¿Puede un pájaro, previamente en potencial de tierra, electrocutarse aterrizando en una línea eléctrica a un voltaje suficientemente alto debido a la "carga de ecualización" inicial?

A los niveles de voltaje de las líneas de transmisión aéreas típicas en los EE. UU., Un pájaro puede aterrizar en una y estar bien (siempre que no haga algo como extender sus alas y tocar un árbol u otra cosa con un potencial eléctrico más bajo).

Sin embargo, ¿qué pasa con una línea eléctrica hipotética a un voltaje mucho más alto (como en decenas de megavoltios). ¿Podría aterrizar en una línea eléctrica de este tipo conmocionar fatalmente al pájaro a pesar de que no completa un circuito de corriente sostenida? (Suponga que la distancia es lo suficientemente larga como para que el arco eléctrico sea imposible).

NOTA: Mi comprensión de lo que sucede cuando un pájaro vuela de un objeto terrestre a una línea eléctrica (corríjame si me equivoco) es que, al contactar con el cable, su potencial eléctrico cambia de potencial de tierra al potencial de la línea eléctrica. Para que esto suceda, hay una transferencia inicial de energía eléctrica (es decir, flujo de carga, es decir, corriente) desde la línea eléctrica al ave que "iguala" su potencial eléctrico, lo que ocurre casi instantáneamente. Si esto es correcto, entonces mi pregunta puede reformularse de manera más general como "¿Puede una 'carga de ecualización' como esta provocar un shock fatal, si la diferencia de potencial de ecualización es lo suficientemente alta?"

Asumiendo que el pájaro todavía está en potencial de tierra cuando entra en contacto con el cable (por ejemplo, saltó directamente desde el poste).

Hay muchas incógnitas en este problema, pero tratemos de llenar algunos vacíos con datos que conocemos en humanos. Entonces, hasta que un intercambiador de pilas EE que es un ornitólogo aparezca con datos interesantes, supongamos que los humanos pueden volar y les gusta relajarse colgando de un cable de alto voltaje.

Todos los objetos y seres vivos tienen una capacidad eléctrica equivalente. El modelo del cuerpo humano es una convención que dicta que los humanos son equivalentes en ese aspecto a un condensador de 100pF (supongamos que no se reduce mucho desde el suelo a 23 metros de altura, y lo llamamos el peor de los casos). Ahora, supongamos que la resistencia de contacto entre el cable y donde sea que esté el centro geométrico de ese condensador, es de 3000 ohmios, tomada de la caja de "Cable de sujeción manual" de la mesa en otro hilo , dividida por dos para un contacto de dos manos. Entonces, la duración total de la corriente de equilibrio, tomada como 5 veces la constante de tiempo del RC equivalente, es de 0,75 microsegundos.

Los efectos de las corrientes a través de los seres vivos dependen de la magnitud de la corriente y la duración. Nunca he visto ningún estudio que muestre datos por debajo de 10 ms (por ejemplo, el mismo estudio citado anteriormente), lo que no es sorprendente ya que aparentemente el tiempo de respuesta del tejido cardíaco es de 3 ms . Durante 10 ms, la corriente que genera efectos irreversibles es 0.5 A, y parece haberse asentado en ese punto (poco dependiente de la duración), ciertamente hasta 3 ms. Supongamos que más allá de ese punto, el tejido cardíaco se comporta como un sistema ineficaz de primer orden, atenuando 20dB / década. La corriente requerida para efectos similares sería 20 * 4.25 = 90dB más alto, o 15811A. Para una resistencia de contacto de 1500 ohmios como se usa arriba, ¡significa que el voltaje del cable debe ser de 23GV!

Las quemaduras dependen únicamente de la energía transferida, por lo que, en teoría, un alto voltaje podría arder durante tan poco tiempo. ¿Pero qué tan alto? Bueno, "Lesiones eléctricas: aspectos de ingeniería, médicos y legales", página 72 , establece:

La corriente más baja estimada que puede producir quemaduras notables de primer o segundo grado en un área pequeña de la piel es de 100 A por 1 segundo.

