قبل أن نخوض في شرح هذه الظواهر يجب أن نمهد لذلك ببعض المعارف الأساسية في الفيزياء ومن ضمنها الانهيار الكهربائي والتأين وطيف الامتصاص والانبعاث.

▪الانهيار الكهربائي claquage Electrique

الانهيار الكهربائي يحدث عندما نصل إلى القيمة الحدية لفرق الجهد الكهربائي بين صفيحتين تفصل بينهما مسافة معينة ، نعتبر مثلا صفيحتين واحدة مشحونة بشحن موجبة والأخرى مشحونة بشحن سالبة تفصل بينهما مسافة d حيث يوجد الهواء، يسمى هذا النموذج الذي أخذناه كمثال بالمكثف الكهربائي، فإذا استمرينا في تقريب الصفيحتين من بعضهما البعض سوف نصل إلى لحظة حيث ستبدأ الإلكترونات بالقفز من الصفيحة السالبة نحو الصفيحة الموجبة، وينهار بذلك فرق الجهد الكهربائي الموجود بين الصفيحتين وهذا ما يسمى بالانهيار الكهربائي أو التفريغ الكهربائي للمكثف .

لدينا من خلال المكثف المستوي :

U = V₂ – V₁= d.E

حيث :
V₁: الجهد الكهربائي الموجود على الصفيحة 1
V₂ : الجهد الكهربائي الموجود على الصفيحة 2
d : المسافة التي تفصل بين الصفيحتين
E : المجال الكهربائي المُخلق من طرف الشحن الكهربائية بين الصفيحتين

المجال الكهربائي بين الصفيحتين هو :

E = U/d

إذا استمرت المسافة d في التناقص أو استمر الجهد الكهربائي U في الازدياد ، فإن المجال الكهروساكن E بين الصفيحتين سوف يستمر في التزايد حتى اللحظة التي سوف يقع فيها الانهيار الكهربائي، حيث تَمُر الإلكترونات عبر الهواء من الصفيحة السالبة إلى الصفيحة الموجبة، وفي هذه اللحظة سوف نرى ما يسمى بالقوس الكهربائي وهو على شكل وميض يضيء لحظة الانهيار، ثم سَيُسمع صوت أثناء ذلك كالقرقعة أو الفرقعة نتيجة لتمدد وتقلص الهواء الفُجائي بفعل الحرارة الناتجة عن مفعول جول بسبب مرور الشحنات عبر الهواء .

▪طيف الانبعاث Spectre d’émission

نتيجة للتهييج الذي يحدث للذرات والجزيئات قد تتعرض لفقدان إلكتروناتها أو فقط تبدأ الإلكترونات بالتأرجح بين مستوياتها الطاقية، وبسبب ذلك تبدأ الذرات والجزيئات في بعث الضوء كنوع من الطاقة، حيث عندما تصعد الإلكترونات إلى مستويات طاقية أعلى أو تنفصل عن الذرات فإن الذرة أو الجزيئة تصبح في حالة إثارة أي أنها تمتلك طاقة زائدة، وعندما تعود الذرات والجزيئات إلى حالتها الطبيعية تبعث بتلك الطاقة الزائدة على شكل موجات كهرومغناطيسية مرئية (ضوء)، وهذا بالضبط ما فسره نيلز بوهر في النموذج الخاص بذرة الهيدروجين .

خاصية الإستثارة هذه تستعمل في أنابيب النيون التي تستعمل كمصابيح للإنارة، حيث يتم إثارة الغاز الموجود في الأنبوب بتيار كهربائي مما يجعل الالكترونات الموجودة في الطبقة الخارجية للذرات تصعد إلى مستويات طاقية أعلى، ثم بعدها عودتها من حالة الإثارة إلى الحالة الطبيعة تبعث طاقة الإثارة تلك على شكل ضوء .

ومن الطرق الأخرى التي يتم إستعمالها لتهييج الذرات و الجزيئات هو إستعمال الحرارة حيث بفعل الطاقة الحركية التي تكتسبها الجزيئات و الذرات تدخل في حالة إثارة، ثم تبدأ في بعث الموجات الكهرومغناطيسية، قد تكون تحت الحمراء أو في الطيف المرئي، و يُمكن إستعمال كذلك الموجات الكهرومغناطيسية لإثارة الذرات، كما يحدث مثلا في الظاهرة الكهروضوئية أو ما يحدث في الغلاف الجوي المحيط بالأرض، لأن الطاقة الحرارية الصادرة عن الشمس تقوم بإثارة الغاز المكون للغلاف الجوي للأرض، فتبدأ الجزيئات ببعث الضوء في جميع الإتجاهات وهذا هو سبب رؤيتنا دائماً للسماء مضيئة بالنهار، فكل هذا راجع إلى إستثارة الغلاف الجوي بالموجات الكهرومغناطيسية القادمة من الشمس .

