Szerző: Takátsné Lucz Ildikó, Érdi Vörösmarty Mihály Gimnázium

Lektor: dr.Tasnádi Péter ny. egyetemi tanár , ELTE Meteorológiai Tanszék

Borítólap és illusztrációk: Takáts Tünde

© Érdi Vörösmarty Mihály Gimnázium, 2023

Tartalom A Föld elektromos tere, a zivatarfelhők kialakulása ............................................................................... 4 A Föld elektromos tere ........................................................................................................................ 4 Az elektromos térerősség napi menete ................................................................................................ 4 A levegő vezetőképessége ................................................................................................................... 5 A zivatarfelhő ...................................................................................................................................... 6 Kérdések és feladatok .......................................................................................................................... 6 A levegő elektromos kisülései ............................................................................................................... 10 A csúcshatás, korona- és csúcskisülés ............................................................................................... 10 St.Elmo tüze ...................................................................................................................................... 11 A villámok ......................................................................................................................................... 12 A villámok keletkezése.................................................................................................................. 12 A villámok csoportosítása ............................................................................................................. 12 A nagy légköri elektromos áramkör .............................................................................................. 13 A villámok fizikai tulajdonságai ................................................................................................... 14 A villámlás szakaszai .................................................................................................................... 14 Kérdések és feladatok ........................................................................................................................ 15 A villámok hatásai ................................................................................................................................. 18 A villámok egészségügyi hatásai........................................................................................................ 18 A villámok mechanikai erőhatása...................................................................................................... 27 A villámok pozitív hatásai .................................................................................................................. 28 A villámok elektromágneses sugárzása ............................................................................................. 28 A villámok előrejelzése .................................................................................................................. 30 A villámlást kísérő jelenségek............................................................................................................ 31 A globális felmelegedés és villámaktivitás ........................................................................................ 34 Néhány további érdekesség a villámokkal kapcsolatban .................................................................. 37 Kérdések és feladatok ........................................................................................................................ 41 A villámvédelem alapjai ........................................................................................................................ 43 A villámvédelemről általában ........................................................................................................... 43 A külső villámvédelem ....................................................................................................................... 43 Benjamin Franklin és a villámhárító .............................................................................................. 44 Michael Faraday és a Faraday-kalitka ........................................................................................... 47 A villámvédelem módszerei .......................................................................................................... 48

A belső villámvédelem....................................................................................................................... 50 Kérdések és feladatok ........................................................................................................................ 51

A Föld elektromos tere, a zivatarfelhők kialakulása A Föld elektromos tere A tapasztalat szerint a Föld negatív töltésű, amelyet kb. 50 km magasságban ionokból álló réteg (ionoszféra) vesz körül. Ennek eredő töltése pozitív. Derült időben, sima földfelszín esetén a térerősség függőleges irányú és átlagos értéke a felszín közelében 100 V/m. Normál körülmények között az ekvipotenciális felületek a felszínnel párhuzamosan haladnak, a tereptárgyak azonban torzítják őket. Mérési eredményekből tudjuk, hogy az elektromos tér a felszíntől felfelé haladva gyengül. A talaj és a légkör legfelső

rétege

közötti

potenciálkülönbség kb.3- 400 000 V. (1. ábra)

1.ábra Az ekvipotenciális felületek alakulása a felszín közelében

Az elektromos térerősség napi menete A kutatók méréseket végeztek a Föld óceánjai felett, melyekből megállapították, hogy derült időben a térerősség értéke (a földrajzi helytől függetlenül) az alábbi grafikonnak megfelelően változik: Az 2. ábráról leolvasható, hogy a térerősség a maximumát a greenwichi idő szerint este hét órakor, minimumát pedig hajnali négy órakor veszi fel.

2.ábra A “szép idő zónában” a térerősség napi alakulása

A 3. ábra a zivatartevékenység globális eloszlását

mutatja

függvényében.

az

A

összehasonlításakor

idő

grafikonok megfigyelhető,

hogy amikor az ionoszféra és a földfelszín

között

térerősség

a

az

elektromos legnagyobb,

zivatartevékenység

akkor

a

legintenzívebb.

3.ábra A zivatartevékenység globális eloszlása az idő függvényében

A levegő vezetőképessége A légkör alsóbb rétegeiben a gázok semleges

atomok,

vagy

molekulák

formájában

fordulnak elő, ezért ott a levegő szigetelőként viselkedik. A levegő vezetőképességét a felszín közelében, a földkéregben található radioaktív anyagok sugárzása, a levegőben lebegő „szennyeződések” (finom porszemekhez hasonló talajrészecskék, vagy tengervízcseppekből visszamaradó NaCl kristályok stb.) feltöltődése okozza. Ezeknek a levegőben található, lassú mozgású nagy ionoknak a száma időben és térben nagyon eltérő lehet. A felszíntől távolodva a légköri vezetőképesség

alakulását

a

naptevékenységből

4.ábra A levegő vezetőképességét befolyásoló tényezők

származó töltött részecskék, valamint a kozmikus sugárzás határozza meg. A kozmikus sugárzás hatására keletkező kicsiny ionok sokkal mozgékonyabbak, mint a „szennyező” magként megjelenő nagy ionok. A magassággal ugrásszerűen megnő a levegőben az ionok és a töltött részecskék száma, ami a vezetőképesség rohamos növekedéséhez és kb. 50 km-es magasságban az ionoszféra kialakulásához vezet (4.ábra).

A zivatarfelhő A zivatarfelhő (Cumulonimbus) feltűnő

megjelenésű,

felismerhető vízszintes,

könnyen

felhőtípus. mind

Mind

függőleges

irányban nagy kiterjedésű, sötét színű

felhő,

amely

kisebb

zivatarcella esetén is kb. 20 millió tonna levegőt, 100–300 ezer tonna vízgőzt és nagyjából ugyanennyi folyadékvizet tartalmaz különböző formákban. Függőlegesen 12 km magas,

oldalról

5.ábra Töltéseloszlás a zivatarfelhőben

toronyszerű,

hegységre emlékeztető felépítésű, míg a felhőtető jellemzően ellaposodó, üllő alakban szétterülő. Kialakulását a Föld felszínének felmelegedése miatt létrejövő nagy intenzitású felfelé irányuló légáramlás okozza, amely egyben meghatározza a felhő elektromos szerkezetét is (5. ábra). Létrejöttét heves záporok, mennydörgés és villámlás kíséri. A zivatarfelhőben történő töltésszétválás összetett mechanizmusa jelenleg sem ismert pontosan. Mindenesetre az megállapítható, hogy a zivatarfelhő töltéseinek jelentősebb része a felhő negatív hőmérsékletű tartományában található. Az alsó pozitív góc ehhez képest elhanyagolhatóan kicsi, ezért a zivatarfelhő alatt bekövetkező eseményeket a negatív töltéscentrum határozza meg.

Kérdések és feladatok 1.

A 180 cm magas ember talpa és orra kb. 160 cm távolságra van egymástól.

Ha E=100 V/m, akkor két ekkora távolságra levő pont között a levegőben kb. 160 V feszültség mérhető. Az utcára kilépve azonban mégsem kapunk áramütést. Szerinted mi lehet az oka? 2. Bár a levegő jó szigetelő, a pozitív töltésű ionoszéra és a negatív töltésű felszín között állandóan folyik gyenge áram. Ez a felszín felé folyó kb. 1 − 2 10 A áram kb. fél óra 3

alatt megszűntetné a Föld negatív töltését, ami azonban a tapasztalatunknak ellentmond. Mi lehet az oka? Mi tartja fenn a negatív töltését? 3. A grafikonok tanulmányozása után válaszolj az alábbi kérdésekre!

a) A greenwichi időnek megfelelően mikor mérhető a térerősség maximum, illetve minimum? b) Mikor alakul ki a legtöbb heves zivatar? c) Milyen összefüggést tapasztalsz a térerősség maximuma és a zivatartevékenységek előfordulása között? Mi lehet az oka?

4. A térkép alapján nevezd meg Magyarország legzivatarosabb területeit!

A zivataros napok számának és a villámsűrűségnek az eloszlása Magyarországon Évente négyzetkilométerenként átlagosan hány villámesemény történik ezeken a területeken?

5. Egészítsd ki az alábbi mondatokat, úgy hogy az állítások igazak legyenek! Azt a hőmérsékletet, amelyen a levegő telítetté válik és megindul a csapadék képződése, …………………………….. nevezzük. A…………………………………….páratartalom megmutatja, hogy a levegő vízgőztartalma hány százaléka az adott hőmérsékleten maximálisan befogadható vízgőztartalomnak. Szabad

légtérben,

ha

a

levegő

hőmérséklete

a

harmatpont

alá

süllyed

a…………………………-on/en megindul a kicsapódás. Ha a felmelegedés hatására a felemelkedés

a

harmatpont

elérése

után

is

folytatódik,

akkor…………………………..képződnek. Ha a felfelé áramlás nagyon intenzív, akkor a felhők teteje elérheti a……………………, sőt e fölé is emelkedhet, a felhő felső részében jégkristályok képződnek, a folyamat……………………………..kialakulásához vezet.

6. Hasonlítsd össze a zivatarfelhőt a „szép idő” felhővel!

zivatarfelhő

Fizikai tulajdonság

„szép idő” felhő

Zivatarfelhő

„szép idő” felhő

Magassága Térfogata Alakja Színe Levegő tartalma Vízgőz tartalma A

vizet

milyen

halmazállapotban tartalmazza 7. Jelöld az ábrán a zivatarfelhő töltéseloszlását!

8. Mi a villám? 9. Normál körülmények között a levegő átütési szilárdsága 2 MV/m. Villámok azonban már 200 kV/m nagyságú térerősség esetén is keletkezhetnek. Mi lehet az oka ennek?

A levegő elektromos kisülései Ha az elektromos térerősség meghaladja a levegő átütési szilárdságát vagy a levegő vezetőképessége valamilyen hatás következtében hirtelen ugrásszerűen megnő, akkor a levegőben kisülések jöhetnek létre. (A levegő átütési szilárdságán azt a kritikus feszültséget értjük, amelyen a levegő elveszíti szigetelőképességét, vagyis vezetővé válik.)

A csúcshatás, korona- és csúcskisülés A görbült felületeket a felülethez símuló gömb sugarával jellemezhetjük, amelyet az adott felületrész görbületi sugarának nevezünk. A semleges fémgömbre vitt töltés a fémgömb felületén egyenletesen helyezkedik el. Ha nem gömbre, hanem más görbült felületre viszünk töltést, akkor a töltéseloszlás nem lesz egyenletes. A kisebb görbületi sugarú (nagyon görbült) helyeken (csúcsokon) nagyobb lesz a töltéssűrűség, így a térerősség is, mint az enyhébb görbületű helyeken, amelyekhez nagyobb görbületi sugár tartozik. Ezt a jelenséget nevezzük csúcshatásnak (6.ábra). A villámhárító is ez alapján működik. A nagy görbületű csúcsok közelében nagy inhomogén elektromos tér jöhet létre és elektromos

6.ábra Többlettöltések elhelyezkedése vezető felületén

kisülés keletkezhet, amit csúcskisülésnek nevezünk (7.ábra). Ennek oka, hogy a levegőbe nyúló csúcsos vezetők (például vízcseppekkel borított árbóc) környezetében a nagyobb töltéssűrűség miatt a térerősség is nagyobb, amely ionizálja a levegő molekuláit és elektronlavinák megindulásához vezet. Ezek a lavinák a vezető körül gerjesztik a töltött részecskéket, amely a vezető közvetlen környezetében a fényjelenség kialakulását eredményezi. A jelenséget jellemzően halk, sercegő hang kíséri ezért “csendes”

kisülésnek

is

nevezik.

A

csúcskisülés

a

koronakisülés speciális esete, amikor legalább az egyik “elektróda”

csúcsban

végződik.

A

természetben

megfigyelhető koronakisülés pl. a St. Elmo tüze. Ez azonban még nem tekinthető villámnak, hiszen ekkor a térerősség még nem haladja meg a levegő átütési szilárdságát.

