atmosferska pražnjenja

Miloš Milid Atmosferska pražnjenja - maturski rad

3

Sadržaj

1. Uvod ............................................................................................................. 5

2. Električne struje u gasovima ......................................................................... 7

2.1 Provodljivost gasova .............................................................. ............... 7

2.2 Nesamostalno i samostalno pražnjenje .................................................. 9

2.3 Samostalno pražnjenje pri normalnom i višem pritisku ....................... 15

3. Munja – varnično pražnjenje u atmosferi ................................................... 19

3.1 Proces stvaranja električnog potencijala u oblaku ................................ 20

3.2 Mehanizam pražnjenja u atmosferi ...................................................... 21

3.3 Vrste munja .............................................................. ........................... 23

4. Zaključak .............................................................. ...................................... 29

5. Literatura .............................................................. ..................................... 31


4

1. Uvod

U gasovima, pri normalnom uslovima tj. na normalnom pritisku i

temperaturi, nema ni jona ni slobodnih elektrona i zato su gasovi dobri izolatori.

Da bi gas postao provodnik potrebno je jonizovati atome i molekule. Jonizacija

gasova se ne vrši sama po sebi, ved su za nju potrebni određeni spoljašnji uzroci,

odnosno, potrebno je utrošiti određenu energiju. Gasovi se mogu jonizovati pod

uticajem rentgenskog i ultraljubičastog zračenja, zračenjem radioaktivnih

elemenata, povišenjem temperature, vrlo visokim naponom između elektroda u

gasu, sudarima molekula, jona, elektrona ili drugih brzih elementarnih čestica sa

molekulima gasa.

Prema načinu jonizacije gasa, pražnjenja se dele na nesamostalna (zavisna,

diskontinualna) i samostalna (nezavisna, kontinualna). Ukoliko se proticanje

električne struje kroz gas ostvaruje samo u prisustvu nekog spoljašnjeg jonizatora,

onda se takvo električno pražnjenje kroz gas naziva nesamostalno pražnjenje. Ako

se bez prisustva jonizatora napon između elektroda, između kojih se nalazi gas,

postepeno povedava, tada pri nekoj vrednosti napona elektroprovodljivost gasa

naglo poraste (samostalno gasno pražnjenje). Usled obrazovanja velikog broja

jona, provodnost gasa je znatno povedana i, pod uticajem visokog napona, nastaje

kroz gas struja velikog intenziteta (varnica). Primer električnog pražnjenja u

atmosferi je munja.

Munja i grom su od pamtiveka bili

obavijeni velom duboke tajne, misterije i

straha čoveka pred sudom Božijim. Čovek

je smatrao da je pojavom munje i groma bio

kažnjavan za napravljene greške i počinjene

grehe. U antičko doba, kad je naučna misao

bila tek u povoju, kod gotovo svih naroda i

kultura, grom i grmljavina su bili znaci

božanskog delovanja. Narodu stare Grčke

grom je predstavljao jedno od Zevsovih Slika 1 - Zevs


5

oružja (slika 1) koje je za njega načinila Minerva, boginja mudrosti. I Grci i Rimljani

su se plašili grmljavine kao znaka da su bogovi loše volje ili da se među njima

događaju svađe i obračuni. Da bi odobrovoljili bogove, obožavajudi ih i bojedi ih

se, svoje hramove su najčešde gradili na mestima koja je pogodio grom i koja su

zbog toga za njih bila sveta. Slično je bilo u kulturama i religijama vedine starih

naroda, a razna praznoverja su se održala i do današnjih dana.

Dugo je vremena trebalo da prođe, da bi se ova pojava u čovekovoj svesti

transformisala u prirodni klimatski fenomen. Tek u XVII veku čovek počinje da se

oslobađa svog praznoverja, a XVIII vek se može smatrati početkom naučnog

tumačenja pojava atmosferskog pražnjenja, koja karakterišu epohalni radovi

fizičara Frenklina, Nolea, Dalibara i ostalih istraživača, koji su protumačili ovu

pojavu.

Devetnaesti vek de biti posveden vizuelnim observacijama i statistikama

pražnjenja zbog nedostatka adekvatnih instrumenata koji bi ubrzali upoznavanje

fenomena atmosferskih pražnjenja. Tek u XX veku, kvalitetniji načini merenja,

snimanja i fotografisanja, omogudili su da se bliže upozna ova pojava i daju neke

numeričke veličine.


6

2. Električne struje u gasovima 2.1 Provodljivost gasova

Električna struja predstavlja usmereno kretanje nosilaca naelektrisanja. U metalima nosioci naelektrisanja su elektroni, a u tečnostima (elektrolitima) joni tj. molekuli ili atomi koji su dobili, odnosno izgubili jedan ili više elektrona. U metalima uvek ima slobodnih elektrona. Kod elektrolita joni nastaju usled disocijacije kiselina, baza i soli u rastvoru ili rastopu bez ikakvog spoljašnjeg dejstva. U gasovima, pri normalnom uslovima tj. na normalnom pritisku i temperaturi, nema ni jona ni slobodnih elektrona i zato su gasovi dobri izolatori. Da bi gas postao provodnik potrebno je jonizovati atome i molekule. Jonizacija gasova se ne vrši sama po sebi, ved su za nju potrebni određeni spoljašnji uzroci, odnosno, potrebno je utrošiti određenu energiju. Gasovi se mogu jonizovati pod uticajem rentgenskog i ultraljubičastog zračenja, zračenjem radioaktivnih elemenata, povišenjem temperature, vrlo visokim naponom između elektroda u gasu, sudarima molekula, jona, elektrona ili drugih brzih elementarnih čestica sa molekulima gasa. Pošto se prilikom jonizacije iz elektronskog omotača ili molekula izbija jedan ili više elektrona, to znači da ovim postupkom nastaju slobodni elektroni i pozitivni joni (slika 2). Oslobođeni elektroni se mogu ponovo sjediniti sa neutralnim atomima ili molekulima stvarajudi od njih negativne jone. Prema tome, pozitivni i negativni joni i elektroni čine gas električno provodnim.

