Vahşi Elektrik: Şimşek ve Yıldırımlar Hüseyin Bilgekul Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Doğu Akdeniz Üniversitesi, Gazimagosa huseyin.bilgekul@emu.edu.tr 1. YILDIRIM NEDİR VE NASIL OLUŞUR? Yildirimlar Tabiatin en gu zel go ru ntu lerinden birini sunmakla beraber tabiatin en o ldu ru cu olaylarindan biridir. Yildirim ates inin sicaklig i gu nes in yu zey sicaklig inin u c kat u zerine 20,000 Santigrad dereceye c ikabiliyor. Bu sicaklig in c evre atmosferde neden oldug u bu yu k basinc farklari, etrafa yayilan s ok ve ses dalgalarini olus turur ve go k gu rlemeleri meydana gelir. Yildirimdan etrafa yayilan s ok dalgalari ve dig er olgularin fiziksel ac iklamalari herkesin ilgisini c ekmektedir. Yildirimlar, s ims ekli firtinalarla olus an elektriksel bos almalardir. Bulut ic erisinde yeterince elektriksel yu k ayris masi olus tuktan sonra potansiyel farkdan dolayi havanin delinmesi kolaylas ir ve belli bir elektik alan deg erinden sonra delinme gerc ekles ir ve hava ic erisinde iletken bir kanal olus ur. Olus an iletken kanal boyunca elektriksel bos almalar gerc ekles ir. Bulutlar arasindaki bos almalar s ims ek ve bulutla toprak arasindaki elektriksel bos almalar ise yildirim olarak isimlendirilir. S ekil 1 ve S ekil 2 de buluttan yere dog ru gerc ekles mis bu yu leyici yildirim resimleri go ru lmektedir. Korkunc luklarina rag men, yildirimlar yine de mutlak olarak o ldu ru cu olmayabilirler c u nku olayin su resi oldukc a kisadir. Yildirim parlamasi ortalama olarak ardis ik 4 vurgundan olus ur. Yildirim vurgun su resi 30 mikosaniye gibi c ok kisa bir zamandir, fakat bu zaman zarfinda 10 12 Watt gibi oldukc a yu ksek tepe gu c deg erleri ortaya c ikar. Deg is ik s ekilde olus abilen yildirim c es itlerinden o nemlileri s o yle siralanabilir. Şeki1 1. Güneşin yüzey s s ndan daha yüksek bir s ya sahip parlak y ld r m ateşi. Şeki1 2. Yeryüzüne devresini tamamlam ş boşalma an ndaki azg n y ld r m ateşi. Bulut ic i yildirimlar: Enc ok kars ilas tig imiz yildirim c es ididir. buluttan yere dog ru yildirimlar: Can ve mu lke en c ok zarar veren Yildirimlardir. Yerden buluta dog ru Yildirimlar. buluttan buluta yildirimlar. Top yildirimlar: 20-200 cm c apinda ates topu s eklindeki yildirimlar. buluttan havaya dog ru yildirimlar. Bu yu k bir firtina, dakikada 100 den fazla yildirimin olus masina neden olabilir. Orta bu yu klu kteki bir bulut birkac yu z Mega Watt lik bir elektriksel gu c u retebilmektedir. Bu tu n yildirimlar yeryu zu ne vurmazlar, fakat vurduklari zaman da bu yu k bir enerji ac ig a c ikar. Yildirimin esas enerji kaynag i, bulutlarin EMOBİLİM 29