7.ábra Korona kisülés

St.Elmo tüze A ritka jelenséget az antióchiai St. Erasmusról (olaszul Elmo) nevezték el. St.Erasmus (8.ábra) 3. századi ókeresztény püspök volt, akit a tengerészek védőszentjének tartottak. A legenda szerint az első ilyen jelenséget a köztudottan babonás mediterrán tengerészek jegyezték fel. A látottakat védőszentjük megjelenésének tulajdonították, és egyben szerencsét hozó, a zivatar elmúlását jelző égi jelnek vélték. Több ezer szemtanú feljegyzését megvizsgálva a kutatók megállapították,

hogy

a

St.Elmo

tüzének

kialakulása

zivatartevékenységhez kötött. A jelenség leggyakrabban július és 8.ábra St.Erasmus

szeptember között figyelhető meg, de ritkábban a többi hónapban is előfordul. Többnyire kék vagy kékes fehér színét a levegő nitrogén

tartalmának köszönheti. Mivel a korona kisülés érzékeny a gáz összetételére és a szennyeződésekre, ezért más színekben is előfordul. Pl. a tengerek, óceánok vízfelszíne felett megfigyelhető általában sárga színe a vizek sótartalma miatt alakul ki. Szemtanúk beszámolóinak elemzéséből megállapítható, hogy a St. Elmo tüze jellemzően kb. 10 cm átmérőjű gömb vagy hosszúkás, ún. “nyelv” alakú, melynek hosszanti mérete az előbbi értékkel megegyezik. Ezért az emberek leggyakrabban ezt a jelenséget tévesztik össze a gömbvillámokkal. A St. Elmo tüze elsősorban nyílt területeken fordult elő. A vizsgált esetek 69 %-ban szelet és 40 %-ban különlegesen erős szelet említettek. A St.Elmo tüzének különlegessége, hogynyelvei” még 20 m/s sebességet meghaladó szél esetén sem jöttek lengésbe, vagyis St. Elmo tüze mozdulatlan. Ha mégis valamilyen módon mégismozgását észleljük, akkor biztosan mindvégig kapcsolatban áll egy vezetővel. A jelenség másik jellegzetessége, hogy mindig kapcsolódott egy tárgyhoz pl. árboc tetejéhez (9.ábra), templom keresztjéhez, felemelt kéz ujjaihoz stb. Az említett tárgyak elektromos szempontból többségében rossz vezetők voltak, de amikor a St.Elmo tüzét látták körülöttük, akkor felületüket általában vízcsepp vagy vékony vízréteg borította, ami a vezetőképességet jelentősen

9. ábra St.Elmo tüze

megnövelte. A levegő magas páratartalma fokozta ezt a hatást. A jelenséget általában néhány percig észlelték és a megfigyelések szerint gyakran rádiózaj is kísérte.

A St.Elmo tüze ma már ismert, a fizika törvényeivel leírt jelenség, amely laboratóriumi körülmények között is előállítható Tanulmányozásával közelebb kerülhetünk a sok hasonló vonást mutató gömbvillámok eredetének és törvényszerűségeinek feltárásához.

A villámok A villámok keletkezése A villámok rövid idejű, mégis bonyolult időbeli lefolyású

elektromos

kisülések,

amelyek

a

felhőkben kialakuló ellentétes töltésű tartományok, illetve a felhő és a föld közötti átütések következményei. Normál körülmények között (105 Pa és 293K) a levegő kiváló szigetelő, átütési szilárdsága a tengerszinten 3 MV/m. (A magasság

10.ábra A lecsapó villám

növekedésével csökken az értéke.) Ez azt jelenti, hogy ha az elektromos térerősség meghaladja ezt az értéket, akkor a levegő vezetővé válik, különböző kisülési jelenségek jöhetnek létre benne. Ilyenek a villámok is. A tapasztalat szerint azonban a felhőkben ekkora térerősség sosem mérhető, ugyanakkor villámok ennél már jóval kisebb térerősség (200 kV/m) esetén is keletkezhetnek. A magyarázatra többféle elmélet született, míg végül a ma leginkább elfogadott nézet szerint a jelenség oka a kozmikus sugárzás. A kozmikus záporban keletkező rendkívül nagy sebességű elektronok a levegő molekuláit ionizálják, ezzel megnövelik annak vezetőképességét. A nagy energiájú elektronok mellett a folyamatban nagy számban keletkeznek lassú elektronok is, melyek tovább növelik a töltéshordozók számát. A villámok csoportosítása Villámok keletkezhetnek felhő és a környező levegő között, felhőkön belül, két felhő között, illetve felhő és a Föld felszíne között is. Ennek megfelelően a négy csoport: CA felhő-levegő, IC-felhőn belüli, CC felhő-felhő, és CG felhő-föld villám (11.ábra). Ezek közül a leggyakoriabbak a CC villámok (mérsékelt égövben az esetek kb. 70 %- ában fordulnak elő), és mindössze az összes villám kb. 20-30 %-át adják a CG kisülések. A felhő-föld villámokat tovább csoportosíthatjuk a villám kiindulási helyének és a benne szállított töltés előjelének megfelelően. Ezeket a típusok lehetnek:

11.ábra A lecsapó villámok csoportosítása a. negatív felhő-föld villám b. pozitív föld-felhő villám c. pozitív felhő-föld villám d. negatív föld-felhő villám A pozitív villámok jóval ritkábban fordulnak elő, mint a negatív villámok. Sík terepen az előbbiek előfordulási gyakorisága 30%, míg az utóbbiaké 70 % (vagyis minden 10 villámkisülés közül 3 pozitív és 7 negatív töltést szállít). A villámadatokból az is megállapítható, hogy a pozitív villámok leggyakrabban egyetlen főkisülésből, míg a negatív kisülések több részvillámból állnak. A különböző polaritású villámok jelentősen eltérnek fizikai tulajdonságaikban is. A nagy légköri elektromos áramkör A nagy légköri elektromos áramkört az ionoszféra, a „szép idő” zóna, a Föld felszíne és a zivataros területek alkotják. A „szép idő” zónában az ionoszférától a felszín felé pozitív töltések áramlanak. Bár az áramsűrűség átlagos értéke rendkívül kicsi, mégis a teljes földfelszínre számítva 1 − 2 ∙ 103 A erősségű, nagyjából állandó nagyságú áram adódik, mely a Föld negatív töltését kb. fél óra alatt semlegesítené. A probléma megoldását C.T.R. Wilson, a Nobel-díjas skót fizikus és meteorológus találta meg. Wilson egyszerű áramkört képzelt el a talaj és az ionoszféra között (4. ábra). Alapgondolata szerint a Föld és az

ionoszféra

által

alkotott

hatalmas

12.ábra A nagy légköri elektromos áramkör

gömbkondenzátor lemezeit a zivatarok villámai folyamatosan újratöltik. A zivatarokban zajló állandó töltésszétválás miatt pozitív töltések áramlanak a felhőtetőtől az ionoszféra felé, a felhő föld villámok az esetek többségében pedig negatív töltéseket szállítanak a földre (12.ábra). Ez a folyamat tartja fenn a nagy légköri áramkör nagyjából állandó áramát.

A villámok fizikai tulajdonságai A villámlás folyamata két fő szakaszra bontható, az elővillámra és a fővillámra. Lecsapó villám esetén az elővillám a felhőtől halad a felszín felé, és alakítja ki a vezetési csatornát. A fővillám a villám ún. visszacsapó szakasza, amely a felszíntől halad felhő felé. Annak ellenére, hogy ez a szakasz nagyon rövid (mindössze néhány száz mikroszekundumig) ideig tart, a villámlás legfontosabb része. A villámcsapás pusztító hatása és a mennydörgés is ennek a következménye. Átlagos, negatív felhő föld villám esetén a vezető csatorna létrejöttéhez kb. 250 kV/m, a terjedéséhez 100 kV/m térerősség szükséges. A fővillámban az áramerősség csúcsértéke kb. 30.000 amper, de extrém esetben elérheti a 80.000 ampert is. A visszacsapásban a földre jutó negatív töltés 5-7 coulombra becsülhető. A nagy áramerősség komoly hő keletkezésével is jár. A visszacsapás során a vezető csatorna hőmérséklete elérheti a 36.000 kelvint is. Természetesen ezek az adatok csak a leggyakrabban előforduló értékeket jellemzik. Ettől lehet eltérés a villám polaritásától függően és annak figyelembevételével is, hogy első vagy ismételt részvillámról beszélünk-e. A villámkárok típusait és súlyosságát meghatározó tényezők a villámáram becsapási pontban mérhető csúcsértéke, a villámban átvitt össztöltés mennyiség és a villámáram maximális változási sebessége. A villámlás szakaszai A villámok időbeli lefolyásának megismerését a 19.század végén feltalált gyorsfényképező kamera tette lehetővé. A felvételek megmutatják a villámok időbeli lefolyásának jól elkülönülő szakaszait. Ezek általában a következők: 1. Elővillám (átütés a felhőalap ellentétes előjelű tartományai között) és vezetőcsatorna kialakulása, 2. lépcsős vezetés létrejötte a felhőn belül, (az elnevezés eredete, hogy a vezető csatorna nagyon rövid ideig tartó lépcsőfokokhoz hasonló felvillanásokban terjed, a felvillanások között 10–100 μs idő telik el), 3. a lépcsős vezetés megindul a föld felé, ugyanakkor vele egyidejűleg a vezetési csatorna másik része pozitív töltést szállít a felhő negatív töltésközpontja felé, 4. a villámcsatorna kialakulása, 5. a földről ún. csatoló vezető indul a felhő felé,

6. a felhőből lefelé és a földről felfelé tartó vezetési front összekapcsolódása, az első “visszacsapás” létrejötte. Ekkor a villámcsatorna felfénylése, a mennydörgés kialakulása. 7. A visszacsapó front eléri a felhőt, a villámlás egy pillanatra megszűnik, de megmarad az ionokkal teli villámcsatorna, 8. megindul az első dárda (gerely) villám a föld felé (A dárdavillám már újabb ágak létrehozása nélkül halad, nevét az egyenes terjedésről kapta.) 9. Megindul a második visszacsapás, 10. a dárdavillám-visszacsapó villám kialakulási folyamata többször ismétlődik.

Kérdések és feladatok 1. Mi a villám? 2. a) A Föld mely részein alakulnak ki leggyakrabban villámok? b) Szárazföld vagy óceánok, tengerek fölött fordulnak elő gyakrabban? Mi lehet az oka? c) Nézz utána! Magyarország

mely

részén

leggyakoribbak a villámok! Évente átlagosan hány villámcsapás fordul elő Budapest környékén? 3. Normál körülmények között a levegő

A villámcsapások globális gyakorisága 1995 és 2013 között A színskála a négyzetkilométerenként évente felvillanó villámok átlagos számát mutatja

átütési szilárdsága 2 MV/m. Villámok azonban már 200 kV/m nagyságú térerősség esetén is keletkezhetnek. Mi lehet az oka ennek? 4. Sorold fel a villámok legfontosabb fizikai tulajdonságait! (4) 5. Határozd meg az ábrán látható villámok típusait!

6. Milyen töltést szállít az alábbi ábrán látható villám? Hogyan nevezzük az alábbi villámot?

7. Az alábbiakban a felhő és a földfelszín között kialakuló villámok keletkezésének egyes fázisai összekeveredtek. Jelöld a helyes sorrendet a négyzetekben! folytonos előkisülés összekapcsolódik a lefelé és a felfelé tartó előkisülés lépcsős előkisülés létrejön a folytonos kisülési csatorna földfelszín közelében megindul egy felfelé tartó előkisülés főkisülés a kisülési csatorna környékén a felhőn belül töltésátrendeződés történik többszörös főkisülések

8. “A villám (vagyis maga az elektromos kisülés) a környezet vezetőképességétől függően 50–150 kilométer/másodperc sebességgel halad végig az ioncsatornán. Az ionizált levegő hőmérséklete elérheti a 30 000 Celsius-fokot. Átlagos villámban 30-40 ezer amperes áramerősség lép fel, időtartama kb. 0,1 milliszekundum.” (Középszintű fizika érettségi, 2020. május) Határozd meg, hogy körülbelül mekkora töltés áramlik át az ioncsatornán egy villámlás során!

9. A villámlást keltő feszültségek általában millió voltos nagyságrendbe esnek, a létrejövő villámáram a 30000 ampert is elérheti. Ez óriási elektromos teljesítményt jelent. a) Miért nem tudjuk felhasználni a villámlás energiáját a háztartásokban? b) Miért okoz mégis pusztító károkat?

10. Becsüld meg! A villám tipikus első visszacsapásának árama:30 kA, amely kb. 50 MV hatására jön létre. A villámban szállított átlagos töltésmennyiség:7,5 C. a) Becsüld meg, hogy körülbelül hány liter fűtőolaj fűtőértékével egyezik meg az ilyen villám energiája! (1liter fűtőolaj fűtőértéke – kb. 10,3 kWh) A Földön másodpercenként átlagosan 100 villámlás történik. b) Becsüld meg, hogy ha ezt az energiát (pl. 1 éven keresztül) valahogyan össze is tudnánk gyűjteni, akkor ez mekkora elektromos teljesítményt jelentene a Föld felszínének 1 km2-n! (A Föld átlagos sugara: 𝑅 = 6370𝑘𝑚. ) 11. Szerinted az emberi tevékenység befolyásolja-e a villámok gyakoriságát? Ha igen, akkor miért és hogyan? Ha úgy gondolod, hogy nem, akkor miért nem?