U odsustvu električnog polja, elektroni i pozitivni i negativni joni u gasu se kredu haotično i sudaraju se jedni sa drugima, obrazujudi tako neutralne atome u molekule.

Slika 2 – Jonizacija i vezivanje elektrona


7

Ovaj proces naziva se rekombinacija. Posle prestanka delovanja jonizatora, prethodno stvoreni joni gasa se postepeno svi rekombinuju i gas ponovo dobija svojstva izolatora. Znači, provodljivost gasa ne opadne odjednom nego postepeno tako da je za potpunu rekombinaciju potrebno neko određeno konačno vreme.

Rekombinacija jona nastaje i u prisustvu jonizatora. Prema tome, paralelno procesu jonizacije u gasu odvije se i proces rekombinacije jona i tada postoji određena ravnoteža između broja formiranih i rekombinovanoh jona. Ovo ravnotežno stanje okarakterisano je određenom koncentracijom jona čija vrednost zavisi od snage jonizatora. Snaga jonizatora određena je brojem parova jona koje stvara jonizator u 1 m3 gasa za 1 s.

Ako se jonizovani gas postavi u električno polje, onda se pored haotičnog kretanja pojavljuje i usmereno kretanje jona (slika 3). Pozitivni joni se kredu u smeru električnog polja, a negativni joni i elektroni u suprotnom smeru. Usmereno kretanje jona i elektrona predstavlja električnu struju kroz gas. Proticanje elktrične struje kroz gas naziva se gasno pražnjenje.

Strogo govoredi, elektroprovodljivost gasa nije nikada jednaka nuli jer u njemu uvek ima slobodnih nosilaca naelektrisanja (jona i elektrona), osim ako su preduzete posebne mere zaštite od spoljašnjih uticaja. Naime, gas je u normalnim uslovima uvek izložen uticaju kosmičkog zračenja i radioaktivnom zračenju koje potiče iz Zemljine kore što uslovljava stalno prisustvo određenog broja naelektrisanja u njemu. Međutim, intenzitet jonizacije izazvane ovim uticajima, vrlo je mali, pa se elektroprovodljivost gasova u ovim uslovima praktično može zanemariti.

Karakter pražnjenja kroz gasove zavisi od: prirode gasa, temperature i pritiska; prirode, oblika, dimenzija i uzajamnog položaja elektroda; napona, snage i gustine struje.

Slika 3 – Diskontinualno pražnjenje


8

2.2 Nesamostalno i samostalno pražnjenje

Prema načinu jonizacije gasa,

pražnjenja se dele na nesamostalna (zavisna,

diskontinualna) i samostalna (nezavisna,

kontinualna).

Nesamostalno gasno pražnjenje. Ako

se proticanje električne struje kroz gas

ostvaruje samo u prisustvu nekog spoljašnjeg

jonizatora, onda se takvo električno

pražnjenje kroz gas naziva nesamostalno

pražnjenje. Sa prestankom dejstva

spoljašnjeg jonizatora nesamostalno

pražnjenje se prekida.

Prostor između ploča kondenzatora ispunjen je gasom na koji deluju X-zraci

(slika 4). Usled toga u gasu postoji izvestan broj jona. Obloge kondenzatora su

spojene preko galvanometra za električni izvor čiji napon može da se menja od

nule do nekoliko hiljada volti. Kad na pločama nema napona, ne može se

obrazovati struja kroz gas jer ne postoji polje koje bi pokretalo jone. Tada i

galvanometar stoji na nuli. Povedavanjem napona, počevši od nule, obrazovade se

električno polje pod čijim dejstvom de početi kretanje jona. Pozitivni joni de se

kretati ka katodi, a negativni ka anodi. Tako de se kroz gas, u međuprostoru,

obrazovati jonizaciona struja koja de dalje tedi kroz celo strujno kolo, a

galvanometar de pokazivati njen intenzitet. Za razne vrednosti napona na

galvanometru se očitavaju razne vrednosti struje. Na slici 5 predstavljena je

strujno-naponska karakteristika nesamostalnog pražnjenja.

Slika 4 – Snimanje strujno-naponske karakteristike gasnog pražnjenja


9

U početku struja raste približno

linearno sa naponom, što znači da se

pri nižim naponima jonizaciona struja

ponaša približno po Omovom zakonu

(oblast 1). Međutim, pri nekoj

vrednosti napona, struja prestaje da

raste iako se napon i dalje povedava.

Sve do jedne, relativno visoke

vrednosti napona, jonizaciona struja

zadržava približno konstantnu

vrednost (struja platoa). Nastupila je

neka vrsta zasidenja pošto struja više ne raste i pored povedanja napona (oblast

2). Odgovarajuda vrednost struje na horizontalnom delu krive se zato naziva struja

zasidenja (saturaciona struja). Pri velikoj vrednosti napona struja de naglo porasti

do nesrazmerno vedih vrednosti (oblast 3) što de se manifestovati pojavom

varnice među pločama (pražnjenje prelazi u samostalno).

Samostalno gasno pražnjenje. Ako se, i bez prisustva jonizatora, napon

između elektroda, između kojih se nalazi gas, postepeno povedava, tada pri nekoj

vrednosti napona elektroprovodljivost gasa naglo poraste. Elektroni, koji se u

manjem broju uvek nalaze u gasu (pod dejstvom kosmičkog i radioaktivnog

zračenja), ubrzavaju se električnim poljem u kojem se gas nalazi. Prešavši,

ubrzanim kretanjem, neko rastojanje sudara se sa neutralnim molekulima gasa.

Sudari mogu imati elastičan i neelastičan karakter. Pošto je energija atoma i

molekula kvantovana, oni se mogu nalaziti samo u određenim energetskim

stanjima (energetskim nivoima). Stanje u kojem atom ili molekul imaju najmanje

energije naziva se osnovno stanje. Da bi se atom ili molekul preveo u više

energetsko stanje (ekscitovano, pobuđeno stanje) potrebne su određene energije.

Ako atom dobije dovoljnu količinu energije da se elektron može izbaciti iz

omotača, dolazi do njegove jonizacije. Molekul ili atom u pobuđenom stanju

provede oko 10-8 s posle čega prelazi u neko niže pobuđeno ili osnovno stanje.

Tom prilikom emituje se kvant svetlosti (foton) čija je energija jednaka

energetskoj razlici dva stanja između kojih se vrši prelaz.

Slika 5 – Strujno-naponska karakteristika nesamostalnog gasnog pražnjenja


10

Ako pri sudaru molekul ne dobije dovoljnu energiju da pređe u pobuđeno

stanje, tada ukupna kinetička energija čestica ostaje nepromenjena i takav sudar

je elastičan. Treba odrediti energiju koja se predaje bombardovanoj čestici pri

elastičnom sudaru. Neka elektron mase me koji se krede brzinom 𝑣e0, udara u

molekul mase mm koji miruje (𝑣m0 = 0) (slika 6).

Slika 6 – Elastičan sudar elektrona i molekula gasa

Pri centralnom elastičnom sudaru moraju biti zadovoljeni zakoni održanja

energije i impulsa, tj.

me 𝑣e02

2=𝑚e 𝑣e

2

2+𝑚m 𝑣m

2

2 (2.1)

𝑚e 𝑣e0 = 𝑚e𝑣e + 𝑚m𝑣m (2.2)

gde su 𝑣e i 𝑣m brzine čestica posle sudara. Iz ovih jednačina za brzinu molekula se

dobija

𝑣m =2 me

me + mm 𝑣e0 (2.3)

Koristedi dobijenu brzinu molekula posle sudara može se odrediti deo energije koji se predaje pri elastičnom sudaru

ΔW =𝑚m 𝑣m

2

2=𝑚e 𝑣e0

2

2

4me mm

(me + mm )2 (2.4)


11

Pošto je masa elektrona mnogo manja od mase molekula, tj. me⟪ mm sledi

ΔW =𝑚e 𝑣e0

2

2

me

mm= We0

me

mm (2.5)

gde je We0 =1

2𝑚e 𝑣e0

2 energija elektrona pre sudara. Iz jednačine (2.5) sledi da

elektron molekulu predaje samo mali deo svoje energije tj. odbija se od njega kao

loptica od zida, ne menjajudi brzinu po intenzitetu. Elastični sudari dominiraju u

nesamostalnom gasnom pražnjenju.

Pri vedim energijama elektrona molekul

može biti pobuđen ili jonizovan. U tom slučaju

ukupna kinetička energija čestica nije održana,

ved se deo energije troši na ekscitaciju ili

jonizaciju, odnosno na povedanje unutrašnje

energije čestica koje se sudaraju ili na deobu

jedne čestice na dve (slika 7). Sudari pri kojima

dolazi do ekscitacije ili jonizacije čestica nazivaju

se neelastični sudari prvog reda.

Molekul koji se nalazi u ekscitovanom stanju može pri sudaru sa drugom

česticom (elektronom, jonom ili neutralnim molekulom) da pređe u osnovno

stanje ne emitujudi energiju u obliku fotona, ved predajudi razliku energije čestici

sa kojom se sudara. U ovo slučaju, kinetička energija čestica posle sudara veda je

nego kinetička energija pre sudara. Takav sudar se naziva neelastičan sudar

drugog reda.

Pri neelastičnom sudaru prvog reda jednačine održanja energije i impulsa

imaju oblik

me 𝑣e02

2=

me 𝑣e2

2+

mm 𝑣m2

2+ ΔWu (2.6)

me 𝑣e0 = me𝑣e + mm𝑣m (2.7)

Slika 7 – Ekscitacija atoma


12

gde je ΔWu povedanje unutrašnje energije molekula, koja odgovara prelazu u

pobuđeno stanje. Rešavajudi jednačinu (2.7) po 𝑣e

𝑣e = 𝑣e0 −mm

me𝑣m (2.8)

i zamenjujudi u jednačinu (2.6), dobija se

ΔWu = 𝑚m𝑣e0𝑣m −me + mm

me mm 𝑣m

2

2 (2.9)

Pri datoj brzini elektrona 𝑣e0, priraštaj unutrašnje energije ΔWu zavisi od

brzine 𝑣m kojom se molekul krede posle sudara.

Maksimum energije koju elektron mase me može preneti molekulu mase

mm u neelastučnom sudaru dobija se iz uslova da je prvi izvod priraštaja energije

po brzini 𝑣m jednak nuli, tj.

𝑑(ΔWu)

𝑑𝑣m= mm𝑣e0 −

me + mm

me mm𝑣m = 0 (2.10)

odakle je:

𝑣m =me

me + mm𝑣e0 (2.11)

Zamenom vrednosti za 𝑣m u jednačinu za ΔWu dobija se

ΔWu max =mm

me + mm

me𝑣e02

2=

mm

me + mmWe0 (2.12)

gde je We0 energija bombardujude čestice (elektrona) pre sudara. Ako je

bombardujuda čestica znatno lakša od bombardovane (elektron i molekul),

množilac mm

me +m m u jednačini je blizak jedinici. Prema tome, što je masa

bombardujude čestice manja u odnosu na masu molekula ili atoma gasa utoliko se

veda energija prenosi u neelastičnom sudaru. Znači za ekscitaciju i jonizaciju

atoma i molekula gasa putem sudara najpovoljnije je koristiti elektrone.


13

Pod dejstvom sile električnog polja elektroni, između dva sudara sa

molekulima gasa, dobiju energiju

W = e E λ (2.13)

gde λ srednji slobodni put elektrona. Povedanjem napona između elektroda raste i

jačina polja E, odnosno energija elektrona W.

Kad je napon vedi od neke kritične vrednosti, struja počinje naglo da raste i tada je

ispunjen uslov

e E λ > Wj (2.14)

gde je Wj energija jonizacije molekula. Energija koju elektroni dobijaju u polju,

između dva sudara, sada je veda od energije jonizacije i dolazi do jonizacije

molekula gasa zbog sudara elektrona sa njima.

Pri jonizaciji nastaje jedan elektron i pozitivan jon. Sada, umesto jednog

elektrona, postoje dva. Posle ubrzavanja u električnom polju oni jonizuju nova dva

molekula, a broj elektrona se povedava na četiri. Proces se nastavlja i broj

elektrona raste u obliku lavine. Naglo povedanje broja nosilaca naelektrisanja

(povedanje struje) naziva se udarna jonizacija.

Slika 8 - Multiplikacija elektrona pod uticajem jakog električnog polja


14

2.3 Samostalno pražnjenje pri normalnom i višem pritisku

Posebno je važna pojava samostalnog pražnjenja kroz gas koji se nalazi na

atmosferskom ili vedem pritisku. Razlikuju se nekoliko oblika: pražnjenje varnicom,

pražnjenje u vidu korone i lučno pražnjenje.

Pražnjenje varnicom. Pri velikim jačinama električnog polja između

elektroda u gasu pod normalnim ili povišenim pritiskom dolazi do pojave

varničnog pražnjenja (slika 9). Pri manjim naponima između elektroda obrazuje se

električno polje koje nije dovoljno da izazove udarnu jonizaciju i gas između

elektroda ne pokazuje značajno provođenje elektriciteta. Pri povedanju napona

dolazi do pojave varnice između elektroda, što je znak da je nastupila udarna

jonizacija. Usled obrazovanja velikog broja jona, provodnost gasa je znatno

povedana i, pod uticajem visokog napona, kroz gas nastaje struja velikog

intenziteta. Varnica se pod opisanim okolnostima javlja u vrlo kratkom intervalu

vremena (oko 10-3 s). Usled naglog pražnjenja kroz gas napon obično opadne u

velikoj meri i prestaje efekat udarne jonizacije i varnica se gasi.

Pri ovakvim procesima naglog pražnjenja izdvaja se velika količina toplotne

energije pa se gas zagreje do visoke temperature (reda 104 K), što izaziva njegovo

svetljenje.

Slika 9 – Varnično pražnjenje


15

Pošto postoji velika razlika temperatura u zoni pražnjenja (svetledoj traci) i

okolnom prostoru, gas oko varnice počinje naglo da se širi. To naglo širenje gasa

uslovljava nastanak zvučnog talasa koji čovečje uho registruje kao prasak. Primer

varničnog pražnjenja je munja.

Pri kojem de naponu nastati varnica zavisi od rastojanja između elektroda i

vrste gasa. Tako, na primer, na normalnom atmosferskom pritisku, u vazduhu,

kada su prečnici kugli elektroda 10 cm, za pojavu varnice je potreban napon od

Uk≈3*106 V po metru rastojanja između naspramnih površina elektroda. Ovakve

dve kugle se često koriste za merenje visokog napona. Napon koji se meri veže se

za kugle postavljene na vedim rastojanjima pa se kugle približavaju sve dok se ne

pojavi varnica. Merenjem rastojanja među kuglama može se iz tablica odrediti

vrednost napona.

Varnično pražnjenje štiti dalekovode od previsokog napona (varnično

sniženje napona). Pored toga, varnično pražnjenje se koristi za paljenje gorivne

smeše kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Pri maloj dužini intervala

pražnjenja, ovo pražnjenje izaziva eroziju površine metala, pa se na tome zasniva

obrada metala električnom varnicom (rezanje, bušenje itd).

Pražnjenje koronom. Proces elektronske lavine ne mora uvek da dovede do

varničnog pražnjenja, ved može da izazove i pojavu druge vrste pražnjenja koje se

naziva koronalno pražnjenje. Ovo pražnjenje se javlja pod normalnim i povišenim

pritiskom gasa, kada se on nalazi u nehomogenom električnom polju u blizini

oštrih (šiljastih) elektroda. Koronalno pražnjenje se manifestuje slabim ljubičastim

svetljenjem gasa, koje je pradeno tihim šumom. Pražnjenje je uslovljeno udarnom

jonizacijom molekula gasa od strane elektrona i jona, koji su jakim električnim

poljem dobili velike brzine.


16

Koronalno pražnjenje nastaje pri manjem

naponu između elektroda nego što je potrebno za

nastajanje električne varnice, tako da pri povedanju

napona ovaj oblik pražnjenja prelazi u varnično

pražnjenje. Ako elektrode nisu simetrične, tj. istog

radijusa zakrivljenosti (slika 10), električno polje de

biti najjače tamo gde je radijus zakrivljenosti

najmanji (oko negativnog pola na slici). Povišenjem

napona, u jednom trenutku de se oko elektrode

pojaviti svetlost. Svetlost, koja se javlja pri

koronalnom pražnjenju, emituju pobuđeni molekuli

gasa prelaskom iz pobuđenog u osnovno stanje.

Koronalno pražnjenje se javlja

oko visokonaponskih provodnika, oko

šiljaka i drugih predmeta koji imaju

oštro zakrivljenje delove površine.

Postoji niz praktičnih primena korone,

kao na primer, kod električnih filtara i

gromobrana. Električni filtri se sastoje

iz cilindra sa žicom u sredini, između

kojih vlada jako električno polje. Kroz

cilindar struji gas pomešan sa

prašinom, u kome se usled korone

formiraju joni. U prostoru oko žice ima

najviše jona i oni se lepe sa česticama

prašine, i kao naelektrisane čestice

kredu se ka zidu cilindra. Ovako

nataložen materijal se otresa udarima

automatskih čekida i gas se oslobađa

nečistoda.

Slika 10 – Poprečni presek elektroda kod koronalnog

pražnjenja

.Slika 11 – Električni filtar


17

Lučno pražnjenje. Pod određenim okolnostima pražnjenje u gasu na

atmosferskom ili višem pritisku se može održavati permanentno i pri manjim

naponima. Ako se dve grafitne (ugljene) ili metalne elektrode, pri naponu iznad

40V, kratkotrajno dodirnu, pa posle usijanja postepeno razdvoje između njih se

pojavljuje poseban oblik samostalnog pražnjenja koje se naziva lučno pražnjenje.

Za razliku od električne varnice gde je process pražnjenja veoma kratak i ponavlja

se u određenim vremenskim intervalima, kod električnog luka je proces

provođenja električne struje potpuno stabilan i kontinualan.

Na mestu dodira elektroda postoji

velika međuelektrodna kontaktna

otpornost tako da se to mesto jako

zagreva (5000-6000K) zbog Džulove

toplote. Kada se elektrode razmaknu do

rastojanja od nekoliko milimetara kroz

međuprostor se održava jako pražnjenje,

tako da usijani krajevi elektroda i luk

između njih svetle velikim intenzitetom.

Ova pojava se naziva Voltin luk po tome

što je Dejvi, koji je prvi dobio ovaj luk, ugljene elektrode vezao za polove baterije

Voltinih elemenata (više od 1000), koje su u to vreme bili jedini izvor struje.

Električni luk, na atmosferskom ili višem pritisku, sastoji se od tankog, blještedi

svetlog jezgra oko koga se nalazi hladniji sloj gasa, koji se često naziva oreol. Oreol

je prostor u kome postoji vrlo jaka hemijska aktivnost, dok se jezgro nalazi na tako

visokoj temperaturi da su svi gasovi praktično jonizovani.

Lučno pražnjenje se najčešde upotrebljava na mestima kod kojih je

potreban snažan, a kompaktan izvor svetlosti (projektor za bioskop).

Slika 12 – Lučno pražnjenje


18

3. Munja – varnično pražnjenje u atmosferi

Dok Frenklin nije izveo svoj eksperiment sa zmajem, za elektricitet se mislilo

da ga stvaraju dve sile suprotstavljene jedna drugoj. Od tada se zna da elektricitet

ne može nestati i biti uništen. Elektricitet je za Frenklina bio poput tečnosti koja je

menjala smer proticanja. Dakle, još iz tog vremena datira činjenica da je pozitivan

smer struje smer od pola koji je na vedem, ka polu koji je na manjem potencijalu.

Termine plus u minus pol, provodnici, elektricitet, potencijal, uveo je Frenklin da

bi njegova teorija mogla da opstane. Za te termine zamena nije pronađena ni

danas.

Za dokazivanje svoje teorije da elektricitet

nastaje prilikom udara groma, Frenklin je imao

dosta ideja. Prva ideja je bila privudi elektricitet na

vrh tornja crkve u Filadelfiji. Kako je za izgradnju

tornja bilo potrebno dosta vremena, setio se da bi

bilo lakše približiti se oblacima koji su “bogati”

gromovima. Za to je konstruisao zmaja (slika 13).

Na vrhu zmaja je bila metalna žica (koja je trebalo

da privuče elektricitet), a na rubovima konci od

konoplje. Kako se bojao podrugivanja, nije nikome

govorio o svojim planovima, nego je uz pomod sina

otišao u polje i za vreme oluje pustio zmaja.

Eksperiment u početku nije davao očekivane

rezultate. U trenutku kad je ved posumnjao u

valjanost svoje teorije, uočio je da su konci

konoplje međusobno razmaknuti. Kako se posle navodi u rukopisima, osedaj koji

je imao tada nije nikad zaboravio. Kako bi još više učvrstio teoriju elektriciteta, na

kraj konca je pričvrstio ključ i zmaja ponovo digao što bliže “gromovitim”

oblacima. Nakon nekog vremena na kraju ključa se pojavila evidentna i jasno

vidljiva električna varnica. U trenutku kada je kiša ovlažila konac i ključ, oni su

akumulirali veliku količinu elektriciteta. Frenklinova teorija je dugo ostala

misteriozna i maglovita, jer Frenklin svoje beleške nije objavio.

Slika 13 – Frenklin sa sinom pri svom eksperimentu (www.niri.rs)


19

3.1 Proces stvaranja električnog potencijala u oblaku

Tipični olujni oblak u kome se stvaraju munje je kumulonimbus. To je oblak

velike mase koji dostiže visinu i do 15km. Obično nastaje u toplim razdobljima

godine kada se tlo zagreje, pa se od njega diže topao vazduh i krede prema višim i

hladnijim slojevima atmosfere. Za dalje objašnjenje postoji više hipoteza od kojih

je najznačajnija hipoteza o elektrostatičkoj indukciji.

Hipoteza o elektrostatičkoj indukciji. Prema ovoj hipotezi, razdvajanje

naelektrisanja zahteva struju vazduha na gore (ispunjen uslov ako je toplo vreme).

Struja nosi kapljice vode na gore, tako da dok prolazi kroz hladnije delove

atmosfere, ohlade se do temperature od -100C do -200C. Ovako stvoreni kristali

leda (B) se sudaraju sa drugim (vedim) kristalima (A). U toku sudara, od

novostvorenog kristala leda, stvori se mešavina vode i leda - meki led (D). Zbog

sudara, sa površine kristala se izbijaju elektroni koje apsorbuje meki led, tako da

kristal C ostaje pozitivno naelektrisan, a meki led negativno naelektrisan (slika 14).

Na obe čestice deluju sila gravitacije na dole i sila otpora vazduha na gore.

Gustina leda je manja od

gustine vode, tako da je radijus

kristala leda (C) vedi od radijusa

kristala mekog leda (D) (takođe,

kristal leda ima oblik pahulje, što

dodatno povedava otpor vazduha).

Mase čestica su približno jednake

što uslovljava da su težine čestica

približno jednake. Kod kristala leda

(C), sila otpora vazduha je veda od

težine, tako da se on krede u smeru

vetra (na gore). Međutim, kod mekog leda (D), težina je veda od otpora vazduha

jer se deo čestice sastoji od vode koja “popunjava rupe na površini” i čini je

glatkom (smanjuje otpor vazduha). Zato meki led pada. Zbog ovakvih kretanja, u

oblaku se razdvajaju naelektrisanja i to: pozitivni kristali na gornjem delu i

negativni na donjem delu.

Slika 14 – Razdvajanje naelektrisanja u oblaku


20

3.2 Mehanizam pražnjenja u atmosferi

Kako se naelektrisani oblak krede iznad Zemlje, on svojim delovanjem

indukuje naelektrisanja u tlu. Pošto je donji deo oblaka naelektrisan negativno,

elektroni sa površine Zemlje bivaju primorani da pređu u dublje slojeve, tako da

na površini ostaju pozitivna naelektrisanja. Ovim procesom (influencijom) nastaje

kondenzator kod koga su obloge oblaci i površina Zemlje, a dielektrik je vazduh.

Kada je napon (električno polje) vedi od kritične vrednosti za vazduh,

nastupa inicijalno pražnjenje (udarna jonizacija). To prvo pražnjenje jonizuje

vazduh u vidu kanala i naziva se traser. Pražnjenje prvog trasera je stepenasto

(skokovito). Varnica krene iz oblaka, pređe izvestan put i zastane. U 90%

slučajeva, skokovi su dugi 50 do 100m. Tako da munja do Zemlje dodje u vremenu

reda 100ms. Ovo pražnjenje ima relativno malu jačinu struje – desetine i stotine

ampera. Munja svojim prvim traserom traži najpogodniji put za glavno pražnjenje,

pa otuda i njen krivolinijski i izlomljen oblik.

Kada traser dodje do visine od oko 100m od tla, sa tla polazi pozitivno

naelektrisanje i susrede ga. u tom spoju nastaje prasak i gas počinje da svetli. Ovu

pojavu vidimo kao bljesak (grom).

Slika 15 – Mehanizam pražnjenja u atmosferi


21

Glavno pražnjenje. Pošto je traser ved pripremio kanal, nastupa glavno

pražnjenje. Po završetku prvog pražnjenja dolazi drugo, trede i ostala pražnjenja u

jednom gromu. Svako od ovih ponovljenih pražnjenja ima takođe po dve etape,

uvodno (traser) i glavno pražnjenje. Traseri drugog i ostalih pražnjenja nisu

stepenasti, ved su kontinualni i kredu se po kanalu predhodnog udara. Kada se svi

udari završe, pozitivno naelektrisanje polazi iz Zemlje i prolazi kroz traser i time ga

neutrališe. Zbog velikog napona koji vlada između oblaka i tla, nastaje velika struja

kroz kanal (105A). Kod munje se javlja velika količina naelektrisanja koja prolazi

kroz vazduh, pa se za kratko vreme razvija velika količina toplote, koja zagreva

vazduh neposredno uz provodnu zonu i do 20 000 0C. Zbog velike temperature,

vazduh se naglo širi i jako se povedava pritisak na tom mestu. Taj vazduh stvara

talasni šok koji čujemo kao prasak. Talas ima veliku energiju, tako da može da

pređe velika rastojanja. Međutim, on se na svom putu odbija od raznih prepreka i

izobličava se, te naposletku, kada dođe do nas, čujemo grmljavinu (slika 16).

Slika 16 – Nastanak grmljavine


22

3.3 Vrste munja

Neke munje se izdvajaju po osobinama, tako da su naučnici usaglasili nekoliko vrsta:

- pražnjenje između oblaka i tla, - pražnjenje između i unutar oblaka, - udar u vidu zavese, - loptasta munja, - svemirske munje.

Pražnjenje između oblaka i tla. Ova pražnjenja se dele u četiri grupe (slika

17). Bitne osobine se ogledaju u tome da mogu biti munje „na gore“ (uzlazne) i „na dole“ (silazne). Takođe mogu biti građene od pozitivnih ili negativnih naelektrisanja.

Slika 17 – Klasifikacija munja


23

Negativno silazno pražnjenje krede silaznim kanalom iz oblaka prema tlu i umanjuje negativni potencijal i time napon oblaka prema Zemlji. To je najčešdi tip atmosferskog električnog pražnjenja između oblaka i tla i javlja se u 90% slučajeva (slika 18).

Pozitivno silazno pražnjenje krede se kanalom od dela oblaka koji je pozitivno naelektrisan prema tlu. Ovaj tip munje se javlja približno u samo 10% slučajeva udara oblak-Zemlja. Kod ove vrste, nosioci naelektrisanja su pozitivni joni koji su inertniji od elektrona tako da je struja mnogo manja (mnogo slabiji bljesak munje), ali traje duže vreme (0.1 do 0.2 s). Uzlazna pražnjenja nastaju iznad visokih tornjeva i planinskih vrhova. Znatno su ređa nego silazna pražnjenja. Na slededim slikama su prikazana uzlazna pražnjenja iznad Ajfelove kule (pozitivno pražnjenje) (slika 19) i iznad Mont San Salvatore (negativno pražnjenje) (slika 20).

