آذرخش و تخلیه الکتریکی | به زبان ساده

صاعقه، آذرخش یا رعد و برق از شناخته‌شده‌ترین و قدرتمندترین نمایش الکترواستاتیک در طبیعت هستند. رعد و برق همواره مورد توجه انسان‌ها بوده است، آن‌ها هرگز دعوت و برنامه‌ریزی نمی‌شوند. آذرخش ها افراد را در نیمه شب بیدار می‌کنند، کودکان را با عجله به اتاق خواب والدین می‌برند، گفتگوها و فعالیت‌های روزانه را قطع می‌کنند و دلیل مکرر لغو بازی‌های غیرسالنی هستند. در واقع آذرخش قدرتمندترین نمایش الکترواستاتیک در طبیعت است. در ادامه این مطلب می‌خواهیم بدانیم مکانیزم رعد و برق چیست و چگونه می‌توان از خطرات آن در امان بود.

تجمع بار الکتریکی و استاتیک در ابرها

محققان مدت‌ها است که در حال تحقیق و پژوهش در مورد علت برخورد آذرخش هستند. با این حال جزئیات چگونگی باردار شدن ابرها هنوز به صورت کامل درک نشده است ولی چندین نظریه وجود دارد که بسیار منطقی به نظر می‌رسند و در اینجا آن‌ها را بیان می‌کنیم.

مقدمه ایجاد هرگونه رعد و برق قطبی شدن و جدا شدن بارهای مثبت و منفی در ابر است. چیزی که مشاهده شده این است که در بالای ابرهای طوفان‌زا بار مثبت و در قسمت پایین بار منفی وجود دارد.

دو مکانیزم برای قطبی شدن بارها وجود دارد مکانیزم اول شامل جداسازی بار توسط فرایندی است که شباهت زیادی به باردار کردن اجسام توسط اصطکاک دارد. ابرها حاوی میلیون‌ها قطره معلق آب و ذرات یخ هستند که به صورت متلاطم در حال چرخش هستند با تبخیر آب از زمین خوشه‌هایی از قطرات با رسیدن به ابر تشکیل می‌شوند. آب و رطوبت تبخیر شده زمین با قطرات آب درون ابرها برخورد می‌کند در این برخوردها الکترون‌ها از قطرات آبی که در حال بزرگ شدن هستند جدا می‌شوند و این فرآیند باعث جدایی الکترون‌های منفی از قطره آب با بار مثبت یا خوشه قطرات می‌شود.

مکانیزم دوم که باعث قطبش ابر می‌شود شامل یک فرآیند انجماد است. افزایش رطوبت در ارتفاعات با دمای پایین‌تری روبرو می‌شود. این دمای سردتر سبب می‌شود که خوشه قطرات آب دچار یخ زدگی شود.

ذرات منجمد تمایل دارند که به صورت فشرده‌تری قرار گیرند و مناطق مرکزی خوشه قطرات را تشکیل دهند. قسمت منجمد خوشه در حال افزایش رطوبت بار منفی پیدا می‌کند و قطرات بیرونی بار مثبت به دست می‌آورند. جریان‌های هوای درون ابرها می‌توانند قسمت‌های خارجی خوشه‌ها را جدا کرده و به سمت بالای ابر هدایت کنند.

قسمت منجمد قطره‌ها با بار منفی خود تمایل دارند که به سمت پایین ابرها کشیده شوند و بنابراین ابرها دوقطبی می‌شوند.

اعتقاد بر این است که این دو مکانیزم از دلایل اصلی قطبش ابرها هستند. در نهایت یک ابر با بارهای مثبت در قسمت بالا و بارهای منفی در قسمت‌های پایین ایجاد می‌شود.

قطبش ابرها تأثیر مهمی بر سطح زمین نیز دارد. میدان الکتریکی ابر در فضای اطراف خود باعث حرکت الکترون‌های روی سطح زمین می‌شود. الکترون‌های سطح خارجی زمین توسط قسمت پایین ابر که بار منفی دارد دفع می‌شوند. این موضوع سبب ایجاد سطحی با بار مخالف در سطح زمین می‌شود. ساختمان‌ها، درختان و حتی مردم می‌توانند تجمع بار استاتیک را تجربه کنند زیرا الکترون‌ها توسط پایین ابر دفع می‌شوند. با قطبی شدن ابر و بار مثبت القا شده در سطح زمین همه چیز برای وقوع آذرخش آماده است.