A villámok hatásai A villámok egészségügyi hatásai A villámok egészségügyi hatásait csoportosíthatjuk aszerint, hogy elektromos, vagy nem elektromos eredetűek. Az előbbiek közé tartozik a közvetlen villámcsapás, az érintési feszültség, a villámcsapás következtében a földben folyó áramok okozta pl. lépésfeszültség vagy átívelés, az oldalkisülés és az ún. ellenkisülés. Ezeket tekintjük a villámok elsődleges hatásainak (13.ábra). Bár a hagyományos szemlélet a közvetlen villámcsapást tartja a legveszélyesebbnek, valójában az elektromos hatás elsődleges szerepe abban mutatkozik meg, hogy a villám hatalmas áramai nagy mértékben megzavarhatják az ember idegrendszeri szabályozását és a szervezet elektromos működését irányító finom bioelektromos hatásokat. A villám nagy elektromos tere hirtelen szívmegálláshoz, emlékezetkieséhez, bénuláshoz stb. vezethet. Ez az oka annak, hogy látszólag gyógyult betegek is mutathatnak később súlyos tüneteket (neuropszichológiai változások, epilepszia, memóriazavarok, emlékezetkiesés, személyiségváltozások stb.), amelyek maradandó idegrendszeri károsodásra utalnak. .

13.ábra A villámok elsődleges hatásai (a rajz Mary Ann Cooper nyomán készült) Másodlagos hatás lehet pl. a villám hőhatása, ami nem csak olvasztó hatásában nyilvánul meg, hanem a vezető csatorna lökéshullámainak kialakulását is eredményezi. A lökéshullámok további károsodásokhoz vezethetnek pl. halláskárosodás és Shrapnel hatás. Mint minden elektromos áram, így a villámáram is mágneses teret létesít. Bár normál élethelyzetben a villámáram élettanilag káros mágneses hatásával nem kell számolnunk, mégis, ha valaki pl. pacemakerrel rendelkezik akkor ez fokozott óvatosságra intő tényező.

Nem tekinthetünk el azonban a villám által kibocsátott elektromágneses sugárzás következményeitől, hiszen a szem gyulladásos betegségeit idézhetik elő.

Az elsődleges hatások Kutatók több száz villámok által okozott balesetet vizsgáltak meg. Az esettanulmányokból készített

A villámok által okozott elsődleges sérülések

diagramról (14.ábra) leolvasható az elsődleges

1015%

hatások előfordulásának százalékos eloszlása.

3-5% 3-5% ?

a közvetlen villámcsapás

közvetlen

Közvetlen villámcsapásról akkor beszélünk, ha a

30-35%

oldalkisülés

általában az ember fején vagy felső testén

ellenkisülés

keresztül jut be a testbe és a lábán keresztül hagyja elektromos

vezetőnek

tekinthető,

amelynek

elektromos ellenállása miatt a fej és a láb között

érintési a föld áramai

villám az áldozatba csap. Ilyenkor a villámáram

el. Az emberi test ekkor fizikai szempontból

50-55%

mechanikai

14.ábra Az elsődleges hatások százalékos megoszlása

potenciálkülönbség alakul ki. Villámcsapáskor az ember testén átfutó áram a visszacsapó áramhoz hasonlóan viselkedik. (Visszacsapásról akkor beszélünk, amikor a felhőből lefelé és a földről felfelé tartó vezetési front összekapcsolódik. A folyamat során fellépő áram a visszacsapó áram.) Az

áramerősség

alacsony

értékről

hirtelen

emelkedik, eléri csúcsértékét, majd gyorsan lecseng (15.ábra).

15.ábra A visszacsapó villámáram időbeli lefolyása

A villámáram növekedésével az emberi test pontjai közötti feszültség is növekszik. Amikor a test pontjai között a feszültség elér egy kritikus értéket, akkor kisülés jön létre. Ez a kisülés a test külső felszínén, általában a bőrön figyelhető meg, mert ilyenkor a villámáram legnagyobb része már itt folyik és csak kis hányada a testen belül. Ennek köszönhetően alakulnak ki a jellegzetes ún. villámábrák is (16.ábra). Így amikor a visszacsapás létrejön a testen belül folyó kisebb áram

16.ábra Jellegzetes villámábrák egy túlélő testén

már nem jelent akkora veszélyt az áldozatra nézve. Ha több visszacsapás is történik, akkor ez a folyamat többször ismétlődik. Ha nem alakul ki felszíni kisülés, akkor a teljes (kb.30 kA) villámáram átfolyik az ember testén, ami sokkal súlyosabb sérüléseket okoz. Ha nedves és sós az ember bőre, akkor csökken a felszíni kisülésekhez szükséges feszültség. az érintési feszültség Érintési feszültségről akkor beszélünk, ha a földön állva olyan tárgyat érintünk meg, amelybe belecsapott a villám (pl. egy fa, vagy vízvezeték). Ilyenkor a kéz, illetve a láb talajjal érintkező pontjai között potenciálkülönbség léphet fel, amely az ember testén keresztül kiegyenlítődik. Ez figyelhető meg a vízvezetékek, elektromos készülékek és vezetékes telefonok okozta balesetek hátterében is. Ezért nem szabad villámláskor még zárt épületen belül sem fürdeni, zuhanyozni, illetve a vezetékes telefont használni. A zárt épületben való tartózkodás hamis biztonságérzetet ad. Érintési feszültséggel kell számolnunk pl. hegymászás közben is, mivel a villámcsapás

földáramai

a

talaj

különböző

magasságban

lévő

pontjai

között

potenciálkülönbséget idézhetnek elő. a lépésfeszültség Az újsághírek időnként beszámolnak arról, hogy állatokat pusztított el a “ mennykő” (17.ábra). Az ilyen esetek előtt nagyon sokáig értetlenül álltak az emberek, hiszen az elpusztult állatokat megvizsgálva nem találtak rajtuk villámcsapás okozta sérüléseket. Ma már azonban ismerjük az állatok pusztulásához vezető okot, ami nem más, mint a villám földárama

17.ábra Villám sújtott le 32 tehénre Texasban

következtében létrejövő lépésfeszültség. Amikor a villám a talajba csap, akkor a villámáram a lecsapási helytől kiindulva, izotróp és egyenletes talajt feltételezve,

sugárszerűen

terjed

kifelé

félgömbfelületek mentén (18.ábra). Ekkor ezeken a felületeken a villámáram eloszlása egyenletes. A lecsapási

helytől

r

távolságban

levő

𝐼(𝑡)

félgömbfelületen:az áramsűrűség: 𝐽(𝑡) = 2𝜋𝑟 2 , ahol I(t) a lecsapáskor a földbe jutott villámáram,

18. ábra A villámáram nyomai egy golfpályán

e felületek bármely pontjában az elektromos térerősség

𝐼(𝑡)

𝐸(𝑡) = 2𝜋𝜎𝑟 2 , ahol 𝜎 a talaj

vezetőképessége. A lecsapási hely környezetében azonban a talaj potenciálja pontról pontra változik. A legnagyobb értéket a lecsapási pontban veszi fel, attól távolodva pedig a távolság függvényében csökken a potenciál értéke, így a talaj két pontja között fellépő feszültség nő. Felhasználva, 𝑟+𝑠

hogy 𝑈(𝑟) = − ∫𝑟 𝐼(𝑡)

1

𝐸(𝑡)𝑑𝑟 , a feszültségre két egymástól s távolságban levő pont esetén

1

𝑈(𝑟) = 2𝜋𝜎 (𝑟 − 𝑟+𝑠) adódik, mely maximális értékét akkor veszi fel, ha 𝐼(𝑡) = 𝐼𝑚𝑎𝑥 . Ha a két vizsgált pont az ember lépéshosszának távolságában van, akkor az így kialakult feszültéséget lépésfeszültségnek nevezzük. Ha a villámáram átlagos csúcsértékét 30kA-nek, a lépéshosszt pedig 50 cm-nek tekintjük, akkor a lecsapási helytől 10 m távolságban a lépésfeszültség 22,7 kV-nak adódik. (𝐼𝑚𝑎𝑥 = 30𝑘𝐴 ; 𝑟 = 10𝑚 ; 𝑠 = 0,5 𝑚 é𝑠 𝜎 = 0,001 𝑆/𝑚 , akkor 𝑈𝑚𝑎𝑥 = 22, 7𝑘𝑉.) Ha két különböző potenciálon levő pontot vezetővel kötünk össze (pl., ha az ember vagy az állat két lába két ilyen különböző potenciálú helyen helyezkedik el), akkor a vezetőn keresztül a potenciál kiegyenlítődik. Ez áramütést okozhat, ami akár az élőlények halálához is vezethet, attól függően, hogy az áram útvonala érint-e létfontosságú szerveket pl. szív. Az ember esetében azonban ez ritkán jelent életveszélyt, inkább csak izomgörcsöt és égő érzést idéz elő. Sokkal veszélyesebb a helyzet nagy testű állatoknál, ahol az első és hátsó lábak közötti jóval nagyobb távolságnak miatt a feszültség az emberi lépésfeszültségnek a többszöröse lehet

az átívelés, oldalkisülés A

talajban

előforduló

inhomogenitások

felszíni

kisülések

kiindulópontjai lehetnek. Ha a terep jellegzetesen szabálytalan, mint pl. egy hegyoldal, akkor a felszínbe csapó villám hatására a talajban folyó kóboráram mentén ívkisülések jöhetnek létre. Ezek a kisülések szűk barlangban vagy kis szikla alatt menedéket keresve különös veszélyt jelentenek az ott tartózkodó ember számára. Az átívelés másik jellegzetes megjelenési formája, pl. magas fába csapó villám esetén észlelhető. A villámcsapáskor a fa közelében tartózkodó ember és a lombkorona között fellépő feszültség miatt a villámáram “átugorhat” az emberre és rajta keresztül juthat a földbe (19. ábra). Az így

kialakuló

feszültség

függ

az

ember

magasságától,

a

19. ábra fent: átívelés lent: oldalkisülés

villámcsatornától való távolságától, a csatorna sugarától és a villámáram időbeli változásától. A villámsújtotta vezető (fa) és az ember teste által közrezárt felületen a villám által keltett változó mágneses mező feszültséget indukál. Az így létrejött indukált feszültség hozzáadódik az előbb már említett feszültséghez, ezzel növelve az „átugrás” valószínűségét. Ilyen kisülések zárt épületen belül is tapasztalhatók, ha az épület nem rendelkezik megfelelő villámvédelmi rendszerrel. az ellenkisülések Villámláskor a lefelé haladó lépcsős vezető erős elektromos terének megosztó hatása miatt a földfelszín különböző pontjaiból felfelé tartó ellenkisülések jönnek létre. Ezek közül csak egy kapcsolódhat össze a lépcsős vezetővel és eredményezhet lecsapó villámot. (A csatoló vezető a levegő megnövekedett vezetőképességű tartományánál keletkezik). A lépcsős vezető közelében tartózkodó ember is lehet ilyen ellenkisülés forrása. A jelenség akkor léphet fel, ha a vezetési csatornától a lecsapási távolságnál nagyobb távolságra tartózkodik az egyén, ugyanis ellenkező esetben közvetlen villámcsapás éri őt.

20. ábra Ellenkisülés

Ellenkisüléskor az ember testén átfolyó áram erőssége akár a több száz ampert, időtartama pedig a több tíz mikroszekundumot is elérheti (20. ábra). Bár ezek az értékek jóval kisebbek, mint ami közvetlen villámcsapáskor érheti az embert, hatását mégsem szabad alábecsülni, hiszen koordinációs problémákat és a végtagok átmeneti bénulását okozhatják. A villámlás másodlagos hatásai a villámok hatása a keringési-, a légző- és az idegrendszerre

A szokásos szemlélet a közvetlen villámcsapást tartja a legveszélyesebbnek, ami azonban a villámbaleseteknek mindössze 3-5 %-áért felelős.

