Mi a villámlás és hogyan keletkezik?
A zivatarfelhők eredete
A talaj fölé magasodó köd vízrészecskékből áll és felhőket képez. A nagyobb és nehezebb felhőket gomolyfelhőknek nevezzük. Egyes felhők egyszerűek – nem okoznak villámlást vagy mennydörgést. Másokat zivataroknak neveznek, mert zivatarokat hoznak létre, villámlást és mennydörgést alkotnak. A zivatarfelhők abban különböznek a közönséges esőfelhőktől, hogy elektromos töltéssel rendelkeznek: vannak pozitívak, vannak negatívak.
Hogyan keletkeznek a zivatarfelhők? Mindenki tudja, milyen erős a szél zivatar idején. De még erősebb légörvények keletkeznek magasabban a talaj felett, ahol az erdők, hegyek nem akadályozzák a levegő mozgását. Ez a szél többnyire pozitív és negatív elektromosságot termel a felhőkben.
Minden csepp közepén pozitív elektromosság van, és a csepp felületén azonos mennyiségű negatív elektromosság található. A lehulló esőcseppeket megfogja a szél, és légáramlatokba esnek. A szél, erővel ütve a cseppet, darabokra töri.Ebben az esetben a csepp levált külső részecskéi negatív elektromossággal töltődnek fel.
A csepp fennmaradó nagyobb és nehezebb része pozitív elektromossággal töltődik fel. A felhő azon része, ahol a nehéz cseppek felhalmozódnak, pozitív elektromossággal töltődik fel. A felhőből lehulló eső a felhő elektromos energiájának egy részét átadja a talajnak, és így elektromos vonzás jön létre a felhő és a talaj között.
ábrán. Az 1. ábra az elektromosság eloszlását mutatja egy felhőben és a föld felszínén. Ha egy felhő negatív elektromossággal van feltöltve, akkor a Föld pozitív elektromossága eloszlik az összes elektromos áramot vezető megemelt tárgy felületén, hogy vonzódjon hozzá. Minél magasabban áll a földön a tárgy, annál kisebb a távolság a felhő teteje és alja között, és annál kisebb lesz az itt maradó, ellentétes elektromosságot leadó levegőréteg. Nyilvánvaló, hogy ilyen helyeken könnyebben hatol be a villám a talajba. Erről később bővebben is beszámolunk.
Rizs. 1. Villamosenergia elosztása zivatarfelhőben és földi objektumokban
Mi okozza a villámlást?
Egy magas fához vagy házhoz közeledve elektromossággal feltöltött zivatarfelhő hat rá. ábrán. 1 negatív elektromossággal töltött felhő pozitív elektromosságot vonz a tetőre, és a ház negatív elektromossága a földbe kerül.
Mindkét elektromosság – a felhőben és a ház tetején – általában vonzza egymást. Ha sok elektromosság van a felhőben, akkor a hatás révén sok elektromosság keletkezik a házon.
Ahogy a beáramló víz lerombolhatja a gátat és belezúdulhat egy völgybe, korlátlan mozgásában elárasztva egy völgyet, úgy az egyre inkább felhőben felhalmozódó elektromosság végül áttörheti a földfelszíntől elválasztó levegőréteget és rohanhat. le a földre, az ellenkező elektromosságra. Erős kisülés következik be – elektromos szikra csúszik a felhő és a ház közé.
Ez az a villám, ami a házba csap. Villámkisülés nem csak a felhő és a talaj között, hanem két különböző típusú elektromossággal feltöltött felhő között is előfordulhat.
Minél erősebb a szél, annál gyorsabban töltődik fel a felhő elektromos árammal. A szél bizonyos mennyiségű munkát végez, ami a pozitív és negatív elektromosság szétválasztására irányul.
Hogyan alakul ki a villámlás?
Leggyakrabban a földbe csapó villám negatív elektromossággal feltöltött felhőkből származik. Az ilyen felhőből becsapó villám így fejlődik ki.
Először kis mennyiségű elektronok kezdenek áramlani a felhőből a földre, egy keskeny csatornában, egyfajta áramot képezve a levegőben.
ábrán. A 2. ábra a villámképződés kezdetét mutatja. A felhő azon részén, ahol a csatorna kialakulni kezd, nagy mozgási sebességű elektronok halmozódtak fel, amelyeknek köszönhetően a levegő atomjaival ütközve atommagokra és elektronokra bontják azokat.
