Benjamín Franklin realizó su experimento en el que demostró que los rayos están constituidos por electricidad. Su experimento consistió en armar un barrilete con esqueleto de metal atado con un hilo de seda y en el extremo una llave también metálica y la hizo durante una tormenta, demostrando así que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. La descarga electrostática es, entonces, un fenómeno electrostático que hace que circule una corriente eléctrica repentina y momentáneamente entre dos objetos de distinto potencial eléctrico. La forma más atrayente o espectacular de una descarga electroestática es la “chispa”, que sucede cuando un campo electrostático fuerte crea un canal conductivo ionizado a través del aire; como la que circula por un pararrayos tras ser alcanzado por un rayo.
El principal ejemplo de una «chispa» natural, es la caída de un rayo. El rayo es una poderosa descarga natural de electricidad estática, ocasionada durante una tormenta eléctrica. En este caso, la diferencia potencial entre una nube y el suelo, o entre dos nubes, es de cientos de millones de voltios. La corriente resultante que fluye a través del aire ionizado provoca una liberación de energía de forma explosiva.
La descarga eléctrica despedida del rayo está acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica, que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera, calienta y expande velozmente el aire, produciendo el ruido característico del trueno. Los rayos se encuentran en estado plasmático.
Estas poderosas «chispas» pueden causar graves explosiones debido a las altas temperaturas que se alcanzan durante su desarrollo. Una descarga eléctrica originada por una tormenta puede viajar hasta 30 km de distancia de su origen a una temperatura de 25.000º a 30.000º C, con una potencia de 100-150 millones de voltios, una intensidad de 20.000 amperios y una velocidad de 140.000 km/s. Si además se producen descargas sucesivas, éstas caen a una media de 1,8 km de distancia de separación entre ellas, siendo de 40 m la extensión que puede llegar a afectar.
Por consiguiente, el efecto visual que causa un rayo es la circulación de corriente entre dos potenciales, por una parte una nube con un potencial negativo y por otra la tierra buscando su potencial más positivo, conocido como rayo nube-tierra. También es posible otras combinaciones como nube-nube, tierra-nube. A la atmósfera se la considera aislante, por eso impediría la circulación de corriente, pero en todo material se halla un punto de ruptura dieléctrica a partir de la cual es capaz de circular corriente.
Si se realiza un sencillo cálculo donde el potencia del rayo se mantiene constante durante todo el tiempo que dura el rayo, obtendremos una energía de E = P·t = 20GW·25mS = 500MJ = 138kWh. Para hacer una simple comparación, un vehículo eléctrico consume unos 16kWh por cada 100km. Si se aprovechara toda esa energía, podría recorrerse más de 800km. Como se puede apreciar con estos sencillos cálculos, no es nada despreciable la energía que se obtiene de un rayo, infortunadamente toda esa cantidad de energía en un tiempo tan corto, del orden de milisegundos, hace que sea prácticamente imposible tratar de aprovecharlo de cualquier manera.
El poderoso y simultáneo efecto de la energía electroestática, producto de un rayo, puede ser tanto negativo como positivo. Negativamente, cuando caen los rayos, no sólo no somos capaces de aprovechar esta energía, sino que puede producir daños importantes en las instalaciones eléctricas y electrónicas, además, de llevar desde un pequeño malestar sobre una persona, hasta fuego y explosiones si el aire contiene gases o partículas combustibles. Sin embargo, positivamente, posibilitan que la tierra gane en compuestos nitrogenados algo que, sin los cuales, no existirían las plantas ni la agricultura. También generan OZONO, al pasar la chispa eléctrica por la atmósfera; al elevarse en la atmósfera, aunque sea en pequeñas cantidades, contribuye a engrosar el escudo protector de nuestro planeta, que es la capa de ozono en la alta atmósfera.
En definitiva, un rayo es una fuente importante de energía que se libera en un tiempo muy corto lo que produce un enorme potencial con elevadas tensiones y corrientes. Si se encontrara la forma de almacenarla, durante una tormenta, se podrían obtener grandes beneficios como alimentar de energía a una gran ciudad entera durante mucho tiempo.