Piorun ciekawe zjawisko fizyczne

Transkrypt

1 Piorun ciekawe zjawisko fizyczne

2 PREZENTACJA WYKONANA W RAMACH PROJEKTU EDUKACYJNEGO PRZEZ UCZNIÓW KLASY III GA GIMNAZJUM IM. EDMUNDA BOJANOWSKIEGO W LUBSKU

3 OTO ONI:

4

5

6 Cel Prezentacji 1. Dostrzeganie piękna przyrody i zjawisk w niej występujących 2. Usystematyzowanie i poszerzanie wiedzy z fizyki. 3. Przekonanie, że prawa fizyki rządzące w przyrodzie można wyjaśniać i przewidywać.

7 Spis treści 1 Uziemienie 2 Butelka lejdejska 3 Benjamin Franklin 4 Co to jest piorun? 5 Warunki powstawania piorunów 6 Wielkości charakteryzujące piorun 7 Rodzaje piorunów 8 Częstotliwość występowania na Ziemi 9 Jak postępować w chwili zagrożenia? 10 Ochrona obiektów 11 Spotkanie z piorunem 12 Czy można stworzyć piorun?

8 Uziemienie Jest to przewód wykonany z przewodnika łączący ciało naelektryzowane z ziemią. W wyniku połączenia ciało naelektryzowane oddaje lub przyjmuje odpowiednią liczbę ładunków ulegając zobojętnieniu

9 Butelka lejdejska Jest to urządzenie służące do gromadzenia ładunku elektrycznego będące pierwszym kondensatorem. Jest to szklana butelka, której obie powierzchnie zewnętrzna i wewnętrzna pokryte są odizolowanymi warstwami metalu. Warstwy te pełnią rolę okładek kondensatora, zaś szkło butelki jest izolatorem.

10

11 Postać Benjamina Franklina Urodził się 17 stycznia 1706 r. w Bostonie jako dziesiąty syn w rodzinie siedemnaściorga dzieci. Jego ojcem był biedny wytwórca świec i mydła Josiah Franklin, pochodzący z Ecton w hrabstwie Northamptonshire w Anglii. Był jednym z twórców Deklaracji niepodległości Stanów Zjednoczonych. Ponadto malował obrazy, prowadził działalność publicystyczną, zajmował się filozofią i dokonał wielu odkryć naukowych. Dorobek Franklina z elektryczności obejmuje teorię zjawisk elektrycznych, w których zakładał elektryzowanie dodatnie i ujemne, co udowodnił na przykładzie butelki lejdejskiej. Stwierdził, że ciała naelektryzowane jednakowo odpychają się, zaś naelektryzowane różnoimiennie przyciągają się.

12 Benjamin Franklin Franklin przeprowadził szereg doświadczeń z latawcami, udowadniając, że ładunki elektryczne spływające z chmur burzowych po wilgotnym sznurze mogą naładować butelkę lejdejską. To on wymyślił zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrycznymi poprzez uziemienie. Uważany jest więc za wynalazcę piorunochronu

13

14

15 Co to jest piorun?

16 Piorun jest to bardzo silne wyładowanie elektrostatyczne w atmosferze, zwykle towarzyszące burzom. Elektrostatyczny przeskok iskry pomiędzy dwoma ciałami na mniejszą skalę obserwujemy na co dzień..

17 . Jeśli naładowani poprzez tarcie dywanu lub innego materiału zbliżymy dłoń do metalowego przedmiotu doświadczymy, że pomiędzy dłonią a przedmiotem przeskoczy iskra. Dzieje się tak bo jesteśmy naładowani ładunkami, a one mając w pobliżu miejsce obojętne elektrycznie, lub naładowane przeciwnymi ładunkami wywołują w powietrzu wyładowanie elektryczne.

18 Im więcej ładunków nagromadzonych i im większa różnica ładunków występujących na przedmiotach - tym na większą odległość może przeskoczyć iskra. Dużą rolę w tym zjawisku odgrywa wilgotność i kształt: wilgotność powietrza - im większa tym łatwiej dochodzi do wyładowania; kształt przedmiotu - rozmieszczenie ładunków zależy od krzywizny przedmiotu (ładunki gromadzą się głównie na ostrzach i kształtach wypukłych).

