A VILLÁMOK NEGATÍV ELEKTROMOS ELLENÁLLÁSÚ KISÜLÉSEK
(2024 november)
:
A zivatarokat jellemző villámokat a magasra felnyúló zivatarfelhőkben a megfagyott és túlhűtött folyékony csapadékrészecskék hozzák létre (ld.: R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands: Mai Fizika, 5. kötetet, 120. o., Műszaki Könyvkiadó, 1969. ETO 53 "19" (082), ahol a "Légköri elektromosság" című fejezetben összefoglalták a szerzők a villámok fizikáját). Az erőteljes feláramlás miatt a vízcseppek a kb. -7 °C-os hőmérséklet körül túlhűlt cseppek, majd -15 és -20 °C között negatív töltésű jégszemcsék keletkeznek. A –15 °C-nál magasabb hőmérsékleti tartományban a jégszemek pozitív, a jégkristályok negatív töltésűek. A cseppeknek előbb a külső felületük, aztán a belső részük fagy meg, a hőmérséklet-eloszlás szerint. A felhőben található ionok (főként a vízből származó H+ és OH- ionok és elektronok) a hőmérséklet-eloszlás függvényében tartományokat alkotnak. Kb. -20 °C felett többségükben pozitív ionok keletkeznek, -15 °C alatt negatív ionok. A zivatar felhők tetejét fagyott jégszemcsék alkotják. Az ionok eredete a levegő szennyezései, súrlódás, a Nap UV sugárzása, a kozmikus sugárzás, röntgensugárzás, radioaktivitás. A kutatás módja az internetes keresés volt, célja sz ismeretterjesztés.
A tapasztalat szerinti töltés-eloszlás a zivatarfelhők tartományaiban: a felhő felső részén a pozitív, míg alul a negatív töltések kerülnek túlsúlyba, aminek valószínű magyarázta az elektronok 5.5 -ször nagyobb mozgékonysága. Gyakran kialakul egy pozitív töltésű terület a felhő legalsó részében is, a feláramlás és a leáramlás határfelületénél.
Töltés-eloszlás a zivatarfelhőkben: három réteg, és az alsó mindig vegyes
(https://www.researchgate.net/figure/Electric-charges-in-a-cumulonimbus-cloud-and-Intra-cloud-inter-cloud-cloud-to-ground_fig2_266289213)
Feszültségkülönbségek kialakulhatnak a felhőn belül, a felhő és a Föld, vagy két felhő között, ezért a villámok függőleges és vízszintes irányban is létre jönnek. A villám a felhőben, és abból a talaj vagy a tereptárgyak felé egy-két mm és néhány cm közötti átmérőjű villámcsatornában halad, melyben a felhő felől elektronok, a földi objektum felől pozitív ionok áramlanak egymás felé, az áramlásokat előkisülésnek, elővillámoknak nevezik. Léteznek speciális esetek is.
Felszíni elővillám, zöld parázsfénnyel (Upwards streamer emanating from the top of a pool cover,
A felhőből kilépő fehér elővillám a Föld felé zegzugos pályán halad, miközben többször rövid időre megtorpan, elágazik, alakját a helyi vezetőképesség határozza meg. A lefelé haladó villámok lépcsős előkisüléssel kezdődnek, a negatív töltésű elektronok szakaszosan haladnak a talaj felé egy-egy ugrással 10–200 m-t tesznek meg, és minden ugrás után 30–100 μs időre megállnak. A lépcsős előkisülés átlagos haladási sebessége kb. 10–50 cm/μs, az áramerősség pedig 10–100 A közötti érték. A talajról induló ellenkisülés hossza általában csak néhány méter. Az ellenkisülés és az előkisülés által ionizált levegőben jön létre a főkisülés. A főkisüléssorán pozitív töltések áramlanak kb. 100 m/μs sebességgel. A földfelszín közelébe érve a tárgyakból vagy a talajból pozitív, színes ellenkisülések (koronakisülés, ionlavina, Townsend lavina, pamatos kisülés, Szent Elmo tüze, parázsfény, hideg plazma) indulnak felfelé. A színes ellenkisülések nem mindig találkoznak a felső, elektronokat tartalmazó főkisüléssel. Mikor egy ellenkisülés találkozik az elővillámmal, összefüggő csatorna alakul ki a felhő és a föld között. Az ioncsatornán megindul a gyors, fényes főkisülés a levegő átütési feszültsége felett. Ha a kisülés a föld közelében ágazik el, minden ágon kialakulhat főkisülés. Az áramerősség általában 20-30 000 amper, de kivételes esetben meghaladhatja a 300 000 ampert is. Az elővillámok sebessége kb. 60 km/sec, a fővillámok sebessége 180 km/sec is lehet. Ha létre jött egy ioncsatorna, (sötét villám), a csatornában a villám után maradó törmelékeken új villámok alakulnak ki. A villámhőmérséklet elérheti a 30000 Kelvin fokot, a főkisülés időtartama tized másodperc nagyságrendű. A kisülési folyamatok nagyon gyorsan játszódnak le (az első előkisülés kb. 0,01 sec., későbbiek százszor rövidebb ideig, a főkisülés pedig mindössze 10 -4––10 -5 sec-ig tart), az egymást követő kisülések is csak 1–2 másodpercig tartanak.
Érdekességek:
A villám fénye látható- és UV-fényből áll, de nagy áramerősségnél gamma sugárzás is keletkezhet, és rádiófrekvenciákon is sugároz.
Ha a villám homokos talajba csap, üvegszerű anyag keletkezik, aminek a neve fulgurit.