▪التأين Ionisation

التأين هي ظاهرة تحدث عندما تكون طاقة التهييج عالية جداً حيث تفقد الذرات و الجزيئات التي تكون الغاز بعض الإلكترونات من طبقتها الخارجية، ويمكن أن نأين الذرات بطرق مختلفة ومن الطرق المعروفة في التأين هو استعمال التيار الكهربائي، أي أننا نمرر تيارا كهربائيا (سيل من الإلكترونات) بسرعة جد كبيرة في وسط يحتوي على مادة في حالتها الغازية فتبدأ بالتوهج نتيجة لذلك .

▪البرق Éclair

في فصل الشتاء عندما تكون العواصف شديدة والمطر غزير يحدث استقطاب للسحب في السماء حيث تصبح مشحونة من الأعلى بشحن موجبة وبالأسفل بشحن سالبة، ويستمر تجمع هذه الشحن في طرفي السحابة حتى اللحظة التي يصبح فيها فرق الجهد بين طرفي السحابة غير قادر على تحمل المزيد من الشحن الأخرى، فيحدث نتيجة لذلك ما يسمى بالانهيار الكهربائي، حيث تمر الإلكترونات عبر الهواء لتحقيق التوازن الكهربائي مع الشحن الموجبة، وقد يحدث هذا الانهيار سواء في نفس السحابة أو بين سحابة وأخرى أو بين السحابة والأرض التي تُشحن هي الأخرى بدورها بِشحن موجبة بسبب الحث الناتج عن استقطاب السحب في السماء.

فرق التوتر الكهربائي الذي يحدث عنده هذا الانهيار الكهربائي قد يصل إلى 3.10⁹ فولط في الهواء الجاف.

في حالة إن كانت المسافة بين الأرض والسحابة هي واحد كيلومتر d = 1000m فإن المجال الكهروساكن الناتج عن ذلك هو :

E = U/d

E = 3.10⁹/1000 = 3.10⁶ v/m

الهواء بطبيعته عازل كهربائي لا يسمح بمرور التيار الكهربائي، ولكن تحت ظروف معينة قد يصبح موصل كهربائي ، مثلا في حالة البرق فإن الهواء يكون موصل كهربائي جيد جِدًّا، وضوء البرق الذي نشاهده في السماء ما هو إلا نتيجة لمرور التيار الكهربائي عبر الهواء. في اللحظة التي يصبح فيها فرق الجهد كبير جداً تبدأ حزمة كبيرة من الإلكترونات في شق طريقها عبر الهواء لتصل إلى الشحنات الموجبة، تسمى هذه الحزمة الأولى بالخطوة القائدة، وهي المسؤولة عن تأين الجزيئات و الذرات الموجودة في الهواء، عندما تمُر هذه الخطوة القائدة عبر الهواء تجعل المسار موصل جيد جداً للتيار الكهربائي، لأنه يصبح على شكل بلازما من الأيونات والإلكترونات، ومنه يحدث التفريغ الكهربائي العنيف الذي يسخن المسار الذي مرَّ منه بعنف شديد بسبب مفعول جول، وهذا التسخين الشديد يزيد من وثيرة التأين حيث تبدأ الأيونات بالإشعاع نتيجة فقدان وإعادة اكتساب إلكتروناتها من جديد كما سبق و أن بيَّنا ذلك في شرح التأين و طيف الانبعاث .

يكون قطر القمع أو المسار الذي تمر عبره الشحنات الكهربائية بعرض تقريباً من 1 متر إلى 10 أمتار، التيار الذي يمر عبر القناة الذي تصنعه الخطوة القائدة قد يصل إلى A 1000 أمبير وهو تيار كهربائي جد خطير، وقد يؤدي مفعول جول الناتج عن ذلك إلى تسخين هذا القمع الذي مر منه التيار الكهربائي إلى 30000 K° كيلفن وهي تعادل تقريباً خمس مرات درجة الحرارة على سطح الشمس.

ظاهرة البرق التي نشاهدها ونظن على أنها حدثت مرة واحدة تحدث من 10 إلى 15 مرة في نفس اللحظة، ولكن لأن هذا التفريغ الكهربائي يحدث بسرعة جد كبيرة فإننا نظن أنها حدثت مرة واحدة، هذه الصواعق لا تحدث في اتجاه واحد فقط وإنما تكون متبادلة بين القطبين ذهاباً وإياباً وتسمى صاعقة الإياب بالصاعقة العكسية، حيث تبدأ من الأرض متجهة نحو السحابة، وقد تصل سرعة سير الشحنات في الهواء المتأين إلى 100000 km/s كيلومتر في كل ثانية أي ما يعادل ثلث سرعة الضوء.

