Most akkor véd a villám ellen az autó vagy sem?

2021.07.31. 14:39

Nemrég hoztunk le egy rövid posztot egy Ford pickupról, amibe feltehetőleg villám csapott. A körülmények nem voltak egyértelműek, pl. a műszerfal furcsán, egy sávban olvadt csak le, másrészt a köztudatban az él, hogy az autó Faraday-kalitkaként megvéd a villámcsapástól - akkor hogy jutott mégis az utastérbe? Laikusként a közönséghez fordultunk magyarázatért, amire Marcus nevű olvasónk gyengeáramú villamosmérnökként a következő, egészen kimerítő és részletes válaszlevelet küldte (amit ezúton is köszönünk neki):

221354847 10100699381333204 4140683264519010848 n

Alapvetően nem arról van szó, hogy az ember az autóban abszolút védve van (a dörgéstől pl. még mindig beszakadhat a dobhártyája). Továbbá Faraday helyett foglalkozzunk először Maxwell es Poynting urakkal. ;)

A villámcsapás matematikailag egy viszonylag gyorsan változó áram (pulzus). Váltakozó áram Maxwell szerint elektromágneses hullámokat kelt, minél gyorsabban változik az áram és minél közelebb vagyunk a vezetékhez, annál erősebbet. Egy épület villámhárítójában a levezetett áram elektromágneses tere bőven nagyobb minden határértéknél, amitől az épületen belüli érzékeny elektronika még simán befuccsolhat (akkor is, ha a készülék ki van húzva a konnektorból).

Poynting jött rá arra, hogy a Maxwell-egyenletek megoldásánál az energia nem a fém vezetékben áramlik, hanem a fém vezetéken kívüli elektromágneses térben. Ebből a térből a fém vezetékbe befelé csak annyi energia áramlik, amennyi a fém vezeték veszteségeinek fedezéséhez kell. Magyarul, ha húzunk a konnektortól egy hosszabbítót a fúrógéphez, akkor a fúrógép által fölvett villamos teljesítmény _nem_ a fém vezetőben áramlik, hanem azon kívül a szigetelésben és a levegőben. A fém csak irányítja az energiaáramlást. Ez az irányítás szintén energiaveszteséggel jár, amit a fém melegedése jelez.

Ezekből kifolyólag 1 centiméterrel a villámhárító mellett állni sem feltétlenül túl jó ötlet. Nyilván még mindig messze jobb, ha a karosszéria vezeti az áramot és a külső tér egy része hatol át az emberi testen, mintha az áram is az emberei testen haladna át, de alapvetően a "minél messzebb, annál jobb" alapon kell gondolkozni.

Hasonló az eset azzal, hogy vihar esetén ne álljunk fa alá az Alföldön. Itt több dolog játszik össze. Egyrészt ha a fa vezeti le az áramot, akkor ez a fában hőt fejleszt, a víz gőzzé változik, a fa meghasad, a szilánkok pedig srapnelként röpködnek. Másrészt a fa rosszul vezeti az áramot, tehát az áram "meggondolhatja" magát és kereshet egy jobb vezetőt (a fa törzséből ívet húz az ember vizes ruhájához az áram). Vagy szimplán agyonüti az embert egy letörő ág.

Kocsiban annyival vagyunk jobb helyzetben, hogy a fém nagyon sokkal jobb vezető az embernél, úgyhogy az emberhez áthúzó ív valószínűsége gyakorlatilag nulla. A másik, hogy remélhetőleg száraz ruhában ülünk, ami szintén rossz villamos vezető. A harmadik és egyben legfontosabb, hogy a gyorsan váltakozó áramok a vezeték külsején folynak (áramkiszorítás, skin effect). Ha fogunk egy fém blokkot és a tetejét meg az alját összekötjük egy nagyfrekvenciás feszültségforrással, akkor a blokk belsejében nem folyik áram (a külső faltól befele exponenciálisan csökken az áramsűrűség, ami egy bizonyos távolság után gyakorlatilag nulla). Ha kivájjuk a blokk belsejét (dobozt gyártunk), akkor is csak a külső felületen folyik a nagyfrekvenciás áram, a belső zárt tér falán nem. Minél vastagabb a lemez és minél jobb vezetőből készül, annál kisebb frekvenciánál lép fel ez a jelenség (mobiltelefon frekvenciájánál már 20 µm vastag háztartási alufólia is elég). Szintén minél ferromágnesesebb az anyag, annál kisebb frekvencián lép föl a jelenség. Így pl. az alumínium hiába kb. tízszer jobb vezető a mágnesezhető acélnál, mégis az utóbbinál nagyobb az áramkiszorítás (vékonyabb lemezből építhetjük a dobozt).  A fenti áthúzásos példa tehát csak kocsin kívüli emberre vonatkozik. Ha megnézzük a Wikipédián a Faraday-kalitkát, akkor az ottani kisülésnél a kísérleti alany belülről rátenyerel a kalitka falára (max. meleget és bizsergést fog érezni). Viszont nagyon jól látszik a sűrű fémháló is (a nagy függőleges résnél inkább nem kísérleteznek). És ami szintén nem látszik, hogy jó vastag szigetelésen áll a kalitka.