رعد و برق چیست؟

با افزایش تجمع بار در ابر، میدان الکتریکی اطراف ابر قوی‌تر می‌شود. به طور معمول هوای اطراف ابر یک عایق مناسب برای جلوگیری از تخلیه الکترون به زمین است. با این وجود میدان‌های الکتریکی قوی اطراف ابر قادر به یونیزه کردن هوای اطراف و رسانایی بیشتر آن هستند.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

یونیزاسیون شامل خروج سریع الکترون‌ها از پوسته‌های خارجی مولکول‌های گاز است. بنابراین مولکول‌های هوا به ترکیبی از یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد تبدیل شده و هوای عایق نقش یک پلاسمای رسانا را بازی می‌کند.

توانایی میدان‌های الكتریكی ابرهای طوفانی در تبدیل هوا به یك رسانا، انتقال بار (به صورت یك آذرخش) از ابر به زمین (یا حتی به ابرهای دیگر) را امكان‌پذیر می‌كند.

یک رعد و برق به صورت پله‌کانی آغاز می‌شود، الکترون‌های اضافی در پایین ابر با سرعتی تا 60 مایل بر ثانیه از طریق هوای رسانا به زمین می‌رسند. این الکترون‌ها مسیرهای زیگزاگ به سمت زمین را دنبال می‌کنند و در مکان‌های مختلف منشعب می‌شوند. متغیرهایی که جزئیات مسیر واقعی را تحت تأثیر قرار می‌دهند به خوبی شناخته نشده‌اند. اعتقاد بر این است که وجود ناخالصی‌ها یا ذرات گرد و غبار در قسمت‌های مختلف هوا ممکن است مناطقی را بین ابرها و زمین ایجاد کند که رساناتر از مناطق دیگر هستند.

همان‌طور که شارش بارها از طرف ابر افزایش می‌یابد ممکن است یک درخشش ارغوانی که مشخصه مولکول‌های هوای یونیزه است آغاز شود. با این وجود پله ابتدایی شارش بارها صاعقه واقعی نیست و تنها مسیر بین ابر و زمین را آماده می‌سازد که در نهایت آذرخش از آن عبور کند.

با رسیدن الکترون‌های پله ابتدایی به زمین یک دافعه اضافی بین بقیه الکترون‌هایی که به سمت پایین در حال حرکت هستند و سطح زمین به وجود می‌آید و بدین ترتیب مقدار بار مثبت موجود در سطح زمین بیشتر می‌شود. این بار از طریق ساختمان‌ها، درختان و آدم‌ها شروع به حرکت به سمت بالا می‌کند. این بار مثبت رو به بالا به الکترون‌هایی که به سمت پایین در حال حرکت هستند نزدیک می شود.

هنگامی که تماس بین جریان بار مثبت و الکترون‌ها برقرار شد یک مسیر هدایت کامل بار الکتریکی ایجاد شده و رعد و برق آغاز می‌شود.

نقطه تماس بین بار زمین و بار ابر با سرعتی معادل $$60,000$$ مایل بر ثانیه به سمت بالا حرکت می‌کند. در این حالت بالغ بر یک میلیارد تریلیون الکترون می‌تواند این مسیر را در کمتر از یک میلی‌ثانیه طی کند.

تخلیه بار اولیه با چندین تخلیه بار ثانویه یا افزایش بار به طور سریع و پی‌در‌پی همراه می‌شود. موج‌های ثانویه فاصله زمانی بسیار کمی از هم دارند که ممکن است به صورت یک موج واحد ظاهر شوند.

جریان بار بسیار زیاد و سریع در امتداد مسیر بین ابر و زمین باعث گرم شدن هوای اطراف و گسترش شدید آن می‌شود. انبساط هوا موج ضربه‌ای ایجاد کرده و در نهایت رعد و برق را مشاهده می‌کنیم.

ولتاژ آذرخش چه قدر است؟

ولتاژ یک رعد و برق معمولی حدود 300 میلیون ولت و جریان آن حدود 30,000 آمپر است. در مقایسه با برق خانگی با ولتاژ 120 ولت و جریان 15 آمپر در یک رعد و برق معمولی، انرژی کافی برای روشن کردن یک لامپ رشته‌ای 100 واتی برای حدود سه ماه یا لامپ کم مصرف فلورسنت برای حدود یک سال وجود دارد.

