Kezdőlap


Cím:	A vonalas villámok
Szerző(k):	Szabó Gábor
Füzet:	1938/május, 257 - 266. oldal	PDF \| MathML
Témakör(ök):	Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Becslések szerint évente kb. 16 millió zivatar játszódik le Földünk légkörében. Egy-egy zivatarra állag 200 villámot számítva, a villámok számát így évente 3200 millióra tehetjük. Ha idöbelileg egyenletesen eloszolva mennének végbe a villámlások, akkor minden másodpercre kereken 100 villám jutna, azaz nem múlnék el egy század-másodperc sem anélkül, hogy valahol ne villámlanék a Földön. $^{1}$
A villámok tálnyomó nagy része olyanszerű alakú, mint térképen egy-egy nagyobb folyó a mellékfolyóival és azok ágaival együtt. Ezeket vonalas villámoknak nevezzük. A hasonlóság, mely ezek között és a villamos szikrák között van, a szikráknak már az első megfigyelőiben (Wall, Wézsckler) azt a gondolatot ébresztette, hogy ezek is valószínűleg villamos szikrák, csak óriási nagyok. $^{2}$ Amikor aztán Franklin sárkánykísérleteiből és mások hasonló kísérleteiből bebizonyosodott, hogy zivatarok alkalmával a felhőkben hatalmas villamos töltések vannak, kétségtelen lett, hogy a vonalas villámok lényegileg olyan villamos kisülési jelenségek, mint a laboratórium) villamos szikrák. Amint azonban részletesebben összehasonlít gatták a két jelenséget, kitűnt, hogy a villám nemcsak méreteiben különbözik a szikrától, hanem egyebekben is. Így a villámnál az elektródok, melyek között a kiegyenlítődés végbe megy, nem olyan egyszerűek, mint a szikránál és a villamosság sem tud olyan könnyen mozogni rajtuk, mint a szikra elektródjain. Ha a villám pl. felhő és föld között üt át, akkor egyik elektród a földszint, különböző vezetőképességű anyagaiegyenetlenségeivel, a rajta lévő épületek-, fák- és egyéb növényzettel, mint csúcsokkal; másik a felhő, melynek nem a felületén van eloszolva az elektromosság, mint a szikránál szereplő jó vezető elektródokon, hanem a belsejében is, apró vízrészecskéken, melyeket szigetelő levegő választ el egymástól. Azután a villámnál az elektródok közötti térben is lehetnek töltések, melyek a villám megindulását és lefolyását módosítják; laboratóriumi szikránál ilyen tértöltések nincsenek.
Ebből az következett, hogy a villámot pusztán a laboratóriumi szikra tanulmányozása révén nem lehet teljesen megismerni. Ha lefolyásáról a valóságnak megfelelő képet akarunk kapni, őt magát közvetlenül kell tanulmányozol.
A villámok közvetlen tanulmányozása a múlt század 80-as éveiben kezdődött el azzal, hogy fényképeket készítettek róluk. Természetes dolog, hogy eleinte nyugvó fényképezőgéppel készítettek felvételeket. Már az Így nyert képek is nevezetes megismerésre vezettek. Arra t, j., hogy egyik-másik villám, jóllehet szabad szemmel egyetlenegy villanásnak látszik, nem egy villanásból áll, hanem több, egymást gyorsan követőből és így nem is egy folytonos e villamos kisülés eredménye, hanem több különállóé.

\begin{matrix} 1. ábra. \\ Négyszeres villám fényképének egy része, megnagyítva. Ez volt az első fénykép, \\ mely bár nyugvó fényképező géppel készült, többszörösnek mutatott egy villámot. \\ Készítette H. Kayser, 1884. júl. 16-án, Berlinben. \end{matrix}

Úgy derült ki ez a tény, hogy némelyik fényképen több, egymással párhuzamos villámkép mutatkozott, melyek egymással a legkisebb görbület vagy törés tekintetében is megegyező alakúak toltak. Ilyen képet mutat az 1. ábra.

