Hva forårsaker St. Elmos ild

Hva forårsaker St. Elmos ild

For de som ikke er kjent, "St. Elmo's Fire "er et navn på gløden som ser ut som blå / violet brann som omgir toppen av spisse metallobjekter under en storm.

Dette fenomenet kan spore sitt navn tilbake til en italiensk saint "Sant 'Ermo" eller "St. Erasmus "rundt 300 A.D., skytshelgen til tidlige Middelhavet sjømenn. Denne gløden hadde en tendens til å dukke opp på toppen av mastrene på skipene under de tordenvær som var i tordenvær. Den generelle overtro gikk at hvis St. Elmo dukket opp, var det et godt gjøremål og et svar på sjømannens bønner, da de voldsomme havene begynte å dø ned og overflaten vindene ville roe. Skulle han (den brennende glød) vises i tider med godt vær, ble det sagt at St. Elmos styrende hånd varslet om en storm.

Charles Darwin skrev selv om fenomenet i et brev til J.S. Henslow, skrev han om en natt brukt på Beagle i tordenvær,

Alt var i flammer, himmelen med lyn, vannet med lysende partikler, og selv meget mastene var spisset med en blå flamme.

Vitenskapelig er dette fenomenet kjent som en "koronautladning" eller "punktutladning." Det kan, og vanligvis, skje på spissen av en ledende overflate under tordenvær. Det kan ses på toppen av kirkebjelker, lynstenger, spissene til flyplugger og vinger, og til og med blader av gress og horn på storfe!

Benjamin Franklin var den første som mer eller mindre korrekt beskrev fenomenet som atmosfærisk elektrisitet i 1749. Han trodde at "ilden" var en måte at lynstenger ville "trekke ut" tordenværs elektrisitet sakte før det bygget opp nok ladning for å danne en streik.

En korona kan dannes når potensialet i et elektrisk felt (i dette tilfellet atmosfæren under tordenvær) er sterkere enn motstanden (i dette tilfellet den spisse ledende stangen) av hvilket som helst medium strømmen (elektroner) vil strømme gjennom. Vitenskapelig er dette kjent som Ohms lov - elektrisk strøm er lik spenning delt av motstand.

Så hvorfor skjer dette under tordenvær, og hvorfor skjer det lettere med spisse metallobjekter?

I et ord (eller to i dette tilfellet): elektrostatisk likevekt. Elektrostatisk likevekt er en naturlig tilstand der en ladet leder (som i tilfelle av et skipets mast) vil ha sin overladningsavstand seg selv like overalt. Dette skyldes at det har like repulsive krefter som virker på det gjennom materialet. I utgangspunktet vil alle elektronene som er tilstede i materialet avstå selv like overalt, fordi de alle avviser hverandre. Dette er viktig å merke seg når det gjelder spisse ledere, som et skips mast og deres elektriske felt.

Elektriske felt vil alltid ha sin kraft rettet helt vinkelrett på lederens overflate. I tilfelle av en flat leder, betyr dette at kraften påføres nedover. Det er på grunn av dette at en spiss dirigent vil ha flere elektroner, og derfor mer lading, på det er tips.

Hvis du tar to magneter og legger dem på en flat overflate, kan de avvise hverandre en viss avstand. Hvis du bøyer den tredimensjonale flate overflaten som gjør midtpunktet mellom de to magnetene spissen, vil du kunne skyve magneter opp mot spissen, og dermed tettere sammen hvis overflaten var flat. Dette skyldes at avstøtningskraften blir påført vekk fra overflaten og ikke mot motsatt magnet. Den bøyde flateinnretningen virker som en isolator av forskjellige slag, og lar ikke kraften strømme gjennom den som påvirker magneten på den andre siden. Resultatet er mer ladning på en buet overflate av en leder i elektrostatisk likevekt. Jo skarpere poenget er, jo mer uttalt resultatet.

Jeg vet hva du tenker. Hvorfor ville ikke elektronene som roterer rundt atomer i det indre av lederen føre til at elektronene spredes videre og dermed ikke tillater opphopning av elektroner på den buede overflaten?

Svaret er en annen truisme som involverer elektrostatisk likevekt. Det utrolige med ledelsen av en dirigent er at hele ladningen eksisterer bare på overflaten av materialet og ikke innenfor den. De elektriske feltlinjene vil bare strekke seg ut fra overflaten og ikke innover. Hvis det var en kraft som eksisterte i overflaten, ville elektronene fortsatt måtte bevege seg som svar på den kraften og dermed ikke være i likevekt. Siden de allerede er i likevekt, er resultatet alt av ladningen som eksisterer på overflaten. Det er dette fenomenet som gjør at vitenskapens geeks overalt kan stå uheldig i et metallbur (et Faraday-bur) mens lynbolter med millioner av volt knekker rundt dem.