Editar: Tenga en cuenta que 100A es bastante alto, no está claro cómo el autor define "quemaduras de primer grado en un área pequeña de la piel", pero supongo que sería para un área más grande que una pulgada, quemando toda la epidermis y parte de la dermis células que se despegan.

Entonces, para 750 nanosegundos, ¡eso requiere 133MA! Si usamos nuevamente la resistencia de 1500 ohmios desde arriba, eso significa que el cable debería estar a 199GV, lo cual es una locura. Lo más probable es que haya otros efectos desagradables antes de que aparezcan esas quemaduras, pero ni 23GV ni 199GV suenan en el futuro cercano. Nota al margen , como J ... planteó en los comentarios, un cable de 23GV se arquearía espontáneamente con cualquier cosa en el potencial de la Tierra dentro de 7,6 km y, por lo tanto, requeriría una increíble cantidad de aislamiento.

Como si no fuera suficiente, es posible que haya notado que lo anterior supone que la corriente máxima se aplica durante toda la duración de la corriente de equilibrio, mientras que de hecho es un exponencial en descomposición ... La corriente promedio durante esta duración es de hecho 0.2 veces el máximo, por lo que estos valores deberían ser 115GV y 995GV.

Advertencia: Esto no significa que sea seguro saltar y colgarse de las líneas de alto voltaje, este es un análisis rápido con estimaciones y modelado de datos aproximados y no se considerará una justificación para sus acciones.

Estoy de acuerdo con la explicación de Andy Aka. Sin embargo, daré una teoría más detallada (por supuesto, podría estar pasando por alto algo).

Un cuerpo no tiene una capacidad por sí mismo, ya que siempre necesita la "segunda placa" del condensador. Los seres humanos en relación con el suelo tendrán una capacidad dada cuando estén parados (aislados) sobre el suelo, y una capacidad diferente cuando vuelen (si pueden) porque el suelo está más lejos.

Un modelo simple del pájaro podría ser el del siguiente diagrama:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

A medida que el ave se acerca, la línea C1 aumentará y C2 disminuirá. Este es un divisor de condensador y el potencial del ave se acercará a la línea uno de Alto Voltaje (HV).

Supongamos, solo para dar algunos números rápidos, que C1 es 100 veces C2 justo antes de que los pies del pájaro toquen la línea, la diferencia de potencial entre el pájaro y la línea HV será solo del 1% del HV. Finalmente, los pies del pájaro tocan la línea: C1 está "en corto" y la única capacidad para llenar sería C2 (capacidad entre el pájaro y el suelo, que es muy pequeña ya que el suelo está lejos). Debido a que el potencial corporal ya está en el 99% de HV, y su capacitancia a tierra es muy pequeña, la corriente a través del pájaro sería realmente pequeña.

NOTA: Mi comprensión de lo que sucede cuando un pájaro vuela de un objeto terrestre a una línea eléctrica (corríjame si me equivoco) es que, al contactar el cable, su potencial eléctrico cambia de potencial de tierra al potencial de la línea eléctrica.

Aquí yace el quid de la cuestión. A medida que el pájaro abandona el suelo en dirección al cable, adquiere un cambio gradual de potencial. Este no es un cambio instantáneo porque si lo fuera, el pájaro experimentaría una sacudida actual en el instante en que aterrizó.

Entonces, no, no sucede instantáneamente y, mayores voltajes de cable = mayor distancia, por lo tanto, un período de tiempo más largo para llegar a dicho cable y, sin entrar en las matemáticas, la pequeña corriente imperceptible que experimenta el ave será la misma.