Ennél sokkal jelentősebb a villámok

elektromos hatása, amely elsősorban az emberi idegrendszert és a szervezet elektromos működését károsítja és leggyakrabban vezet hirtelen szívmegálláshoz, emlékezetkieséhez, bénuláshoz. A gerjesztett sejtek, mint pl. a neuronok vagy az izomsejtek, polarizáltak. (Minden sejt belső része a külsőhöz képest negatív.) Ennek oka az ionok egyenlőtlen eloszlása a sejtmembrán két oldalán. Az ionoknak a sejtmembránon keresztül történő mozgása okozza az akcióspotenciált. Az idegrendszerünk az akcióspotenciálon keresztül kommunikál a testünk többi részével. A legtöbb neuron axonnal (hosszú, vékony rosttal) rendelkezik, amely az elektromos inpulzusokat közvetíti. Az axon más neuronokhoz, izomsejtekhez vagy mirigyekhez kapcsolódik, ahol választ vált ki. A villám depolarizálja a sejteket, ezzel

megváltoztatja az emberi idegrendszert és a szervezet elektromos működését irányító belső elektromos jeleket. a villám hőhatása

A villámok hőhatása miatt bekövetkezett sérülések jelentősen eltérnek azoktól, amelyeket nagyfeszültségű hálózatok esetében tapasztalhatunk. Annak ellenére, hogy a villámok sokkal nagyobb feszültség hatására jönnek létre, mint amekkora értékekről általában nagyfeszültség esetén beszélünk, és a villámáram maximális értéke is jóval magasabb a nagyfeszültségű hálózatokban mérhetőnél, a villámáram hőhatása mégis kevésbé veszélyes az emberi szervezetre, mint a nagyfeszültségű áramkör áramai. Ennek egyik oka, hogy a villámáram rendkívül gyorsan halad át az ember testén. Nagyfeszültségű elektromos áram esetén ez az idő néhány másodperc, míg a villámcsapáskor csupán néhány mikroszekundum. Így a belső szöveteken való hőfejlődés igen csekély. Ezért villámcsapáskor a súlyos és mély égési sérülések ritkán fordulnak elő, inkább csak felszíni sérülésekről beszélhetünk. A másik ok pedig, hogy közvetlen villámcsapáskor

a

villámáram

jelentős része a test felszínén folyik és csak kis hányada azon belül. Ennek szemléltetésére és a folyamat tanulmányozására

a

különböző

testmodelleket

(testalkatot

és

kutatók

egyéb

speciális

körülményt figyelembe vevő pl. járógép) állítottak fel. Egy-egy ilyen modellben az egyes testrészeket vezetőképességüknek

21.ábra Az emberi test elektromos modellje

megfelelően

áramköri elemekkel helyettesítik. (21. ábra) A bőr elektromos szempontból tisztán ohmos ellenállással (10 kΩ) és a vele párhuzamosan kapcsolt kondenzátorral (0,25 μF kapacitású) modellezhető. A kondenzátor biztosítja azt a lehetőséget, hogy a bőr ellenállása a kondenzátor átütésekor hirtelen csökkenjen. A bőr

ellenállása nagyobb, mint az emberi test belső részeinek belső ellenállása. A modell szerinta test belső része, mivel az jó vezető, nem tartalmaz kondenzátort. A fej, a test belső részei (pl. has), mindkét kéz és mindkét láb, valamint a bőr eredő ellenállása adja test ellenállását. A modell helyességét Andrews és társai juhokon végzett kísérletek mérési adatait felhasználva igazolták. A villámáram általában a fejen át jut be a testbe. A testen áthaladó áram növekedésével a test különböző pontjai között potenciálkülönbség lép fel, amelyet a test különböző részeinek ellenállása és kapacitása határoz meg. A villámáram növekedésével ez a feszültség is nő. A villámáram nagyon rövid ideig folyik a testen belül, ezalatt feltölti a bőrt, illetve annak „kondenzátorát”. (A bőr átütési feszültsége 5 kV. Ahogy a feszültség eléri az 5 kV-ot a bőr vezetővé válik.) Ha a feszültség eléri a levegő átütési feszültségét, akkor a test bőrfelszíne mentén a levegő vezetővé válik és létrejön a kisülés. Ekkor a kisülési csatorna a test külső felülete mentén halad. Mivel az így kialakult csatorna ellenállása jóval kisebb, mint az emberi testé, ezért a villámáram legnagyobb része itt fog folyni és nem a testen belül. Ennek illusztrálására nézzünk egy konkrét példát! Az ember magassága legyen 180 cm. Ekkora távolság esetén a levegő átütési feszültségének értéke körülbelül 900 kV. Elsősorban az izzadság miatt a bőrön található sótartalomnak köszönhetően a kisülés létrehozásához szükséges feszültség valójában azonban kisebb ennél az értéknél. Az átütési feszültséget 450 kV-nak, az emberi test ellenállását pedig 1000 ohmnak feltételezve amikor a testen átfolyó villámáram eléri a 450 A-t, akkor létrejön az átütés. Így a felületi kisülés jóval azelőtt jön létre, mint ahogy a villámáram eléri a 30 000 A-s csúcsértéket. Az ívcsatorna ellenállása a levegőben körülbelül 1 Ohm/m. Így az ember testmagasságának megfelelő hosszúságú felületi kisülés csatorna ellenállása körülbelül 2 Ohm. Így a villámáram megoszlik az emberi test 1000 ohmos és a külső villámcsatorna 2 ohmos ellenállása között. 30.000 amperes csúcsáram esetén csak 60 A erősségű áram folyik át a testen és a többi kívül fog áramlani. Ha feltételezzük, hogy a visszatérő löket impulzusáramának időtartama körülbelül 100 ms, akkor a test egészében elnyelt teljes elektromos energia körülbelül 120 J lesz. Egy 60 kg-os ember esetén a fajlagos energia körülbelül 2 J/kg. Annak ellenére, hogy a testen átfolyó áram hőhatása nem jelentős, a szövetek melegítésével, elektrolízissel és a szövetek depolarizációjával (elektromos állapotának megváltoztatásával) mégis okozhat kisebb-nagyobb sérüléseket. Ennek mértékét elsősorban az áram testen belüli eloszlása határozza meg.

a vezetési csatorna lökéshullámai Mivel a villámlás néhány mikroszekundumos ideje alatt a vezetési csatornában a hőmérséklet a 25-30000 Kelvint is eléri, ezért a csatornában a nyomás hirtelen megnövekszik, a levegő gyors tágulása lökéshullámot generál. A lökéshullám következtében a nyomás a távolság függvényében gyorsan csökken, így csak a villámcsapás közelében elhelyezkedőkre jelent veszélyt. A lökéshullámok leggyakoribb következménye a levegővel telt

22. ábra A fül belső szerkezete

üreges szervek (tüdő, gyomorbélrendszer, középfül) sérülései, a dobhártya beszakadása. Ez általában akkor fordul elő, ha a közvetlen villámcsapás az ember felső testét éri. Ilyenkor az ember füle a villámcsatornától mindössze pár centiméter távolságban van és a túlnyomás kb. 10-20 atm. Ez a túlnyomás kb. 200 dB hangintenzitásnak felel meg. (Az emberi hallás esetén a fájdalomküszön 120 dB.) Előfordul, hogy a dobhártya épségben marad ugyan, de a szőrsejtek az áthaladó villámáram vagy a lökéshullám miatt sérülnek, ami maradandó halláskárosodást eredményez (pl. fülzúgás). Intenzív lökéshullám következtében akár a hallócsontocskák is károsodhatnak, ami különösen a magas frekvenciákon süketséghez vezethet. a Shrapnel hatás A lökéshullám következtében a környezetből apró szilánkok, töredékek kerülhetnek a testüregekbe. A szakirodalomban ez a hatás Shrapnel hatás néven vált ismertté. Ezek a szilánkok elszakíthatják a nagyereket, amennyiben a nyakat, fejet érik gyakran halálosak lehetnek vagy maradandó sérüléseket okozhatnak. A szilánkok okozta sérülések (23. ábra) súlyosságát a szilánkok mozgási energiája, alakja, sűrűsége, a szilánk forgása, a sérülés helye, valamint a testfelületet borító ruházat

határozza

meg.

A

lökéshullám

közvetlen

23. ábra Shrapnel hatás (apró szilánkok sérülései)

következménye a mennydörgés, a villám nagyerejű hanghatása, ami ugyancsak károsíthatja az emberi szervezetet. a mágneses hatás A villámáram nagyon rövid ideig tartó, lökésszerű áram, az általa keltett mágneses tér időben nagyon gyorsan változik. A villám mágneses terének becslésekor feltételezzük, hogy a villámcsatorna egyenes és a villámcsatornától a lecsapási távolságnál nagyobb távolságban

vagyunk. A lecsapási távolságon belül a közvetlen villámcsapással és annak a korábban már említett elektromos hatásaival kell számolnunk, ennél nagyobb távolság esetén érvényesülhet a villámáram mágneses hatása. (Tapasztalati törvényen alapuló becslés szerint a lecsapási távolság 30 kA-es villámáram esetén 91,2 m.) A mágneses indukcióvektor nagysága ebben távolságban: 𝐵𝑚𝑎𝑥 =

𝜇0 ∙𝐼𝑚𝑎𝑥 2𝜋𝑑𝑠

≈ 105 𝜇𝑇 (1 𝜇𝑇 = 10−6 𝑇) .

Összehasonlításképpen a Föld mágneses mezőjét jellemző mágneses indukcióvektor nagysága 1 𝜇𝑇, a nagyfeszültségű elektromos vezetékek közelében pedig ez az érték 1 − 100 𝜇𝑇. MRI vizsgálatok során ettől jóval erősebb, 1-3 tesla erősségű mágneses teret alkalmaznak. Természetesen a villámáram mágneses hatásának leírásakor nem hagyható figyelmen kívül az sem, hogy a villámáram mágneses mezője időben nagyon gyorsan változik. A kutatók szívmodelleken végzett kísérletei alapján bebizonyosodott, hogy a villám mágneses mezőjének hatására létrejött áram az emberi szervezetre teljesen ártalmatlan. a villámlás által kibocsátott elektromágneses sugárzás A felhő-föld villámok a kisülés során nagyon széles

frekvenciasávban

elektromágneses

sugárzást.

bocsátanak

ki

A villámcsatorna

sugárzása látászavarokat okozhat, valamint a szem gyulladásos

betegségeit

(kötő-,

szivárványhártya-gyulladást)

szaru-

és

eredményezheti

(24.ábra). Mivel ezek a problémák nem azonnal, hanem

elhúzódóan

alakulnak

ki,

ezért

24. ábra A szem gyulladásos betegségei (kötőhártya-gyulladás)

a

villámcsapást túlélők hosszútávú megfigyelése szükséges. A legújabb esettanulmányok alapján a kutatóknak

sikerült

közvetlen

kapcsolatot

kimutatni a villámok elektromágneses sugárzása és

a

szürkehályog

kialakulása

között.

A

szürkehályog a szemlencse elhomályosodását jelenti, ezzel befolyásolja a látást. A lencse leginkább vízből és proteinekből áll (25.ábra). A fehérjék egy adott területen való felhalmozódása elhomályosítja a lencsét és ezáltal kevesebb fény jut a retinára. A szürkehályog kialakulását azzal

25.ábra Az emberi szem felépítése

magyarázzák, hogy a villámlás erős optikai és UV sugárzása felmelegíti a szemlencse folyadékját. Az említettek mellett számos más látászavar kialakulásáról számoltak be a sérültek, mint pl. az olvasási képesség elvesztése, bizonyos ideig a külvilág képének fordított látása, jel követése esetén a két szem külön történő mozgása stb. Ha szemek nagy energiájú sugárzásnak (pl. UV, gamma-sugárzás) vannak kitéve, akkor elsősorban a szaruhártya (könnyű átlátszó szövet, amely lefedi az íriszt) károsodik, amely látászavarokat okoz, súlyosabb esetben vaksághoz vezethet. A kettőslátás oka a szemmozgató izmok, illetve azok idegrendszeri szabályozásának sérülései, de előfordulhat, hogy az egyén elveszíti az olvasás és a járás képességét, illetve a szemei nem tudnak együtt működni.

A villámok mechanikai erőhatása

27.ábra Áramvezető mágneses tere (képernyőkép: https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?f=mag_vodic&l=hu ) A könnyebb érthetőség kedvéért a villám által keltett mágneses tér leírásához tekintsük a villámáramot hosszú egyenes áramjárta vezetőnek! Ekkor a vezető körül olyan mágneses mező jön létre, melynek mágneses indukcióvonalai zárt görbék (koncentrikus körök). Ezek középpontjában áll a vezető. A mágneses indukcióvektor nagyságát a vezetőtől d távolságban a 𝐵 = μ0

𝐼1 (𝑡) 2πd

összefüggés alapján határozhatjuk meg.

Továbbá azt is tudjuk, hogy ha a vezető közelében, vele párhuzamosan elhelyezünk egy másik, árammal átjárt egyenes vezetőt, akkor a két vezető között fellépő erőhatás lehet vonzó vagy taszító annak megfelelően, hogy a két vezetőben azonos vagy ellentétes irányban folyik az áram. Ha pl. egy csatornába belecsap a villám, akkor a villámáram a csatorna hengerfelületén eloszlik és két alkotója mentén párhuzamosan, egyirányban halad, vagyis köztük vonzó erő lép fel. Ennek hatására a csatorna deformálódhat, vagy akár le is szakadhat.

