Warto przeczytać

Piorun to naturalnie występujące wyładowanie elektrostatyczne, zachodzące w atmosferze, zwykle podczas burzy. Może nastąpić pomiędzy ziemią, a warstwą chmur burzowych lub wyłącznie w atmosferze, pomiędzy dwiema warstwami chmur. Przyczyną wyładowań jest występowanie dużej różnicy potencjałów, która sięga wartości 10‑100 MV (megawoltów). Samo wyładowanie niesie prąd o natężeniu nawet do kilkuset kiloamperów. W wyniku uderzenia przepływa ładunek około 5 kulombów i uwalnia się energia o wartości nawet do 1 GJ (gigadżula), powodując wytworzenie plazmyplazmaplazmy o temperaturze rzędu 50 tysięcy K (kelwinów).

Przytoczone liczby świadczą o tym, jak niebezpieczne są pioruny. Dla człowieka mogą być śmiertelne, są jedną z przyczyn pożarów, stanowią też zagrożenie dla wszelkich urządzeń elektrycznych.

R2GO2EaJxl3Ec

Rys. 1. Na rysunku przedstawiono fragment powierzchni ziemi (na zielono). Nad ziemią znajduje się niebo (na niebiesko). Na niebie znajduje się chmura (na biało). Powierzchnia ziemi naładowana jest ładunkiem dodatnim, co przedstawiono za pomocą znaków plus umieszczonych równomiernie na powierzchni. W dolnej części chmury znakami minus zaznaczono ładunki ujemne. Ładunki dodatnie, oznaczone znakami plus, znajdują się w górnej części chmury.

Przyczyna powstawania piorunów

Za wyładowania elektryczne w atmosferze odpowiada zjawisko polaryzacji elektrostatycznej, czyli odseparowanie ładunków dodatnich i ujemnych w objętości chmury. Z reguły, dolna warstwa chmury gromadzi ładunek ujemny, podczas gdy górna jej warstwa pozostaje naładowana dodatnio. Przyczyną powstawania takiego rozkładu są liczne kolizje cząsteczek wody i kryształków lodu wewnątrz chmury oraz różnice w rozkładzie ładunku elektrycznego pomiędzy cząsteczką wody ciekłej i zamarzniętej. Pole elektryczne wytworzone przez chmurę powoduje polaryzację powierzchni ziemi. Na jej zewnętrznej warstwie indukuje się ładunek dodatni.

Powietrze jest izolatorem. Jednak w obecności silnego pola elektrycznego, nawet w dielektryku może pojawić się ścieżka przewodzenia. Dzieje się tak na skutek zjawiska jonizacjijonizacjajonizacji, czyli odrywania elektronów od atomów. W powietrzu pojawia się  wtedy nagromadzenie swobodnych elektronów i jonów dodatnich, które umożliwiają przewodzenie ładunku. Przekształcenie się dielektrycznego powietrza w przewodzącą plazmę umożliwia przepływ dużej ilości ładunku miedzy chmurą a ziemią, w postaci pioruna.

Pioruny występują również ponad powierzchnią ziemi, pomiędzy dolną a górną warstwą chmur burzowych.

Piorunochron, czyli instalacja odgromowa

Wynalezienie piorunochronu przypisuje się Benjaminowi Franklinowi (1706‑1790), jednemu z założycieli Stanów Zjednoczonych, który był jednocześnie filozofem, naukowcem, wynalazcą i politykiem.

RIA9czsozdYsV

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono kształty różnych piorunochronów z końca osiemnastego wieku. Na rysunku znajduje się osiem szkiców przedstawiających piorunochrony. Wszystkie piorunochrony zawierają ostrza, zagięcia lub załamania. Dodatkowo większość z nich ma kształt długiego, wąskiego ostrza.