Şeki1 3. Y ld r m öncesi buluttaki yük ayr ş m ve yeryüzünde oluşan ters yükler. devasa boyutlarda elektrik kapasito rleri s eklinde elektriksel yu kle yu klenmeleridir. Bir firtina esnasindaki hareketlerden dolayi, bulut ic erisinde elektriksel yu k ayris imlari s o yle olus ur. Bulutun yeryu zu ne bakan alt kisminda negatif ve bulutun go kyu zu ne bakan u st kisminda ise pozitif elektriksel yu kler toplanir. S ekil 3 de bo yle bir elektriksel yu k ayris masi go ru lmektedir. Bazi zamanlarda bunun tersi elektriksel yu kler de olus abilir. Yeryu zu ne bakan ve negatif yu klu olan bulutun alt yu zeyi, yeryu zu nde ters kutuplu pozitif yu klerin bir go lge s eklinde olus masina neden olur. Yildirimlara neden olan bulut ic erisindeki elektriksel yu k ayris imini s o yle ac iklayabiliriz. Hidrometeor olarak isimlendirilen bulut ic erisindeki buz parc aciklari, c es itli etkiles imlerle bu yu rler, c arpis irlar, kirilirlar ve de ku c u lu rler. Sonuc ta go rsel olarak ku c u k buz parc aciklari elektriksel olarak pozitif yu klenirler. Daha bu yu k buz parc aciklari ise negatif elektrikle yu klenirler. Elektrik yu klu parc aciklar yerc ekimi ve yukari dog ru olus an hava akimlarindan dolayi ayris irlar. Bulutun yeryu zu ne bakan alt kismi genelde negatif yu klu du r c u nku daha ag ir olmalarindan dolayi negatif yu kler burada birikir. S ekil 3 de go ru ldu g u gibi bulutun u st tarafi net olarak pozitif alt tarafi ise negatif yu klu du r. Bulutla yeryu zu arasinda 100 milyon Volt luk bir potansiyel fark olus ur. Bu potansiyel fark, yer yu zeyinde 10 kilovolt/metre 10 000 Volt/Metre bir elektriksel alan s iddeti olus turur. Firtina ile beraber olus an potansiyel fark ve elektriksel alan s iddeti yu kselmeye devam eder. Belli bir 30 EMOBİLİM Şeki1 4. Y ld r m vurgunu ve elektriksel yüklerin nötrleştirilme aşamas. alan s iddeti olus tug u zaman, bulutla yeryu zu arasindaki hava yalitkanlik o zellig ini kaybeder ve yalitkanlik kirilmis olur. Kirilma ic in gerekli elektriksel alan s iddeti deg eri atmosfer o zelliklerine bag lidir. Bo yle bir s iddet altinda S ekil 4 deki gibi bulutun yeryu zu ne bakan yu zeyinden kisa veya uzun su reli duraklamalarla kademeli bir s ekilde ileri sic ramalar halinde toprag a dog ru bir elektron demeti harekete gec er. Elektron demeti, her ileri sic rayis ta 10-100 Metre kadar yol alir. Sic ramalar arasinda 30-90 mikosaniyelik duraksamalar vardir. buluttan yere dog ru olus an bu elektron hareketine o ncu bos alma denir. Yildirim yere yaklas maya bas ladikc a yeryu zu ndeki sivrilmis noktalarda yog unlas an elektrik alan s iddetleri, bu noktalardan bulutlara dog ru gelis en, yakalama bos almalari adi verilen bos almalar meydana getirirler. Bir yildirim olayinda bos alan elektrik yu k miktari genelde 1 Coulomb altinda, s iddetli yildirimlarda ise 10-20 Ampersaniyelik bos almalar olus ur. Meydana gelen iletken kanal yerden yu kselen yakalama des arji ile birles tig inde ana bos alma olayi olus ur. Bu olay sic ramalarla deg il tek bir iletken kanalin ic erisinden kuvvetli bir akimin gec mesiyle olus ur. Yildirim bos almasiyla beraber bulutla yeryu zu arasindaki potansiyel fark kapatilir. Yildirim vurgunu ve takip eden akim as ag idaki ikicil olus um ve su rec lere neden olur. Elektromagnetik darbe. Elektrostatik darbe. Gec ici toprak akimlari. Bag li yu k ve ikincil kivilcimlar.
