Consideriamo due corpi conduttori vicini, ognuno con cariche di segno opposto. Se tra di loro è presente materiale isolante, le cariche, pur attraendosi, non possono incontrarsi.

Ma ogni materiale isolante possiede un limite. Se le cariche aumentano, aumenta anche il loro effetto, ovvero il campo elettrico tra i due corpi, e questo finisce col perforare l'isolante.

Questo meccanismo si verifica, durante i temporali, tra le nuvole (normalmente nembi o cumuli distanti tra i 300 e i 1000 metri dal suolo) e la terra, con l'aria interposta come materiale isolante. In circa l'85% dei casi sono le cariche negative a portarsi nella parte inferiore delle nuvole e a richiamare quelle positive sulla superficie terrestre (induzione elettrostatica).

Se la differenza di potenziale tra nuvola e terra supera un valore compreso tra gli 80 milioni e il miliardo di volt, l'aria viene perforata dalle cariche elettriche e si ha il fulmine, con una corrente che ha un valore medio di 10000 ampere e un valore limite pari a 200000 ampere. Un fulmine potrebbe alimentare una lampada da 100 Watt per tre mesi.
La perforazione non è istantanea. Dalla nuvola parte una scarica iniziale (detta "scarica pilota" o "scarica leader") non visibile, che procede a scatti con una velocità di 100 chilometri al secondo. Dalla terra parte una scarica di segno opposto, detta di richiamo. Al momento dell'incontro tra le due scariche si ha il fulmine, una scarica finale chiamata scarica di ritorno.
La corrente raggiunge il picco massimo in un tempo brevissimo pari a qualche microsecondo, mentre globalmente il fenomeno può durare tra qualche decina e qualche centinaia di microsecondi.
Al suo interno il fulmine può sviluppare una temperatura di 15000 °C. Il calore espande l'aria ed è questa espansione che provoca il tipico suono del fulmine, ovvero il tuono. Poichè il suono si propaga a 340 metri al secondo, mentre la luce a 300000 chilometri al secondo, si ha una differenza tra la visione del fulmine (lampo) e la percezione del tuono, che è tanto più rilevante, quanto più lontano si è avuta la scarica elettrica.

Per calcolare la distanza in metri tra noi e il fulmine, basta moltiplicare per 340 i secondi che passano tra il lampo e il tuono.

Tra tutti i possibili percorsi, il fulmine probabilmente seguirà quello più breve o comunque quello che offre un minore impedimento al passaggio della scarica elettrica.
Sulla Terra si hanno 16 milioni di temporali all'anno ovvero circa 44 mila al giorno, con la caduta di 100 fulmini al secondo. Mediamente, in Italia, il numero di fulmini per chilometro quadrato in un anno (Nt) risulta pari a due. Ma non tutte le zone sono interessata allo stesso modo dal fenomeno. La figura, puramente indicativa, evidenzia le differenze.

ROSSO - Nt = 4

VERDE - Nt = 2.5

BLU - Nt = 1.5

(La cartografia rappresentante il numero di fulmini all'anno per kmq sul territorio Italiano - gratuita quella del 1995 utilizzata come esempio - è presente nel sito del SIRF).

L'estate è la stagione che vede il maggior numero di temporali. Rimane però da precisare che cinque fulmini su sei si scaricano dentro la nuvola stessa.

Secondo i ricercatori un fulmine può entrare nel corpo umano attraverso le aperture del cranio, cioè occhi, orecchie, naso e bocca e si scarica a terra dopo aver percorso il sangue e il sistema nervoso. Come conseguenza più probabile si ha l'arresto del cuore e dei polmoni, ma mentre il primo può riprende a battere autonomamente, i polmoni hanno bisogno della respirazione bocca a bocca. Per cui la morte può giungere per soffocamento. Sembra che con un adeguato soccorso il 70% delle persone colpite da un fulmine può sopravvivere senza danni.

ALTRI TIPI DI FULMINI
Da un pò di tempo si stanno studiando strani fulmini che invece di propagarsi verso terra, si propagano dalle nubi verso l'alto: sono i "red sprite" (foto) e i "blue jet". Altro fulmine particolare è quello chiamato "positivo" che, pur propagandosi come quelli normali (negativi) verso terra, sembra possegga un'energia nettamente superiore che gli permette di durare anche fino a dieci volte più a lungo. Infine si possono segnalare i "fulmini globulari", che sembrano manifestarsi anche in presenza di cielo sereno.