Most térjünk vissza Faraday-hez. Alapvetően egy zárt fémdobozon belül nincsen villamos tér (mágneses lehet), mert a fémben lévő szabad elektronok oda mozognak, hogy a külső elektromos tér és a szabad elektronok terének szuperpozíciója a dobozon belül nulla legyen. Innen már látszik, hogy ez mikor bukik meg: egyrészt ha a külső tér olyan gyorsan változik, hogy az elektronok túl "lomhák". Ez nem mágneses rossz vezetőkben /pl. nemesacél vs. alumínium/ alacsonyabb frekvenciánál következik be. Másrészt pedig, ha a doboz lyukas, az elektronok nem tudnak oda mozogni, ahova kellene a tökéletes árnyékoláshoz. Ez is frekvenciafüggő, minél nagyobb a frekvencia, annál kisebb a megengedhető lyukméret. A harmadik probléma pedig a mágneses tér, aminek a csillapítása kicsit másképp működik. Itt jönnek be a változó áramok, amiknek nincsen elkülöníthető mágneses és elektromos terük, hanem csak egy kombinált elektromágneses, ahol az elektromos tér gerjeszti a mágnesest, ez pedig megint elektromosat gerjeszt (ettől tud a rádióhullám akár vákuumban is terjedni).

Összegezve: amíg a villám a kocsi mellé csap be, a kocsi tökéletlen Faraday-kalitkaként viselkedik és jelentős elektromágneses tér lesz az utastérben, ami minimum az elektronikát tönkreteszi. Ha a villám a kocsi karosszériájába csap, akkor ugyanez, az áram pedig ideális esetben a karosszérialemez külsején folyik. Ha a külsején nem jut tovább, persze valamikor átmegy a belső oldalra. De ekkor is van elég fém a környéken, hogy az áram ne az utasokon keresztül keressen magának utat.

Most már csak az a kérdés, hogy hova csapott a képen látható autóba a villám? Maga az előcsatorna pár milliméter átmérőjű, a nagy kisülés roncsolása ezt felülírja. A képekből szerintem csak annyi (sem) látszik, hogy a jobboldali A-oszlopban folyt az áram, aztán a szélvédő alatt elkanyarodott a középkonzolhoz, majd amellett lefolyt a padlólemezhez. A forró fém összeolvasztotta a műanyagot és megrepesztette+összekormozta a szélvédőt.

Zivatarban tehát egyrészt elkerülendő a direkt villámcsapás (40000 Amper), valamint a villámcsapás mechanikai mellékhatásai (letörő ág). Villámhárítót megfogni szintén nem jó ötlet (hiába folyik benne 39999A, a testen átfolyó 40000. még mindig halálos lehet). Tehát zivatarban nem támaszkodunk kívülről a kocsinak. Hasonló megfontolásból a kocsiban ülve se érjünk hozzá a karosszériához, akkor sem, ha elméletileg ez lehetséges lenne. A Wikipédia képén egy gondosan megtervezett kísérlet látható a valóságosnál nagyságrendekkel kisebb energiájú villámmal és az ideálishoz sokkal közelebb álló Faraday-kalitkával. Egy elmélet a gyakorlat egyszerűsített modellje, ami csak bizonyos feltételek megléte esetén helyes, nem érdemes ezzel orosz rulettet játszani.

Hirdetésblokkolóval néznéd éppen a Totalcart, és ettől mi éhen halunk.

A TC olvasása ingyen van, de a működtetése nem: szerzőink és családjaik táplálkoznak, és ami fontosabb: rendszeresen tankolnak, pénzért.

Kérjük, engedélyezd a TC-n a hirdetések megjelenítését, vagy ellehetetleníted a működését annak, amit épp olvasni szeretnél.