2. YILDIRIMLARIN İKİNCİL OLUŞUMLARI 2.1. Elektromagnetik Darbe Etkisi Yildirim vurgunu c ok kisa bir su rede gerc ekles mektedir. Bu su re ic erisinde yalitkandan gec irgene do nu s en yildirim gec idinden oldukc a yu ksek no tu rles tirici akim deg erlerine ulas ilir. Bu akim deg erlerinin deg is im hizlari akim yolunun impedansi ve bulutta biriken elektrik yu ku ne bag lidir. Yildirimlardaki akim deg is im hizlari 500 KA/mikrosaniye deg erlerine ulas abilmektedir. Ortalama deg er ise 100 KA/mikrosaniye civarindadir. Bu deg is en akim deg erleri bir elektromagnetik darbe etkisi yaratirlar ve darbe etkisi altindaki elektrik sistemlerinde endu klemenin dog urdug u endu ktans voltajlari olus ur. Bu endu kleme voltajlari elektrik iletim hatlariyla pek uzak mesafelere kadar etkisini go sterebilirler. Yine bu endu klenen voltajlarin genis frekans spektrumlari nedeniyle koruyucu kalkan devrelerini as arak elektrik sistemlerde giris imlere neden olmaktadirlar. 2.2. Elektrostatik Darbe Etkisi Yildirim bulutlarindaki elektriksel yu k ayris imlari, yeryu zu ile bulutlar arasinda bu yu k potansiyel farklarin olus masina ve elektriksel alan s iddetlerinin dog masina sebep olmaktadir. Havada duran herhangi bir metal iletken, havadaki elektriksel alan s iddetinden dolayi, bulundug u yu kseklig in sahip oldug u bir elektriksel potansiyel deg er elde edecektir. O rnek olarak, yildirimli bir havada 10 Metre yu kseklikte duran bir sabit telefon hatti, toprag a go re 100 kvolt ile 300 kvolt arasi bir potansiyel deg er elde edecektir. No trles eme ve bos alma as amalarinda bu potansiyelin olus turacag i akimlari yo nlendirmek oldukc a o nemlidir. Telefon kablosunun bag li oldug u cihazlar bu akimlar tarafindan tehdit altindadir ve kolayca tahrip edilebilirler. Atmosfer yu kseklig ine bag li olarak olus an bu tip elektrostatik voltaj deg is iklikleri, elektrostatik darbe olarak isimlendirilir. Elektrik iletim hatlari ve anten kuleleri gibi dikey metal kuleler, elektrostatik darbelerden oldukc a etkilenen tesislerdir. Yeterli s ekilde topraklanmadiklari takdirde potansiyel farkdan olus an kivilcimlar tehlikeli durumlar yaratabilmektedir. 2.3. Gec ici Toprak Akimlari Yildirim vurgununu takip eden no trles tirme as amasinda toprak yu zeyinde ve yildirimin du s u s noktasi etrafinda elektrik akimlari olus ur. Bu akimlar elektriksel yu klu alanlardan yildirimin du s u s noktasina dog ru akarlar. Toprakta go mu lu metal su, gaz, petrol borulari, elektrik hatlari ve dig er metal tesisler bu akimlar ic in tercihli bir yol olus tururlar. Bu c es it akimlar gec ici toprak akimlari olarak isimlendirilirler. Bu akimlar c ok ani deg is en akimlar olduklari ic in, yine bu tesislerde yu ksek indu kleme voltajlari dog ururlar. 2.4. Bag li Yu k ve I kincil Kivilcimlar Yildirimlardan dolayi gelis en ve o zellikle metalden yapilmis petrol depolarinda ve de patlayici maddeler ic eren dig er metal depolarda go ru len c ok tehlikeli bir durum bag li yu k olayidir. Bu olus umun dog urdug u kivilcimlar c ok bu yu k ve de tehlikeli yanginlara neden olurlar. Bag li yu k olayinin, yildirimlarla neden oldug u kivilcimlar s o yle olus ur. Bir metal deponun yakinina yildirim du s erse, yildirimin neden oldug u metal tanktaki elektriksel yu klenmeler hemen bos alir c u nku tanklar iyi bir s ekilde topraklanmis tir. Bu gibi tanklarin ic erisi koruma amac li yalitkan maddeler ile kaplidir. Dolayisiyla topraklanmis metal tank yildirimla beraber yu ku nu toprag a bos altir. Metal depo ic erisindeki petrol, patlayici madde veya benzeri malzemeler yu ku nu bag li tutmaya devam eder. Yildirim sonrasi yavas c a no trles meye bas layan bu yu kler, uygun topraklanmanin yapilmadig i ortamlarda kivilcimlar olus turur. Kivilcimlar depolanan malzeme ile metal tank arasinda olus ur ve patlama ile yanginlara sebep olur. 3. YILDIRIMDAN KORUMA SİSTEMLERİ Yildirimlar bazi tesisler ic in c ok bu yu k EMOBİLİM 31