Rizs. 2. Villámok kezdenek kialakulni egy felhőben
Az ilyenkor felszabaduló elektronok is lerohannak a földre, és ismét a levegő atomjaival ütközve szétválasztják őket.Olyan ez, mint a hóesés a hegyekben, amikor először egy kis csomó, legurulva, ráragadt hópelyhekkel borítja, és felgyorsítva repülését, hatalmas lavinává válik.
És itt az elektronlavina új térfogatú levegőt fog be, atomjait darabokra bontva. Ebben az esetben a levegő felmelegszik, és a hőmérséklet emelkedésével nő a vezetőképessége. Szigetelőből vezetővé válik. A felhőből létrejövő vezetőképes levegőcsatornán keresztül az elektromosság egyre többet kezd elszívni. Az elektromosság óriási sebességgel közelíti meg a Földet, eléri a 100 kilométer per másodpercet.
Századmásodpercek alatt az elektronlavina eléri a földet. Ezzel csak a villámlás első, mondhatni "előkészítő" része ér véget: a villám utat tört a föld felé. A Lightning fejlesztésének második, jelentős része még várat magára. A villámképződmény figyelembe vett részét vezetőnek nevezzük. Ez az idegen szó oroszul „vezetőt” jelent. A vezető utat nyitott a villám második, erősebb részének; ezt a részt főrésznek nevezzük. Amint a csatorna eléri a talajt, az elektromosság sokkal hevesebben és gyorsabban kezd átfolyni rajta.
Most már kapcsolat van a csatornában felgyülemlett negatív elektromosság és az esőcseppekkel a földre hullott pozitív elektromosság között, elektromos működés hatására elektromos kisülés történik a felhő és a talaj között. Az ilyen kisülés egy hatalmas erősségű elektromos áram - ez az erősség sokkal nagyobb, mint a hagyományos elektromos hálózat áramerőssége.
A csatornában folyó áram nagyon gyorsan növekszik, és a maximális erősség elérése után fokozatosan csökkenni kezd.A villámcsatorna, amelyen ilyen erős áram folyik, nagyon felmelegszik, ezért erősen világít. De az áram áramlási ideje villámkisülésben nagyon rövid. A kisülés a másodperc nagyon kis töredékéig tart, ezért a kisülés során keletkező elektromos energia viszonylag kicsi.
ábrán. A 3. ábra a villámhárító fokozatos mozgását mutatja a talaj felé (az első három ábra a bal oldalon).
Rizs. 3. A villámhárító (első három ábra) és fő részének (utolsó három ábra) fokozatos fejlesztése.
Az utolsó három ábra a villám második (fő) részének kialakulásának külön pillanatait mutatja be. Aki a vakut nézi, természetesen nem tudná megkülönböztetni a vezetőjét a fő résztől, hiszen rendkívül gyorsan követik egymást, ugyanazon az úton.
Két különböző típusú áram csatlakoztatása után az áram megszakad. Általában a villámlás nem áll meg itt. Gyakran egy új vezér azonnal végigrohan az első dobás által lángolt úton, és mögötte, ugyanazon az úton, ismét a dobás szem része. Ezzel befejeződik a második kisülés.
Legfeljebb 50 ilyen különálló kategória lehet, mindegyik saját vezetőből és fő testületből áll. Leggyakrabban 2-3 van belőlük. A különálló kisülések megjelenése szaggatottá teszi a villámlást, és gyakran az ember, aki ránéz, látja, hogy villog. Ez okozza a vaku villogását.
A különálló kisülések kialakulása közötti idő nagyon rövid. Nem haladja meg a századmásodperceket Ha a kisülések száma nagyon nagy, akkor a villámlás időtartama elérheti az egész másodpercet, vagy akár több másodpercet is.
A villámoknak csak egy típusát vettük figyelembe, ez a leggyakoribb.Ezt a villámot lineáris villámnak nevezik, mert szabad szemmel vonalnak tűnik – keskeny, világos fehér, világoskék vagy élénk rózsaszín sávnak.
A vonalvillámok hossza több száz métertől sok kilométerig terjed. A villám útja általában cikk-cakk. A villámnak gyakran sok ága van. Mint már említettük, lineáris villámkisülések nem csak a felhő és a talaj között, hanem a felhők között is előfordulhatnak.
Golyóvillám
A lineárison kívül azonban sokkal ritkábban léteznek más típusú villámok is. Az egyiket, a legérdekesebbet fogjuk figyelembe venni - a gömbvillámot.
Néha vannak villámkisülések, amelyek tűzgolyók. A gömbvillám kialakulásának módját még nem tanulmányozták, de a rendelkezésre álló megfigyelések ezen érdekes típusú villámkisülésről lehetővé teszik számunkra, hogy következtetéseket vonjunk le.
