La fisica del fulmine

Fin dall’antichità, il fulmine ha fatto compagnia all’umanità rimanendo uno dei fenomeni fisici più affascinanti in natura.

È un elemento chiave di molte mitologie, considerando la presenza di almeno un dio del fulmine in varie religioni (Giove, Zeus, Thor, Indra, etc…), e sono rimasti parte integrante della cultura moderna.

Thor ricompare nei film/fumetti Marvel. Non esiste universo fantasy (libri, film o videogames che siano) in cui manchi un incantesimo del fulmine. Infine, il pokèmon più famoso del franchise è di tipo elettro.

Su note meno allegre, è da tenere in considerazione che (a seguito del riscaldamento globale) saranno sempre più comuni fenomeni atmosferici violenti. Ad oggi il Prof. Colin Price dell’Università di Tel Aviv definisce il fulmine come prima causa di morte nell’area tropicale.

Se non volessimo approfondire l’argomento non ci sarebbe altro da dire.

Ma non è il nostro caso.

Andiamo quindi a spiegare in generale cos’è un arco elettrico.

La ionizzazione dell’aria, la scarica elettrostatica

Le interazioni tra particelle cariche e materia possono essere molteplici:

  • Aumento dell’energia cinetica delle particelle a causa delle alte temperature (Termoionizzazione)
  • Aumento dell’energia associata alla particella a causa dell’esposizione a fasci di fotoni (Fotoionizzazione)
  • Migrazione di particelle cariche da zone a maggiore concentrazione verso zone a minore concentrazione (Diffusione)

Considerando due elettrodi posizionati in aria, si supponga che il catodo inizi ad emettere elettroni (eccitati in qualsivoglia modo). Questi elettroni sono immersi in un campo elettrico, generato dagli elettrodi, e accelerano verso l’anodo acquistando energia.

Grazie al fenomeno di diffusione, a causa di numerose collisioni ionizzanti, c’è una generazione di cariche sempre maggiore (valanga elettronica) che è causa di una corrente elettrica da catodo verso anodo. Inoltre, avviene un’emissione di fotoni (luce).

Distribuzione delle cariche in una valanga elettronica, da “Elettrotecnica, Volume 1”, Marcello D’Amore

Abbiamo assistito al fenomeno dell’arco elettrico in aria, una specie di micro fulmine.

Ma cosa succede se iniziamo a pensare in grande?

Cosa genera il fulmine, il potere delle punte

Durante un fenomeno temporalesco, l’accumulo delle cariche elettriche all’interno delle nubi può generare scariche elettriche all’interno della nuvola stessa, tra una nuvola e l’aria circostante, tra due nuvole, o tra nuvole e terra.

Concentriamoci sulle scariche nube-suolo, i fulmini da manuale insomma.

Le nubi sono causate da un fenomeno di condensazione di particelle di vapore acqueo e ghiaccio. Proprio su una goccia d’acqua, o su un cristallo di ghiaccio appuntito, si può verificare un aumento localizzato di campo elettrico.

Ma perché avviene tutto ciò?

In fisica elettrostatica si parla di potere delle punte, dato che le superfici più “aguzze” tendono a manifestare accumuli di carica maggiori che comportano campi elettrici di intensità più elevata.

Dimostrazione dell’effetto del potere delle punte, da Fonte

Si inizia a sviluppare una scarica iniziale, debolmente luminosa, che si evolve nella direzione del campo elettrico.

Il fenomeno diventa interessante quando la scarica si localizza nella parte inferiore della nube

Il fulmine, scariche atmosferiche ascendenti e discendenti

Scarica atmosferica con polarità negativa nella nube, da “Compatibilità Elettromagnetica”, Marcello D’Amore

La scarica, che inizialmente era localizzata completamente all’interno della nuvola, può iniziare ad assumere le dimensioni di un canale ramificato che si propaga verso terra.

Questo perché l’accumulo di carica (ad esempio negativa) ha polarizzato il terreno di carica opposta (ad esempio positiva). Le cariche, che tendono all’equilibrio, saranno portate a muoversi per effetto della diffusione.

Il canale che si viene a formare ha il diametro di circa un centimetro, ed è di materiale altamente conduttore.