tehlikeler arz eder ve yeterli korunma sag lanmadig i takdirde c ok bu yu k felaketlere neden olabilirler. Petrol depolama tesisleri, elektrik enerji tesisleri ve dag larin yu ksek tepelerine konumlanmis radyo haberles me tesislerini o rnek go sterebiliriz. Bu gibi tesisler mutlaka yildirimlardan korunma gerektiren tesislerdir. S ekil 5 ve S ekil 6 da yildirim koruma sistemleri go ru lmektedir. Yildirimdan korunma yo ntemlerini iki ana sinifa ayrilira biliriz. Pasif yakalama sistemleri Aktif yakalama uc lari paratonerler 3.1. Pasif Yakalama Sistemleri Yildirim c ubuklari, binalarin damlarina yerles tirilen 2-3 Santim c apinda sivri uc lu metal c ubuklardir. Bu c ubuklara bag li alu minyum ve bakirdan yapilmis 2-3 Santimlik iletkenler bu c ubuklari toprag a go mu lu iletken bir levha veya kafese bag lar. Genelde yildirim c ubuklarinin esas amaci yanlis anlas ilmakta ve yildirimlari u zerlerine c ektiklerine inanilmaktadir. Daha dog ru bir tanimlama s o yledir; yildirim c ubuklari, c arpma esnasinda ortaya c ikan c ok bu yu k elektrik akimlarina du s u k direnc li bir toprak yolu sag larlar. Yildirim c arpmasi sonucu ortaya c ikan zararli ve yu ksek elektrik akimlari c ubuk koruma sistemi tarafindan emniyetli bir s ekilde binadan uzag a ve toprag a verilir. Yildirim, iyi iletkenlig i olmayan bir yere du s erse, direnc ten dolayi ac ig a c ikan isi enerjisiyle bu yu k bir tahribat yapar.yildirimlarin etrafa sic rama o zellikleri vardir ve s o yledir. Vurgundan sonra yildirim akimi toprag a akabilmek ic in en du s u k direnc li yolu bulmaya c alis ir ve bu amac la etrafa sic rar. Eg er vurgun, yildirim c ubuk sistemi bulunan bir yerin yakinina du s mu s se, yildirim akimi du s u k direnc li toprak yolunu sag layan c ubuk sistemine sic rayip oradan da emniyetli bir s ekilde toprag a akacaktir. Go ru ldu g u gibi yildirim c ubug u, yildirimi u zerine c ekmez, fakat yildirima sec ebileceg i emniyetli bir yol sag lar. Yildirim c ubug u olsun veya olmasin, yildirim du s ecekse du s er ve c ubuk yalniz du s en yildirim ic in emniyetli bir yol sag lar. 32 EMOBİLİM I letken bir kafes ic erisinde elektriksel alanin sifir oldug u ortamlar Faraday kafesi olarak isimlendirilir. Bu yo ntemle korunacak yapilar u zerine yerles tirilen yakalama uc lari ve bu uc larin topraklanmasiyla yapinin her noktasi ayni potansiyele getirilip yapi elektriksel olarak bir kafes ic erisine alinmis olur. 3.2. Aktif Yakalama Uc lari Paratonerler Aktif yakalama uc lari yildirim bulutlarina dog ru iyonlas mis bir yol ac arak veya bir s ekilde iyon elektriksel yu k go ndererek yildirim bos almasi ic in havanin yalitkanlig ini zayiflatarak hava ic erisinde iletken bir kanal olus masina yol ac arlar. Sakincalarindan dolayi radyoaktif yakalama uc lu paratonerler yasaklanmis tir. Dolayisiyla aktif paratonerlere o rnek Piezzo-elektrik paratonerler ve elektrostatik paratonerleri sayabiliriz. Şeki1 5. Y ld r mdan korunma sistemi döşenmiş bir tesis. Y ld r m çubuklar ve topraklama hatlar görülmektedir. Yildirim olus urken ru zgar ve firtinali hava durumlari varsayilmaktadir. Ru zgar etkisi ile salinim yapan paratoner go vdesi, ic erisindeki piezzo-elektrik kristali basinca maruz birakarak yu ksek gerilim darbeleri olus ur. Bu darbeler piezzo-elektrik paratonerin yakalama ucu u zerinden kivilcim yaratirlar. Bu kivilcimlarin amaci yildirimi paratoner u zerinden bas latmaktir. Elektrostatik paratonerler, yildirim bos almalarini havanin yu k deg is imiyle devreye giren ve enerji kaynag i gerektirmeyen pals generato rlu kondansato r sistemleridir.
