Icon up Overzicht

Bliksemafleiding

Onderwerp: Elektrische stroom, Elektrisch veld en magnetisch veld, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo)

Het gevaar van blikseminslag is al eeuwenlang bekend bij de mens. En net zo lang al probeert de mens manieren te bedenken om de bliksem onder controle te krijgen. In de oudheid hield dit in dat er offers gebracht werden en speciale rituelen werden uitgevoerd. Tegenwoordig probeert de wetenschappelijke wereld zijn steentje bij te dragen aan de bescherming tegen bliksem.

 

Het was echter pas in de 18e eeuw dat de eerste bliksembescherming werd uitgevonden. Benjamin Franklin in Amerika en Václav Prokop Diviš in Europa vonden zo rond 1750 onafhankelijk van elkaar de bliksemafleider uit. Franklin wordt vandaag de dag de meeste eer toegeschreven. Misschien wel omdat hij waarschijnlijk de eerste was die de termen positief en negatief gebruikte als namen voor de twee typen lading. Maar het beroemde verhaal over zijn vliegerexperiment zal ook mee hebben geholpen.

Na het experiment van Franklin werd elektriciteit en bliksemafleiding een tijd heel erg “hip” en deze wonderlijke paraplu is een van de daaruit voortkomende uitvindingen.

Het verhaal gaat dat Benjamin Franklin, om te bewijzen dat bliksem een elektrisch verschijnsel is, een vlieger opliet tijdens een onweer. Onderaan de vlieger hing hij een sleutel en die sleutel was op zijn beurt weer bevestigd aan een zogenaamde Leidse fles, een simpel apparaatje dat de aanwezigheid van elektriciteit kan aantonen. Hoewel het verhaal nog steeds een van de bekendste wetenschappelijke anekdotes is, is het twijfelachtig of het waar is. Vooral omdat het een levensgevaarlijk experiment is, zoals het door Benjamin Franklin wordt beschreven (een Russische prins die het experiment nadeed, overleed hierdoor). Desondanks trok Franklin de juiste conclusie: bliksem is een elektrisch verschijnsel.

Wikipedia artikel over elektrische lading

Hoe ontstaat bliksem?

Bliksem ontstaat doordat de wolken en aarde tegengesteld geladen zijn. De bliksem gaat meestal van een negatief deel van de wolken richting de positief geladen grond, dit heet negatieve, naar beneden gerichte bliksem.

(1) Allereerst is er de voorontlading. De bliksem zoekt als het ware zijn weg naar beneden. Dit gebeurt door het ioniseren van lucht. De weerstand van de lucht in dit pad is veel lager dan die van de omringende lucht. Daardoor heeft dit pad ongeveer dezelfde spanning als de wolk. Maar omdat het voorontladingspad steeds dichter bij de aarde komt, wordt het elektrische veld steeds groter.

(2) Op een gegeven moment is de doorslagspanning van de lucht bereikt en vindt er heel kort een terugslag plaats met een snelheid van ongeveer een derde van de lichtsnelheid, zo’n 100 000 kilometer per seconde.

(3) Zoals de naam terugslag al doet vermoeden, begint deze bij de aarde en beweegt zich langs het pad omhoog. Dit gaat zo snel dat het niet te zien is met het blote oog dat deze ontlading omhoog gericht is. We noemen het naar beneden gerichte bliksem omdat we van de voorontlading wel de richting kunnen waarnemen. Deze voorontlading gaat “slechts” met een snelheid van 1500 kilometer per seconde.

(4) Na de terugslag loopt er een paar honderd milliseconde een continue stroom tussen de wolk en de aarde van tien tot honderd Ampère. Hierna kan het zijn dat er weer een soort voorontlading plaatsvindt door hetzelfde pad en ook weer een terugslag. Het waargenomen aantal terugslagen loopt van één tot zesentwintig.

Na de terugslag loopt er een paar honderd milliseconde een continue stroom tussen de wolk en de aarde van tien tot honderd Ampère. Hierna kan het zijn dat er weer een soort voorontlading plaatsvindt door hetzelfde pad en ook weer een terugslag. Het waargenomen aantal terugslagen loopt van één tot zesentwintig.

De bliksemafleider van Franklin

Toen Franklin de eerste bliksemafleider bedacht, moest die volgens hem een scherpe punt hebben, omdat hij in zijn laboratorium had waargenomen dat elektrisch geladen voorwerpen ontladen konden worden door er met een scherpe naald in de buurt te komen. (Misschien heb je dat wel eens gezien bij een experiment met een Van de Graaff generator).

Wil je meer weten over dit experiment volg dan deze link naar wikipedia.

