diferente. Era una hembra. Si la llamaba, venía volando hasta mí. Amaba a esa paloma igual que un hombre puede amar a una mujer. Mientras la tuviera a ella, había un propósito en mi vida”

El hombre que moldeó el mundo tal como lo conocemos ahora murió sólo en la habitación de un hotel, sin dinero y perdido en un delirante romance con  una paloma.

Aunque ya existen premios con su nombre, estatuas en su honor e incluso un “día de Tesla”, desde Ciencia de Sofá queríamos dedicarle una entrada porque, pese haber influido tanto en la historia, creemos que aún no tiene el reconocimiento que se merece (y a Edison le sobra).

Respuestas XXI: baterías hinchables (y explosivas)

Miguel Albrecht configura y repara equipos electrónicos y, al parecer, constantemente se encuentra con esto:

Próximamente, Ciencia de Sofá en las noticias después de que un fan pierda una mano por la explosión de una batería.

Su pregunta, básicamente, es: “¿Qué ha pasado en medio?”

Cuando buscamos materiales para construir una batería queremos que, además de ser ligeros, sean capaces de guardar la mayor cantidad de energía posible por unidad de masa, porque así pueden hacerse dispositivos más pequeños. En este sentido, el litio se lleva la palma: es el metal más ligero que se conoce y es capaz de almacenar una gran cantidad de energía eléctrica.

Usando iones de este elemento (átomos de litio a los que les faltan electrones), podemos transportar y almacenar muchísima más electricidad que con otros compuestos. Para ponerlo en perspectiva, 1 kilogramo de litio puede almacenar 150 wattios-hora, mientras que una de plomo y ácido convencional apenas almacena 25-wattios hora.

Una ventaja extra que proporciona el litio es que, unido a otros elementos, pueden fabricarse baterías recargables.

Como explicábamos en esta entrada, una batería saca su energía del flujo de electrones entre un material al que le faltan y otro al que le sobran. Cuando todos los electrones han pasado de uno a otro, se detiene el flujo y nos quedamos sin corriente eléctrica.

Basándote en el litio, te las puedes ingeniar para coger dos materiales distintos, separarlos con una fina lámina que contiene microporos por donde pueden pasar átomos de un material a otro (sin que los dos bloques lleguen a tocarse) y hacer que los electrones se muevan en una dirección u otra según se le aplique corriente al montaje o no. Hoy estamos espesos, así que mejor lo ilustramos.

Cuando aplicamos una corriente eléctrica a la batería, el litio contenido en el óxido de litio-cobalto tenderá a separarse del compuesto y desplazarse hasta el bloque de carbono. Llegará el momento en el que todos los iones de litio hayan cambiado de lado, dejando atrás dióxido de cobalto (CoO2).

Al desconectar la batería del suministro eléctrico, ya no hay una corriente que mantenga a los átomos de litio ligados al bloque de carbono, así que estos empiezan a volver hacia su hogar para recombinarse con el CoO2 para dar lugar de nuevo a LiCoO2. Esta segunda migración de iones es la que produce la corriente eléctrica que mantiene nuestros móviles y ordenadores funcionando cuando no están conectados.

Y ahora que ya sabemos cómo funciona el asunto, veamos por qué se hinchan estas baterías.

En los últimos años, el progreso en cuanto a baterías no ha sido muy revolucionario: el avance se ha limitado a hacerlas más pequeñas y con más células en su interior para que contengan la mayor densidad energética posible. Una gran densidad energética es útil, ya que de esta manera nos duran más tiempo encendidos los aparatos electrónicos antes de tener que cargarlos de nuevo, pero también tiene su parte mala: si algo no funciona bien, una mayor cantidad de energía se liberará durante el fallo.

Además, el litio es un elemento muy reactivo. Para hacernos una idea, suele almacenarse sumergido en aceites minerales o queroseno para evitar que reaccione con el oxígeno y la humedad del aire. En contacto con el agua, el litio reacciona violentamente y puede explotar, como sus compañeros el sodio y el potasio. Para empeorar las cosas, el calor aumenta la reactividad del litio.