A fellépő erő nagysága az áramerősség négyzetével arányosan változik, akár a 1000 newton nagyságrendet is elérheti. Mivel a villámáram pillanatszerű áramlökés, ezért a hatására létrejövő erő is lökésszerű. Az így létrejövő impulzus, ami szintén villámáram nagyságának négyzetével arányos, felelős a két vezető között fellépő mechanikai hatásokért. Azonban, ha az erőhatás nagyon rövid ideig tart, akkor a tehetetlenség miatt a vezetőt nem képes megmozdítani, így nem vezet annak károsodásához

A villámok pozitív hatásai Eddig a villámok veszélyeit tekintettük át. Kétségtelen azonban, hogy a villámok létfontosságú szerepet töltenek be az emberi táplálkozásban és az ózonréteg védelmében. A földi légkör legnagyobb mennyiségben (78 %) nitrogént tartalmaz, mely leggyakrabban molekuláris formában fordul elő (N2). A N2 nehezen reagál más vegyületekkel, így ahhoz, hogy a fotoszintézisben vagy más folyamatokban részt tudjon venni előbb a nitrogénatomok közötti kötéseket fel kell szakítani. Ez energiaigényes folyamat, melyhez szükséges energia egyik természetes forrását a villámok jelenthetik. (További források lehetnek pl. a kozmikus sugárzás, a Napból származó nagyenergiájú részecskék, a légkör elektromos kisülései és élő organizmusok

pl.

talajban

élő

baktériumok vagy kék és zöld algák.) A villámlás biztosítja a levegő oxigénjéből és nitrogénjéből létrejövő nitrogénoxidok,

vagy

nitrogénből

a

hidrogénből

keletkező

és

ammónium

előállításához szükséges energiát. Ezek, a légkörben keletkező molekulák az esőzésekkel jutnak a Föld felszínére és serkentik a növények növekedését. A villámlás kulcsszerepet játszik a troposzférában és sztratoszférában zajló

28.ábra A villámok pozitív hatása

ózontermelésben is, amely a Nap ultraibolya (UV) sugárzása elleni védelem szempontjából kiemelkedő jelentőségű. (Egy közepes méretű villám kb. 150 kg ózont termel a felsőlégkörben.)

A villámok elektromágneses sugárzása A villámcsatorna nagyon széles frekvenciasávban, a néhány hertzes frekvenciáktól, a rádióhullámok, az optikai tartományon keresztül a lágy gamma sugárzásig (1019 hertzes

frekvenciáig) bocsát ki elektromágneses sugárzást. A sugárzás hullámtartományait eltérő mechanizmussal magyarázhatjuk. A villámspektrumnak a nagyon alacsony frekvenciás összetevői, az ELF (Extreme Low Frequency, 3 Hz – 3000 Hz) tartományba esők, kis csillapodással nagy távolságra jutnak el. E hullámok a jól vezető ionoszféra és a tökéletes vezetőnek tekinthető földfelszín közötti térrészben a Föld kerülete mentén haladnak körbe, önmagukkal interferálva olyan állóhullámokat (más néven elektromágneses rezonanciákat) hoznak létre, melyekhez tartozó hullámhossz a Föld kerületének osztója (32.ábra). Ezeket nevezzük Schumann-rezonancia (SR) frekvenciáknak. A Föld különböző helyein másodpercenkénti 40-100 villámlás zajlik. Ezek jelentik a SR-ek gerjesztő forrásait. A SR-k vizsgálatával lehetőség nyílik a villámtevékenység feltérképezésére. A rádióhullámok tartománya Ha bekapcsolt rádiónkat közép, illetve rövid hullámú sávban megfelelően hangoljuk (kb. 1MHz frekvencia megfelelő) és a rádió mellett ebonitrudat dörzsölünk akkor megfigyelhetjük, hogy a rádió sercegő hangot ad. A villámlás elektromágneses sugárzása a vevőkészülék antennáját elérve a benne levő elektronokat a Lorentz-erőn keresztül rezgésbe hozza, és a rádió megfelelően hangolt rezgőkörét gerjeszti. A villámokra alkalmazva az egyszerű antennamodellt megbecsülhetjük a villámok által keltett elktromágneses hullámok frekvencáját. Ez alapján pl. a 2-8 km magasságból lecsapó felhő föld villám a 10-40 kHz közötti tartományban sugároz. A becslés a hosszúhullámú rádióhullám tartományba esik. Ilyen értékek valóban megjelennek a villámok elektromágneses sugárzásában. Az optikai tartomány (a látható fény) azzal magyarázható, hogy a felforrósodott villámcsatorna környezetében a levegő ionizálódik. Az ionizáció során a levegő atomjai, molekulái gerjesztődnek, ennek megszűnésével pedig rájuk jellemző, karakterisztikus sugárzást (fényt) bocsátanak ki. A villámok látható színét a gerjesztett atomok, molekulák anyagi minősége határozza meg, de számos légköri tényező befolyásolja. A földi gamma felvillanások, vagy a tudományos világban elterjedtebb elnevezésük szerint a TGF-k (terrestrial gamma-ray flashes), a villámok által keltett legnagyobb energiájú elektromágneses jelek. A kutatók szerint ezek akkor jönnek létre, amikor a zivatarok hatására generált erős elektromos térben a töltött részecskék felgyorsulnak és relativisztikus sebességgel mozgó gyors, ún. “szökő” elektronokat hoznak létre. Alekszandr Gurevics orosz fizikus már a múlt század kilencvenes éveiben a villámok keletkezését is a kozmikus záporok gamma sugárzása által keltett gyors elektronokkal értelmezte. Az azonban nem volt ismert, hogy maga a villámlás is kelt gammasugárzást, bár ezt C. T. R. Wilson már 1924-ben megjósolta. Wilson

rájött arra, hogy a “szökő” elektronok a levegő atomjaival, molekuláival való ütközések során veszítenek energiájukból és további ionokat keltenek. Az ionizáció során gyors és lassú elektronok, valamint pozitronok is keletkeznek. Az elektronok és pozitronok reakciója gammasugárzást is kiválthat. A gammasugárzás mellett az elektronok hirtelen lefékeződése miatt röntgensugárzás is keletkezik. A folyamat részleteiben még a mai napig sem teljesen ismert. Ezeket a sugárzásokat először 1994-ben sikerült detektálni, a Föld körül keringő Compton Gamma Ray Observatory-n. Mivel a keletkezett röntgen- és gamma-sugárzás földfelszín felé haladó részét a légkör elnyeli, a sugárzás tanulmányozásában jelentős előrelépést jelentett, amikor 2018 áprilisában pályára állították az ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) nevű űrállomást, amely mérőműszereinek segítségével lehetőség nyílt TGF-ek széleskörű vizsgálatára. A villámok előrejelzése A villámlás során a gyorsuló töltés időben változó elektromágneses mezőt hoz létre maga körül, amely képes a töltésről leszakadni és a vákuumban 𝑐 = 3 ∙ 108 m/s sebességgel terjedő elektromágneses hullámokat kelteni. Mivel az így keletkezett elektromágneses hullám a térben energiát szállít, ezért azt is mondhatjuk, hogy a gyorsuló töltés elektromágneses sugárzást bocsát ki. Ez az elektromágneses sugárzás teszi lehetővé a villámok lokalizációját is. A villámcsatorna széles sávban, alacsony (LF) és magas (VHF) frekvenciákon is sugároz jeleket, akárcsak egy rádióadó. Ezek a jelek különböző mérőeszközök segítségével detektálhatók és a villámlás helye ezáltal meghatározható. Erre többféle eljárás is alkalmazható. A legelterjedtebb közülük az irányméréses és a beérkezési idő különbség mérésén alapuló ún. TOA-módszer (Time of Arrival). Az előbbi esetben az egy-egy antennapáron beérkező jelek fáziskülönbségét mérik, mely arányos a bejövő jel irányával. Ezt követően a villám pontos pozícióját háromszögeléssel határozzák meg. A TOA eljárásnál azt használják ki, hogy mivel az állomások a forrástól különböző távolságban vannak ezért a jelek eltérő időben érkeznek a vevőkhöz. Ezt az időkülönbséget mérik, majd ezeket az idő adatokat GPS segítségével szinkronizálják. A mért adatok alapján hiperbolát illesztenek az állomások közé, melyek metszéspontja adja meg a villámok pontos helyét. A módszer alkalmazásával nem csak a lecsapó villámok helyének meghatározására, hanem a zivatarfelhőkben keletkező kisülések detektálására is mód van. Mivel ezek általában megelőzik a lecsapó villámokat, ezért fontos szerepet töltenek be a villámok előrejelzésében,

A villámlás helyétől 𝑟1 , 𝑟2 é𝑠 𝑟3 távolságban lévő A,B,C pontokban található 3 állomás(vevő). Ezek egymástól való

távolsága

ismert,

az

ábra

jelöléseinek

megfelelően 𝑑1 , 𝑑2 é𝑠 𝑑3 . Az elektromágneses hullámok azonos tulajdonságú pontjai (pl.a csúcsértéke) az állomásokra 𝑡1 , 𝑡2 é𝑠 𝑡3 időpontban érkeznek. Mivel a villámlás helyét nem ismerjük, ezért célunk az 29. ábra A villámlokalizáció alapja

𝑟1 , 𝑟2 é𝑠 𝑟3 meghatározása. Felhasználva, hogy az elektromágneses hullámok terjedési sebessége c, a mért időkülönbségekre fennállnak az alábbi összefüggések:

𝑟1 𝑟2 − = 𝑡1 − 𝑡2 , 𝑐 𝑐

𝑟2 𝑟3 − = 𝑡2 − 𝑡3 , 𝑐 𝑐

𝑟2 𝑟3 − = 𝑡2 − 𝑡3 𝑐 𝑐

(A 𝑡1 − 𝑡3 különbség felírására nincs szükség, hiszen az nem ad ezektől független egyenletet.) A két egyenlet mindegyike egy-egy hiperbolát határoz meg, melyek metszéspontjában történt a villámlás. Ha a villámlás a 3 állomás által meghatározott háromszögön kívül jött létre, akkor a hiperbolák két pontban is metszhetik egymást, ezért nem tudnánk egyértelműen meghatározni a villámlás helyét. Ennek elkerülése céljából a mérést 4 állomáson végzik el és a három hiperbola metszéspontja jelöli ki a villámláspontos helyét.

A villámlást kísérő jelenségek A mennydörgés

A dörgés a villámlást kísérő hangjelenség, melynek oka a nagy villámáramerősség (átlagosan 30kA, extrém esetekben 80 kA is lehet) hatására bekövetkező hirtelen óriási mennyiségű hőfelszabadulás. Ennek következtében a villámcsatorna nagyon rövid idő alatt kitágul és a környező levegőben lökéshullámot hoz létre. Ezt észleljük mennydörgésként. A villámlás és a mennydörgés észlelése között eltelt időből egyszerű számítás segítségével meghatározható, hogy milyen messze van tőlünk a zivatar.

Mitől függ, hogy mennyi ideig halljuk a dörgést?

30. ábra A dörgés időtartama

Az A pontban álló megfigyelő a villámcsatorna alsó pontjából jövő dörgést a villámlással egyidőben hallja, míg a csatorna felső pontjából kiindulót kb. 21 szekundummal később. (A 𝑠

7000 𝑚

hang terjedési sebessége a 20 OC-os levegőben 340 m/s, s =7000 m így 𝑡 = 𝑣 = 340𝑚⁄ ≅ 𝑠

20,6 𝑠 )A B pontban álló megfigyelő esetében ezek az idők 𝑡1 = 𝑠2 𝑣

=

12200 𝑚 340 𝑚⁄𝑠

𝑠1 𝑣

=

10000 𝑚 340 𝑚⁄𝑠

≅ 29,4 𝑠 é𝑠 𝑡2 =

≅ 35,9 𝑠 í𝑔𝑦 ∆𝑡 = 6,5 𝑠. Vagyis a dörgést ő csupán 6,5 másodpercig észleli.

A tereptárgyak a hanghullámok egy részét elnyelik, illetve visszaverik. Ezek a jelenségek befolyásolják a mennydörgés hallhatóságát. A hanghullám

energiájának

elnyelődése frekvenciájától.

levegőben

nagyban

függ

Ez

levegő

a

a

való hullám

molekuláris

szerkezetével és az elnyeléssel magyarázható. A nagy frekvenciájú (magas) hangok jobban csillapodnak, mint az alacsony frekvenciájúak (mélyek). Ez az oka annak, hogy a közeli dörgés esetén éles, csattanó hangot hallunk, míg távoli

31.ábra

esetén mély, morajló hangot észlelünk. A

A levegő csillapító hatása 𝛥𝐿 (dB)különböző frekvenciájú hangok esetén a távolság függvényében

csillapodás mértéke a frekvencián kívül a levegő relatív nedvességtartalmától, hőmérsékletétől és a meteorológiai viszonyoktól (pl. szél) is függ. Az elnyelődést a felszínt borító növényzet fajtája, lombossága, sűrűsége is befolyásolja.

