הסבר התלמיד:

תמונה זו צולמה בפריס בשדרת השאנז אליזה, בלילה במזג האוויר סוער למדי. רגע לפני שירד גשם נראה ברק מרשים בשמיים. הברק נוצר משום שבתחתית ענני סערה נוטה להצטבר מטען חשמלי שלילי גדול מאוד. הסיבה לכך איננה ידועה אך ההשערה המקובלת היא שישנו חיכוך גדול מאוד בין טיפות המים לבין הקרח. בתוך הענן, חיכוך משחרר את האלקטרונים מהאטומים וגורם להם להצטבר בתחתית הענן. אחת מתוצאות של הזרימה החשמלית הזו היא שהאוויר בדרך מתחמם מאוד ויכול להגיע לטמפרטורה של למעלה מ-27 אלף מעלות. החום האדיר גורם להבזק אור, שנובע מיינון של האוויר דרכו עבר הזרם החשמלי.

פריצה חשמלית

פריצה או התפרקות חשמלית (Electric breakdown) באוויר היא תהליך שמתרחש כאשר האוויר הופך ממבודד למוליך בהשפעת שדה חשמלי חזק במיוחד. נתבונן למשל במחולל ואן דה גרף: האם קיים מטען מרבי שבו אפשר לטעון את הכדור במחולל? ובכן, המטען שבו אנו טוענים את הכדור יוצר שדה חשמלי בסביבתו שמקבל את ערכו המרבי סמוך לפני הכדור. עבור האוויר קיים ערך סף (קריטי) לשדה החשמלי כך שכאשר השדה גדול מערך זה הופך האוויר ממבודד למוליך. התהליך שבו מתרחש שינוי זה הוא מורכב: היונים המעטים שמצויים ממילא באוויר מואצים על ידי השדה החשמלי וגורמים ליינון של מולקולות נוספות. כך נוצר ריכוז גבוה של מטען חשמלי חופשי באוויר והוא הופך ממבודד (שבו ריכוז המטען החופשי נמוך מאוד) למוליך. כאמור תהליך זה מתרחש רק כאשר הערך של השדה החשמלי עובר את הערך הקריטי: כ – מיליון וולט למטר (כלומר מתח של מיליון וולט בין שתי נקודות המרוחקות זו מזו מרחק של מטר אחד). במצב זה, כאשר האוויר הפך למוליך, ייווצר זרם חשמלי בין הכדור הטעון לבין גוף אחר שנמצא בסביבתו ושהפוטנציאל שלו שונה מזה של פני הכדור (כמו למשל האצבע שלנו) והמטען העודף על הכדור יתפרק. זרם זה גורם לעירור של מולקולות האוויר ולפליטה של אור כלומר להיווצרות של ניצוץ. כך גם נוצר הברק. הפריצה נוצרת אם כן בשלבים הבאים: היווצרות של שדה חשמלי הגבוהה מהערך הקריטי, יינון של האוויר ההופך את האוויר ממבודד למוליך, היווצרות של זרם חשמלי דרך האוויר המוליך.

מדוע טוענים כי בסמוך לקצוות מחודדים ייווצר ניצוץ מוקדם יותר?

השדה החשמלי בסמוך לקצוות מחודדים גדול יותר ולכן הוא מגיע לערך הקריטי גם כאשר המטען קטן יותר. מכאן שההתפרקות ליד קצה מחודד תתרחש גם עם טעינה קטנה יחסית.

כיצד נוצר הברק?

הברק נוצר כתוצאה מתהליך מורכב שמתרחש בעננים גדולים הגורם לכך שתחתית הענן נטענת במטען חשמלי שלילי ותקרת הענן במטען חשמלי חיובי. אם המטען שבתחתית הענן יוצר שדה חשמלי שערכו גבוה מהערך הקריטי הנחוץ לפריצה, יהפוך, כפי שתואר קודם, האוויר למוליך וייווצר מעין מסדרון של חלקיקים טעונים בין תחתית הענן לבין הקרקע (או בין שני עננים סמוכים). דרך מסדרון זה יעבור הזרם החשמלי וייווצר הברק.