^{3}

Ilyen fénykép akkor keletkezett, amikor felvétel közbon erős szél fújt és a szól iránya kb. merőleges volt a villám látó vonalára. A kép keletkezésének nem volt elfogadhatóbb magyarázata, mint az, hogy a villámban egymásután több kisülés ment végbe ugyanazon a pályán, ugyanazon a kisülési csatornán, de a szél a kisülési csatornát állandóan eltolta, úgy, hogy a második kisülés már nem ott találta a csatornát, ahol az első kisülés létrehozta, hanem a szél irányában kissé eltolva; a harmadik kisülés még jobban eltolva találta és így tovább. (Szabad szemmel azért látszott egy villanás és egy kisülési csatorna, mert a villanások gyorsan követték egymást és mert két-két villanás között kevéssel tolódott el a csatorna, oly kevéssel, hogy a szem nem tudta szétválasztani azokat.)
Ezen a tapasztalaton elindulva, a villámkutatók, hogy a széltől függetlenül is megállapíthassák valamely villámra nézve, hogy egyszeres-e, vagy többszörös, úgy készíttettek felvételt, hogy a fényképező gépet Rézben tartva, mozgatták, vagy talapzatra helyezve, óraszerkezettel forgatták.

^{4}

Ekkor u. i. az időben egymásután végbemenő kis lilések képei a lemezen egymás mellett keletkeztek. Így készült a 2. ábrán látható villámképp is.

^{5}

\begin{matrix} 2. ábra. Negyven összetevő kisülést mutató villámkép. \\ Készítette A. Larsen 1905. szept. 1.én Chicagoban. Ez a villám 0, 624 mp -ig tartott. Két, \\ egymást követő kisülése közt a leghosszabb idő 0,047 mp volt, a legrövidebb 0,0026 mp . \end{matrix}

Ilyen fényképek segítségével ‐ ismerve a fényképezőgép forgatása sebességét, lencséjének gyújtótávolságát és a villám távolságát, ‐ ki lehet számítani, hogy az összetevő kisülések milyen időközökben követik egymást. De, hogy egy-egy összetevő mennyi ideig tart, azt csak nagyon hozzávetőlegesen lehet megbecsülni. Arról pedig, hogy miképpen játszódik le az időben egy-egy összetevő, semmi felvilágosítást nem lehet kapai. Ezekre a kérdésekre olyan fényképező géppel való felvételektől volt felelet várható, melyben a lencse és fényérzékeny lemez kölcsönös helyzete felvétel közben igen gyorsan változtatható.
Ilyen gépet Boys, angol készített először 1900-ban

^{6}

; de hasznavehető felvételt mink 1926-ban sikerült vele készítenie. Az akkori sikerén felbuzdulva, egész sereg tudós kezdett fényképezni az ő módszere szerint. Különösen Délafrikában Johannesburgban és Fokvárosban Hchonland, Halliday és mások.

^{7}

A 3. ábra ilyen gépet mutat vázlatosan.

^{8}

A filmszalag egy forgatható dob palástjának belső oldalára úgy van ráerősítve, hogy fényérzékeny oldala a dob belseje felé néz. A dob belsejében két lencse, egy-egy fényvisszaverő hasábbal együtt ügy van elhelyezve, hogy a villámrét a filmszalagnak átmérőileg szembefekvő helyeire vetítsenek éles képeket.
Ha a dob felvétel közben nyugodnék, az

A B

villámról az alsó lencse

a b

, a felső

a^{'} b^{'}

képet adná, akár egyidejűleg villanna fel a villám a kisülési csatorna minden pontján, akár nem. Ha azonban a dob forog és nem egyugyanazon pillanatban villan fel a csatorna minden pontja, akkor a később-később felvillanó pontok képei hátrább és hátrább esnek a filmre: a kép eltorzul. Így, ha a villám

A

pontnál kezdődik el és fokozatosan halad

B

felé, akkor az alsó kép

a c

lesz, a felső

a^{'} c^{'}

. Nyilvánvaló, hogy

c

-nek

b

-től, illetőleg

c^{'}

-nek

b^{'}

-ta való távolsága annál nagyobb lesz, minél gyorsabban forog a dob és minél hosszabb idő alatt fejlődik ki a villám. Épp így nyilvánvaló az is, hogy ha megmérjük a két képen a végpontok ellenkező irányú eltolódásait és ismerjük a dob forgása sebességét, illetőleg azt, hogy a film egy pontja másodpercen kint mennyi utat tesz meg, kiszámíthatjuk, mennyi ideig tartott a villám kifejlődése.

