شناخت صاعقه از دید مهندس برق – بخش اول

صاعقه یکی از قدرتمندترین و خطرناکترین پدیده های طبیعی است.پدیده ای با میلیون ها کیلو وات توان ولی با انرژی لحظه ای فوق العاده کم با تداوم زمانی در حد میلینیوم ثانیه و با اثرات متعدد و باورنکردنی مانند تولید هزاران درجه حرارت و با توانایی تولید گازهای سمی و تولید گاز ازن، ایجاد امواج سیار الکترومغناطیسی و امواج صوتی نیرومند میباشد.

صاعقه قویترین قوس ممکن در طبیعت میباشد. صاعقه ویژگی های منحصر به فردی دارد که آنها را در هیچ رخداد طبیعی دیگری نمی توان یافت. ویژگی هایی که عمدتا از الکتریسیته ساکن نشات میگیرند. مهمترین این خصوصیات عبارتند از : ولتاژ صاعقه، جریان صاعقه، توان الکتریکی صاعقه، سرعت موج سیار و تعداد دفعات وقوع و تکرار صاعقه.

صاعقه تخلیه ای است که در اثر اختلاف پتانسیل های حدود 100 میلیون ولت بین انتهای ابرهای باردار و زمین به وجود میآید. ولتاژ رخداد صاعقه معمولا از 10 تا 20 میلیون ولت متغیر است و بعضا تا 100 میلیون ولت هم افزایش پیدا میکند. بزرگی این ارقام را وقتی بهتر میتوان درک کرد که آنرا با برق مصرف خانگی 220 ولت مقایسه کنیم. به عبارت دیگر ولتاژ صاعقه آنقدر زیاد است که میتواند بر مقاومت عایقی بسیار زیاد هوا غلبه کرده و موجب شکست الکتریکی آن و برقراری پل الکتریکی در هوا گردد.

جریان صاعقه و میزان آن یک فرایند آماری بوده و با توجه به بررسی های به عمل آمده توسط متخصصین اعداد مختلفی پیشنهاد شده است به طور نمونه احتمال رخداد جریانی در حدود 10 تا 20 کیلو آمپر قابل پیش بینی است اما این مقادیر همیشگی نیست و با بررسی های به عمل آمده در این خصوص مشخص گردیده که کمترین جریان صاعقه اندازه گیری شده 2 کیلو آمپر و بیشترین آن 270 کیلو آمپر ثبت شده است.

به عنوان مثال آقای سارجنت احتمال رخداد جریان صاعقه با دامنه ماکسیمم 13 کیلو آمپر و آقای موسی احتمال رخداد جریان صاعقه با دامنه ماکسیمم 24 کیلو آمپر و آقای اریکسون و آقای اندرسون به اتفاق هم احتمال رخداد جریان صاعقه با دامنه ماکسیمم 31 کیلو آمپر را محتمل ترین صاعقه ها از لحاظ پیک جریان براورد کرده اند.

شایان ذکر است یک آمپر مقدار جریانی است که در طول یک ثانیه از یک سطح مقطع فرضی ، 1 کولن بار الکتریکی عبور کند. سرعت سیر موج صاعقه بسیار زیاد بوده و با تمام نیروی عظیمش تنها در کسری از ثانیه از ابر به زمین میرسد . مشاهدات و محاسبات دقیق سازمان فضایی آمریکا (ناسا) نشان میدهد که تخلیه الکتریکی ابرها معمولا در مدت زمانی کمتر از چند میل ثانیه تا چند صدم ثانیه رخ میدهند. صاعقه گاه میتواند تا 40 هزار کیلومتر بر ثانیه سرعت داشته باشد یعنی میتواند در عرض یک ثانیه ، 20 بار مسیر 2000 کیلومتری تهران تا استانبول را طی کند یا به عبارت دیگر 10 مرتبه این مسیر را به صورت رفت و برگشتی بپیماید.

ابتدا به اختصار ،چند پدیده الکتریکی محیط اطراف خود را بررسی میکنیم. سطح زمین بار سطحی منفی دارد. این بار سطحی در اثر میدان الکتریکی بین بالای جو و سطح زمین القا میشود. اختلاف پتانسیل سطح فوقانی جو با سطح زمین در حدود 400 کیلو ولت و میدان الکتریکی در نزدیک زمین در حدود 100 ولت بر متر است. دلیل اینکه این میدان به ما شوک وارد نمیکند آن است که بدن انسان هادی نسبتا خوبی است.

همان طور که میدانیم اگر یک میله فلزی بر روی زمین نصب شود ، مقداری بار منفی از زمین به خود جمع میکند و توزیع پتانسیل اطراف میله را بهم میزند. بدن انسان هم به همین نحو عمل میکند و در مقابل پتانسیل جو ، چتر محافظ خود میباشد. در یک ابر صاعقه زا ، بار زیر ابر آنقدر زیاد است که بین آن و زمین اختلاف پتانسیلی در حدود 100 میلیون ولت برقرار میگردد.در این حالت اندازه شدت میدان الکتریکی از شدت میدان حاصل از اختلاف پتانسیل 0/4 میلیون ولتی (شرایط عادی) بسیار بزرگتر است،زیرا فاصله بالای جو تا زمین تقریبا 60 کیلومتر است،در حالیکه ارتفاع ابر صاعقه زا از سطح زمین در حدود 2 کیلومتر است. بار بزرگ منفی ابر ، بار مثبت بزرگی را در سطح زمین و در زیر ابر القا میکند. با توجه به اینکه در شرایط طوفانی ، شکست هوا سریعتر رخ میدهد، این ولتاژ زیاد قوس بزرگی ایجاد میکند که بار منفی را به زمین منتقل میکند.

