Faradeyeva kletka

• Kvarkadabrin odgovor
• Komentar bralca

Kvarkadabrin odgovor:
Nekaj je o pojavu strele na naših straneh že napisanega, seveda pa je mnogo stvari ostalo nepojasnjenih, nekaj od njih pa je tudi povsem nenapovedljivih. Eno od teh je na primer natančno mesto, kamor bo strela udarila, torej tisto kar bi nas v resnici iz povsem praktičnih razlogov pravzaprav najbolj zanimalo. No, nekaj stvari kljub temu vemo, namreč to, da strele raje udarijo v visoke objekte, kot so stolpnice, visoka drevesa ali pa hiške na vrhu hriba kot pa neposredno v tla. Razumljivo, če poznamo vzroke nastanka pojava.

Tukaj bomo uporabili poenostavljeno sliko, podrobnosti pa si le poglejte v članku o streli. Torej, med nevihto se poveča električna napetost med oblaki in zemljo. Ker je zrak izredno slab prevodnik, do sproščanja naboja ne pride vse dokler napetost ni dovolj velika (pravzaprav lokalna jakost električnega polja). Ko je temu zadoščeno, se naboj sprosti in pride do strele, ki si poskuša utreti pot najmanjše električne upornosti. Situacija je namreč podobna tisti, če priključimo dve žici z različno upornostjo na isto napetost. Več toka bo steklo po žici, ki ima manjšo upornost (Ohmov zakon I=U/R). Tako si tudi strela izbere pot z najmanjšo upornostjo.

Zrak je zelo slab električni prevodnik, zato strela ponavadi teži k temu, da čimprej udari v kakšen prevodnejši material v stiku s tlemi. Resda tudi tla ne prevajajo dobro, sploh v primerjavi s kovinami, so pa neprimerno boljši prevodnik od zraka. Tu se skriva razlog, zakaj strela udari v visoke objekte, ki so bližje oblakom. Na primer, če imamo hišo in deset metrov vstran enkrat višje drevo, strela verjetneje udari v drevo in ne v hišo. Če pa stojite med nevihto na vrhu gore s prijateljem, ki je deset centimetrov višji od vas, niste nič bolj varni od njega. Dejstvo, da strele raje udarijo visoko, velja samo na grobi skali, ko so višinske razlike znatne, sicer pa je v igri še ogromno majhnih lokalnih dejavnikov, ki jih ne moremo meriti. Primer takega lokalnega dejavnika je na primer nazobčanost oblike materiala, saj bo v špicah jakost električnega polja večja, in s tem tudi večja verjetnost udara strele. Zaradi tega so strelovodi vedno zaključeni s konico.

V zvezi s tem kroži precej neresnic. Na primer, da železo privlači strelo. O.K, če hodite po hribih in nosite s seboj dva metra dolg železen drog, vaši prijatelji pa ne, potem ste ogroženi. Če pa imate jakno z neti ali pa kovinsko čutaro, no potem pa vsekakor ne. Strele nič ne privlači, ona si samo izbere najbolj prevodno pot in če na svoji poti med zemljo in nebom naleti na desetmetrsko kovinsko anteno, npr. televizijsko, jo izkoristi, vi pa ne morete gledati svoje najljubše oddaje.

Kaj je Faradayeva kletka ?

Kovine, ki so odlični prevodniki, imajo zaradi tega še neko prav zanimivo lastnost. V njih nikoli ni elektrostatičnega polja. Elektroni v kovini so namreč skoraj prosti, tako da bi vsakič, ko bi se pojavilo od nič različno električno polje, elektroni zaradi velike prevodnosti skoraj brez upora stekli ter ustvarili električno polje nasprotno prvotnemu. Kovina je namreč navzven električno nevtralna. Če torej z zunanjim poljem elektrone premaknemo, ločimo negativno nabite elektrone od pozitivno nabitih jeder, ki so pritrjena v mreži in se ne morejo gibati. Ko postavimo kos prevodne kovine v električno polje, bo jakost polja znotraj kovine nič, na robu pa se bo nabral naboj, ki zunanje polje izničuje. Naboj na površini je pozitiven in negativen na različnih mestih, odvisno od natančne oblike zunanjega električnega polja in geometrije telesa. Skupen naboj na celotnem robu je seveda enak nič kot na začetku, naboj se kot vemo ohranja.