\begin{matrix} 3. ábra \end{matrix}

\begin{matrix} Boys-féle fényképező gép vázlatos képe. Ebben a hasábok és lencsékből \end{matrix}

\begin{matrix} összetett képvető rendszer nyugszik, a filmszalag pedig mozog felvétel közben. \end{matrix}

Így készült felvételeik alapján a megnevezett kutatók a felhő és föld között átütő villámokat illetőleg a következő eredményekre jutottak:
a) A villámok java része többszörös, azaz több összetevő kisülés eredménye.
b) Sem az egyszeres villám, sem a többszörösnek az összetevői nem olyan jelenségek, melyek a villámpálya minden pontján egyazon pillanatban játszódnának le, hanem ‐ bár igen rövid idő alatt ‐ de fokozatosan kialakuló, haladó folyamatok.
c) Az egyszeres villám és a többszörösnek az első összetevője egyformaképpen megy végbe. Így: A felhőtől lefelé felvillan egy kb. 50 méter hosszú nyelv, azután kis idő múlva egy másik, de az előbbinél már mélyebbre leérő nyelv azután újabb kis idő mulya egy harmadik és így tovább, mintha valamely gyengén világító dárda indulna ki minden egyes esetben a felhőtől lefelé, amely aztán azzal múlik ki, hogy pályája végén erősebben felvillan. A dárdák ugyanazon az úton haladnak lefelé, amelyen megelőzőik jártak, csak minden következő lejjebb-lejjebb jut, mint a megelőző, míg végre az utolsó a föld színéig leér. Két-két ilyen villanás között 50‐90 milliomod mp telik el és néha 100 ilyen villanás is végbemegy, míg az utolsó a föld színéig leér. Ez az egész lépcsőszerű folyamat igen gyors, nem tart

0 \cdot 01

mp-ig sem. A dárdák mozgássebessége eléri néha a fény sebességének tizedrészét.

\begin{matrix} 4. ábra \end{matrix}

\begin{matrix} Elágazó, lépcsőszerű bevezető kisülés vázlatos képe. Az utolsó vastag vonal \end{matrix}

\begin{matrix} már a visszatérő (fő) kisülést jelzi. \end{matrix}

Schonland ezt a folyamatot, mint hogy ez vezeti be a villámot, vezető kisülésnek nevezte el. Ilyet mutat vázlatosan a 4. ábra.
Mihelyt leérkezik a bevezető kisülés a földhöz, megindul egy másik kisülés a földtől felfelé, ugyanazon a pályán, amit a bevezető kisülés készített. Ennek fénye sokkal erősebb, mint a bevezetőé, különösen a föld színe közelében; feljebb aztán mind jobban és jobban gyengül. Ennek haladása sebessége megközelíti néha a fény sebességének felét. Ezt Schonland visszatérő (fő) kisülésnek nevezte el.

d)

A többszörös villámok 2.-ik s következő összetevői két különbséget is mutatnak az első összetevőhöz képest. Egyik az, hogy bevezető kisüléseik kevesebb zökkenéssel, kevesebb lépcsővel mennek végbe, mint az első összetevőé; gyakran úgy, hogy a felhőtől kiinduló dárdaszerű világító jelenség megakadás nélkül, egyfolytában leér a földig. Ilyen folytonos vezetőjű kisülést mutat az 5. ábra. A másik különbség az, hogy csak az első összetevő szokott elágazni, a többi nem.

\begin{matrix} 5. ábra. \end{matrix}

\begin{matrix} Többszörös villám olyan összetevőjének képe, melynek bevezető kisülése folytonos. \\ A bevezető kisülés jobboldalon, a visszatérő baloldalon. Eachren készítette 1934. \\ júniusban Pittsfieldben Boys-géppel. (Ez az egyik lencse által adott kép.) \end{matrix}

e) Az összetevők igen gyorsan követik egymást; de időközeik eléggé különbözők:

0, 0006

mp és

0, 5

mp között változnak.
Ime, a Boys-féle géppel készült fényképek segítségével sok mindent meg lehet tudni a villámok lefolyását illetőleg. De arra a kérdésre, amely a gyakorlat, különösen a villámcsapások elleni védekezés szempontjából legfontosabb, hogy t. i. milyen erős áram fejlődik ki valamely villámban, a fényképek nem tudnak felvilágosítást adni.
Erre a kérdésre mérések alapján Poekels felelt meg először.

^{9}

Villámhárító huzal közelében, tőle kb. 6 cm távolságban bazalt-rudacskát helyezett el úgy, hogy a rudacska hossztengelye merőlegesen állott a huzalon és a rudacska középpontján átfektethető síkra. Amikor beütött a villám a villámhárítóba, a rudacska mágnessé lett. Abból aztán, hogy milyen mértékben lett mágnessé, ill. hogy mennyi mágnesség maradt benne vissza, következtetett a villámhárítón átfolyt áram erősségének legnagyobb (csúcs-) értékére. Azért következtethetett erre a csúcsértékre, mert ha bazaltrudacskát villamos áram tesz mágnessé, a mágnessé válás foka (a mágneses nyomaték) úgy mutatja a tapasztalat ‐ az áramnak csakis a csúcsértékétől függ; attól nem, hogy mennyi ideig hatott az áram, vagy hogy miképpen változott hatás közben az erőssége.
Lényegileg ugyanígy jár el ma is több amerikai és német mérnök. Csak bazaltrudacska helyett (az örvényáramok kiküszöbölése céljából) vékony acéldrótokból összeállított köteget alkalmaznak.

^{10}

Collins alkalmas foglalatban viaszos papirost helyezett el úgy, hogy a villámhárítóba beütött villámnak át kellett lyukasztania a papirost.

^{11}

A keletkezett lyuk nagyságát meghatározta. Azután próbálgatással megállapította, hogy milyen erős áram tudott éppolyan nagy lyukat ütni a papirosba. Amelyik éppolyat tudott ütni, annak erősségét egyenlőnek vette a villáméval.
Ezeknek az eljárásoknak és a többieknek is, amelyek vázolására már nem térünk ki, az a hátrányuk, hogy csak olyan villámra alkalmazhatók, amely villámhárítóba, vagy más valamilyen vezetékbe csap be. Legújabban Norinder uppsalai tanár dolgozott ki egy módszert, mely akárhová becsapó villámra alkalmazható ‐ hacsak nincs túlságosan messze a becsapódás helye és melynek segítségével nemcsak a csúcsértékét lehet meghatározni a villám árama erősségének, hanem azt is, hogy hogyan változik az áram az időben és hogy mennyi villamosság folyik az áramban.

^{12}

Mi e módszer lényege? Az, hogy a villám áramerősségére és áramerősségének változásaira azokból a mágneses, ill. elektromos erőkből és változásaikból következtet, melyek a villám mágneses ill. elektromos terének azon a helyén jelentkeznek, ahol a mérőberendezés fel van állítva.

