علوم الأرض

البرق والرعد والصواعق ومانع الصواعق

البرق (Lightning) هو الضوء المبهر الذي يظهر فجأة في قلب السماء في الأيام التي تسوء فيها أحوال الجو، وهو عبارة عن الضوء الناشئ نتيجة تصادم سحابتين أحدهما تحمل الشحنة الكهربائية السالبة والأخرى تحمل الشحنة الكهربائية الموجبة، وبذلك ينتج عن التصادم شرارة قوية تصدر على هيئة الضوء الذي نراه فجأة ثم يختفي، في الأيام ذات الطقس السيء.

كما أن هذا الضوء يعقبه صوت عالٍ قادم من السماء وهو ما يسمى بالرعد (Thunder)، وبذلك فإن الرعد هو الصوت الذي يصدر مصاحباً لمعان البرق. ويختلف صوت الرعد من فرقعة حادة إلى دوي منخفض وذلك اعتماداً على طبيعة البرق وبعد السامع عن المصدر. ويسمى صوت الرعد أيضاً الهَزيم. ويحدث الرعد فيزيائياً نتيجة نشوء ازدياد مفاجئ في الضغط ودرجة الحرارة في وسط الهواء المحيط بسبب حدوث البرق. هذا التمدد يشكل بدوره موجات صدمة صوتية تتمثل بصوت الرعد.
والاثنان معاً (البرق والرعد) يطلق عليهما اسم الصاعقة (Thunderbolt).

خصائص:

– متوسط الصاعقة التي تضرب محملة بالشحنات السالبة هو 30 كيلو أمبير، وتنقل ماقيمته خمسة كولومات و 500 جول من الطاقة. الصواعق الشديدة للبرق من الممكن أن تحمل ما قيمته 120 أمبير و 350 كولوم. الجهد الكهربائي متناسب مع طول الصاعقة.

– أما متوسط الصاعقة التي تضرب محملة بالشحنات الموجبة، تحمل 300 أمبير من الطاقة الكهربائية، مايساوي عشرة أضعاف متوسط الصاعقة المحملة بالشحنات السالبة.

– متوسط العلو لمخرجات طاقة كهربائية لصاعقة واحدة، هو حوالي تيراواط (1012 W) وتدوم مدة الضربة لثلاثين ميكروثانية.

– ترفع ضربة البرق درجة حرارة الهواء بشكل متزايد للأماكن الملاصقة للضربة إلى حدود 20,000 °م (36,000 °ف) – حوالي ثلاثة مرات درجة حرارة سطح الشمس. ويقوم حينها بضغط الأجواء الصافية المحيطة بالضربة وينتج موجة صدمة أسرع من الصوت، والتي تضمحل إلى موجة صوتية والتي تسمع وتسمى بالرعد.

– الضربة المعاكسة لصاعقة البرق تتبع شحن للقناة لما عرضة سنتيمتر (0.4 بوصة).

– الأماكن المختلفة لها جهود كهربائية مختلفة وتيارات مختلفة لمتوسط ضربات البرق.

سرعة البرق:

– تبلغ سرعة البرق بضعة عشرات إلى مئات من الكيلومترات في الثانية الواحدة (قد تصل إلى 250 كيلومتر في الثانية للقائد و100 ألف كيلومتر في الثانية للدارة المقصورة الراجعة من الأرض). ويخلط البعض بين سرعة البرق وبين سرعة الضوء حيث يعتقدون بأنها نفس السرعة نظراً لما يرونه من إشعاع عبر مسار الصاعقة حيث يكون انتشار الأخير بسرعة الضوء.

– تكون سرعة الذيل الأسفل التي تغادر سحابة إلى الأرض أكثر من غيرها عادة، مع ذلك لا زالت أقل بكثير من سرعة الضوء. لما كانت عملية التفريغ محتوية على إلكترونات تم فصلها عن ذراتها فإنها تتسارع تحت تأثير المجال الكهربائي الناجم عن فرق الجهد الكهربائي بين السحابة وبين الأرض. تصطدم هذه الإلكترونات بجزيئات وذرات أخرى في طريقها محررة إلكترونات أخرى، مخلفة بالتالي قناة من الهواء المتأين.

