آذرخش و تخلیه الکتریکی | به زبان ساده

۸۲۲۷ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۰ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۶ دقیقه
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.

997696

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.

قطبی شدن ابر
تصویر ۷: قطبی شدن ابر توسط دو مکانیزم صورت می‌گیرد.

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.

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.

چگونگی رخداد صاعقه
تصویر ۲: لحظه پدیدار شدن صاعقه در آسمان

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 60,00060,000 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.

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.

ساختار یک میله برق‌گیر
تصویر 3: طرز کار یک میله برق‌گیر

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.

بر اساس رای ۶۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
PhysicsClassroomWeather
۱۴ دیدگاه برای «آذرخش و تخلیه الکتریکی | به زبان ساده»

آیا امکان تخلیه الکتریکی از سمت زمین به توده ابر نیز وجود دارد؟

با سلام،
رعدوبرق، تخلیه الکتریکی بسیار بزرگی است که به دلیل حرکت‌های نیرومند به هنگام طوفان رخ می‌دهد. رعدوبرق می‌تواند:
. از ابر به ابر
. داخل ابر تکی
. بین ابر و زمین
. از ابر به هوا
رخ دهد. تخلیه الکتریکی رعدوبرق داخل ابرها در مقایسه با تخلیه الکتریکی از ابر به زمین، رایج‌تر است. در صاعقه‌ای معمولی از ابر به زمین، بارهای منفی به صورت جهشی و فورانی سمت زمین حرکت می‌کنند. این موضوع سببِ باردار شدن مثبت زمین می‌شود. در این حالت و با نزدیک شدن بارهای منفی، ابر به سمت زمین، جریانی از بارهای مثبت در زمین به سمت بالا حرکت می‌کنند. با رسیدن جریان بارهای منفی و مثبت به یکدیگر، صاعقه اولیه رخ می‌دهد. در ادامه، کانالی تشکیل و الکتریسیته بین ابر و زمین جاری می‌شود. رعدوبرق ابر به زمین از آسمان آغاز و و به سمت زمین حرکت می‌کند. اما آنچه می‌بینیم می‌تواند از زمین به سمت بالا حرکت کند.
در چند سال گذشته، پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند که رعدوبرق همچنین می‌تواند به جای حرکت به سمت زمین، به سمت بالا و جو حرکت کند. به این نوع رعدوبرق، روح سرخ گفته می‌شود. ۹۰ درصد رعدوبرق‌های رخ داده از نوع ابر به زمین هستند. اما گاهی، ابرهای به جای بار منفی، از بار مثبت تشکیل شده‌اند. در این حالت زمین به صورت منفی باردار می‌شود. بنابراین، رعدوبرق می‌تواند از زمین به سمت ابر رخ دهد. توجه به این نکته مهم است که این نوع رعدوبرق در زمینی با ارتفاع زیاد نسبت به سطح دریا یا در ساختمان‌های بلند و آسمان‌خراش‌ها، رخ می‌دهد.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

واقعا مطالب خوبی بودند تشکر

مطالب عالی ود

چرا احتمال وقوع صاعقه های مثبت کم است؟

با سلام لطفا بفرمائید بعداز برخورد صاعقه تا چه مقدار در سطح احتمال آسیب وجود دارد

سلام و روز شما به خیر؛

بر روی زمین فرکانس رعد و برق تقریباً 44±5 s144\pm 5\ s^{-1} است یا 1.4 میلیارد جرقه یا برق در سال دارد. در نتیجه میانگین مدت زمان تاثیر آن بر روی زمین 0.2 ثانیه است، البته اگر رعد و برق جرقه‌های کوتاهتری داشته باشد مدت زمان تاثیر آن کوتاهتر و در حدود 60-70 میکروثانیه است.

از اینکه با فرادرس همراه هستید خرسندیم.

سلام و روز شما به خیر؛

صاعقه‌های با بار مثبت معمولاً در قسمت‌های بالایی و ارتفاعات بالا رخ می‌دهند و نسبت به صاعقه بار منفی مسافت بیشتری را طی می‌کنند و شاید به همین دلیل احتمال وقوع آن‌ها کمتر است. مشاهدات نشان می‌دهد که درصد وقوع صاعقه‌های مثبت 5%5\% کل از تمام صاعقه های رخ داده در یک بازه زمانی است. این موضوع را به خاطر داشته باشید که صاعقه‌های مثبت آسیب‌های جدی تری را به همراه دارند زیرا که شدت آن‌ها بیشتر است.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

سلام
ببخشید چه زمانی تخلیه الکتریکی از زمین به ابر و چه زمانی از ابر به زمین می شود؟
به زحمت زود جواب بدین ، ممنون

سلام و روز شما به خیر؛

تخلیه بار الکتریکی از ابر به زمین زمانی آغاز می‌شود که یک جریان بار به سمت زمین وجود داشته باشد. این موضوع در تخلیه بار الکتریکی از زمین به ابر بالعکس است. بیشتر صاعقه‌هایی که در هنگام طوفان مشاهده می‌کنید تخلیه بار الکتریکی منفی از ابر به زمین هستند.

تخلیه بارالکتریکی زمین به ابر از یک جسم روی زمین آغاز می‌شود که ارتفاع زیادی دارد. این تخلیه بار می‌تواند مثبت یا منفی باشد و یک درخشش قابل مشاهده از سمت زمین به سمت آسمان تولید می‌کند.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

سوال؟ سمت جریان الکتریسیته در واندوگراف از کجا و به کدام سمت است؟
آیا کش لاستیکی این انرژی بی پایان را در خود ذخیره دارو؟
آیا این لاستیک بار خود را از ذره های باردار مولوکول هوا جذب میکند؟
آیا مولد واندوگراف فقط یک انتقال دهنده(برقرار کننده جریان) بار موجود در مولوکول های هوا به سمت زمین است؟
آیا ابرها مولد واندوگراف حساب میشوند؟
آیا تا کنون علم به این سوال پاسخ داده؟

سلام، وقت شما بخیر؛

برای درک بهتر مطلب و پاسخ به برخی سوالات خود می‌توانید مطلب مولد واندوگراف — به زبان ساده را در این لینک که توسط مجله فرادرس آماده شده است مطالعه کنید.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.

در ادامه وقتی آذرخش رخ میدهد انرژی هنگام تخلیه به صوت نور و حرارت و غیره تبدیل میشود و درصد کمتر بار الکتریکی وارد زمین میشود.
میلیون ها سال است که این اتفاق در حال جریان است.
پس چرا این جریان تمامی ندارد؟
منبع الکتریسیته کجاست؟
از کجا می آید و به کجا میرود؟
آیا خلا اطراف اتمسفر زمین را این عایق را بوجود آورده؟
مقدار این بار الکتریسیته به خاطر این عایق ثابت است.
آیا در هنگام تخلیه بار ابرها ،الکتریسیته از آنسوی زمین خارج میشود(نیکلا تسلا).
علم هزارتویی از شد و نشد ها باید و نباید هایست .

ابرها به خاطر برخورد با ذرات یخ باردار نمیشوند.
بلکه ابمیشوندرها به خاطر برخورد با ملوکول های اتمسفر باردار میشوند.
و بلعکس یخ ها با برخورد با ملوکول های اتمسفر بار مخالف میگیرند.
در این میان تخلیه ای بین انواع ابر و هوا و زمین اتفاق می افتند که به آن آذرخش میگویند.درک جزئی کوچک از علم بزرگتر از فهم کوچک تمام بشر است.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *