Στατικός ηλεκτρισμός και κεραυνοί

Ποια η σχέση ενός κεραυνού με το μικρό ηλεκτροσόκ που παθαίνουμε όταν αγγίζουμε κάτι μεταλλικό;

κείμενο: Γεωργία Αλέξη, Φυσικός

Ποια η σχέση ενός κεραυνού με το μικρό ηλεκτροσόκ που παθαίνουμε όταν αγγίζουμε κάτι μεταλλικό;
Είναι ο Δίας υπεύθυνος για τα τεράστια ρεύματα που χτυπάνε Γη και ουρανούς;

Η απάντηση δεν βρίσκεται στον Θεό Δία, αλλά στα «θεϊκά» πανταχού παρόντα μικρά υποατομικά σωματίδια, τα ηλεκτρόνια, τα οποία βρίσκονται συνήθως μέσα στο άτομο μαζί με τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Αυτά τα τρία σωματίδια διαθέτουν ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο καθορίζει τις μεταξύ τους ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, τα πρωτόνια θετικό, ενώ τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα.

Μέσα σε κάποια υλικά υπάρχουν ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν ελεύθερα, καθιστώντας έτσι τα υλικά αυτά αγωγούς λιγότερο ή περισσότερο καλούς, ανάλογα με το πόσα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν, ενώ μονωτές είναι τα υλικά που έχουν πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Συνήθως το κάθε άτομο διατηρεί το συνολικό του φορτίο ουδέτερο. Δηλαδή ο αριθμός ηλεκτρονίων και πρωτονίων είναι ίσος. Ωστόσο μπορούν –αν δώσουν ηλεκτρόνια– να φορτιστούν θετικά ή –αν λάβουν– να φορτιστούν αρνητικά. Η ανισοκατανομή φορτίου που προκύπτει λόγω μεταφοράς ηλεκτρονίων δημιουργεί τον στατικό ηλεκτρισμό.

Ένας τρόπος φόρτισης (απόκτηση φορτίου) είναι η επαφή (τριβή). Τον στατικό ηλεκτρισμό τον βιώνουμε πιο συχνά τον χειμώνα που περπατάμε πάνω σε χαλιά. Η τριβή των παπουτσιών με το χαλί κάνει τα ηλεκτρόνια να μεταπηδήσουν από εμάς προς αυτό, και πλέον αποκτούμε περίσσεια θετικού φορτίου. Έπειτα, όταν ακουμπήσουμε ένα μεταλλικό αντικείμενο, τα αρνητικά φορτία του μετάλλου έλκονται από τα δικά μας θετικά φορτία και γίνεται εκφόρτιση (απώλεια φορτίου) που την νιώθουμε σαν ένα μικρό τσίμπημα.
Στατικό ηλεκτρισμό μπορεί επίσης να προκαλέσει η ταχεία μεταφορά θερμότητας, η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας και η επαγωγή, με την τελευταία να πραγματοποιείται χωρίς μεταφορά ηλεκτρονίων.

Πέρα όμως από τα μικρά και αθώα τσιμπήματα ρεύματος που μας χτυπάνε στα χέρια, τον στατικό ηλεκτρισμό τον παρατηρούμε και σε πολύ μεγάλες κλίμακες, στους κεραυνούς, με κάθε άλλο παρά αθώα αποτελέσματα.

Για να ξεσπάσει ο κεραυνός σε ένα νέφος προαπαιτείται η φόρτισή του.

Ο διαχωρισμός θετικών και αρνητικών φορτίων, επιτυγχάνεται λόγω συγκρούσεων των σωματιδίων πάγου με τα σταγονίδια νερού, τα οποία από μόνα τους κινούνται και περιστρέφονται με στροβιλώδη τρόπο μέσα στα σύννεφα. Τα σωματίδια μικρότερου μεγέθους χάνουν ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο μεταφέρεται στα μεγαλύτερα, με αποτέλεσμα οι μικρότεροι παγοκρύσταλλοι να αποκτούν θετικό φορτίο, ενώ οι μεγαλύτεροι να αποκτούν αρνητικό.