EDITAR: aquí hay una imagen decente de la forma en que el nivel de voltaje cambia con la distancia entre la tierra y un cable "caliente":

Este es un análisis de campo eléctrico bastante clásico. Emanando del centro (se supone que es un punto de alto voltaje) hay líneas negras de campo eléctrico. Estos salen en todas las direcciones del cable y golpean "tierra" en ángulo recto. Si usted también alguna de estas líneas de campo E y "viajó" a lo largo del nivel del suelo (digamos) un 10% de su longitud, alcanzaría un voltaje que es el 10% del cable caliente.

Si hiciera este experimento mental para todas las líneas de campo E a diferentes porcentajes de la longitud, podría trazar todas las líneas de equipotencial y eso es lo que son las líneas rojas.

Como debería poder ver, el potencial que puede alcanzar un objeto pequeño al elevarse desde el cable al cable "caliente" es notablemente lineal.

Es una pena ver tantas respuestas mal informadas y de alto rango sobre esta pregunta, así que decidí abrir una cuenta y contribuir, después de años de acecho :)

Una forma de ver la transmisión de energía es la corriente que pasa a través del cable, modelada como energía cinética de partículas (electrones) dentro. Sin embargo, especialmente en instalaciones de CA, si uno modela energía electromagnética (a través de las ecuaciones de Maxwell), uno ve la energía transportada en el espacio entre y alrededor de los conductores.

Por lo tanto, existe un peligro EM para cualquier cosa, incluso cerca de las líneas. Su nivel depende, para un sistema de línea de pájaro dado, del poder general que atraviesa: ¡tensión e intensidad!

Esta respuesta cuantitativa que encontré en https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341 se aplica:

P: ¿Por qué las aves no sienten una descarga estática ? Entiendo que las aves no proporcionan un camino a la tierra, por lo que no llevarán una corriente de estado estable. ¿Pero seguramente cuando aterrizan por primera vez hay una corriente para cargar la capacidad del pájaro? He leído que los choques estáticos son dolorosos a unos 10 kV. Estas líneas eléctricas transportan cientos de kV, entonces, ¿no sería muy doloroso el choque estático de una línea eléctrica? Gracias, Ted - Ted (26 años) Stanford, California, EE. UU.

R: Sí, no es estrictamente cierto que no habrá ninguna corriente en absoluto. Hay corrientes, pero son realmente pequeñas, y esto no se limita solo al aterrizaje. Quizás lo más insignificante de todo, el aire húmedo no es un aislante perfecto, por lo que habrá pérdidas del cuerpo del ave. Pero como también señala, un pájaro puede considerarse un condensador (aproximadamente esférico) con una segunda carcasa infinitamente lejana y con un potencial 0. Por lo tanto, el ave se cargará y descargará a f = 60Hz (50 Hz en Europa), porque las líneas de alimentación transportan CA, no CC.

Hagamos un cálculo aproximado considerando al pájaro como una esfera con 20 cm de diámetro, la capacitancia C debería ser ~ 10pF. La corriente eficaz es entonces 2πfVrmsC f. Digamos que hay 100kV en los cables, estos parámetros dan alrededor de 400 µA para la corriente eficaz. En comparación, para un ser humano, las corrientes de CA de alrededor de 10 mA comienzan a volverse peligrosas. ( Https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock ) Para un pájaro, las corrientes algo más bajas pueden ser peligrosas. Parece que incluso para la línea de alto voltaje, sin embargo, la corriente puramente capacitiva no es un problema.

Tunc + Mike W.

Tengo entendido que, dado que la línea de AT es una línea de CA, el potencial original del ave no tiene sentido debido al hecho de que el potencial del cable está alternando por encima del potencial de tierra y por debajo del potencial de tierra cada 1/100 de segundo en 50 Hz. situación. Existe una posibilidad igualmente probable de que el potencial relativo al potencial de tierra en el momento del contacto del pie del ave pueda estar muy cerca del potencial de tierra 1/100 de cada segundo también.