Nagyobb frekvenciák esetén jobban gyengül a hang.

A Schumann-rezonanciák

A Föld felszíne és az ionoszféra alsó határa közötti ún. üregrezonátorban a villámok által keltett nagyon alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámok állóhullámokat (más néven elektromágneses rezonanciákat) hoznak létre. Ezeket a rezonanciákat 1952-ben Winfried Otto Schumann pusztán elméleti úton már megjósolta, majd pár évvel később, 1960-ban kísérleti úton ki is mutatták őket. Az ő tiszteletére ezeket a rezonanciákat Schumann-rezonanciáknak (SR) nevezzük. A rezonanciákhoz meghatározott frekvenciák tartoznak (kb. 8, 14, 20, 26 Hz stb.), melyeket a Maxwell-egyenletekből a peremfeltételek figyelembevételével (a Föld felszíne és az ionoszféra is jó vezető) az alábbi összefüggés alapjánszámolhatunk ki: 𝑐

𝑓 = 2𝜋𝑅 √𝑛(𝑛 + 1) , ahol R a Föld sugara, c a fény terjedési sebessége vákuumban, n tetszőleges pozitív egész szám. A mért frekvenciák némileg eltérnek a számolt értékekhez képest mivel az ionoszféra nem tekinthető tökéletes

vezetőnek.

Továbbá

az

ionoszféra

vezetőképességét az űridőjárás is befolyásolja és a napszaktól függően is változik, ezáltal módosulnak az „üregrezonátor” peremfeltételei is, amely

a SR-

frekvenciákban eltérést eredményez. A

legalacsonyabb

frekvenciaértékhez

tartozó

hullámhossz nagyjából megegyezik a Föld kerületével. Ezt a kb. 8 Hz-es frekvenciát a Föld természetes frekvenciájának

tekintik

szívveréseként” is említik.

és

gyakran

a

32.ábra Vázlatos ábra a földfelszín és az ionoszféra közötti üregrezonátorban kialakuló Schumann-rezonanciákról A kép forrása: NASA/Simoes

“Föld

Az elnevezés annak köszönhető, hogy ez a frekvencia a

természetben gyakran fordul elő, pl. a legtöbb emlősállat agyfrekvenciájára is ez az érték jellemző. A vélt kapcsolat szorossága azonban kérdéses. A Felsőlégköri Elektro-Optikai Emissziók (röviden FEOE-k)

A magyar tudományos szóhasználatban FEOE (Felső légköri Elektro-Optikai Emissziók) néven ismertté vált jelenségekről a szemtanúk beszámolói alapján az első feljegyzés 1885-ben született. Ezt követően többször észleltek hasonló jelenségeket. Mivel kézzel fogható bizonyítékok (fotók vagy videók), nem álltak rendelkezésre velük kapcsolatban, ezért a tudományos világ nem mutatott nagy érdeklődést irántuk. Annak ellenére, hogy Wilson a zivatartevékenységek tanulmányozása során már 1925-ben következtetett jelenlétükre az

érdeklődés középpontjába csupán a II. Világháború után kerültek. Ekkor ugyanis a légi közlekedés megélénkülésével az utasok és pilóták egyaránt egyre gyakrabban számoltak be hasonló jelenségekről. Váratlan felvillanásuk és igen rövid élettartamuk miatt észlelésük nagy kiterjedésük ellenére korántsem egyszerű. Változatos formában, színekben pompáznak. Ez adott ihletet a kutatóknak a jelenségek elnevezésére is. Találhatunk közöttük olyanokat, melyek neve az eredetükre vagy jellemző tulajdonságukra utal, mint pl. a vörös lidércek (sprites = Stratospheric/Mesospheric

Perturbations

Resulting

from

Intense

Thunderstorm

Electrification), gyűrűlidércek (elves = Emissions of Light and VLF perturbations from EMP events) és kéknyalábok (blue jets), illetve olyanokat is, melyek a képzelet szülöttei, mint pl. a manók (trolls), a törpék (dwarfs) és a szellemek (ghosts). Kialakulásuk eltérő módon magyarázható ugyan, de a villámtevékenységek után a felhőkben maradó töltéseknek, illetve a zivatarfelhők töltésmegosztó hatásának mindig meghatározó szerepe van.

33.ábra Felsőlégköri elektro-optikai emissziók (a kép forrása: Barta V.-Bór J.-Sátori G.: Felsőlégköri elektro-optikai emissziók és megfigyelésük Sopronból)

A globális felmelegedés és villámaktivitás Napjainkban egyre nagyobb figyelem fordítódik a klímaváltozásra és annak következményeire, így többek között az extrém időjárási eseményekre, pusztító viharokra is. A globális átlaghőmérséklet emelkedésében kiemelkedő szerep tulajdonítható az üvegházhatású gázoknak.

A Napból érkező sugárzás egy része a légköri gázokban elnyelődik, egy további része a felszínről és a légkörből visszaverődik, a maradék pedig a Föld felszínét melegíti. A Föld,

a

hőmérsékletének

megfelelő

hősugárzást bocsát ki, melynek hullámhossza jóval nagyobb, mint a Napból érkezőé. A légkör üvegházhatású gázai ennek az IR (infravörös) tartományba eső sugárzásnak egy

34. ábra Globális energiamérleg a 2000-2004.évek adatai alapján

részét elnyelik és visszasugározzák a felszín felé, ezzel növelve a Föld globális felszíni átlaghőmérsékletét.

A

legfontosabb

https://www.nkp.hu/tankonyv/fizika_9_na t2020/lecke_06_034

üvegházhatású gázok: a vízgőz H2O (63%), a szén-dioxid CO2 (22%), az ózon O3 (7,2%), a dinitrogén-oxid N2O (4,2%) és a metán CH4 (2,5%). A legnagyobb mennyiségben jelenlevő vízgőz a legjelentősebb IR elnyelő, nem csupán a mennyisége miatt, hanem azért is, mert az egész infravörös spektrumon vannak elnyelési sávjai. Ennek ellenére, amikor üvegházhatásról beszélünk a vízgőz szerepét nem emeljük ki, mivel ennek jelentős hányada nem az emberi tevékenység következtében kerül e légkörbe. A klíma ugyanakkor nagyon érzékeny a felsőlégkör vízgőz mennyiségére.

35.ábra

A felsőlégkörben található vízgőz mennyiségének és a villámok előfordulásának kapcsolata (Wilson)

Mivel a villámesemények a Föld meleg régióiban gyakrabban fordulnak elő, mint a hideg területein, ezért a tudósokban joggal vetődött fel a kérdés, hogy található-e bármilyen összefüggés a globális felszíni átlaghőmérséklet növekedése és a villámok gyakorisága között. A kutatók a kérdést megvizsgálva arra jutottak, hogy a villámaktivitás a Föld felszíni hőmérséklet-növekedésének fokmérője lehet.

36.ábra A villámaktivitás és a felszíni hőmérséklet kapcsolata

A kutatók arra a kérdésre is keresik a választ, hogy a felszíni átlaghőmérséklet növekedésével a villámok előfordulásának gyakorisága is növekszik-e. A különböző globális felmelegedési modellek eredményei azonban továbbra is ellentmondásosak, így a kérdésre egyértelmű válasz nem adható. A modellek alapján, az üvegházhatású gázok miatt bekövetkező legnagyobb felmelegedés nem a felszínen tapasztalható, hanem az egyenlítői felsőlégkörben. A felsőlégkör felmelegedése viszont stabilizálja az atmoszférát, így csökkenti a konvekciót, ami a zivatartevékenységek csökkenését vonja maga után. Ugyanakkor a modellekből arra is következtethetünk, hogy a globális hőmérséklet 1 kelvines emelkedése 10 %-kal növeli meg a villámok előfordulását. A legutóbbi tanulmányok alapján a globális felmelegedés csökkenti a zivatartevékenységet, ugyanakkor a heves, pusztító viharok jelentősen (25 %-kal) növelik azt.

Néhány további érdekesség a villámokkal kapcsolatban Mi a fulgurit? A fulgurit főként szilícium-dioxidból álló ásványi anyag, amely változatos formákban és színekben található. Megjelenése leginkább egy fa gyökereihez hasonlít, melyben a legtöbb gyökér henger alakú. Az amorf szerkezetek őrzik a létrejöttüket okozó légköri jelenség

alakját.

Kialakulásukhoz

megfelelő

talajösszetétel és magas hőmérséklet (1600-2000 K) szükséges. A villámcsapás pillanatában a becsapási ponttól a földben a villámáram szétterjed, melynek hőhatása okozza a talaj anyagának összeolvadását és hozza

létre

a

fulguritot.

A

képződmények

tanulmányozása hasznos információkkal szolgál a

37. ábra Fulgurit

https://www.meteorologiaenred.co m/hu/fulgurit.html

klímakutatóknak, mert felvilágosítást ad az adott területen akár évezredekkel korábban fennálló környezeti körülményekről. Melyik fába csap a villám? Annak meghatározásához, hogy várhatóan melyik fát éri villámcsapás nem elegendő csupán a fa magasságát tekinteni. Figyelembe kell venni a fa vezetőképességét is, melyet elsősorban annak nedvességtartalma határoz meg. A vezetőképességet a talaj típusa, nedvességtartalma és a fa gyökérzete is befolyásolja. Előfordulhat ugyanis, hogy a talaj felszíni rétegei nem jó vezetők, de a fa gyökerei elérhetnek mélyebb, jól vezető rétegekhez. A “villámvonzó képesség” kis mértékben ugyan, de függ a fa alakjától is. Ennek oka az, hogy a + töltések a fa csúcsos részein halmozódnak fel így az elektromos mező alakulása, ami meghatározza a lépcsős vezető talaj felé közeledő útvonalát, függ a fa alakjától. (A csatoló vezető ugyanis nagyobb valószínűséggel indul meg olyan helyekről, ahol nagyobb a térerősség.)

Mi történik, ha a villám belecsap egy fába? A kéreg alatti kambiumréteg nagy nedvességtartalma, így jó vezetőképessége miatt kedvező útvonalat biztosít a villámáram számára. A villámáram hőhatására ez a nedvességtartalom hirtelen felmelegszik, elpárolog. A képződött gőz robbanásszerűen kitágul és a fa kérgének leválását okozza. Néha az eső a kérget annyira átitatja, hogy a fa felülete lesz a villámáramnak legkevésbé ellenálló része. Ekkor a villám kérgen fut végig és kisebb felületi sérüléseken kívül nem okoz nagyobb kárt. Előfordulhat azonban az is, hogy a kéreg száraz, míg a fa szíjács része sok nedvességet tartalmaz. Ebben az esetben a villámáram a fa törzsének mélyebben fekvő részeibe is behatolhat, így a fa teljes összeroppanását okozhatja. Amikor a fa törzsén végigfutó villámáram eléri a talajt,

38.ábra Amikor a villám a fába csap A kép forrása: Pixabay

akkor ott szétterjed. Az így létrejött földáram hőhatása károsíthatja a környező fák gyökereit, gyengítheti a fák ellenállóképességét a rovarokkal és a későbbi betegségek szemben, ezzel további pusztuláshoz vezethet. Tesla és a mesterséges villámok Nikola Tesla a 19. század zseniális szerb származású fizikusa volt. A középiskolát Karlstadtban végezte, majd tanulmányait a grazi és a prágai egyetemen folytatta, ahol villamos- és gépészmérnöknek tanult. Több mint száz találmány fűződik a nevéhez (pl. hangszóró, villanykörte, többfázisú váltakozóáramú motor és generátor, többfázisú áramfejlesztők, átalakítók, transzformátor). 39.ábra Nikola Tesla (1856-1943)

Elsősorban az elektromosság, a mágnesség és gépészet terén végzett kutatásokat és alkotott. Viszontagságos életút után

1881-ben Budapestre költözött és a Puskás fivérek telefonközpontjának főmérnökeként dolgozott. 1882-től az Edison cég párizsi kirendeltségének alkalmazottja lett, majd Puskás Tivadar ajánlólevelének birtokában 1884-ben Amerikába költözött, hogy Edisonnal együtt dolgozhasson. Tesla Edison legszorgalmasabb munkatársa és egyben vetélytársa is volt. Viszálykodásukat a szakirodalomban az „áramok harcaként” is említik. (Edison az egyenáramú

gépek fejlesztését részesítette előnyben, míg Tesla a váltakozó áramú gépek használatát tartotta célravezetőbbnek.) Végül anyagi viták miatt Tesla elhagyta Edison cégét és Colorado Springsben saját laboratóriumot hozott létre, ahol nagyszabású kísérleteket folytatott villámok keltésére és hasznosítására. Megfigyelte a Föld légkörében az elektromos térerősség napi változását. Felfedezte, hogy a térerősség alakulását a távoli zivatarok is befolyásolják. Ennek hatására vetődött fel benne az a gondolat, hogy az energiaátvitel nagy távolságból is lehetséges. Kutatásaihoz épített egy hatalmas méretű Tesla tekercset, mellyel nagyfrekvenciás (25 kHz és 2 MHz) nagyfeszültséget (10 kV – 10 MV) tudott előállítani. A tekercs segítségével több 10 méteres szikrákat sikerült létrehoznia. Ezzel ő volt az első, aki a villámok nagyságrendjébe eső elektromos kisüléseket tudott kelteni. Kísérletei nyomán rájött arra is, hogy villámláskor nagyon alacsony frekvenciás (7,8 Hz-es) elektromágneses hullámok is keletkeznek. Ezzel messze megelőzte korát, hiszen ezeket a rezgések jóval később csak 1952-ben, jósolta meg elméleti úton Otto Schumann és 1960-ban sikerült kísérletileg kimutatni. Naplójából az is kiderül, hogy kísérletei közben több alkalommal ún. „tűzgömbök” jelentek meg a laboratóriumban, melyek a gömbvillámokhoz hasonlóan viselkedtek.