Kaj se zgodi, če telesu iz idealnega prevodnika izrežemo v sredini luknjo? Kako to vpliva na električno polje? Če ne dodamo v to votlino nobenega naboja, je polje znotraj votline identično enako nič. Notri je polje odvisno izključno od notranjih nabojev, neodvisno od polja zunaj. Takšni lupini iz prevodne kovine pravimo Faradayeva kletka (glej sliko).

Če se nahajate v Faradayavi kletki, kovinski lupini, ki je lahko tudi kletka v dobesednem pomenu, ste popolnoma varni pred elektrostatskim poljem (vsaj dokler je snov, iz katere je narejena kletka, dober približek idealnega prevodnika, to pa je zopet odvisno od frekvence s katero se spreminja električno polje). Kovinsko ohišje, v katerem se nahajate, ima lahko glede na neko zunanjo točko, kot so na primer tla, tudi napetostno razliko 100 000 V in več, vi pa tega ne boste občutili. Brez strahu se lahko ohišja z notranje strani celo dotikate. Morda ste katero izmed tovrstnih demonstracij videli že v živo, na primer v tehničnem muzeju v Münchnu.

Poglejmo, kaj se zgodi, ko udari strela v Faradayevo kletko. Avto, na primer, je vsaj približno Faradayeva kletka, ker je ohišje kovinsko, kljub temu pa ima velike odprtine iz izolatorjev (okna iz stekla ali plastike). Zgornje ugotovitve veljajo le za elektrostatične primere, ko ni nobenega toka, ampak samo napetosti in mirujoči naboji. Pri streli pa tečejo precejšnji tokovi (~10 000 A), ki narastejo do maksimalne vrednosti in spet padejo na nič v približno 100 ns (oba podatka sta iz članka o streli).

To, da strela traja izjemno kratek čas je zelo pomembno za varnost znotraj Faradayeve kletke. Če bi po kovinskem ohišju tekel konstanten tok 10 000 A ali več, bi bilo znotraj veliko magnetno polje, ki pa se ne bi spreminjalo in tako ne bi induciralo nobene električne napetosti. Groba ocena za magnetno polje pri takšnem električnem toku po ohišju velikem kot avto je 10^-2 T (za približno oceno lahko vzamemo polje, ki nastane meter od žice po kateri teče tok gornje jakosti.), kar v statičnem primeru za človeka še ni nevarno. Ker pa se ta tok pojavi in izgine v pičlih 100 ns, bi se inducirala jakost električnega polja reda 100 kV/m. No, to pa bi že znalo biti nevarno. Vendar pa v primeru tako hitro spreminjajočih se tokov elektromagnetno polje ne prodre globoko v kovino (v primeru idealnega prevodnika sploh ne bi, manj kot je prevodnik blizu idealnemu, globlje prodre). Tako lahko predvidevamo, da jo bodo potniki v primeru udara strele v avtomobil z veliko verjetnostjo odnesli brez posledic. V letala na primer, ki letijo skozi nevihtne oblake, večkrat udari strela, pa potniki tega sploh ne opazijo. Tovrstni udari znajo biti nevarni le če strela ustvari mikroskopske luknjice, na primer na rezervoarju z gorivom.