مکانیسم صاعقه بسیار پیچیده است. در یک رعد و برق کامل ، صاعقه نه فقط از ابر به زمین بلکه از زمین به ابر و ابر به ابر هم رخ میدهد. در تخلیه الکتریکی ابر به زمین ، صاعقه با یک پیشاهنگ شروع شده و به صورت پله ای به طرف زمین میجهد، به دنبال آن برق بزرگی از زمین به ابر، به نام ضربه ی برگشت، رخ میدهد. در بعضی مراجع علمی به پیشانی ضربه صاعقه ، پیشانی پله ای نیز گفته میشود. پیشاهنگ ضربه صاعقه ، که بار منفی زیادی از ابر جذب کرده است با ساده ترین مسیر یونیزه به سمت رمین رفته و با نزدیک شدن به زمین، به چند دلیل ، به دنبال نقاط مرتفع میگردد. زیرا نقاط مرتفع زمین، مسیر کوتاه تر و با مقاومت کمتری برای عبور جریان ایجاد میکنند. وقتی پیشاهنگ صاعقه به طرف زمین حرکت میکند، طبیعتا به دنبال نزدیکترین نقطه با پتانسیل صفر میباشد. جستجوی قوس صاعقه به دنبال یک نقطه مرتفع با پدیده دیگری نیز همراه است. هنگام فرود پیشاهنگ، میدان الکتریکی نزدیک آن، آنقدر قوی میباشد که در نقاط نوک تیز بر روی سطح زمین ، تخلیه ی هاله دار صورت گرفته و به سوی پیشاهنگ حرکت میکند. بنابراین صاعقه به سمت این نقاط ختم میشود.

حال به شرح مختصری از این واقعه با طرح یک سوال ادامه میدهیم. چگونه بار مثبت و منفی در یک توده ی ابری شکل ، از هم جدا میشوند؟

در این خصوص نظریه های بسیاری مطرح شده است اما همه نظریه نظریه پردازان به اتفاق به این موضوع اذعان داشته اند که کریستال های یخی دارای بار مثبت بوده و قطرات باران نیز حامل بار منفی میباشند. معمولا توزیع این ذرات به گونه ای است که بارهای منفی در قسمت پایینی ابر جمع میشوند و این امر موجب میشود تا بار مثبت بر روی سطح زمین در زیر ابر تجمع یابد. در این حالت فاصله بین سطح زمین تا سطح پایینی ابر در حدود یک کیلومتر است. تجمیع و شاکله بار بر روی پوسته زمین و سطح پایینی ابر تا زمانی ادامه پیدا میکند که اختلاف پتانسیل بین آن دو از ولتاژ قابل تحمل و استقامت عایقی هوا بیشتر شود سپس با شکست عایقی هوا تخلیه ی الکترواستاتیکی به نام صاعقه رخ میدهد.

در مرحله اول این تخلیه الکتریکی، پیشانی پله ای پایین رونده از طرف ابر به سمت زمین گسترش می یابد در این مرحله با پایین آمدن پله های جریانی در مسیرهایی به طول متوسط 50 متر به سمت پایین ، مرحله انتشار و پیشروی شروع میشود. این مرحله با چشم غیر مسلح قابل رویت نمی باشد.

زمانیکه این پیشانی پله ای به نزدیکی زمین میرسد حاوی چگالی بار منفی زیادی بوده و بار مثبت بسیار زیادی را طبق اصل تصویر بر روی زمین زیر پای خود القا میکند. سپس این دو بار با پلاریته مخالف به شدت راغب هستند که همدیگر را جذب نمایند در این حالت بارهای مثبت تجمع یافته در صدد تشکیل نهری از بارهای مثبت بالا رونده دارند تا به سمت بارهای منفی پایین رونده صعود کرده و در میانه راه با آنها پیوند برقرار نمایند. با این برخورد دو طرفه مسیر هدایت کامل شده و جریان الکتریکی با جاری شدن از ابر به سوی زمین درصدد یکسان سازی اختلاف پتانسیل ایجاد شده بین ابر و زمین است که به این مرحله ضربه بازگشتی گفته شده و درخشش نور صاعقه در این مرحله قابل رویت است. به طور خلاصه فرایند تخلیه صاعقه را میتوان در چهار مرحله اساسی:

• الف.گسترش فلاش گذرا به سوی زمین
• ب.مرحله بلوغ و تکامل
• ج. ضربه پیشاهنگ
• د. ضربه پیشاهنگ تند،دسته بندی نمود.

ادامه این مطلب را در پارت بعدی توضیح میدهیم.

ممکن است آموزش های زیر برایتان کاربردی باشند. حتما بازدید فرمایید:

• دفترچه محاسبات طراحی کامل سیستم حفاظت از صاعقه
• نقشه نصب برقگیر الکترونیکی ساختمان
• جزوه آموزشی آشنایی با سیستم زمین و برقگیر
• جزوه آموزشی تاثیر رعد و برق در خط انتقال برق

همواره به یاد داشته باشید مجموعه مهندسین وب سایت کاربلدها در هر زمان در کنار شما هستند. اگر سوال یا مشکلی داشتید برای ما پیغام بفرستید تا با شما تماس بگیریم.

چنانچه نیاز به آموزش و یا انجام محاسبات یا اجرای پروژه داشته باشید می توانید از خدمات مجموعه ما با کمترین هزینه و بالاترین کیفیت برخوردار شوید.

ما از صمیم قلب معتقدیم که “به عمل کار برآید به سخنرانی نیست!” ما را در عمل محک بزنید.

به امید دیدار.

karbaladha.com

karbaladha@gmail.com

برترین موزیک های روز جهان با ترجمه فارسی و دانلود رایگان