40.ábra Tesla a laboratóriumában

A világ legnagyobb Tesla-tekercse A világ legnagyobb Tesla-tekercse a New York

állambeli

Wardenclyffe-i

Shorehamben, Tesla

a

Tudományos

Központban található. Tesla születésnapjának 166. évfordulóján Greg Leyh elektromérnök, a villámlás nagy rajongója és kutatója, látványos bemutatót tartott a 40 láb (kb.12,2 m)

magas

Tesla-tekercs

segítségével

(41.ábra). A Lightning on Demand projekt keretében Leyh célja olyan berendezés megépítése, amely hasonló nagy elektromos mezőt képes létrehozni, mint ami a villámlást

41. ábra Látványos bemutató a Tesla Tudományos Központban (2022.10.14.)

Fotó: Tom A. Warner

előidézi. Ezért két 120 láb (kb. 36,6 m) magas tornyot kíván építeni, amelyek egymástól nagyjából 300 láb (91,5m) távolságra vannak. Első lépésként azonban a tervezett tornyok 1:3 arányú kicsinyített változatát építette meg, ami jelenleg a Tesla Tudományos Központban található. Leyh a villámkutatás jelentőségét abban látja, hogy ha megismerjük a villámlás természetét, akkor lehetőség nyílik olyan megaméretű áramátviteli rendszerek tervezésére, amelyek összekapcsolhatják a világ elektromos hálózatait. További a tekerccsel kapcsolatos érdekességeket, a bemutatón készült videókat találhatsz az alábbi linkeken: https://teslasciencecenter.org/programs/ https://ztresearch.blog/2022/10/14/worlds-largest-tesla-coil-at-the-tesla-science-center/

Kérdések és feladatok 1. Milyen hatásait ismered a villámoknak? Sorolj fel közülük legalább ötöt! 2. A villámlás melyik hatása jelenti a legnagyobb kockázatot az ember számára? 3. Hogyan jön létre a mennydörgés? 4. A dörgés és a villámlás észlelése között eltelt idő (𝑡 = 5𝑠 ) ismeretében határozd meg a villámlás távolságát! (A hang terjedési sebessége 𝑣 = 330 𝑚⁄𝑠) 5. Melyik esetben milyen hangot hallunk dörgéskor? Párosítsd az abrát a megfelelő leírással! 1. morajló hangot hallunk 2. először csattanó hangot, majd morajlást hallunk 3. intenzív csattanó hangot hallunk

A

B

C

Mi a jelenség magyarázata? 6. Mitől függ, hogy mennyi ideig halljuk a dörgést? Az ábra jelöléseit használva, határozd meg, mennyi ideig halljuk a dörgést! (d = 10000 m, h = 7000 m, a hang terjedési

sebessége

levegőben 340 m/s) Milyen egyéb tényezők befolyásolják a hallhatóság idejét?

a

20

O

C-os

7. Hol tudsz tájékozódni a várható időjárásról? Nevezz meg legalább 3 forrást! 8. A rövid távú (max. 3 órás) időjárás-előrejelzés távérzékelési eszközök alkalmazásával történik. Milyen információkat szerezhetünk a műholdképekből és az ezekből alkotott filmekből, illetve a radarképek elemzéséből? 9. Mi a jelentősége a villámok detektálásának az előrejelzés szempontjából? 10. Mire következtethetünk a villámtérképek segítségével? 11. Merre halad a zivatarzóna? (Az ábra villámtérképet mutat, amely adott időben a villámok kialakulásának helyét jelöli.)

12. Milyen időjárási eseményre adott ki riasztást az OMSZ? Értelmezd a piktogramokat!

A villámvédelem alapjai A villámvédelemről általában A teljeskörű villámvédelem négy területet foglal magában: •

a megelőzés szempontjából nélkülözhetetelen oktatást, (Célja, hogy az emberek felismerjék a villámveszélyes helyzeteket és tisztában legyenek azzal, hogy adott szituációban mit kell tenniük a balesetek elkerülésére, a károk megelőzésére,illetve enyhítésére.)

•

a villámok előrejelzését, az emberek cselekvésre való figyelmeztetését,

•

a létesítmények és berendezések védelmét,

•

a károk enyhítését, amikor a villámvédelem nem működik tökéletesen.

Építményeink és elektromos eszközeink villámvédelme Ha villámvédelemről esik szó, akkor a legtöbben elsősorban az ún. külső villámvédelemre gondolnak,

amelynek elsődleges célja

a különböző épületek, tárgyak közvetlen

villámcsapástól való megvédése. Ugyanakkor fontos az elektromos eszközeink megóvása is a villámok elektromágneses hatásától. Ezzel a területtel a belső villámvédelem foglalkozik.

A külső villámvédelem A megfelelő villámvédelmi rendszer kiépítése nagy körültekintést igényel. Meg kell vizsgálni a villámfigyelő rendszerek adatgyűjtési eredményei alapján az adott területen lecsapó villámok sűrűségét, a védendő objektum magasságát és alapterületét, amely alapvetően meghatározza a gyűjtőterületet. Figyelembe kell venni a természetes és épített környezetet is, amely megnövelheti a villámcsapás kockázatát (pl. a domb- vagy hegytetőn, illetve nedves területen való elhelyezkedés). Egy közvetlen villámcsapás következtében számolnunk kell másodlagos tényezőkkel. Ebben a tekintetben kiemelendő szempont a tető, illetve a tetőszerkezeti elemek éghetősége, valamint hogy milyen egyéb fémtárgyakat és elektromos berendezéseket helyeztek el a tetőn. A szakemberek a villámparaméterek figyelembe vételével négyféle villámvédelmi fokozatot határoztak meg. A legmagasabb a 98%-os védettséget nyújtó I. fokozat és a legalacsonyabb a 81%-os IV.fokozat. A szükséges villámvédelmi fokozatot MSZ EN 62305-2, valamint az OTSZ (Országos Tűzvédelmi Szabályzat) alapján állapították meg.

Benjamin Franklin és a villámhárító Benjamin Franklin 1706. január 17-én született Bostonban egy szegény család tizenkettedik gyermekeként. Iskolai tanulmányait a család megélhetési problémái miatt korán abba kellett hagynia. Tizenkét éves korában nyomdászinasnak állt be bátyja nyomdájába, ahol sokat olvasott és autodidakta módon képezte

magát.

Tizenhét

évesen

abbahagyta

a

nyomdászinasságot, majd a következő öt évben sokat utazgatott és különböző New York-i, philadelphiai és

42.ábra Benjamin Franklin (1706-1790)

londoni nyomdákban dolgozott. 1728-ban üzlettársával saját nyomdát alapítottak. A közéleti tevékenységben is élen járt:

létrehozta az első kölcsönkönyvtárat, egyetemet és kórházat alapított, megszervezte az Egyesült Tűzvédelmi Társaságot. Politikai pályafutása során, a függetlenségi háború után Pennsylvania kormányzója és a gyarmatok képviselője volt,

részt

vett

Nyilatkozat

a

Függetlenségi

megfogalmazásában,

szövetségi-és békeszerződések tárgyaló képviselője

és

Természettudósként tevékenységet villámhárítót,

aláírója is

végzett:

volt.

kiemelkedő feltalálta

feltérképezte

a

a

Golf-

áramlatot, felfedezte a vulkánkitörések és a felszíni lehűlés közötti kapcsolatot, amelyet később a modern klimatológia egyértelműen igazolt. Foglalkozott az energiatakarékos életmód kérdéseivel és már nála megjelent a nyári időszámítás gondolata.

A 18.század közepéig az

elektromosságról nem sokat tudtak az emberek, nem ismerték az elméleti magyarázatát.

A

társasági

élet

elmaradhatatlan eseményei voltak a

43. ábra Hogy a lehető legteljesebb módon kimutassa az elektromos folyadék és a villámlás anyagának azonosságát, Franklin doktor – bármily csodálatosnak tűnhetett – kieszelte, hogyan lehet ténylegesen lehozni a villámot az egekből egy elektromos sárkány segítségével, amelyet akkor engedett fel, mikor úgy látta, hogy zivatar van kialakulóban. Erre a sárkányra egy kihegyezett fémtűt erősített, melynek segítségével a villámot a felhőkből kivonta. Ez a villám egy kenderzsinegen keresztül jött le, és egy kulcs fogta fel, amely a kötél végére volt erősítve. (PRIESTLEY: The History and Present State of Electricity)

látványos elektromos kísérleti bemutatók, amelyekkel elkápráztatták az előadók a közönséget. 1743-ban Bostonban Franklin is részt vett egy ilyen előadáson. A látottak hatására elhatározta, hogy ő is kísérletezni kezd. Franklin volt az első, aki elméleti modellje segítségével értelmezni tudta az elektromos jelenségeket. Bevezette az elektromos töltés fogalmát. Dörzselektromosság alapján kétféle töltést különböztetett meg az ún. üveg-elektromosságot (+) és a gyantaelektromosságot (-). A töltések tárolására alkalmas első Leideni palack 1746-os megjelenését követően már nagyobb szikrákat is el tudtak állítani, mint amit dörzsölés útján nyertek. Megkezdődhet a velük történő kísérletezés. Kísérleteik alapján már többen kapcsolatot véltek felfedezni az elektromos szikrák és a légköri elektromos jelenségek (villámok) között, de a villámlás okát még nem ismerték. 1752.ápr.12-én Franklin elvégezte a híres sárkányos kísérletét, mellyel igazolta a villámlás elektromos természetét (43.ábra). Feltételezése szerint, ha egy hegyes rudat egy a környezetéből kiemelkedő pontra helyezünk, akkor a rúd a felhő töltésével ellenkező töltésű lesz az elektromos megosztás következtében. Ha a rudat földelt vezetékhez közelítjük, akkor elektromos kisülést idézhetünk elő. A kísérlet megvalósításakor egy zivatar idején sárkányára tűket erősített. Úgy gondolta, hogy ezek „leszívják” a felhő töltését, így a villám kialakulása megelőzhető. Tapasztalata szerint a sárkány esőtől átnedvesedett zsinórja a töltéseket a felszín közelébe vezette, a zsinór végén levő fémhuzal és kulcs segítségével pedig szikrákat keltett, illetve feltöltött egy Leideni palackot. Kísérletének eredményét a nagyközönség elé tárta, majd tovább gondolva rájött arra, hogy a háztetőre rögzített ilyen egyszerű eszköz (hegyes végű fémrúd) megóvhatja a házakat a villámcsapás okozta károktól. Találmányát nem szabadalmaztatta, ezzel kívánt hozzájárulni az eszköz népszerűsítéséhez és elterjedéséhez. Kiterjedt levelezés útján osztotta meg tapasztalatait a világ különböző országainak tudósaival. Kutatásait 1752-ben a londoni Royal Society aranyérmével díjazták, majd a következő évben a Harvard és a Yale Egyetem díszdoktori címét is elnyerte. 1767-ben kiadott újabb publikációjában földelési technikai megjegyzésekkel egészítette ki a korábban megjelent villámvédelmi útmutatóját és visszavonta azt az állítását, miszerint a villámhárító „leszívja” a felhő töltését.

A villámhárító A villámhárító funkcióját tekintve három részből áll: a villámokat felfogó, általában csúcsban végződő fém rúdból; a levezetőből, amely a töltéseket továbbítja a földelés felé; illetve a földelésből. A felfogó csúcsnak kettős szerepe van. Egyrészt biztosítja azt, hogy a kisülés rajta keresztül valósuljon meg, így megvédi értékeinket. A főkisülés ugyanis ott jön létre, ahol a felhőből a föld felé tartó előkisülés találkozik a villámhárítóból kiinduló ellenkisüléssel.