Een scherpe bliksemafleider zou op dezelfde manier ook een onweerswolk kunnen ontladen, dacht Franklin. Toch werd in een van zijn eerste experimenten een bliksemafleider getroffen door de bliksem. Bliksemafleiders kunnen blijkbaar niet voorkomen dat de bliksem inslaat. Ze leveren echter wel een veilig pad voor de bliksem, wanneer deze inslaat.

Wanneer de voorontlading zijn weg naar beneden zoekt, slaat deze in, wanneer er een geaard object binnen een kritische afstand komt. Zie de figuur hieronder. De kritische afstand hangt af van de stroomsterkte van de bliksem. Wanneer deze dus klein is, is de kans kleiner dat de bliksem inslaat op de bliksemafleider (gebouw b). Bovendien beschermt een enkele bliksemafleider ook niet tegen bliksems die van de zijkant een gebouw naderen (gebouw c).

Kritische afstand van bliksem

Bij het plaatsen van bliksemafleiders moet gelet worden op deze kritische afstand. Er wordt gebruikt gemaakt van de zogenaamde rollende-bol-techniek. Dit is twee-dimensionaal weergegeven op de figuur hieronder. Het gebouw en de grijze gebieden zijn veilig. Op de plaatsen waar de cirkel het gebouw raakt, dienen bliksemafleiders geplaatst te worden.

De rollende-bol-techniek

Hoewel Franklin in zijn experiment zag dat een bliksemafleider de lading in een wolk niet kan neutraliseren zoals een scherpe naald bij een geladen bol, bleef hij toch zonder duidelijke reden vasthouden aan het idee dat bliksemafleiders scherp dienen te zijn. Veel mensen hebben dit als een gegeven aangenomen en er is lange tijd geen serieus onderzoek naar gedaan. Een onderzoek uit 2000 [2] toonde echter aan dat het beter is een bliksemafleider te gebruiken met een iets stompe punt.

Op 20 juli 2002 pakten donkere wolken zich samen boven Camp Blanding in het Amerikaanse Florida, één van de meest bliksemrijke streken op aarde. Ideaal voor het experiment dat de onderzoeksgroepen van Joseph Dwyer van het Florida Institute of Technology en Martin Uman van de University of Florida op stapel hadden staan. Van een bescheiden lanceerplatform lanceerden de onderzoekers een kleine raket, die een met kevlar versterkte koperdraad omhoog trok, loodrecht de op 700 meter hoogte hangende onweerswolk in. De provocatie had onmiddellijk effect: via de draad trof een blikseminslag het lanceerplatform.
Klik hier voor een foto van de inslag.

Lasertechnieken

Het idee om lasers te gebruiken voor bliksemafleiding bestaat al enige tijd. De gedachte is dat je de lucht met behulp van lasers ioniseert zoals dat ook bij de voorontlading van een bliksem gebeurt. Zo kun je nog beter bepalen welk pad de bliksem moet volgen.

Een probleem daarbij is dat lasers de lucht zo goed ioniseren, dat de lucht op een gegeven moment “onzichtbaar” wordt voor het laserlicht en dus kan er maar een klein pad geïoniseerd worden. Een onderzoeksgroep in Japan loste dit op door in plaats van een aaneengesloten pad een soort stippellijn van ionisaties te maken. De techniek werkt, maar de lasers die worden gebruikt hebben veel energie nodig. Een groep uit Mexico lukte het om met behulp van ultraviolet laserlicht en zichtbaar licht een pad voor de bliksem te maken, waarbij minder vermogen voor de lasers nodig was.

Conclusie

De lasertechniek van de onderzoeksgroep in Mexico is veelbelovend en zal misschien op den duur wel de bliksemafleiders vervangen bij gebouwen waar blikseminslag fataal kan zijn, zoals bij kerncentrales en luchthavens. Voor huizen en kantoren voldoet een iets stompere versie van de bliksemafleider die Franklin bedacht echter nog steeds prima.

Klik hier voor mooie foto's van bliksem.

Bronnen

  1. Bolt of Fate, Benjamin Franklin and his electric kite hoax – Tom Tucker, Public Affairs Books, New York, blzz XVI en hoofdstuk XIV
  2. Lightning Rod Improvement Studies – C.B. Moore, William Rison, James Mathis and Graydon Aulich – Journal of Applied Meteorology, volume 39, may 2000, blzz. 539 – 609
  3. Lightning, physics and effects – Vladimir A. Rakov and Martin A. Uman.
  4. Lightning Control with Lasers - Jean-Claude Diels, Ralph Bernstein, Karl E. Stahlkopf and Xin Miao Zhao, Scientific American Exclusive Online Issue, Augustus 2003, blz. 24
  5. Electricity and Magnetism – W.J. Duffin, blzz. 86 en 87.