Jadrnica zagotovo ni Faradayeva kletka, saj je iz plastike ali lesa in ne iz kovine. Iz česa točno je jambor ne vem natančno. Če poleg plastike ali lesa vsebuje tudi kovinsko jedro, potem mu lahko pripišemo tudi vlogo strelovoda, ki strelo lepo prevede v morje. V primeru, da ni narejen kot strelovod, bi bil udarec zanj usoden kot je usoden za drevesa, na primer. Znano je namreč, da se drevesa zaradi velike temperature ob udarcu strele razletijo. Če predpostavimo, da je jambor strelovod, potem strela jadrnice ne uniči. Vendar pa smo zgoraj ocenili, da je meter od jambora induciranega električnega polja okoli 100 kV/m. Seveda to ni vrednost polja znotraj človeškega telesa, saj človeško telo ni popolen izolator. Zaradi končne vdorne globine visokofrekvenčnih polj se jakost polja znotraj telesa zmanjša, še vedno pa je lahko dovolj veliko, da povzroči zastoj bitja srca.

Tu sem namerno nekoliko manj natančen, saj je potek dogodkov zelo odvisno od trenutnih pogojev. Tako na primer je mokra koža dober prevodnik, in bo vdorna globina majhna, stekel bo le površinski tok. Kar nekaj ljudi preživi udar strele direktno v telo in jo odnese le z opeklinami, to je površinksimi poškodbami.

Poglej tudi:

• Strela Kako nastane strela in kako se pred njo zavaruješ?
• Zanima me, kam gre energija strele, potem ko ta udari v tla?
• Kako to, da včasih ne slišimo groma po udarcu strele?
• Zakaj ne bi mogli vse te električne energije, ki se sprosti ob udaru strele, shraniti v posebne baterije?
• L i g h t n i n g – A radio script which was broadcast on station WTJH-AM.

(Damijan Markovič in Jure Zupan)

Komentar bralca:
Da strela udari v jadrnico, niti ni tako redek pojav. Pred približno 15 leti je na primer med nevihto strela treščila v našo jadrnico “MRAULA” (9m dolžine, fiberglas, aluminjast jambor višine 12m nad morjem). V trenutku udara je bila jadrnica zasidrana s sidrom in z verigo dolžine okrog 20m. Veriga teče preko kovinskega okova na premcu. Na istem okovu je pritrjena tudi jeklena napona jambora. Zasidranost je bila verjetno srečna okoliščina, saj je velika večina naboja stekla z vrha jambora po naponi in verigi. Ocenjena skupna površina verige in sidra v vodi je bila okrog 0.5 m ², tako da je bila ozemljitev kar dobra. Edina strukturalna poškodba je bila razklana VHF antena na vrhu jambora. Razklana je bila pravzaprav le fiberglas zaščitna cev antene, kovinski del pa je preživel, tako da anteno še vedno uporabljamo! Znotraj jadrnice ni bilo nikakršnih poškodb, tudi ljudem ni bilo nič, le zvonilo jim je po ušesih od hudega poka. V jamboru je prežgalo nekaj električnih žic, ki smo jih morali zamenjati.

Nedolgo po dogodku sem govoril z jadralcem, ki mu je strela udarila v jambor med plovbo v bližini svetilnika Veli rat na Dugem otoku. Uničilo mu je vso električno napeljavo na jadrnici (nedotaknjeni so ostali le kabli zaganjalnika na motorju, saj imajo velik presek), strukturalnih poškodb trupa ali opreme pa ni bilo. Tudi krmarju in posadki ni bilo nič.

Domnevam, da jo sedanje plastične jadrnice v takih primerih relativno dobro “odnesejo”, ker aluminijasti jambori običajno stojijo na kovinskem opornem drogu, ki se znotraj jadrnice spodaj opira na nosilno strukturo kovinske kobilice. Včasih (t.j. pred približno 40 leti, ko sem začel brati jadralne revije) je bilo izredno redko slišati za udarec strele v jadrnico, sedaj pa je to dokaj pogost pojav. Ne upam si zanesljivo presoditi, domnevam pa, da vpliva na večjo pogostost spremenjena gradnja jadrnic (kovinski jambori – prej so bili le ti leseni) in pa zelo povečano število jadrnic (v zadnjih desetletjih morda za faktor 100 v Jadranskem morju)

(Radko Istenič)

-