19 Fazy powstawania pioruna I II III IV V Faza Faza Faza Faza Faza

20 Warunki w jakich pioruny mogą powstawać

21 Pioruny w przyrodzie powstają w wyniku nagromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach. W pierwszej fazie następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu znajdujących się wewnątrz chmury. Napięcie zapłonu jest rzędu V.

22 Taki potencjał chmura wytwarza w ciągu pół godziny dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza. W chmurze burzowej występują duże krople deszczu, bryłki gradu i lodu. Wędrują one, zderzają się, a rozpadając się na mniejsze wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się - ładunek dodatni..

23 W związku z tym ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, z kolei dodatnie - w górnej. Zgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony zaczynają się przesuwać się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie. Jeżeli ładunki natrafią na przeszkodę gromadzą się aż powstała różnica potencjałów pozwoli uzyskać na tyle dużą energię by przebić się przez przeszkodę. Może to być wyładowanie pomiędzy różnymi chmurami, między różnymi obszarami jednej chmury, ziemią lub wodą.

24

25 Wielkości fizyczne charakteryzujące piorun jako prąd elektryczny.

26 -Napięcie: Napięcie między chmurą, a ziemią (dla pioruna ok. kilometrowego) ma wartość kilkuset milionów voltów [V], czyli kilkuset megavoltów [MV] (nie jest to jednak stała wartość, bo zależnie od panujących w danej chwili warunków atmosferycznych [obfitość deszczu, zanieczyszczenie, temperatura i ciśnienie powiertrza] może być mniejsza lub większa). Dla porównania w naszych gniazdkach elektrycznych znajduje się V, w telefonie ok. 40 V, w sieci tramwajowej 600 V, a w liniach wysokiego napięcia do V (4,5 MV).

27 -Natężenie: Także natężenie prądu pioruna jest astronomiczne - przeciętnie A (amperów), ale występują także silniejsze natężenia - do A, a nawet do A. Mając napięcie i natężenie (odpowiednio: V i A) otrzymujemy średnią moc pioruna W (watów), czyli 1 TW (terawat). Jest to moc niewyobrażalnie wielka, która niszczy wszystko, nawet izolatory w liniach elektrycznych wysokiego napięcia.

28 -Moc: Piorun jednak niesie zwykle mało energii (jakieś kwh), a to dlatego, że wyładowanie trwa niezwykle krótko.

29 Rodzaje piorunów.

30 Pioruny Liniowe Występują najczęściej i najlepiej zostały poznane. Mają postać rozgałęzionych linii o długości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Piorun szuka zawsze najkrótszej drogi prowadzącej z chmury do ziemi. Mimo to nie przebywa jej w linii prostej, lecz wężowatej, nieraz znacznie dłuższej od najkrótszego możliwego odcinka

31 Dzieje się tak dlatego, że powietrze, które bardzo słabo przewodzi elektryczność, nie jest substancją ściśle jednorodną. Istnieją w nim miejsca lepiej i gorzej przewodzące prąd elektryczny, a piorun starając się biec po linii najmniejszego oporu, wybiera drogę wzdłuż linii najlepszego przewodnictwa elektrycznego

32 Lepszym przewodnikiem jest wilgotne powietrze, dlatego gdy podczas burzy pada deszcz, pioruny mają tendencję przebiegania w miejscach najobfitszych opadów. Również ciepłe i zanieczyszczone (np. przez pył i sadze) powietrze nieźle przewodzi elektryczność, pioruny więc chętnie uderzają w kominy fabryczne, tym bardziej że są one wysokie.

33

34

35

36 Pioruny kuliste Są bardzo rzadko spotykanymi kulami rozżarzonego gazu. Kule te znajdują się w ruchu obrotowym. Powstają w przestrzeni między dwoma błyskawicami biegnącymi blisko siebie w przeciwnych kierunkach. Wir podtrzymuje równowagę sił między ciśnieniem zewnętrznym wywieranym przez powietrze i siłą odśrodkową ruch obrotowego gazu. Równowaga utrzymuje się do momentu, kiedy do środka świecącej kuli gazowej przeniknie powietrze z zewnątrz. Gdy to nastąpi, wówczas piorun kulisty eksploduje z hukiem zaś ładunek elektryczny przepływa do Ziemi przez przypadkowy przewodnik powodując np. porażenie organizmów żywych i pożar. Prawie połowa zaobserwowanych piorunów kulistych posiadała ogon, wydzielała iskry lub ogniste języki

37

38

39

40 Pioruny paciorkowe Są widoczne w postaci oddzielnych punktów świetlnych najczęściej w miejscu wyładowania liniowego i koloru czerwonobrunatnego.

