Yıldırım basit olarak, toprakla, elektrik yüklü bir bulut arasındaki elektriksel deşarj olarak tanımlanabilir. Söz konusu bu deşarj sadece bulutla yer arasında olmayabilir. Gerekli şartlar sağlanmış ise iki bulut arasında da olur. Yıldırımın meydana gelmesini sağlayan en önemli olay; yük ayrılışıdır. Yükleri ayrılmış bir buluta oraj bulutu denir ve bu bulutun içerisinde yaklaşık 500 V/m’lik elektrik alanı mevcuttur.
Yıldırım basit olarak, toprakla, elektrik yüklü bir bulut arasındaki elektriksel deşarj olarak tanımlanabilir. Söz konusu bu deşarj sadece bulutla yer arasında olmayabilir. Gerekli şartlar sağlanmış ise iki bulut arasında da olur ki, biz buna şimşek diyoruz. Her iki olayda oldukça belirgin bir kıvılcım atlaması görülür ve gök gürültüsü işitilebilir. Bütün bunlara meteoroloji dilinde oraj denilmektedir.
Yıldırım 4 aşamada gerçekleşir
Yıldırım olayı 4 aşamada gerçekleşir.
- Aşama: Eksi yüklü elektronlar aşağı doğru zigzag yapmaya başlarlar.
- Aşama: Artı yüklü parçacıklar da, yerde bulut tabanın altında toplanır.
- Aşama: Bulut yeryüzüne iyice yaklaşınca öncü eksi yükler yere inerek bir yol açarlar (bunlar görülmez) ve sonra da yerden buluta doğru elektrik akımı başlar.
- Aşama: Artı yükler saniyede 100.000 km’yi aşan bir hızla buluta akar.
Yıldırımın meydana gelmesini sağlayan en önemli olay; yük ayrılışıdır. Rüzgâr kanallarındaki dikey hava akımları neticesinde bir yük ayrılışı, yani pozitif ve negatif yüklerin ayrılması olayı meydana gelir. Yükleri ayrılmış bir buluta oraj bulutu denir ve bu bulutun içerisinde yaklaşık 500 V/m’lik elektrik alanı mevcuttur. Böyle bir bulut toprağa yeteri kadar yaklaştığı zaman, toprak, bulutun alt kısmında biriken yüklere zıt yüklerle yüklenir. Bu durumda toprakla oraj bulutu arasında elektriksel deşarj meydana gelir. Bu deşarjın yerden havaya doğru veya havadan yere doğru olup olmadığı halen tartışma konusudur. Ancak her iki halde de etkilerinde bir değişiklik yoktur. Genellikle bu olayda uzay elektrik yüklerinin yoğunluğu önemli rol oynar. Yere deşarj sürekli olmaz. Daha ziyade kısa veya uzun süreli duraklamalarla kademeli bir şekilde ileri sıçramalar halinde olur. Yıldırım her ileri sıçrayışta 10–100 metre kadar yol alır ve ortalama hızı 50.000 km/sn’dir (ışık hızının %16’sı). Sıçramalar arasındaki duraklama süresi 30–90’µsn arasında gözlenmiştir.
Yıldırım yere fazla yaklaştığı zaman yeryüzündeki sivrilmiş noktalarda yoğunlaşan elektrik alan şiddetleri bu noktalardan bulutlara doğru gelişen, yakalama deşarjı adı verilen deşarjlar meydana getirirler. Bu deşarjların ilerleme hızı; özellikle deşarj kanalının, elektrik yükleri ile beslenmesine bağlıdır (30.000–150.000 km/sn). Genellikle elektrik yüklerinin oluşumu ve yük ayrılması olayının sonucu, bulutun öncü deşarj negatif uzay yüklerinden meydana gelir. Bu iletken kanal yerden yükselen yakalama (pozitif yüklü) deşarjı ile birleştiğinde ana deşarj olayı oluşur ki, bu olay sıçramalarla değil tek bir iletken kanalın içinden kuvvetli bir akımın geçmesiyle oluşur. Bunu, ikinci, üçüncü deşarjlar izleyebilir. Yıldırım olayı yüksek frekanslı bir olay olmayıp unipolar bir şok deşarjı, kısa süren bir doğru akım darbesidir.
Bir yıldırım olayında boşalan elektrik yük miktarı 1 A.s (1A.s= 1 coulon) altında olmakla beraber şiddetli yıldırımlarda 10–20 A.s’lik boşalmalarda gözlenmiştir. Bu değer nadiren 75 A.s. olarak da tespit edilmiştir. Genellikle gözlenen yıldırımların yüzde 90 sıklıkla oluşanı negatif inişli olarak adlandırılır. Diğer oluşumlar çok az bir yüzdeyle oluşan pozitif inişli, pozitif çıkışlı ve negatif çıkışlı olaylardır.