\begin{matrix} 6. ábra. \\ Katódsugaras oszcillográf vázlatos képe. \end{matrix}

A mérőberendezés főalkotórésze egy katód sugaras oszcillográf. Ez olyan Braun-féle cső, melybe két síksűrítő úgy van beerősítve, hogy fegyverzeteik síkjai egymásra merőlegesek. (6. ábra.) Ha a csövet működésbe hozzuk, az ernyőjén, ahol a katódsugár-nyaláb éri, fluoreszkáló folt lesz látható. A folt, míg a sűrítők fegyverzetei közt feszültségkülönbség nincs, nem változtatja a helyét Ha azonban az egyik sűrítő fegyverzetei közt feszültségkülönbséget idézünk elő s ennek nagyságát folyton változtatjuk, akkor a fényes folt mozgásba jön, pályája egyenesvonalú lesz. Ugyanez történik, ha a másik sűrítő fegyverzetei közt idézünk elő változó feszültségkülönbséget, de az egyenes, amit a folt most ír le, az előbbire merőleges lesz. Ha egyidejűleg mind a két sűrítőre változó feszültségkülönbséget viszünk, a fényes folt a változások módjának megfelelő görbevonalat ír le. Ha az egyik sűrítőn működő feszültségkülönbség időbeli változását ismerjük, (pl. szinuszos, vagy fűrészfogszerű) akkor a folt által leírt görbevonal segítségével ki tudjuk okoskodni, hogy miképpen változott az időben a másik sűrítőn működő feszültségkülönbség.
Noríreder módszere a felhő és a föld között átütő olyan villámokra alkalmazható, melyeknek kisülési csatornája megközelítőleg függélyes egyenes, és amely villámok hosszát és becsapási helyüknek a mérés helyétől való távolságát ‐ több helyről történő észlelés útján ‐ elég jól meg lehet becsülni. Az ilyen villám mágneses terében az erővonalak vízszintes körök, és a térerősség, annak feltételezésével, hogy egyazon pillanatban a villám egész hosszában ugyanaz az áram folyik, a tér bármely pontjában kifejezhető az áramerősség függvényeképpen. U. i. jelöljük a villám áramerősségét (amperben kifejezve)

i

-vel, a térerősséget a mérés helyén,

P

-ben,

H

-val (gaussban), akkor a Biot-Savart-törvény szerint

\begin{matrix} d H = \frac{1}{10} \frac{i d l}{ϱ^{2}} sin α és \\ H = \int \frac{1}{10} \frac{i d l}{ϱ^{2}} sin α . \end{matrix}

A betűk jelentései a 7. ábrából kitűnnek.

\begin{matrix} 7. ábra. \end{matrix}

Mivel

l = r ctg (180^{\circ} - α) = - r ctg α

\begin{matrix} d l & = r \frac{d α}{sin^{2} α} és \\ ϱ & = \frac{r}{sin α}, \end{matrix}

azért

\begin{matrix} H = \frac{1}{10} \int_{\frac{π}{2}}^{π - δ} r \frac{d α}{sin^{2} α} \cdot \frac{sin^{2} α}{r^{2}} sin α = \frac{i}{10 r} \int_{\frac{π}{2}}^{π - δ} sin α d α = \frac{i}{10 r} cos δ, \end{matrix}

ahonnan

i = \frac{10 r H}{cos δ} = 10 r H \frac{\sqrt[]{h^{2} + r^{2}}}{h} ... (1)

és

\frac{d i}{d t} = 10 r \frac{\sqrt[]{h^{2} + r^{2}}}{h} \frac{d H}{d t} ... (2)

Látni, hogy ha

r

-en és

h

-n kívül még

H

és

\frac{d H}{d t}

is ismeretes, akkor az

i

és

\frac{d i}{d t}

kiszámítható.

\begin{matrix} 8. ábra. \\ A keretantenna és az oszcillográf egyik sűrítőjének kapcsolási módja. \end{matrix}

Norinder a

\frac{d H}{d t}

-t és

H

-t így határozza meg: Függélyes tengely körül forgatható keretantenna végeit ‐ a 8. ábrából látható módon ‐ összekapcsolja egy katódsugaras oszcillográf egyik sűrítőjének fegyverzeteivel. (az

\frac{R}{2}

ellenállásokat az antenna saját rezgéseinek gyengítése végett kapcsolja be). Az antennát olyan helyzetbe forgatja, hogy a várható villám mágneses erővonalai merőlegesen járják át majd az antennahuzal meneteinek síkját, azaz, hogy a várható villám kisülési csatornája a menetek síkjába essék. Az antenna ilyen beállítása persze csakis véletlenül sikerülhet. Többnyire csak azt lehet elérni, hogy a villámon és az antenna közepén átfektethető függélyes sík a menetek síkjával kicsiny szöget zár be (9. ábra). Ha ez a szög

φ

, akkor a térerősségnek a menetek síkjára merőleges összetevője

H cos φ

és az egy menet által körülfogott területen ‐

F