44.ábra A villámhárító részei

A villám akkor csap a villámhárító csúcsába, ha ez az a pont, amely legelőször kerül a villámcsúcstól lecsapási távolságba. (Lecsapási távolságnak azt a távolságot nevezzük, amely esetén a villámcsúcs és a tereptárgy között a vezetési csatorna biztosan kialakul.) Másrészt pedig a csúcs közelében megnövekedett térerősség és az ennek következtében kialakult elektromos szél csökkenti a feszültséget a felhő alja és a csúcs között. A levezető feladata, hogy a töltéseket továbbítsa a földelés felé úgy, hogy közben maximális védelmet biztosítson az épület minden részének. Ezért, ha a tető vagy a ház fala gyúlékony anyagból készült, akkor a kiépítés során a tetőtől, illetve a faltól legalább 15 cm-es biztonsági távolságot hagynak. Magas épületek esetén 10-20 méterenként alakítják ki a levezetőket. A tűzeset elkerülése céljából a tetővel párhuzamosan futó levezető részeit gyűrű alakú vezetőkkel kapcsolják össze. Végezetül a villámhárító harmadik szerkezeti egysége a földelés, mely a többlettöltést vezeti el a földbe, ahol szétoszlatja azt. A megfelelő földelés

kritériuma,

hogy

nagy

felületen

érintkezzen a talajjal, így megakadályozza a nagy villámáram-sűrűség és ezáltal az átütés lehetőségének kialakulását. A földelést a ház körül gyűrű alakban, a falától legalább 1 m távolságban és 0,5 m mélyen helyezik el, mivel a földben elvezetésre kerülő töltések a talaj

45.ábra A villámhárító földelése

különböző pontjai között potenciálkülönbséget hoznak létre, amely az ún. lépésfeszültség (a talaj felszínén két kb. 70 cm távolságban levő pont közötti feszültség) kialakulásához vezethet,

ami újabb veszélyforrást rejt magában. A nagyobb biztonság érdekében több, egymással párhuzamosan futó gyűrűrendszert építenek ki. Michael Faraday és a Faraday-kalitka Michael Faraday-t a 19. sz. legnagyobb kísérletezőjeként tartják számon. Számtalan kiemelkedő eredményt ért el az elektrokémia és az elektromágnesség terén, feltárta az elektrodinamika és elektrolízis törvényeit. Az elektrosztatikában a “Faraday-poharas“ elektroszkóppal végzett kísérleteiben megmutatta, hogy a fémre vitt elektromos többlettöltések csak az elektromosan töltött vezető külső felületén helyezkedhetnek el, továbbá külső elektromos mező a vezetővel vagy 46.ábra Michael Faraday (1791-1867)

megfelelő sűrű szövésű dróthálóval körülzárt térrészbe nem hatol be. Ez a jelenség az elektrosztatikus árnyékolás, vagy más néven Faradaykalitka effektus (47.ábra), amit érzékeny elektromos berendezések

külső, zavaró elektromos hatásoktól, pl. villámcsapástól védelmére használnak. Ez az a hatás is, amely megvédi a fémből készült repülőgépek és gépkocsik utasait a villámoktól viharban. A “kalitka” nem csupán a külső elektromos mezővel szemben biztosít védelmet, hanem az üreges fémtest belsejében elhelyezett töltés által keltett 47.ábra Faraday-kalitka

elektromos mezőt is leárnyékolja. Hogyan működik a Faraday kalitka? A könnyebb érthetőség kedvéért tekintsünk egy homogén elektromos mezőbe helyezett üreges fémtestet. A 48. ábrán a külső elektromos mezőt a kék nyilak mutatják. Külső elektromos tér hatására a zárt vezetőben a töltések átrendeződnek: a pozitív töltések a külső elektromos tér irányába, míg a negatív töltések azzal ellentétes irányba mozdulnak el. Ennek hatására a vezetővel körülzárt térben az eredetivel ellentétes irányú, vele azonos nagyságú elektromos tér épül fel. A két elektromos tér egymás hatását kioltja, így a “kalitka” belsejében az elektromos térerősség értéke

nulla

lesz.

A

Faraday-kalitka

effektust

a

belső

villámvédelemben is felhasználják, ugyanis a kalitka az

48. ábra A Faraday-effektus

elektrosztatikus árnyékoláson túl a gyorsan változó elektromos mező ellen is védelmet nyújt. Ebben az esetben, a tökéletes biztonság érdekében, a háló rácsméretének a villámok által keltett elektromágneses hullámok hullámhosszának nagyságrendjébe kell esnie, ezért a védendő tárgyat egybefüggő, üreges, zárt vezetővel veszik körül. A villámvédelem módszerei A villámvédelemi-rendszer tervezésekor három módszert alkalmaznak. Az egyszerűbb formájú, kisebb épületek esetén a védőszöges, míg a bonyolultabb szerkezetű, nagyobb épületeknél a gördülő gömbös módszert használják. Lapos tetejű épületek vagy vízszintes, illetve függőleges falfelületek védelme céljából a védőhálós módszer az elterjedt. Egyidejűleg akár többféle módszert is alkalmazhatnak. A védőszöges módszer esetén a villámvédelem fokozata és a felfogó elhelyezése együttesen határozza meg a védett térrészt. Ha a felfogót függőlegesen rögzítik a tetőre, akkor a védett térrészt egy a védőszögnek megfelelő félnyílásszögű kúpfelület határolja. A tetőgerinccel

49.ábra A kúp-,illetve sátoralakú védett terület védőszöges eljárás esetén

párhuzamosan futó felfogó esetén pedig ezt a térrészt egy ún. “sátorlap” határozza meg a 49. ábrának megfelelően. E jelölt tartományon kívül eső részeket külön védelemmel kell ellátni. Újabb felfogó vezetékek vagy rudak elhelyezése szükséges, melyek védettségi tartománya a védőszöges módszer ismételt alkalmazásával adható meg. Az elhelyezett felfogók mindegyikét a levezetővel össze kell kötni. Az alábbi grafikon különböző védelmi fokozatok és a felfogó referencia ponttól számított magasságának függvényében mutatja a védőszög nagyságát. Pl. II.fokozat és referencia ponthoz viszonyított 10 m magas felfogót tekintve a védőszög nagysága kb. 54o.

.

50.ábra A védőszög meghatározása

Több felfogó rúd esetén a védett térrész meghatározására a gödülő gömbös eljárást alkalmazzák.

51.ábra A gördülő gömb módszere

A módszer lényege, hogy a védendő objektumon vagy tárgyak együttesén képzeletben végiggurítunk egy olyan gömböt, amelynek a sugara a lecsapási távolság. Ha a villám a gömb középpontjába érkezik,akkor ez a gömb jelöli ki azt a térrészt,ahova a villám lecsap, a rajta kívül eső részek védettek. A felfogó rudakat úgy kell elhelyezni, hogy azok megakadályozzák a gördülő gömböknek a védendő objektummal való érintkezését. A gördülő gömb sugarát nagyon sok tényező befolyásolja, így meghatározása nem egyszerű feladat. Általánosan megállapítható azonban, hogy minél kisebb a gördülő gömb sugara, annál kisebb a védett térrész. A legkisebb védettségi szint a 60 méteres lecsapási távolsághoz, a 60 méteres gördülő gömb sugárhoz tartozik. Ez egyben azt is jelenti, hogy a 60 m-nél magasabb épületek oldalát meg kell óvni a villámcsapásokkal szemben.

Erre, valamint a lapostetős épületek villámcsapás elleni védelmére használják a védőhálós eljárást. A módszer fizikai hátterében a korábban már említett Faraday-kalitka effektus áll. Természetesen a védendő objektum fém felülettel való tökéletes körülzárása a gyakorlatban kivitelezhetetlen. Tudjuk, hogy a villámvédelem során tökéletes biztonság nem érhető el, csak az esetleges károk mértéke csökkenthető, ezért az elv egy módosított változatát, a fémhálóval történő befedést alkalmazzák. A hálót a felfogóhoz hasonlóan a levezetőhöz csatlakoztatni kell. A háló méretét a villámvédelmi fokozat határozza meg.

52.ábra A védőhálós módszer

A villámvédelem

A háló rácsmérete

fokozata

(cm)

I.

5x5

II.

10x10

III.

15x15

IV.

20x20

A belső villámvédelem A változó mágneses mező indukciós hatása

Ha belecsap a villám egy épületbe, akkor a villámvezetőben folyó áram időben változó mágneses mezőt hoz létre, amely a közelében elhelyezkedő bármely fémes hurokban feszültséget indukál. A mágneses indukcióvektor időbeli változásából meghatározható a hurkon áthaladó teljes mágneses fluxus, amelynek időbeli változása megadja az indukálódott feszültség nagyságát. Ha a vezetőhurok ellenállását R-rel jelöljük, akkor a vezetőben folyó áram erősségének a maximuma az 𝐼𝑚𝑎𝑥 =

𝑈𝑚𝑎𝑥 𝑅

alapján határozható meg, ahol 𝑈𝑚𝑎𝑥 a hurokban

indukálódott maximális feszültség. (Pl. egy a villámcsatornától 10 m távolságban levő 1m2 területű négyzet alakú hurok esetén, ha a hurok síkja párhuzamos a vezetővel és a visszacsapó villám áramának csúcsértékének megváltozása 100 kA/s, akkor a hurokban 2 kV feszültség indukálódik.) A példából is jól látható, hogy az így létrejött indukált feszültség jelentős túlfeszültséget eredményez a hálózatban. A belső villámvédelem

Ha a villámhárítóba vagy szabad vezetékbe közvetlenül csap be a villám, akkor a fogyasztói hálózatban rövid ideig tartó feszültség-növekedés figyelhető meg. Ennek következtében az adott hálózatban a névleges feszültség sokszorosa is mérhető. Ezt nevezzük túlfeszültségnek,

amely a fogyasztók és az elektromos szigetelések sérülését, károsodását okozhatja. A készülékek meghibásodása, a kiesett üzemidő komoly anyagi károkkal jár. A közvetlen villámkisülések okozta túlfeszültségeken kívül számolnunk kell azzal is, hogy a villámkisülések által létrehozott erős mágneses tér hatására az épületen belüli erősáramú vezetékekben feszültség indukálódik, amely a fent említettekhez hasonló problémákhoz vezethet. Ezért a túlfeszültség ellen is védekeznünk kell. Attól függően, hogy milyen típusú villámcsapás elleni védelemre szeretnénk felkészülni különböző túlfeszültség-levezetőt kell alkalmaznunk. A túlfeszültségek elleni hatékony villámvédelem megvalósítására kidolgozták az ún. zónakoncepciót, amelyet az MSZ EN 62305-4 szabályoz. Lényege, hogy az épület elektromos hálózatát zónákra osztják, az egyes zónahatárokon túlfeszültség-levezetők segítségével egyenlítik ki a potenciált egészen addig, amíg el nem érik a már veszélytelen értéket.

Kérdések és feladatok 1. Nevezd meg azt a két fizikai hatást, amelynek kitűntetett szerepe van a villámvédelemben! Melyiknek mi a szerepe? 2. Mikor beszélünk külső, illetve a belső villámvédelemről? 3. Milyen külső villámvédelmi módszereket ismersz?

4. Mi a villámhárító? Kinek a találmánya? 5. Nevezd meg a villámhárító részeit! Melyiknek mi a feladata?

6. Melyik állítás igaz, melyik hamis? a) Villámhárítót azért telepítenek a házakra, hogy a villámcsapás okozta károk kockázatát csökkentsék. b) Villámhárítóként szolgálhat bármely a ház tetején elhelyezett fémtárgy, amelyet megfelelően földelnek. c) A legtöbb villámhárító pusztán esztétikai okból végződik csúcsban. d) A villámhárító azért nyúlik a magasba, hogy az alacsony felhőkkel érintkezve azokból töltést “szívjon el.”

e) A villámhárítók a zivatarfelhők többlettöltését csökkentik. f) A felhő töltése nem képes a villámhárítóra átjutni, mivel a felhők és a villámhárító közötti levegő jó szigetelő. g) A villámhárító csúcsánál nagy az elektromos térerősség. 7. A hatékonyabb villámvédelem szempontjából a földelt levezető aljától kb. 8-10 m távolságban, közvetlenül a felszín alatt egy körvezetőt helyeznek el. Mit gondolsz, mi a szerepe ennek a körvezetőnek?

8. Az ábrán egy épület falához gyengén rögzített, és egy kiugró kőpárkány miatt meghajlított villámhárítót láthatunk. egy villámcsapás esetén a villámhárítóban rövid ideig 105 A erősségű áram is folyhat. Ekkor az ilyen módon kialakított villámhárító kiszakadhat a falból. Miért? (emelt szintű érettségi tesztfeladat, 2015. május. alapján)