41

42

43 Częstotliwość występowania na Ziemi.

44 Największą liczbę wyładowań atmosferycznych notuje się na równiku gdzie mamy klimat tropikalny. Szczególnie duża liczba burz notowana jest w środkowej Afryce. Najbardziej burzowym rejonem jest Indonezja. W rejonie wyspy Jawa pioruny biją średnio 322 dni w roku.

45 Istnieje zróżnicowanie regionalne co do ilości burzowych dni w ciągu roku i rocznej liczby uderzeń pioruna na kilometr kwadratowy. Dla potrzeb norm krajowych postanowiono nie rozpatrywać poszczególnych rejonów kraju, ale prognozować zagrożenie piorunowe dla większych obszarów. Na podstawie długoletnich obserwacji, przyjęto, iż w Polsce występuje 25 dni burzowych w roku na terenach południowozachodnich oraz 20 dni burzowych w roku w pozostałej części kraju. Uwzględniając ilość dni burzowych, można określić roczną liczbę uderzeń pioruna na 1 km2. Wartości te wynoszą odpowiednio 1,8 uderzenia dla terenów o szerokości geograficznej powyżej 51 30' oraz 2,5 uderzenia dla pozostałej części kraju.

46 Istnieją miejsca na Ziemi (np. Wyspa Jawa), które mają średnio 222 dni burzowe w roku, ale występują tam też lata, w których jest ich aż 322. W Polsce rocznie jest ok. 36, a na wybrzeżu Kalifornii do 8 dni burzowych. Rocznie na świecie porażonych przez pioruny jest kilka tysięcy osób, dziennie kilkudziesięciu. Cały czas nad powierzchnią ziemi szaleje ponad 40 tys. burz. W czasie burzy na naszych terenach pojawia się średnio 65 piorunów na godzinę, a w rejonach tropikalnych nawet na godzinę. W każdej chwili na całym świecie ma miejsce 3000 do 5000 burz, każda z nich wytwarza energię bomby wodorowej. W każdej sekundzie 100 piorunów uderza w ziemię.

47 Jak postępować w chwili zagrożenia?

48 Istnieją podstawowe zasady bezpieczeństwa, których należy przestrzegać będąc poza domem podczas burzy. Przede wszystkim należy pamiętać, aby nie pozostawać w dużych grupach na otwartych przestrzeniach. Poza tym nie można szukać schronienia pod drzewami ani w pobliżu zbiorników wodnych. Należy także pozbyć się wszystkich przedmiotów z metalu, ponieważ ściągają one wyładowania elektryczne. Przestrzeganie tych zasad zminimalizuje ryzyko porażenia piorunem i pozwoli na podziwianie piękna tego niebezpiecznego zjawiska. Osoba przebywająca na otwartej przestrzeni powinna znaleźć pomieszczenie, budynek, ziemiankę i ukryć się w nim.

49 Z braku innej możliwości schronić się w zagłębieniu terenu, nie kłaść się na ziemi. Najbezpieczniej jest ukucnąć ze złączonymi i podciągniętymi do siebie nogami, ponieważ po uderzeniu pioruna, w wyniku rozpływu ładunku w postaci prądów powierzchniowych, może dojść do przepływu prądu między stopami poprzez ciało ofiary (skutek powstania różnicy napięć, tzw. napięcia krokowego. Należy odrzucić lub położyć na ziemi duże przedmioty metalowe przewodzące prąd. Trzeba również oddalić się od zbiorników i cieków wodnych (podobnie połacie wilgotnego mchu stanowią zagrożenie). Osoby znajdujące się w górach powinny niezwłocznie zejść ze szczytów i grani, około 100 metrów niżej, najlepiej na stronę zawietrzną (przeciwną do kierunku zbliżania się burzy).