Ya sea por un defecto de fábrica o por desgaste, la lámina que separa los dos componentes que constituyen la batería puede romperse y los electrodos llegar a tocarse, provocando un cortocircuito. La corriente que aparece durante un cortocircuito produce calor suficiente como para evaporar el gel orgánico que sirve de electrolito (a.k.a material que facilita el paso de electrones de un lugar a otro).

Como ya sabemos, cualquier cosa ocupa un volumen mucho mayor en estado gaseoso. El gas, atrapado en el interior de la batería, aumenta la presión en su interior y ésta empieza a hincharse. La presión de las baterías infladas suele bastar, incluso, para doblar las carcasas de los aparatos electrónicos que las contienen.

Hasta ahí resuelto el misterio de las baterías hinchadas.

PERO.

En estas condiciones, si no se abre una vía de escape para evacuar el gas y éste sigue produciéndose, la batería podría estallar. En el siguiente vídeo, un tío conecta una batería  a un cargador que le transfiere una mayor cantidad de electricidad de la que puede soportar y ésta empieza a hincharse (la explosión está en el 1:59, que os conocemos, bribones):

https://www.youtube.com/watch?v=SMy2_qNO2Y0

Pero no os asustéis: las baterías de litio llevan incorporado un mecanismo de seguridad que detiene el flujo eléctrico cuando éstas se sobrecalientan. En el vídeo han quitado este mecanismo.

Aunque siempre hay una pequeñísima probabilidad de que el mecanismo falle 😉

Rayos Globulares

Se desata una tormenta en la calle y te aterrorizan los rayos, así que decides quedarte en casa porque estás convencido de que ninguna descarga eléctrica proveniente del cielo puede alcanzarte en tu habitación.

Si tan cobijado crees que estás, pregúntales a estos señores del siglo XIX por qué están tan asustados, entonces.

Fuente: wikimedia commons.

Los rayos globulares son un fenómeno que ha permanecido rodeado de misterio durante siglos, y no se ha encontrado una hipótesis decente que explique su causa hasta hace pocos años.

Se trata de bolas brillantes que aparecen durante algunas tormentas pero, debido a la rareza e impredecibilidad de este fenómeno,  hasta que han podido simularse en el laboratorio la única información disponible sobre ellas eran unos pocos testimonios aleatorios.

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¿Cómo se forman los rayos?

Todos hemos sido testigos de alguna descarga eléctrica de millones de voltios azotando la tierra. Algunos incluso hemos sido lo suficientemente afortunados para verlas prender fuego a cosas. Pero, si ya cuesta un rato cargar una interna manual que funciona con una cantidad ridícula de electricidad, ¿De dónde sale toda esa corriente que cae del cielo?
La ciencia que estudia los rayos se llama fulminología, que a nuestro parecer ostenta el récord al mejor nombre para una disciplina científica.
Para entender por qué se producen los rayos, veamos primero cómo funciona una corriente de agua.
¿Pero qué esta basura? ¿Me estás tomando el pelo?

No, aún no. La electricidad se comporta de manera parecida a un sistema fluvial. 