Slika 20 – Udar iznad Mont San Salvatore

Slika 19 – Udar iznad Ajfelove kule

Slika 18 – Negativno silazno pražnjenje


24

Pražnjenje između i unutar oblaka. Reč je o najčešdem vidu električnog pražnjenja u atmosferi. Ovo pražnjenje ne dopire do Zemlje, nego traser na svom putu naiđe na oblak. Jonizovani kanal krede se horizontalno i može postidi daljinu od više desetina kilometara. Ponekad takav kanal ponovo ulazi u isti oblak ili u drugi, susedni oblak. Dalji tok pražnjenja je isti kao i kod pražnjenja oblak - Zemlja.

Udar groma u vidu zavese je atmosfersko pražnjenje u potpuno posebnom obliku. Ovakav oblik se dešava zbog uzastopnih udara. Naime, objašnjenje je vrlo jednostavno. Masa vazduha koja je sačinjavala jonizovani kanal pražnjenja, vetrom je pomerena. Ako je vetar pravilan i ravnomeran, kanal predstavlja jedno horizontalno pomeranje, ostajudi paralelan samome sebi i svako ponovno pražnjenje de proizvesti po jednu pomerenu luminaciju u prostoru. Neka je vreme pražnjenja u trajanju od jedne sekunde, a vetar ima brzinu 20m/s (72km/h). U tom slučaju de se “zavesa” raširiti 20 metara.

Slika 21 – Pražnjenje između oblaka

Slika 22 – Udar u vidu zavese (šema) Slika 23 – Udar u vidu zavese


25

Loptasta munja. Najčuveniji svedok pojave loptaste munje, profesor Rihman, sa Univerziteta u Petersburgu, nije imao srede. Ostalo je zabeleženo da je on bio prvi naučnik koji je pao kao žrtva sopstvenog eksperimenta. Radio je sa ruskim naučnikom Lomonosovim. Pokušali su da dokažu da je munja električna pojava tako što su organizovali javni eksperiment u prostorijama Univerziteta u Moskvi. Rihman je pred sobom imao neuzemljen štap koji je bio povezan sa šipkom koja je štrčala iz krova, a u ruci je držao elektrometar. Jednog trenutka, na površini niskog oblaka se pojavila vatrena lopta i brzo se spustila na vrh šipke. Istovremeno se na drugom kraju metalnog štapa formirala bledoplava usijana lopta veličine pesnice i nečujno poletela ka naučniku. Pogodila ga je u lice i u sobi se začula eksplozija. Usijani komadi metala, delovi elektrometra, razleteli su se i nagoreli odedu nekolicine prisutnih. Kada se slegao dim, na čelu profesora Rihmana mogla se videti velika crvena mrlja, a na đonu jedne od cipela jasno su se videle dve povede rupe iz kojih se još pušilo. Pošto u to vreme nije postojala fotografija, eksperimentu je prisustvovao umetnik – graver i za potrebe istrage nacrtao svoju verziju događaja (slika 25). Na slici se jasno vidi da je munja bila loptasta. Policiji i sudijama nije bilo teško da shvate da ovog “ubicu” ne treba da uhvate oni nego fizičari. “Lov” koji je usledio traje ved 250 godina i ne može se redi da je krivac ulovljen.

Loptasta munja je dugotrajno električno pražnjenje u vazduhu koje se dešava u toku, ili neposredno posle oluja pradenih grmljavinom. Neki stručnjaci tvrde da se svaka pojava loptaste munje dešava neposredno pre ili posle “obične” munje. Međutim, skoro isti broj je onih koji tvrde suprotno – da su ove dve pojave potpuno nepovezane.

Slika 25 – Loptasta munja (www.niri.rs)

Slika 24 – Ogled Rihman-Lomonosov


26

Termin “loptasta” nagoveštava da je oblik munje sferan i to je tačno u oko 90% slučajeva. U preostalih 10% smestili bi se razni oblici od elipsoida i kruške pa sve do vrlo izduženih formi nalik na štapove. Dimenzije loptastih munja mogu varirati od 5 do 150cm, no da stvari budu komplikovanije, zapažene su i dve vrste neuobičajenih loptastih munja – minijaturne i gigantske.

Minijaturne loptaste munje su manje od 2cm i ponekad se za vreme grmljavine pojave na ispruženom prstu ili se pojave na podu, pa “skoče” na neki šiljast predmet (obično prst).

Poznata su dva zabeležene slučaja pojave gigantskih lopti. U prvom se navodi da je prečnik iznosio oko 5m, a u drugome da je lopta bila veličine autobusa. Čini se, međutim, da su ovi divovi dobrodudni jer za sobom nisu ostavili nikakvu štetu.

Vreme “života” loptastih munja je relativno kratko, obično oko 5s, mada su zabeleženi slučajevi kada je pojava trajala i 5 minuta.

Loptaste munje se tokom postojanja mogu kretati dosta brzo (najčešde oko 2 m/s), ali mogu i da lebde u mestu. Kretanje je obično veoma promenljivo. Lopte nastale na oblacima kredu se pravo ka Zemlji, a naniže se kredu i lopte nastale u blizini tla. Očigledno još jedna greška prirode, jer nauka predviđa da se vatrene kugle moraju kretati uvis u to velikom brzinom. Po ovom pitanju jedino su poslušne neobične munje – one koje nastaju na morskim talasima i poledu pravo ka oblacima.

Ove “nestašne” lopte mogu biti u raznim bojama. Gotovo je podjednaka verovatnoda da de biti bele, narandžaste, crvene ili plave. Očevici tvrde da sjaj obično odgovara lampi od 100 do 200W. Ispuštaju zvuk koji podseda na zujanje ili šištanje.