A köznyelvben a „szárazvillám” kifejezés jelentése: ha villámláskor nem esik az eső, azaz a felhőből hulló csapadék nem éri el a talajt, de a villám találkozik a felhaladó párjával. Száraz erdőkben, bozótokban sok erdőtüzet okoznak a szárazvillámok. (https://www.kfki.hu/elftkisk/63_Anket/Tasnadi_Peter.pdf)
Sötét villám (R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, i. m. 134.o): egy villám után a csatornában sok törmelék, ion marad, a következő villám már cikk-cakkok nélkül, egyenesen a régi "sötét" csatornán halad.
A villámoknak (a gömbvillámoknak is) kénes, nitrogénoxidos illata van
Légkörkutatók megállapították, hogy a villámok és a kamerával vagy szabad szemmel nem látható, láthatatlan kisülések nagy mennyiségű hidroxil gyököt
(OH-) és hidroperoxil gyököt (HO2) termelnek, melyeknek fontos a szerepe a légszennyezések lebontásában.
A VILLÁMOK NEGATÍV ELLENÁLLÁSÚ KISÜLÉSEK
A levegő átütési szilárdsága 2 x106 V/m nél nagyobb. Elektromos tér nélkül 1 MeV energiájú elektronok néhány méteres úton megállnak, felette gyorsulnak és elektronlavinákat okoznak (R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, 133.o), pamatos kisülés, koronakisülés (parázsfény, pamatos kisüléseknek is fordítják, ionlavina, Townsend lavina, Szent Elmo tüze, hideg plazma), melyek kialakítják a földfelszínről induló színes, pozitív ionos csatornákat, melyek soha nem érnek fel a felhőkig. A felhőkből elektron-csatornák indulnak az levegő átütési feszültsége (≈ 21 kV/cm) felett, és ha találnak egy földi, pozitív ionos csatornát, felépül egy ívkisülés, a villám.
A laboratóriumban létrehozott ívkisülések jellemzője a negatív (differenciális) ellenállás (https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistance): a kisülés árama nő, amikor a kisülést létre hozó feszültség csökken. Az áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák.
A kisülésnél csökken a feszültség → növekedő áram és hőmérséklet → az ionizáció foka is nő (https://hu.m.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:Voltage_controlled_negative_resistance.svg)
Negatív ellenállás vagy negatív differenciális ellenálláson olyan áramtartományt értünk, amiben a nagyobb áramhoz kisebb feszültség tartozik. Az Ohm törvényből adódóan az elektromos ellenállás a feszültség és az áram hányadosa. Az energiamegmaradás elve kizárja abszolút negatív ellenállás létezését, ezért az ilyen eszközök, jelenségek csak külső energia felvételével működnek, pl. fénycsövek, melyek működáse az az ionizáción alapul: (https://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A9nycs%C5%91).
A függőleges tengelyen az áram logaritmusa Amperben, lg I = 0 -nál van az átütési feszülség
Következtetés: Villámok esetén a parázsfény-kisülés a földfelszínről induló színes elővillám, tehát az elektronlavinás ionizációval hozható kapcsolatba. Az ívkisülés pedig a felhőkből induló elektronárammal, a termikus emisszióval kapcsolatos, az átütési feszültség felett.
Gömbvillám (https://www.24h.com.vn/media-24h/bi-an-hien-tuong-set-hon-cuc-hiem-trong-tu-nhien-c762a1479345.html)
Érdekesség: magyarázatot lehet kapni a néhányszor tíz másodperces gömbvillámokra (https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi) vonatkozóan is. Amennyiben a földfelszínről induló színes elővillám nem találkozik felső villámmal, és ha elég nagy a légköri feszültség, akkor a földfelszínről induló színes elővillámnál is kialakulhat a termikus emisszió (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization).
Amikor a plazmacső elkezd hűlni, elszakad a földfelszíntől, a konduktív és sugárzási hőveszteségek miatt a felületén az ionok rekombinálódnak. Amennyiben a rekombinálódott molekulák eltávolodnának a felületéről a plazmában nyomáshiány keletkezne, ezért nincs eláramlás, és gömbalakot vesz fel a cső. Nincs konvektív hűlés, ami egyezik a megfigyelésekkel, a környezete nem olyan forró, mint az várható lenne. Tehát nem feltételezünk összetartó erőteret, hanem a középvonaltól, majd a középponttól csökkenő hőmérséklet (a hőmérsékletgradiens) miatti rekombinálódó részecskék beáramlása tartja össze a gömböt. Amíg a termikus emisszió feltételei adottak, addig létezik a gömb.
A plazma vezetőképessége teljes ionizáció esetén:
ahol Taz abszolút hőmérséklet (10-11 000 Kelvin fok); ne az elektronsűrűség az ionizált levegőben (https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/gas-ionization). A részecskék közötti ütközések a gázionizáció bármely fokánál különböznek a teljesen ionizált gázdielektrikumok ütközéseitől. A plazma bármely ionizációs fokon kationokból, anionokból, elektronokból és semleges molekulákból (atomból) áll. Az elektromos tér vagy a hőmérséklet gradiense hatására a plazmában lévő ionok az elektromos térrel azonos irányba és a hőmérséklet csökkenésének irányába mozognak, ami a töltések diffúziós áramához vezet. A Chapman–Cowling elmélet elmélete határozza meg a gyenge ionizáció vezetőképességét:
ahol Saz ütközés keresztmetszete; T az abszolút hőmérséklet; a az ionizációs fok. Valójában a teljes ionizáció és a gyenge ionizáció a gázionizáció két szélső körülménye, és általában a gázionizáció bármely fokára a vezetőképességi párhuzamos modellt kell alkalmazni a vezetőképesség kiszámításához (https://en.wikipedia.org/wiki/Chapman%E2%80%93Enskog_theory).