A negatív differenciális ellenállás (NDR) szerepe a gömbvillám modellekben
(Bencsik István, 2026 06 06)
Ha van szerepe, akkor a lebegés hez szükséges hőtermelést biztosítaná. Az NDR-hez külső erőtér szükséges, ami a gömb keletkezésénél valószínűleg jelen van, de a lebegésénél már nem feltétlenül.
A mai fizika ismereteink szerint a gömbvillám keletkezésére még nincs egyetlen, egyetemesen elfogadott magyarázat. Az NDR jelenléte vagy hiánya attól függ, hogy melyik elméleti modellt tekintjük. A legelfogadottabb elmélet szerint a gömbvillám létezéséhez nincs szükség a plazma belső negatív differenciális ellenállására.
A szilícium-gőz elmélet (Abrahamson–Dinniss modell) a legnépszerűbb elmélet, amelyet a csillagaszat.hu által is említett kínai spektroszkópos megfigyelések részben megerősítettek. Amikor a villám a talajba csap, a talajban lévő szilícium-dioxidból tiszta szilícium-nanorészecskék párolognak el. Ez a lebegő felhő lassan oxidálódik (ég) a levegőben, ami fényt és hőt bocsát ki, a jelenséghez elektromos gázkisülési mechanizmus vagy NDR nem szükséges, tisztán kémiai-termodinamikai folyamatról van szó. A modell problémája hogy sok ezer Kelvinen a szilícium nem ég már, hanem a SiO2 disszociál, továbbáa gömb súlya, mert a stabilitás feltétele a sok fémpor, aminek a súlyától leesik. Az erősen a külső feszültségtől függő NDR jelenség segítene a fennmaradásban. (Jó kérdés, hogy a gömbvillámok belsejében lehet-e az NDR-hez szükséges elektromos teret feltételezni? Ha van, akkor könnyebb megmagyarázni a gömb lebegését.)
A villámok nagy elektromos ívkisülések, és a villámcsatorna gázplazmája áramvezérelt negatív differenciális ellenállást mutat. Amikor a felhő és a föld (vagy két felhő) között megindul a kisülés, a kezdeti áram felmelegíti a levegőt .Az emelkedő hőmérséklet hatására nő a gáz ionizációja, ami megnöveli a csatorna elektromos vezetőképességét. A megnövekedett vezetőképesség miatt még több áram folyik át rajta, miközben a csatorna belsejében a villám fenntartásához szükséges elektromos térerősség (és így a feszültség) már folyamatosan csökken, ami a negatív differenciális ellenállás alapmechanizmusa. Lehetővé teszi, hogy a villámcsatorna minimális feszültségesés mellett is nagy áramokat (akár több tízezer ampert) vezessen. A jelenség instabillá teszi a rendszert, az áram nem oszlik el egyenletesen a levegőben, hanem egy keskeny, sűrű áramszálba tömörül (Pinch-effektus). Amikor a felső elővillám (a leader) halad előre, a csatorna mentén fellépő negatív differenciális ellenállás miatti instabilitások okozzák a villámcsatorna hirtelen töréseit, irányváltásait és a jellegzetes ágas-bogas elágazások kialakulását. A talajba csapó villámok ritkán állnak egyetlen villanásból; gyakran 3-4 (vagy több) gyors, egymást követő kisülés fut végig ugyanazon a csatornán, amikor egy alsó elővillámmal, streamerrel találkoznak. Ha az áramerősség egy kritikus szint (kb. 100 Amper) alá esik, az instabilitás miatt a csatorna összeomlik, helyet adva a következő újabb kisülésnek.
Vannak modellek, amelyek megkövetelik az NDR-t. Mivel a természetben valószínűleg többféle jelenséget is gömbvillámnak nevezünk (a laboratóriumi és a szabadföldi megfigyelések eltérhetnek), a válasz az, hogy bizonyos típusa biztosan létrejönnek NDR nélkül is, szerepe a gömbvillámban: a lebegés, a gázkisüléses elméletek szerint a gömbvillám nem egy statikus plazmatömb, hanem egy önszabályozó struktúra.
Egy lehetséges modell- amikor villám nélkül, minden látható ok nélkül keletkezik egy gömb: egy elővillám (pozitív láthatalan streamer) csúcsa porral szennyeződik → Yukawa porplazma alakul ki, aminek a felületi feszültséghez hasonló tulajdonsága van, ami a gömb alak oka→ ami gyorsan kialudna, ha a fűtését nem biztosítaná a valamilyen kémiai reakció → lebeg, majd leáll a reakció, és kialszik. A modell működésének nem feltétele az NDR. A Bencsik-féle fenomenologikus gömbvillám modell: a gömbvillám egy villám által létrehozott, talaj eredetű anyagokat, pernyét* és ionizált levegőt, vízpárát tartalmazó, erősen csatolt, töltött aeroszol–plazma rendszer. Az erősen csatolt Yukawa-porplazmákban az árnyékolásból eredő kollektív felületi energia, ami a felületi feszültséghez hasonló jelenség, a belső plazmanyomást egyensúlyozva biztosítja a közel gömb alakú rugalmas struktúra kialakulását. A külső reakciózónában zajló sokféle, de különösen a hidroxil gyök rekombináció és oxidáció néhány másodpercre, néhány 10 másodpercre önszabályozott módon fenntartja a rendszer hőmérsékletét és a gömb alakját. Ha van elegendő pára, folyamatosan keletkeznek a hidroxil gyökök. A modell úgy lett kialakítva, hogy összhangban legyen a kínai kutatók 2012-es spektrummérésével. (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.035001), amely szilíciumot, kalciumot és vasat mutatott ki egy természetes gömbvillámban, és az ott becsült hőmérsékletekkel, továbbá megfelel annak a videónak is, ami a neten elérhető legjobb minőségű https://www.24h.com.vn/media-24h/bi-an-hien-tuong-set-hon-cuc-hiem-trong-tu-nhien-c762a1479345.html.
Egy másik modell: láthatatlan streamer elővillám → a streamerek megosztott töltése sok nagyságrendet átfedhet: 1 nC -1 μC (ami meglepően kicsi) → vízpára a polarizációja egy felületi feszültséghez hasonló felületet alakot → átalakul gömb alakra → a pára rekombinációs energiája fűti.