Nestanak loptaste munje je ponekad neprimetan, ali je najčešde praden eksplozijom posle koje ostaje plavičasta izmaglica oštrog mirisa sličnog mirisu ozona ili sumpora. Posledice eksplozije mogu biti različite. Najčešde su to izgorel i delovi odede i lišde, oljuštena kora sa drveda, gubitak boje kod rastinja, istopljen asfalt, pokvareni uređaji u domadinstvu, telefoni i radio-stanice.

Slika 26


27

Loptasta munja može prodi kroz prozorska stakla ili pukotine na zidu i može da opstane ili čak , da nastane u zatvorenim prostorijama. Uobičajena je pojava u avionima da munja uđe kroz prozor u pilotskoj kabini, krede se duž hodnika i izađe na repu. Ta osobina munja, da se “šetaju” po unutrašnjosti metalnih stvari, u protivurečnosti je sa svim dosadašnjim teorijama o loptastim munjama.

Svemirske munje. Sa visokih planina i satelitskim snimanjima uočena su, do skora, nepoznata električna pražnjenja usmerena od kumulonimbusa ka stratosferi tj. jonosferi, dakle, usmerena od Zemlje. Ova pražnjenja uglavnom se javljaju u paru sa atmosferskim pražnjenjima od oblaka ka Zemlji. Na slici 27 su prikazane do sada identifikovane forme svemirskih munja: plavi mlaz (blue jet), sprajt (sprite) i elv (elve)-disk koji se širi.

Slika 27 – Svemirske munje


28

4. Zaključak

U srednjevekovnoj Evropi je, zbog munja, biti zvonar u crkvi bilo izuzetno

opasno. Tokom oluja s grmljavinom bio je običaj da se zvoni što jače jer se

smatralo da de se time sprečiti da munje udare u vrh crkvenog tornja. Verovalo se

da zvonjava rasteruje zle duhove koji vatrom žele da unište crkvu, a mislilo se i da

buka zvonjave “lomi” munje. Od 1753. do 1786. godine u Francuskoj su munje

386 puta udarile u crkvene zvonike. U tom razdoblju u Francuskoj su, nastojedi da

„slome“ munje zvonjenjem, nastradala 103 zvonara. Znači da je skoro svaka treda

munja koja je udarila u neku crkvu bila za nekoga kobna. Te katastrofalne brojke

dovele su do toga da je francuska vlada 1786. godine zabranila zvonjenje tokom

grmljavine.

Kako sa razvojem civilizacija sve više koristi mreže podzemnih, nadzemnih,

zidnih i podnih kablova, udar munje može u delu sekunde da uništi instalaciju u

nekoliko kuda istovremeno. Najopasnije je vrlo jako magnetno polje koje se

koncentrično širi oko munje i tačke udara, pa u metalnim predmetima i strujnim

vodovima izaziva jake indukovane struje. Ovo delovanje se često potcenjuje iako

su štete nastale udarom groma veoma velike. Da bi se objekti zaštitili od udara

groma, instaliraju se gromobrani.

Iako je mesto udara potpuno

nepredvidljivo, gotovo svi gromobrani su

namenjeni da “privuku” munju. Zbog vede

efikasnosti, na gromobranima su postavljani

štapovi sa malom količinom radioaktivnog

materijala koji jonizujudim zračenjem skredu

kanal trasera i vode ga prema šipki koja je

spremna da prihvati udar groma. Ma koliko

mala bila radioaktivnost mnogi ljudi se plaše

pomisli da im se tako nešto nađe na krovu.

Zbog štetnosti radioaktivnog gromobrana, u

mnogim državama je zabranjeno njihovo

Slika 28 – Radioaktivni gromobran


29

korišdenje. Osim štetnosti, pokazalo se da ovi gromobrani deluju u vrlo

ograničenom području, a zamišljenu loptu jonizovanog vazduha često poremeti

vetar.

Iako u gromobranskoj tehnici nema

apsolutne sigurnosti, niko razuman nede

odbiti gromobransku zaštitu. Vedina

građevina se štiti od pražnjenja

atmosferskog elektriciteta odgovarajudom

gromobranskom instalacijom klasičnog tipa

(Faradejevim kavezom) načinjenim od

metalnih vodova, pravilno postavljenih na

objekat i dobro uzemljenim tako da unutar

kaveza nema električnog polja. Nakon

nekoliko udara u niže spratove dobro

zaštidenih oblakodera, sve veda pažnja se

posveduje nevidljivim kanalima jonizovanog

vazduha koji, nošeni vetrom, omogudavaju da grom udari u nepredviđena mesta.

Mnogo se nade polaže u eksperimente sa snažnim laserskim zracima koji u liniji

jonizuju vazduh između oblaka i tla i tako oblikuju kontrolisani kratak spoj

(veštački traser) za neškodljivo vođenje elektriciteta.

Slika 29 – Klasični tip gromobrana (Faradejev kavez)


30

5. Literatura

1. Predrag Dimitrijevid: Fizika – Elektromagnetizam,

Fakultet zaštite na radu, Niš 2003.

2. Jaroslav Labat: Fizika jonizovanih gasova, Fizički fakultet, Beograd 1991.

3. Vlastimir M. Vučid, Dragiša M.Ivanovid:

Fizika II – Elektromagnetika i optika, izd. „Naučna knjiga“, Beograd 1987.

4. Jevrem Janjid, Ištvan Bikit, Nikola Cindro:

Opšti kurs fizike – drugi deo, izd. „Nauka“, Beograd 2002.

5. Fernandez Ferera: Fizika, izd. „Vuk Karadžid“, Beograd 1978.

6. Opšta enciklopedija Larousse – fizika, izd. „Vuk Karadžid“, Beograd 1973.

7. www.niri.rs 8. www.wikipedia.org

http://www.niri.rs/

http://www.wikipedia.org/

atmosferska pražnjenja

Documents