Με τη βοήθεια των ανοδικών ρευμάτων, τα μικρότερα και θετικά φορτισμένα σωματίδια πάγου συγκεντρώνονται στην κορυφή των νεφών. Αντιθέτως, τα μεγαλύτερα και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια πάγου, εξαιτίας της βαρύτητας, κινούνται προς τη βάση του νέφους.
Η συσσώρευση αρνητικού φορτίου στο κάτω μέρος των σύννεφων επάγει θετικό φορτίο στην επιφάνεια της Γης.

Οι συνθήκες είναι ιδανικές για να ξεσπάσει ο κεραυνός και εκκρεμεί μόνο ένα «κανάλι» μεταφοράς φορτίων, αλλά ο περιβάλλοντα αέρας είναι μονωτής και δεν επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων στη Γη. Το κανάλι αυτό δημιουργείται τελικά, αν το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί το στατικό φορτίο του νέφους είναι αρκούντως έντονο και ικανό να διώξει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα του αέρα, προκαλώντας ιονισμό, κάνοντας έτσι τον αέρα πλάσμα που είναι αγώγιμο καθιστώντας δυνατή τη μεταφορά φορτίου.

Σε αυτή τη φάση ο κεραυνός σε ένα τυχαίο σημείο και κινούμενος προς τυχαίες κατευθύνσεις, χαράζει πολλές γραμμές ιονισμένου αέρα, σε μια μορφή που θυμίζει ρίζες ενός τεράστιου δέντρου. Οι διακλαδώσεις αυτές ονομάζονται βηματικοί οδηγοί.

Όσο κατεβαίνει προς τη Γη, τα αντικείμενα στην επιφάνειά της αντιδρούν στο ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που τα πλησιάζει, αποκτούν ακόμα μεγαλύτερη ποσότητα θετικού φορτίου, ιονίζουν με την σειρά τους τον αέρα γύρω τους και σιγά-σιγά ξεκινούν τις «ανοδικές ταινίες» του κεραυνού. Όταν συναντηθούν οι ανοδικές γραμμές με τον βηματικό οδηγό, δημιουργούν την αγώγιμη διαδρομή μεταξύ Γης και σύννεφου. Μέσα από αυτόν τον δρόμο διοχετεύεται εν τέλει μαζικά και απότομα ολόκληρη η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που είχε συσσωρευθεί στη βάση του νέφους.

Η παραγωγή θερμότητας που συνοδεύει το τεράστιο ηλεκτρικό ρεύμα του κεραυνού θερμαίνει απότομα τον περιβάλλοντα αέρα, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Ο αέρας διαστέλλεται ξαφνικά και εκρήγνυται, δημιουργώντας έτσι ένα ωστικό κύμα που καταλήγει σε ακουστικό κύμα, τη λεγόμενη βροντή.

Εκτός από την μεταφορά φορτίου που πραγματοποιείται μεταξύ σύννεφου και Γης και προκαλεί τον επικίνδυνο κεραυνό, μπορεί να υπάρξει μεταφορά φορτίων και μέσα στο ίδιο νέφος ή ακόμα και σε δύο διαφορετικά νέφη, δημιουργώντας έτσι τις αστραπές.
Σε κάθε περίπτωση το αποτέλεσμα είναι πάντα εντυπωσιακό.
Υπάρχει ασφαλής τρόπος να έρθουμε σε επαφή με έναν κεραυνό;
Επισκέψου το Κέντρο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ιδρύματος Ευγενίδου και γνώρισε από κοντά μικρούς ελεγχόμενους κεραυνούς. Βιβλιογραφία:

https://www.nationalgeographic.com/environment/natural-disasters/lightning/
https://www.physicsclassroom.com/class/estatics/Lesson-4/Lightning
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S037015731300375X
https://curiosity.com/topics/5-of-the-weirdest-types-of-lightning-curiosity/
https://science.howstuffworks.com/nature/natural-disasters/lightning7.htm





https://physicsgg.me/2020/04/15/%cf%83%cf%84%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c%cf%82-%ce%b7%ce%bb%ce%b5%ce%ba%cf%84%cf%81%ce%b9%cf%83%ce%bc%cf%8c%cf%82-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%ce%ba%ce%b5%cf%81%ce%b1%cf%85%ce%bd%ce%bf%ce%af/