No soy un experto, pero creo que esto es correcto: el cable es un conductor; la corriente fluye a través de él. El pájaro no será dañado. La corriente fluirá hacia arriba por una pierna y hacia abajo por la otra, pero el cable es un conductor mucho mejor, por lo que la corriente será minúscula. (Por otro lado, si el pájaro aterrizó en una fuente de muy alto voltaje sin corriente, como un gran generador Van Der Graaf, entonces la repulsión electrostática podría volar sus plumas).

No existe una línea HV hipotética con aislamiento de aire a 10s de megavoltios porque a esos voltajes, la potencia perdida por la descarga de corona es mayor que la potencia perdida por la resistencia del cable. A medida que aumenta el voltaje, la corriente disminuye en proporción, pero más allá de cierto punto, la pérdida de potencia de descarga de la corona es mayor que la pérdida I al cuadrado.

El "cierto punto" depende del diámetro del conductor, razón por la cual todos los conductores de alto voltaje (y particularmente a 1KV +) tienen diámetros inflados artificialmente: gran parte del volumen del "conductor" no es conductor: es acero.

La descarga de corona ocurre cuando el gradiente de voltaje es mayor que el gradiente de voltaje de ruptura del aire. Esto depende de la humedad y la medición del aire (y la contaminación) y de la suavidad de la superficie del cable.

Las líneas de potencial equivalente que se muestran en la otra respuesta son engañosas. Deben estar mucho más juntos cerca del cable, mucho más separados cerca del suelo. Aquí hay un ejemplo medido real: https://www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

Tenga en cuenta la diferencia entre el espacio de 8V-10V y el espacio de 4V-2V. Cerca de un cable estrecho, la distribución de campo es similar a la de alrededor de una carga puntual aislada, donde el gradiente de voltaje se acerca rápidamente al "infinito" para un cable "infinitamente delgado".

No puedo encontrar cifras reales para el gradiente de campo eléctrico cerca de una línea de AT. Esperaría que fuera menos de 3.4MV / m en las peores condiciones, o habría fallas. En comparación, los humanos fallarán a aproximadamente 0.01MV / m, y la piel humana fallará a aproximadamente 500V. Esto me sugiere que no hay muchos factores de seguridad para un ser humano que cuelga de una línea de AT: estarías lo suficientemente cerca de tu potencial de ionización como para comenzar a preocuparte.

Las aves típicas son mucho más pequeñas / más cortas que los humanos, por lo que estarían expuestas a una tensión de voltaje mucho menor al aterrizar en los cables. Las aves grandes pueden ser comparables en tamaño con los humanos, pero normalmente no se posan en los cables. Las aves grandes normalmente se posan en las torres de transmisión, no en los cables, porque las torres siempre son más altas que el cable: no tengo información sobre si las aves grandes sienten incomodidad por el gradiente de voltaje eléctrico cuando intentan aterrizar en cables HV.

Estoy fuera de mi área de experiencia y agradezco cualquier corrección.

Es interesante observar las líneas eléctricas y las aves, y ver qué sucede.

Las aves tienden a posarse en líneas eléctricas de bajo voltaje, generalmente por debajo de 100kV.

Las aves no suelen posarse en líneas eléctricas de alto voltaje, típicamente> 200kV.

La especulación (que me parece totalmente plausible) es que se debe a la corona que ocurre en las líneas de alta tensión. Es por eso que tienden a usar haces de cables, en lugar de conductores individuales, para reducir el gradiente del campo eléctrico que los rodea. Cualquier cosa puntiaguda que sobresalga del conductor liso aumentará la pérdida de corona.

Un pájaro en una línea eléctrica actúa como un "poco sobresaliente", lo que empeora la descarga de la corona. Por encima de una corriente de corona crítica, el pájaro encuentra esto incómodo y se va. Esto lo sentirá el pájaro que vuela cerca de la línea, incluso antes de aterrizar, el pájaro distorsionará el campo eléctrico y recibirá una corriente de corona.