4. YILDIRIMLARDAN FERDİ KORUNMA Gu ru ltu lu havalarda, buluttan yere dog ru her yildirim o ldu ru cu bir tehlike arz eder. Yildirimin c arpma tehlikesi yalniz bos alma akiminin akis yolunda bulunup bulunmamamiza bag li deg ildir. Daha sik go ru len bir tehlike ise s udur. Yildirimin du s u s noktasindan etrafa toprak akimlari olus ur. I s te kurbanlarin fazlasi bu toprak akimlarinin sebep oldug u elektrik c arpmalariyla yaralanir veya telef olurlar. Yildirimdan ferdi korunmak ic in akilda tutulmasi gereken o nemli hususlar as ag ida siralanmaktadir 3-5. C evresinde bas ka ag ac lar bulunmayan uzun boylu ag ac larin altina yag murdan korunmak ic in sig inmayiniz. Ag ac islanmanizi o nleyecek fakat yildirima yakalanma olasilig inizi oldukc a artirmis olacaktir. Bo yle durumlarda sig inilacak en emin yerler kapali binalardir. Binaya veya yakinina du s en yildirimin bos anma akimi binanin elektrik ve su tesisatini takip ederek toprag a akar. Kapali metalden olus an araba ve dig er tas itlar da yildirim ic in bir sig inma ortamidirlar. Buradaki metal c erc eveli ortamlar yildirima kars i bir Farady kafesi olus tururlar. Akimlar kafesin dis yu zeyinde akar ve ic erisi ic in bir koruyucu kalkan olus ur. S ekil 6. Resimde go ru len Toronto Kanada daki kule ortalama olarak yilda 75 kez yildirim vurgununa maruz kalmaktadir. Uzun boylu ve yalniz duran cisim ve kulelerin yakininda bulunmaktan sakininiz. Yildirim genelde olus tug u yo redeki enyu ksek cisimleri vurur. Metal cisimlerden uzak durunuz c u nku metallerin iletkenlik o zellikleri var. Ac ik, ag ac siz, c iplak du z ovada ayaklariniz kapali olarak yere c o meliniz, bas inizi yere dog ru eg ip yu kseklig inizi en aza indirgeyiniz. Hic bir zaman yere yatmayiniz. C u nku eg er yildirimin potansiyel fark olus turan bo lgesinde bulunuyorsaniz, vu cudunuzun iki uc noktasi arasindaki potansiyel farkdan dolayi vu cudunuzdan elektrik akimi akacaktir. Kablolu telefonlari ellemeyiniz, yildirim akimi tas iyabilirler. Su tesisatini ellemeyiniz, lavabo ve banyoyu kullanmayiniz c u nku c evrede olus an yildirimlardan elektriklenebilirler. Pencere ve kapilardan uzak durunuz. Beton yerlere yatmayiniz ve beton duvarlara yaslanmayiniz. 5. Kaynakc a 1 Carpenter R. B., Drabkin M. N., Lightning Strike Protection Report by Lightning Eliminators & Consultants, Inc., Boulder, Colarado, USA. 2 Krider E. P., Benjamin Franklin and the First Lightning Conductors Proc. of Inter. Com. on History of Meteorology 1 1, 2004: pp. 1 13. 3 National Wheather Service Lightning Safety: http://www.lightningsafety.noaa.gov. 4 National Lightning Safety Institute: http://www.lightningsafety.com. 5 Lightning and Atmospheric Research at: http://thunder.msfc.nasa.gov. EMOBİLİM 33