Para que surjam raios, é necessário que, além das gotas de chuva, as nuvens de tempestade tenham em seu interior três ingredientes: cristais de gelo, água quase congelada e granizo. Tais elementos se formam na faixa entre 2 e 10 quilômetros de altitude, onde a temperatura fica entre 0 ºC e -50 ºC. Com o ar revolto no interior da nuvem, esses elementos são lançados pra lá e pra cá, chocando-se uns contra os outros. Com isso, acabam trocando de carga entre si: alguns vão ficando cada vez mais positivos, e outros, mais negativos. Os mais pesados, como o granizo e as gotas de chuva, tendem a ficar negativos.
Por causa da gravidade, o granizo e as gotas de chuva se acumulam na parte de baixo, que vai concentrando carga negativa. Mais leves, os cristais de gelo e a água quase congelada são levados por correntes de ar para cima, deixando o topo mais positivo. Começa a se formar um campo elétrico, como se a nuvem fosse uma grande pilha. Essa dupla polaridade da nuvem é reforçada ainda por dois fenômenos físicos externos a ela. Acima, na região da ionosfera, os raios solares interagem com moléculas de ar, formando mais íons negativos. No solo, por outro lado, diversos fatores contribuem para que a superfície fique eletricamente positiva. Essa polarização da nuvem cria um campo elétrico descomunal: se as redes de alta tensão têm cerca de 10 mil W (watts) de potência, no céu nublado a coisa chega a 1 000 GW (gigawatts)! Tamanha tensão começa a ionizar o ar em volta da nuvem – ou seja, ele passa de gás para plasma, o chamado quarto estado da matéria.
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