Så nå som vi vet at ledende materialer vil ha overflødig kostnad på sine buede overflater, la oss snakke om hvorfor tordenvær forårsaker brann i St. Elmo.

Som nevnt tidligere har ledere bestemte elektriske felt. Gasser kan også ha elektriske felt. I dette tilfellet er gassen luften vi puster. Når atmosfæren er rolig, i tider med godt vær, er dens elektriske feltstyrke ca. 1 volt per centimeter (avhengig av den nøyaktige sammensetningen av luften som er tilstede).Når tordenvær begynner å dannes, vil den elektriske feltstyrken begynne å øke og vil fortsette å gjøre det til den når rundt 10 000 volt per centimeter. Rundt det punktet får du en lynnedslag. Det er i det vinduet med økt feltstyrke over normal og før lynnedslaget at du kanskje ser St. Elmos brann.

Så la oss si hva vi vet om elektrostatisk likevekt og hva vi vet om de økende elektriske feltene i tordenvær og snakk om hvorfor de forårsaker koronas.

Skyer, i dette tilfellet en cumulonimbussky, har en tendens til å ha overskytende mengder positiv ladning på toppen og negativ ladning nederst. Mens forskere fremdeles argumenterer for den nøyaktige naturen til hvorfor dette er, er den mest utelukkede teorien at det er resultatet av to prosesser.

Den første er at skyene inneholder utallige mengder suspenderte vanndråper og isen omkranser. Når fordampning av grunnvann når skyen, blir elektronene tvunget bort fra den positivt ladede stigende dråpen, og gir en negativ ladning nederst i skyen.

Den andre mekanismen involvert har å gjøre med is. Når fordampningsvannet stiger, kan det fryse på høyere høyder. Isklassen vil ha en tendens til å bli negativt ladet mot sentrum. Når isen virvler rundt i skyen, blir de ytre, mer positivt ladede delene igjen mot toppen, og de frosne partiene som er mer negativt ladet, synker mot bunnen. Resultatet av disse to prosessene gir en økende negativ ladning mot bunnen. Dette gjelder i tilfelle av St. Elmos brann på grunn av hvordan denne økende negative ladningen påvirker jordens overflate.

Normalt er luften rundt en sky nok av en isolator for å holde Zeus og hans lynboller i sjakk. I tilfelle av tordenklynger, når lasten fra skyen øker, øker også feltstyrken sin. Dette kan ionisere luften rundt det, noe som gjør det mer ledende. Da overskuddseffektene fra bunnen av skyen begynner å veve seg ned gjennom den stadig økende ledende luften, tvinger den elektronene på jordens overflate (eller ethvert objekt som er festet til jorden, som en bygning eller skipmast) bort . Resultatet er en økende økning av positiv ladning på de forhøyede delene av jorden, som en lynstang.

Ved å bruke elektrostatisk likevekt som en forløper, kan vi se at en gjenstand med en spiss spiss ville ha en relativt høyere konsentrasjon av positiv ladning enn en gjenstand som ikke har en spiss spiss. Til slutt reagerer den positivt ladede spissen med den økende negativt ladede atmosfæren, og en elektrisk strøm blir produsert.

Normalt vil denne prosessen være usynlig. I tilfelle av koronas (nei, ikke øl), når det elektriske feltets potensial er sterkt nok (som på toppen av et skips mast), kan elektroner bli revet fra molekylene deres. Hvis den elektronen kan få nok energi til å unngå å bli tatt opp av et nærliggende molekyl (som fra den økende eller minkende elektriske feltstyrken til en stormsky og luften rundt den), er resultatet gratis elektroner, positivt ladede ioneklynger (ved overflaten av skipets mast) og omgivende luft, alle kolliderer med hverandre i en form for materie kjent som plasma. Plasma vil fluoresceres med lys som gir livet til St. Elmo og hans "brann"!

Fargen på plasmaets glød vil avhenge av hvilken type gass som er tilstede. Siden luften vår består av hovedsakelig nitrogen og oksygen, vil den lyse blå / violet.

Til slutt er St. Elmo og hans fantastiske blå / violette ild bare et resultat av den elektrostatiske likevekten til en leder som påvirkes av det økende elektriske feltpotensialet som oppstår av tordenkloud. Eller som Ben Franklin sa "atmosfærisk elektrisitet."

Legg Igjen Din Kommentar