50 Mogą one usiąść na plecakach (nie na stelażu!), tak aby odizolować się od podłoża i zabezpieczyć przed wtórnym porażeniem od prądów powierzchniowych. Próbując kryć się w jaskiniach lub wnękach trzeba uważać, aby nie znaleźć się w miejscach, w których można stać się "pomostem" dla przepływających prądów (np. wejścia jaskiń, wąskie lub niskie groty). Strop powinien znajdować się co najmniej 3 metry nad nami, a ściany 1 metr od nas. Nie można dotykać wysokich, pionowych ścian skał. Bardzo dobrymi miejscami na schrony są wnętrza klatek, kratownic (w tym i masztów), wagoników kolejki górskiej.

51 Ochrona obiektów przed skutkami uderzeń pioruna

52 Urządzeniem zabezpieczającym budynki przed uderzeniem pioruna jest piorunochron zwany dawnej odgromnikiem. Piorunochron został skonstruowany przez Beniamina Franklina. Przez wiele lat zajmował się on badaniami nad zjawiskiem elektryczności i udowodnił, że piorun jest rodzajem takiego zjawiska. Prototyp piorunochronu zainstalował najpierw na swoim domu. Potem urządzenia te były coraz powszechniej montowane w wielu domach w Filadelfii. Do Polski piorunochrony dotarły pod koniec lat 70-tych osiemnastego wieku. Pierwszy został zainstalowany w Warszawie w 1778 roku. Jako jeden z pierwszych obiektów w odgromnik został zaopatrzony Zamek Królewski w Warszawie. Pojawiły się również rozmaite poradniki dotyczące tego jak własnoręcznie budować piorunochrony i co robić w razie porażenia piorunem.

53 Prototyp piorunochronu zainstalował najpierw na swoim domu. Potem urządzenia te były coraz powszechniej montowane w wielu domach w Filadelfii.Do Polski piorunochrony dotarły pod koniec lat 70-tych osiemnastego wieku. Pierwszy został zainstalowany w Warszawie w 1778 roku. Jako jeden z pierwszych obiektów w odgromnik został zaopatrzony Zamek Królewski w Warszawie. Pojawiły się również rozmaite poradniki dotyczące tego jak własnoręcznie budować piorunochrony i co robić w razie porażenia piorunem

54 Zadaniem piorunochronu jest odprowadzanie wyładowania elektrycznego do ziemi. Dlatego jeden z elementów tego urządzenia musi stanowić metalowy pręt instalowany w najwyższym punkcie budynku. Pręt taki musi być połączony przewodem z metalowa płytą umieszczoną pod powierzchnią ziemi.piorunochron jest ważnym elementem ochronnym każdego budynku, szczególnie wolno stojącego. Trzeba zdawać sobie sprawę, że brak takiej ochrony może zakończyć się porażeniem lub pożarem

55 Skutki spotkań człowieka z piorunem

56 Porażenie człowieka przez piorun pozostawia ślad na całe życie. Pioruny rażą co roku kilkadziesiąt osób w Polsce. Kilka ginie. Ci co przeżyli spotkanie z potężną energią, mówią, że tego się nie zapomina. Skutki można odczuwać latami.

57 Rocznie na świecie pioruny rażą kilka tysięcy osób, dziennie kilkadziesiąt, a ponad trzy czwarte z nich uchodzi z tych niebezpiecznych spotkań z życiem. Do rekordzistów należy Roy C. Sullivan z USA, porażony piorunem w roku 1977 aż siedem razy!

58 Co jednak dzieje się, gdy błyskawica dosięgnie człowieka? Wbrew oczekiwaniom nie staje on w płomieniach.. Piorun najczęściej spływa bez śladu po ciele ofiary. Czasem widać oparzone miejsca, przez które wszedł i wyszedł. Bywa też, że na skórze osoby porażonej pojawiają się tak zwane figury piorunowe (figury Lichtenberga), drzewkowate sinoczerwone lub brunatne pasma. Znane są przypadki, że piorun spopielił ubranie człowieka, w którego trafił, a metalowe części jego ubrania lub monety, które miał w kieszenii, doprowadziły do poparzeń.