Por un lado, tenemos una reserva de agua que, por el mero hecho de estar por encima del nivel del mar, acumula un tipo de energía llamada energía potencial. Todo lo que se encuentra a cierta altura tiene energía potencial, ya sea una masa de agua o una persona en la terraza de un segundo piso, pero ésta no se manifestará hasta que se abra una vía de escape por donde disiparla: saltando por el balcón, en el caso de la terraza, o abriendo un agujero por dónde pueda salir el agua, en el caso de un lago. Será entonces cuando el sistema evolucione hasta alcanzar un estado de equilibrio.
“Estoy muy contento de haber 
quedado en equilibrio con la acera”
De la misma manera, para que fluya electricidad por un sistema necesitamos un bloque de un material que tenga muchísimos electrones y otro al que le falten. Los electrones tienden siempre a colocarse en el estado en el que menos energía ocupen, es decir, allá donde haya un hueco vacío donde meterse. Si tenemos dos materiales, uno al que le sobran electrones y otro al que le faltan, se dice entonces que, entre los dos materiales, hay cierto potencial eléctrico.
Pero, igual que la energía potencial no puede manifestarse hasta que le abrimos una vía de escape, este potencial eléctrico no tendrá ningún efecto hasta que unamos los dos bloques con un material por el que los electrones sean capaces de desplazarse con más o menos facilidad. Una vez unidos, éstos sacarán su lado humano y automáticamente huirán del bloque donde están todos aglomerados, buscando espacio libre para escapar de la multitud.
Los electrones son como nosotros en este aspecto y, cuando todo el mundo está cómodo en su sitio, nadie quiere volver a moverse. O sea, que lo que conocemos como corriente eléctrica no son más que carreras de electrones a través de un material conductor y, cuando los electrones dejan de pasar por el cable, se nos acaba el chollo.
En el siguiente dibujo, vemos lo que pasa en realidad cuando se nos acababan las pilas de la Game Boy: realmente no se “acaba” nada, sólo que las pilas han llegado al equilibrio.

¿Entonces qué tenía que ver todo esto con el ejemplo del puñetero río`?
Al hablar de electricidad, es inevitable que todos hayamos escuchado los términos voltaje, intensidad o resistencia. Si os pasa como a nosotros, los encontraréis conceptos difíciles de visualizar porque no tenemos ninguna referencia física para imaginarlos.
El siguiente ejemplo, ayuda bastante.
Al fin y al cabo, una corriente eléctrica y una de agua tienen el mismo fundamento: son un montón de partículas fluyendo por un tubo. En realidad, en el caso del agua son moléculas y en el de la electricidad, electrones, pero ambas siguen siendo puntos microscópicos en movimiento que no podemos ver a simple vista. 
Explicamos cada parte del dibujo.
1. Un flujo de agua circula por un tubo. Está claro que, cuanto más ancho sea el tubo, más agua podrá pasar al mismo tiempo. De la misma manera, la intensidad es la magnitud eléctrica que determina la cantidad de electrones que están pasando por la sección de un cable o, lo que es lo mismo, el equivalente al caudal de un río.
2. Luego está la llamada altura de columna, que viene a expresar la fuerza con la que el chorro de agua está siendo a empujado. Suponiendo un tubo situado en la base de un depósito, hay que tener en cuenta que toda la masa de agua que esté por encima del tubo estará presionando hacia abajo por efecto de la gravedad. Cuanto más alto sea el depósito, más masa habrá por encima de la salida empujando hacia abajo, por lo que el chorro de agua saldrá a más velocidad. Esto, cambiando moléculas de agua por electrones, sería el equivalente al voltaje.
3. La resistencia no es una propiedad propia de la corriente eléctrica, si no del material por el que está circulando. Básicamente, define la facilidad con la que pueden desplazarse los electrones por su interior. El cobre, por ejemplo, es muy buen conductor de la electricidad, por lo que ofrece poca resistencia al paso de corriente eléctrica. En términos hidráulicos, esto equivaldría a la rugosidad del tubo por el que pasa el agua: a más rugosidad, más energía perderá el flujo de agua al chocar contra las imperfecciones que cubren las superficie interior del tubo y más le costará desplazarse.
TOTAL.
Ahora que ya tenemos las bases necesarias, volvamos a los rayos. 
Cuando muchas nubes se acumulan en una zona, las partículas de agua que las componen, en conjunto, tienden a adoptar una carga negativa. No se sabe con certeza a qué se debe esto, unos dicen que por la polarización de pequeños cristales de hielo por efecto del campo magnético terrestre, otros argumentan que tiene que ver con la formación de aguanieve de densidades dispares en las diferentes capas de la nube. Para el caso que nos ocupa, a nosotros nos va a dar completamente igual.
La cuestión es que las nubes empiezan a cargarse negativamente (pierden electrones). Por suerte o por desgracia, el suelo tiene carga positiva. No estamos seguros de por qué, y no hemos conseguido encontrar una explicación por internet, pero probablemente tiene que ver con que el suelo está lleno de metales, a los que suelen sobrarles electrones por todos lados.
Llegados a este punto, lo único que separa a los electrones de su felicidad es todo el aire que hay entre  las nubes y el suelo
Pero el aire es un pésimo conductor de la electricidad… ¿No?
Que una cosa sea mala conductora de la electricidad no quiere decir que no conduzca la electricidad en absoluto. Sólo significa que una corriente que pretenda atravesarla tendrá que tener una tensión y una intensidad tremendas para compensar toda la energía que perderá durante el camino.
O sea que, hasta que la nube está muy cargada negativamente (le faltan muchísimos electrones), los electrones del suelo no acumulan la rabia suficiente para correr a rellenar todo ese montón de huecos en los que alojarse, formando lo que llamamos un rayo.  
El flujo eléctrico resultante suele tener un voltaje de 10 a 120 millones de voltios y una intensidad unos 30.000 amperios. En comparación, 10 miliamperios (0.0001 amperios)  pueden ser suficientes para detener un corazón humano. El voltaje no influye tanto a la hora de matar a una persona ya que, al fin y al cabo, esta magnitud tan sólo determina la velocidad con la que la corriente eléctrica se desplaza por el cuerpo. Lo realmente peligroso es la cantidad de electrones que nos atraviesan
Demasiados párrafos sin contenido visual. Procedo a incluir un poco para hacerlo más interesante.
Justo en el momento anterior a que los electrones empiecen a ascender del suelo hacia la nube, el aire se ioniza. Esto quiere decir que las moléculas de gas se separan en iones positivos y electrones, de manera que estos electrones libres ahora pueden moverse como les dé la gana y son capaces de abrir un “camino” desde la nube hasta el suelo. En el principio de este vídeo puede observarse que es un fenómeno más complejo de lo que podría parecer a primera vista.