– من ناحية أخرى فإن هذه العملية لا تتم دفعة واحدة وإنما على دفعات متتالية. يأخذ “القائد” -leader (أول ضربة للتفريغ البرقي) مجراه على مراحل، محدثاً برقاً على طول 30 متر تقريبا في كل مرحلة وبزمن مقداره حوالى ميكروثانية (جزء من مليون من الثانية). كما أن هناك فترة توقف تبلغ حوالى 50 ميكروثانية بين كل مرحلة والتي تليها.

– عند اقتراب الشحنات من الأرض يحدث التحام بينها وبين الشحنات الصاعدة من الأرض مكونة قصر في الدائرة. تبلغ سرعة عودة البرق من الأرض نحو المنطقة المتأينة سرعات عالية قد تصل إلى ثلث سرعة الضوء، مخلفاً الجزء الأعظم من الضوء الوهاج.

مانع الصواعق:

مانع الصواعق أو مانعة الصواعق أو الشارى، مادة معدنية متصلة مع الأرض ولها طرف مدبب يثبت على الأرض لجمع الشحنات وجذبها ولهذه الآداة فائدة كبيرة فهي تمتص التيار الكهربائي الهائل الناتج من الصواعق، اكتشفه العالم بنيامين فرانكلين. والغرض منها : حماية الأجهزة والمعدات الكهربائية المركبة بالخطوط الهوائية (سكاكين، عازلات …الخ) من زيادة الجهد Over Voltage الناتج من العوامل الجوية (صاعقة).

مكوناتها:

تتكون مانعة الصواعق من ثلاثة أجزاء رئيسية هى : 1- الجسم الصينى. 2- مقاوم. 3- الثغرات الشرارية.

وتصنع المقاومة من مادة الفيليت Villite او من مادة Thyrite في النوع الأمريكى، ومن مادة فاريستور Varistora في النوع الفرنسى. وجميع هذه المواد التي سبق ذكرها هى مواد شبه موصلة Semi-Conductor تعتمد فيها المقاومة على قيمة الجهد. ففى حالة الجهد العادى هى مواد عازلة (مقاومتها كبيرة) وفى حالة زيادة الجهد تقل مقاومة هذه المواد أى تصبح موصلة.

Ground wire وهو نظام يستخدم لحماية خطوط النقل Transmission Lines من الصواعق عند الجهود المختلفة ودائما ما توضع في أعلى منطقة في البرج. ولكى تكون الحماية فعالة يجب أن يكون البرج المثبت على ال Lightening arrestor أو الGround wire له أراضى جيدة.

اين تركب مانعات الصواعق:

تركب مانعات الصواعق قبل المحول وذلك للحماية ضد زيادة الجهد الناتج من حدوث الصاعقة Lightening ويتم توصيل الطرف العلوى لمانعات الصواعق بخط التغذية للجهد المتوسط بموصل له نفس مساحة مقطع الخط أو التفريعة ونفس النوع وذلك عن طريق وصلة مسمارية وكذلك يتم توصيل الطرف السفلى لمانعات الصواعق بسلك الأرضى.

– يتم تركيب مانعات الصواعق في بداية ونهاية الخط.

– بالنسبة للمحطات الكهربية فإنها تخضع لنظام الحماية الصاعقية بصرف النظر عن مكان تواجدها.

– المناطق العمرانية المتكاملة فتظهر أهميته تواجد الأبنية شاهقة الارتفاع حيث يتم وضع مانعة الصواعق عليها وتعمل بدورها كمظلة واقية من التأثيرات الصاعقية.

– أما في المناطق الصحراوية فإنه لا توجد أبنية مرتفعة ولذلك تكون الأبنية المنخفضة الإرتفاع عرضة لخطر الصواعق ولحمايتها يتم وضع أجهزة الحماية فوق مآذن المساجد والمباني وأبراج المراقبة.