59 W jaki sposób powinien zachować się człowiek w chwili zagrożenia uderzenia piorunem? W czasie burzy należy unikać: drzew, masztów, anten i linii przesyłowych (telefonicznych i energetycznych), w nie bowiem najczęściej uderzają pioruny. Nie należy także trzymać w dłoni metalowych przedmiotów: lasek, parasoli, itp. Równie ryzykowne jest przebywanie wówczas na jeziorach i rzekach. Osoby zaskoczone przez burzę na wodzie powinny jak najszybciej dopłynąć do brzegu i poszukać schronienia pod namiotem, na przydrożnym przystanku autobusowym lub najbliższym zabudowaniu. W celu uniknięcia porażeń w czasie burzy należy sie poruszać powoli i małymi krokami.

60 W jaki sposób powinien zachować się człowiek w chwili konieczności udzielenia I pomocy porażonemu piorunem? Porażonego piorunem można dotykać bez obaw, inaczej niż przy porażeniu prądem z sieci. Patrząc na własne bezpieczeństwo wezwijmy pogotowie. Sprawdźmy oddech i tętno. Gdy ofiara oddycha sama i czujemy puls ułóżmy ją na boku i okryjmy. Jeśli porażony nie oddycha zastosujmy sztuczne oddychanie. Jeśli tętno jest niewyczuwalne- tzw. resuscytację, czyli 30 uciśnięć klatki piersiowej w okolicy mostka na 2 oddechy.

61 Próby stworzenia pioruna?

62 Próby sztucznego wytworzenia pioruna kulistego zawiodły i żadnemu fizykowi na świecie nie udało się go stworzyć, aczkolwiek sukces w tej dziedzinie stanowiłby, oczywiście, olbrzymi krok do przodu, jako że można by wówczas wytwarzać je w laboratorium i przeprowadzać z nimi eksperymenty.

63 Wielkim sukcesem jest fakt, iż dwóm inżynierom elektrykom, Kennethowi i Jamesowi Corumom ze stanu Ohio, udało się ostatnio wytworzyć w kontrolowanych warunkach w sposób powtarzalny takie elektryczne kule ogniste w różnych pięknych kolorach. Równie zaskakujące jest podanie przez nich, że wskazówki pozwalające na uzyskanie tego zjawiska są powszechnie dostępne od ponad stu lat i zapisane w notatkach legendarnego fizyka z przełomu stulecia, dr. Nicoli Tesli. To właśnie interpretacja notatek Tesli z Colorado Springs z roku 1899 dokonana przez Corumów przywróciła ludzkości to, co od lat było niedostrzeganym sekretem. Rys. Nikol Tesla

64 Jak gdyby tego było mało, kolejną niespodziankę stanowi oświadczenie braci Corum mówiące, że wytworzenie pioruna kulistego jest stosunkowo proste i łatwe i że konieczna do tego celu aparatura jest niedroga i już istnieje w wielu amatorskich pracowniach entuzjastów fizyki oraz w niezliczonych laboratoriach wydziałów nauk matematyczno-fizycznych college ów na całym świecie. Jak się zapewne wszyscy domyślają, chodzi tu o cewkę Tesli.

65 Komentując wytworzenie pioruna kulistego w laboratorium, James Corum stawia ten problem, poprzednio traktowany jako technicznie skomplikowany, w rzędzie interesujących opracowań na poziomie wiadomości szkoły średniej!podczas gdy produkcja kuł ognistych jest poza zasięgiem niefachowców, studenci i fizycy amatorzy, którzy wyspecjalizowali się w zgłębianiu intrygujących wynalazków Nicoli Tesli, nie powinni mieć problemu ze zmontowaniem odpowiedniej aparatury mając dostęp do przeciętnie wyposażonego warsztatu

66 Stosowane w nim urządzenie cewka Tesli, których wiele zostało zbudowanych w warunkach domowych przez elektryków hobbystów stanowi popularne wyposażenie wydziałów fizyki wielu college ów i uniwersytetów.

67 Rys. Cewka Tesli

68 Źródła informacji Wikipedia Google grafika Prezentacja Ciekawe zjawiska - pioruny Ściaga.pl YouTube.pl meteo.flog.pl Podręcznik fizyki Świat fizyki wyd. ZamKor

69 KONIEC DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ

70 Projekt edukacyjny z fizyki: Prezentację wykonali: Szymon Rogalski Mateusz Kielczyk Jakub Rynkowski Paweł Grzechnik Alan Bobryk Opiekun: Anna Pach