A gömbvillám leggyakrabban görögdinnye vagy körte alakú. Viszonylag sokáig tart - a másodperc töredékétől néhány percig.
A gömbvillámlás legáltalánosabb időtartama 3-5 másodperc. A gömbvillám leggyakrabban a zivatar végén jelenik meg 10-20 centiméter átmérőjű, vörösen izzó golyók formájában. Ritkább esetben nagy is. Például egy körülbelül 10 méter átmérőjű villámot fényképeztek le.
A labda néha vakítóan fehér lehet, és nagyon éles körvonalai lehetnek. A gömbvillám általában sziszegő, zümmögő vagy sziszegő hangot ad ki.
A gömbvillám hangtalanul elhalhat, de halk reccsenést vagy akár fülsiketítő robbanást is kiadhat. Amikor eltűnik, gyakran szúrós szagú ködöt hagy maga után. A föld közelében vagy beltérben a gömbvillám egy futó ember sebességével mozog – körülbelül két méter másodpercenként.Nyugalomban tud maradni egy darabig, és az ilyen "letelepedett" labda addig süvít és szikrákat dob, amíg el nem tűnik. Néha úgy tűnik, hogy a gömbvillámokat a szél hajtja, de általában a mozgása független a széltől.
A gömbvillámokat a zárt terek vonzzák, ahol nyitott ablakokon vagy ajtókon, sőt néha apró repedéseken keresztül is behatolnak. A csövek jó módszer számukra; ezért gyakran jönnek ki tűzgolyók a konyhák sütőiből. Miután körbeutazta a helyiséget, a gömbvillám elhagyja a helyiséget, és gyakran ugyanazon az úton távozik, amelyen belépett.
Néha a villám néhány centimétertől néhány méterig terjedő távolságra kétszer-háromszor felemelkedik és leesik. Ezekkel a hullámvölgyekkel egyidejűleg a tűzgolyó néha vízszintes irányban mozog, majd úgy tűnik, hogy a gömbvillám ugrál.
A gömbvillám gyakran „telepszik” a vezetékekre, előnyben részesítve a legmagasabb pontokat, vagy a vezetékek mentén gördül, például a vízelvezető csövek mentén. Az emberek testén haladva, néha ruházat alatt, a tűzgolyók súlyos égési sérüléseket és akár halált is okoznak. Számos leírás létezik olyan esetekről, amikor villámcsapás okozta halálos károkat emberekben és állatokban. A meleg villámlás nagyon súlyos károkat okozhat az épületekben.
Hová csap a villám?
Mivel a villámlás elektromos kisülés a szigetelő - levegő vastagságán keresztül, leggyakrabban ott fordul elő, ahol a felhő és a föld felszínén lévő bármely tárgy közötti levegőréteg kisebb lesz. A közvetlen megfigyelések ezt mutatják: a villám hajlamos magas harangtornyokba, árbocokba, fákba és más magas tárgyakba csapni.
A villám azonban nem csak a magas tárgyakra rohan.Két szomszédos, azonos magasságú árbocról, amelyek közül az egyik fából, a másik fémből van, és nem messze állnak egymástól, a villám a fémre csap. Ennek két oka lehet: Először is, a fém sokkal jobban vezeti az elektromosságot, mint a fa, még nedves állapotban is. Másodszor, a fémárboc jól kapcsolódik a talajhoz, és a földből származó elektromosság szabadabban áramolhat az árbochoz a vezető fejlesztés során.
Ez utóbbi körülményt széles körben használják különféle épületek villámcsapás elleni védelmére. Minél nagyobb a fémárboc felülete a talajjal érintkezve, annál könnyebben jut el a felhőből származó elektromosság a talajba.
Ez összehasonlítható azzal, ahogy a folyadékáramot egy tölcséren keresztül egy palackba öntik. Ha a tölcsér nyílása elég nagy, a sugár egyenesen a palackba kerül. Ha a tölcsér nyílása kicsi, akkor a folyadék elkezd túlfolyni a tölcsér szélén, és a padlóra ömlik.
A villám a föld sík felületére is becsaphat, ugyanakkor oda is rohan, ahol a talaj elektromos vezetőképessége nagyobb. Így például a nedves agyagba vagy mocsárba hamarabb csap a villám, mint a száraz homokba vagy a köves száraz talajba. Ugyanezen okból kifolyólag a villám csap a folyók és patakok partjára, jobban szereti őket, mint a közelükben tornyosuló magas, de száraz fákat.
A villámlásnak ezt a tulajdonságát - a jól földelt és jól vezető testekhez való rohanást - széles körben alkalmazzák különféle védőeszközök megvalósítására.