▪الرعد Tonnerre

الرعد ليس بكائن أو مخلوق يصدر صوتاً وليس باصطدام للأجرام أو السحب وليس حتى بشيء مادي له وجود حقيقي، فهو مجرد ظاهرة ميكانيكية تحدث للغازات المتواجدة في الجو. الرعد هو مجرد صوت يحدث نتيجة للتفريغ الكهربائي الذي يحدث عند الانهيار الكهربائي، عندما تمر الشّحن الكهربائية في السماء عبر الهواء، فإنها تُسخن الهواء الذي تمر عبره بعنف شديد، وهذا ينتج عنه انضغاط فجائي للهواء بشكل أكثر عنف بحيث تحدث موجة الاصطدام الصوتية والتي تجعل الهواء يتوسع بعنف شديد وبسرعة كبيرة وهي سرعة انتشار الصوت في الهواء، فتستمر موجة الضغط العنيفة هذه في الانتشار في الهواء وهي التي نسميها بالرعد، فالأمر شبيه بالأصوات التي تحدثها القنابل عندما تنفجر في الهواء، فتلك الانفجارات ليست إلا موجة اصطدام عنيفة للهواء تنتشر في الجو. ومن مِنا لم يجرب فرقعة البالونات التي عندما نستمر في نفخها يتمزق المطاط المحيط بها بسبب عدم تحمله المزيد من الضغط فنسمع نتيجة لذلك صوت الفرقعة عند تمزق الغشاء المطاطي، عندما يحدث هذا التمزق تنتشر موجة الاصطدام في الهواء.

▪خلاصة

• البرق مجرد ضوء ينتج عن تهييج وإثارة الجزيئات التي تُكَون الهواء بسبب مرور التيار الكهربائي عبر الهواء من قطب إلى آخر أي التفريغ الكهربائي، مرور التيار الكهربائي يجعل الجزيئات تفقد بعض إلكترونات طبقتها الخارجية وهذا يكسبها طاقة زائدة ويجعلها في حالة إثارة، أي أن الجزيئات تصبح في حالة من عدم الإستقرار بسبب الطاقة الزائدة، ولكي تستقر وتعود الى حالتها الطبيعية يجب أن تعيد إكتساب إلكتروناتها من جديد وتتخلص من الطاقة الزائدة على شكل ضوء وهذا الضوء الذي تبعثه الجزيئات ما هو إلا ذلك البرق الذي نلاحظه في السماء عند ضرب الصاعقة .

• الرعد ينتج عن مفعول جول في المسار أو القمع الذي مرت منه الشحنات الكهربائية، فنتيجة لمرور التيار الكهربائي يسخن الهواء في مدة زمنية جد قصيرة تقدر ببعض الأجزاء من الثانية وهنا نتيجة للإرتفاع المُهول لدرجة الحرارة يتزايد الضغط بعنف شديد فينتج عنه موجة الاصطدام الصوتية، ويسمى هذا أيضاً بالتمدد الانفجاري للهواء، وينتشر هذا التمدد الانفجاري على شكل موجة صوتية عبر الهواء وهو ما نسميه بالرعد.

غالباً ما نلاحظ أن الرعد يأتي متأخرا بعد البرق رغم أن الحدثين يحدثان في نفس اللحظة الزمنية، وذلك بسبب سرعة الضوء الكبيرة جداً مقارنة بسرعة الصوت فإن الرعد يُسمع بمدة زمنية متأخرة شيئا ما عن رؤية البرق.

▪أنواع الصواعق

توجد على شكل ثلاث أنواع مختلفة :

• النوع الأول يحدث في نفس السحابة ويسمى برق في نفس السحابة Éclair Intra-nuageux

• النوع الثاني يحدث بين سحابتين مختلفتين ويسمى برق سحاب-سحاب Éclair Inter-nuageux

• النوع الثالث يحدث بين السحابة والأرض ويسمى برق سحاب-أرض Éclair nuage-sol

▪ملحوظة

إعتمدت في إعداد هذا المقال على إحدى محاضرات ولتر لوين في الكهرباء و المغناطيسية و كذلك على ما راكمته من علم و معرفة في تخصصي أثناء مساري الأكاديمي في الفيزياء والكيمياء مع بعض التعديلات و الملاحظات و الإضافات من الاخوة الأساتذة الذين راجعوا المقال .

▪المصطلحات

Claquage électrique : الانهيار الكهربائي
Tonnerre : الرعد
L’éclair : البرق
Champ électrostatique : مجال كهروساكن
Différence de potentiel : فرق الجهد
Ionisation : تأين
Émission : إنبعاث
Absorption : إمتصاص
Condensateur : مكثف
Spectre d’absorption et d’émission : طيف الامتصاص و الانبعاث
Arc électrique : القوس الكهربائي
Excitation : تهييج
Leader step : الخطوة القائدة
Éclair Intra-nuageux : برق في نفس السحابة
Éclair Inter-nuageux : برق بين سحابتين
Éclair nuage-sol : برق بين سحابة والأرض

إعداد : شعيب المستعين

مراجعة لغوية : نادية بوحفص و خولة سطيلي

مراجعة علمية : محمد كعب ، اسماعيل علوي و حسام بنكروم

تصميم الصور : رشيد هروس

---

مقالات ذات صلة بالموضوع :