Il canale si muove a scatti successivi verso il basso. La carica della nube si riduce, avvicinandosi al terreno. Si ha un conseguente aumento del campo elettrico nel terreno, che può portare alla formazione di fenomeni di tipo corona che possono degenerare in un canale ascendente (detto di controscarica).

Quando il canale discendente incontra il canale ascendente (o il terreno) inizia il processo di smaltimento delle cariche.

Avviene effettivamente il classico fulmine, detto anche scarica primaria.

Il fenomeno si può fermare qui oppure, se la carica accumulata nella nuvola era intensa, ci possono essere più fenomeni di scariche di ritorno che si propagano dal basso verso l’alto.

Archi elettrici e cortocircuiti

Ma gli archi elettrici riguardano solo i fenomeni atmosferici? Purtroppo, no.

Parlando di reti elettriche è necessario andare a considerare le correnti di corto circuito.

Per cortocircuito si intende il contatto di una fase (conduttore) con un le altre, con il terreno, o con componenti metallici dell’impianto.

Il contatto può avvenire anche a causa della generazione di un arco elettrico, fenomeno che crea effettivamente un elemento di comunicazione tra i vari componenti.

Segue un video di guasti a linee aeree e macchinari di stazione a causati dalla generazione di archi.

Fortunatamente, l’aria è un isolante autoripristinante. Questo significa che se il contatto avviene tramite arco elettrico, questo si auto estinguerà naturalmente (quasi sempre).

È buona norma, in ogni caso, interrompere la fornitura energetica alla rete anche per pochi millisencondi. In questo modo ci si assicura che il fenomeno dell’arco sia estinto e che non si rischi di mantenerlo energizzato (cose che avviene, ad esempio, nelle USBkiller).

Fulmini artificiali, è possibile?

La realizzazione artificiale di un fulmine non è un sogno, basti pensare alla macchina di Whimshurst per la creazione di archi elettrici tra due elettrodi.

La macchina è a tutti gli effetti un generatore che va ad indurre uno squilibrio di cariche tale da causare la rottura dielettrica dell’aria con conseguente creazione dell’arco.

Di seguito un video che dimostra il fenomeno.

Si nota subito che l’arco è abbastanza contenuto rispetto all’idea che abbiamo del fulmine classico. Questo perché la quantità di cariche accumulate nelle nuvole è estremamente elevata rispetto a quelle che una semplice macchina può generare.

Le correnti del primo colpo di un fulmine discendente possono arrivare mediamente ai 34 kA. Tenete conto che correnti al di sopra dei 10 mA sono ritenute pericolose per l’essere umano.

Conclusioni elettrizzanti

Bisogna arrivare ad una triste verità.

Lanciare un fulmine stile Skyrim dalle mani non è ancora alla nostra portata (purtroppo, sigh).

Questo per due ottime ragioni, una pratica e una logistica.

La ragione pratica è che per generare un fulmine di taglia decente sarebbe necessario accumulare un gran numero di cariche, cosa che il nostro corpo potrebbe non gradire particolarmente.

La ragione logistica è che se anche riuscissimo a generare il suddetto fulmine, non saremmo noi a decidere il bersaglio. Questo sarebbe infatti determinato dal canale, in base al principio della diffusione.

In pratica colpirebbe quasi a caso, concentrandosi su oggetti particolarmente appuntiti (come i parafulmini).

In definitiva, non saremmo dei maghi particolarmente efficaci.

Fonti

“Elettrotecnica, Volume 1” – Marcello D’Amore

“Compatibilità Elettromagnetica” – Marcello D’Amore

“Impianti Elettrici 1” – Fabio Massimo Gatta

“Africa, a thunder and ligthning hot spot, may see even more storm” – New York Times

“Nuvola” – Wikipedia

“Potere disperdente delle punte” – Wikipedia

“Macchina di Wimshurst” – Wikipedia

“Divinità del tuono” – Wikipedia

Matteo Ricciardi

Ingegnere Elettrico, specializzato nella regolazione della tensione tramite compensazione reattiva e nella trasmissione di energia elettrica tramite collegamenti HVDC. Duca di Nolan (KtS)

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