میله‌های برق‌گیر و سایر اقدامات حفاظتی

ساختمان‌های بلند و سایر سازه‌های مستعد برخورد آذرخش اغلب مجهز به میله‌های برق‌گیر هستند. اتصال میله صاعقه‌گیر یا برق‌گیر اقدامی محافظتی است که برای محافظت از ساختمان در صورت برخورد رعد و برق صورت می‌گیرد. مفهوم میله برق‌گیر در ابتدا توسط «بن‌فرانکلین» (Ben Franklin) پیشنهاد شد. او پیشنهاد داد که میله‌های برق‌گیر از یک میله فلزی نوک تیز تشکیل و در بالای ساختمان برای محافظت نصب و به زمین وصل شوند.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

او نشان داد که این میله به دو طریق از ساختمان محافظت می‌کند اولاً میله از تخلیه بار الکتریکی ابرهای باردار جلوگیری می‌کند و ثانیاً در صورت تخلیه الکتریکی ابرهای باردار، بار از طریق میله به زمین هدایت می‌شود. نظریه‌های فرانکلین در مورد عملکرد میله‌های برقگیر در طی چند قرن دوام داشته است.

از اولین راهکار میله برق‌گیر فرانکلین به عنوان نظریه پراکندگی آذرخش یاد می‌شود. طبق این نظریه استفاده از میله برق‌گیر در ساختمان از برخورد رعد و برق با ساختمان محافظت می‌کند. این ایده بر این اصل استوار است که قدرت میدان الکتریکی در اطراف یک جسم نوک تیز زیاد است.

میدان‌های الکتریکی شدید اطراف یک جسم نوک تیز باعث یونیزه کردن هوای اطراف شده و توانایی هدایت الکتریکی را افزایش می‌دهند. این نظریه بیان می‌کند که با نزدیک شدن ابر باردار قطبی شده یک مسیر رسانا بین ابر با بار ثابت و میله برق‌گیر به وجود می‌آید. طبق این نظریه بارهای ساکن به تدریج در طول این مسیر به سمت زمین حرکت می‌کنند و بنابراین احتمال تخلیه ناگهانی و انفجاری کاهش می‌یابد. طرفداران نظریه پراکندگی رعد و برق معتقدند که نقش اصلی میله برق‌گیر تخلیه ابرباردار در مدت زمان طولانی‌تری است و بنابراین از تجمع بیش از حد بار که سبب ایجاد آذرخش می‌شود جلوگیری به عمل می‌آید.

دومین نظریه پیشنهادی فرانکلین در مورد عملکرد میله برق‌گیر براساس تئوری انحراف رعد و برق است. تئوری انحراف رعد و برق بیان می‌کند که یک میله برق‌گیر با ارائه مسیر رسانای بار به زمین از ساختمان محافظت می‌کند.

یک میله برق‌گیر به طور معمول توسط یک کابل مسی ضخیم به یک میله در زمین متصل شده است. تخلیه ناگهانی ابر به سمت میله صاعقه‌گیر به طور کامل توسط کابل سیمی به سمت زمین کشیده می‌شود و از آسیب به ساختمان جلوگیری می‌شود.

امروزه محققان معتقدند که نظریه پراکندگی آذرخش یک مدل نادرست از نحوه کار میله‌های برق‌گیر را ارائه می‌دهد. در حقیقت درست است که نوک میله برق‌گیر می‌تواند هوای اطراف را یونیزه کند و باعث هدایت بیشتر آن شود ولی این اثر فقط برای چند متر بالاتر از نوک میله برق‌گیر وجود دارد و این چند متر افزایش رسانایی در بالای نوک میله نمی‌تواند ابر بزرگی که چندین کیلومتر طول دارد را تخلیه کند.

متأسفانه در حال حاضر هیچ روش تأیید شده علمی برای جلوگیری از آذرخش وجود ندارد. بعلاوه مطالعات میدانی اخیر نشان داده است که میله برق‌گیر همانطور که بن فرانکلین پیشنهاد داده بود لزوماً نیازی به نوک تیز ندارد.

تحقیقات نشان می‌دهد که میله‌های برق‌گیر با نوک ضخیم احتمال بیشتری برای تخلیه ابر باردار فراهم می‌کنند.