RTQomm34c02mC

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono ozdobne zakończenia piorunochronów z końca dziewiętnastego wieku. Przedstawiono cztery przykłady. Na pierwszym, piorunochron zakończony jest ozdobną udekorowaną formą w kształcie łzy. Z węższego, górnego końca łzy wyrasta ostrze. W górnej części ostrza znajduje się chorągiewka, nieco niżej, cztery pręty z literami oznaczone wielką literą O, S, N, W wskazującymi na kierunki świata. Jest to tak zwana róża wiatrów. Ten piorunochron pokazywał też zatem kierunek wiatru. W drugim przypadki ostrze piorunochronu udekorowano kształtami przypominającymi liście i kwiaty, które wyrastają z ostrza jak łodygi rośliny. W trzecim przypadku, widoczne są również motywy kwiatowe i liściaste, dodatkowo na piorunochronie znajduje się korona. W czwartym przypadku pokazano piorunochron, w którego dolnej części umieszczono również motyw kwiatowy. Powyżej, na ostrzu znajduje się róża wiatrów, a nad nią chorągiewka w kształcie umieszczonej poziomo laski, na końcu której znajdują się dwa skrzydła. Na lasce zaplecione są dwa węże. Jest to tak zwany kaduceusz. Ten piorunochron również może zatem pokazywać kierunek wiatru.

R7Niu7GIa10pG

Rys. 4. Rysunek przedstawia dwa współczesne piorunochrony zamontowane na dachu drewnianego budynku. Dach jest spadzisty, w formie odwróconej litery „V”, a na jego szczycie zainstalowane są dwa długie metalowe pręty, blisko obu krańców dachu.

Piorunochron pełni podwójną rolę. Po pierwsze, pozwala obniżyć różnicę potencjałów między chmurą, a chronionym obiektem, powodując zjawisko jonizacji powietrza i neutralizację ładunku w chmurze. A gdy to nie wystarczy i do wyładowania jednak dojdzie, piorunochron zapewnia bezpieczne odpłynięcie ładunków do ziemi.

Piorunochron najczęściej ma postać ostro zakończonego pręta (patrz - Rys. 4.), który umieszcza się w najwyższym punkcie budynku. Pręt ten jest uziemiony, czyli przytwierdzony do  grubego przewodnika, który łączy go z tak zwanym uziomem, czyli metalową elektrodą, umieszczoną w wilgotnej warstwie gruntu.

Ochrona przed piorunami

Rozkład ładunku elektrycznego na powierzchni ziemi i w chmurze powoduje powstanie pola elektrycznego, skierowanego od dodatnio naładowanej ziemi do ujemnie naładowanej dolnej warstwy chmury. To pole powoduje wyindukowanie dodatniego ładunku w piorunochronie i odpłynięcie swobodnych elektronów do uziemienia. Na zaostrzonej części piorunochronu gromadzi się ładunek elektryczny o dużej gęstości powierzchniowej. Dochodzi wtedy do wyładowania koronowegowyładowanie koronowewyładowania koronowego, zjawiska występującego dzięki temu, że powietrze wokół piorunochronu ulega jonizacji. Ujemne elektrony zostają przyciągnięte przez dodatnio naładowany pręt piorunochronu, natomiast jony dodatnie – przez chmurę. To z kolei powoduje zmniejszenie ilości ładunku ujemnego w chmurze i obniżenie różnicy potencjałów między chmurą, a powierzchnią ziemi, co przeciwdziała powstaniu pioruna.

Jednak sama jonizacja powietrza wokół chronionego obiektu może nie być wystarczająca. Chmury burzowe (cumulonimbusy) należą do chmur niskich, położonych na wysokości czasami zaledwie kilkuset metrów. Jednak w pionie mogą się rozciągać nawet na kilka kilometrów. Jeśli w ich dolnej warstwie dojdzie do dużego nagromadzenia ładunku, może nastąpić wyładowanie elektryczne. Wtedy piorunochron zapewnia ochronę przez niekontrolowanym przepływem dużej ilości ładunku.

Ponieważ piorunochron, to najwyżej położony punkt budynku, prawdopodobieństwo, że piorun uderzy właśnie w niego  jest największe. Na szczęście, piorunochron jest uziemiony, więc ładunek będzie mógł odpłynąć do ziemi, nie powodując żadnego niebezpieczeństwa.

Słowniczek