El primer “tentáculo” en llegar al suelo marca el camino
que seguirá el rayo.

Lo curioso, en este caso, es que el aire empieza a ionizarse en todas direcciones, ramificándose en pequeños destellos que van abriéndose camino por donde les sale de las narices, buscando la carga positiva más cercana. Cuando una de estas ramas alcanza una carga positiva (en este caso, el suelo), conecta la nube con el suelo mediante la autopista eléctrica, y es entonces cuando todos los electrones encuentran vía libre para ascender a sus ansiados huecos libres en el cielo a unos 440.000 m/s.
Y, al fin, hemos entendido cómo funciona, más o menos, un rayo.
¡Eh, sinvergüenza, aquí no has dicho de dónde vienen los truenos que acompañan a los rayos!

Tienes razón. Por suerte, es rápido de explicar.

Como hemos dicho, el aire es muy mal conductor de la electricidad. Eso significa que cualquier corriente eléctrica que intente atravesar una masa de aire va a perder muchísima energía por el camino, y esta energía se disipará en forma de calor.
La potentísima corriente eléctrica de un rayo genera tanto calor a medida que atraviesan el aire, que éste se calienta muchísimo en un espacio muy corto de tiempo. Hablamos de temperaturas que pueden alcanzar los 28.000ºC, casi cinco veces la temperatura de la superficie del sol. Al calentarse, el aire tiende a expandirse por lo que, por la regla de tres, al calentarse a 28.000 grados, se expandirá a velocidades inimaginables. 
Esa expansión repentina del aire es que llega a nuestros oídos y nuestro cerebro interpreta como un sonido atronador
Vale, GRACIAS.

Y, a todo esto, caen como 50 rayos por segundo en la superficie de la tierra. Que cayera uno en el Vaticano el otro día tras la dimisión del Papa, no es más que una curiosidad estadística. Así que BASTA YA.