Yıldırım şekilleri
- Çatallı şimşek, bulutlar arası ya da bulutla yer arasında oluşan eğri büğrü şimşek oluşabilir.
- Tabaka biçiminde şimşek, bulutlar ve yağmur şimşeği örter fakat biz onu aydınlık bir tabaka olarak görürüz.
- Topçuk biçiminde şimşek, buluttan bir ışık topçukları çıkar fakat çok kısa sürede yok olurlar ve çok seyrek görülür.
Yıldırımın etkileri
Elektrodinamik etkisi
Bir iletkenden geçen yıldırım akımının doğurduğu magnetik alan ile arzın magnetik alanı arasında meydana gelen kuvvetler çok küçük değerlerdir. Daha büyük kuvvetler, yıldırım akım yolunun bir kısmı diğer bir kısmının magnetik alanı içinde bulunması halinde meydana gelir. Bu etki sonucu ince anten borularından, paralel iletkenlerden karşılıklı çarpışma, iletken kroşelerin sökülmesi vs. gözlenebilir.
Basınç ve ses etkisi
Yıldırım kanalı içindeki elektrodinamik kuvvetlerden ileri gelen 2-3 Atü basınç, bu akımın sönmesi ile patlama şeklinde havayı genleştirerek gök gürültüsünü meydana getirir. Bu gürültü yakında bulunanlara bir patlama etkisi yaratırken, uzaklardan gök gürlemesi olarak duyulur. Nadiren cam kırılmaları gibi olaylarla da karşılaşılmıştır. Gök gürültüsünün bir sebebi de meydana gelen ısı enerjisinin oldukça büyük ve ani bir gelişme meydana getirmesidir.
Elektrokimyasal etkisi
Bunlarda Faraday Kanunu’na göre açıklanabilen tesirlerdir. Elektrolitik parçalanma sonucu demir, çinko, kurşun gibi metaller açığa çıkar. Fakat bu olay için oldukça büyük akım şiddetine sahip yıldırım oluşması gereklidir (100 AS. civarında).
Işık etkisi
Kılavuz akım deşarjlarının gelişip, yere yaklaşıp, atlama yaptığı noktadan geriye doğru gelişen ana yakalama deşarjı ile nötralizasyon başladığında oluşan bir iletken kanal çevresine çok parlak bir ışık yayar (ark olayı gibi). Bu ışık yakın mesafelerde göz kamaşması veya kısa bir an için görme zorluğu meydana getirebilir.
Termik etkisi
Yıldırım olayında ısı enerjisi olarak ortaya çıkan enerji Joule Kanunu’na göre açıklanır. Dolayısıyla elektriksel direncin büyük olduğu noktalarda büyük ısı değerleri oluşabilir. Kesitleri yeterli büyük iletkenlerde herhangi bir etki görülmediği halde küçük kesitli iletken özellikteki tellerde (çapı bir kaç mm.) yüzeysel erimeler, renk değişikliği, kaplama yanması gibi etkiler gözlenir.
Ağaçlarda, kayalarda oluşan yıldırımlarda, geçen akım yolu üzerindeki su birikintisini veya buharlaştırabileceği başka maddelerin ani genleşme basınçları yüzünden ağaç, kaya gibi bu cisimleri parçalayıp, yarabilirler. Bütün bunların yanında yıldırım akımının büyüklüğüne göre gözlenmiştir ki; yıldırım düştüğü noktanın etrafındaki 30 m. çapında bir daire içindeki alanda, normal açıklıktaki yürüyüş adımlarının yarattığı adım gerilimi dediğimiz gerilim yüzünden, oldukça tehlikelidir. Bu yüzden yıldırımlı havalarda açık yerlerde ayakların mümkün mertebe birbirine bitişik tutulması, ağaç ve duvarlara yaslanılmaması tavsiye edilir.
Yıldırımdan Korunma
Fırtına bulutundan ne kadar uzaktasınız? Şimşeği gördüğünüz andan itibaren saniyeleri saymaya başlayın ve gök gürültüsünü duyduğunuzda saymayı kesin. Diyelim ki 9 saniye saydınız. Bulduğunuz sayıyı 3’e böldüğünüzde kilometre olarak bulutun size olan uzaklığını bulursunuz, yani 3 kilometre. Elektrik akımı havanın direncinin en az olduğu ya da iletkenliğin en fazla olduğu yerde başlar.
İnsan iyi bir iletkendir. Teller, metaller, nemli toprak, ağaç kökleri, ağaçlar vb. bir kaç örnektir. Yıldırım çarpması ile elektrik çarpması aynı şey değildir. Elektrik çarpmasında voltaj (yüksek gerilimlerde) 20.000 Volt ile en fazla 63.000 Volt arasında değişir. Yıldırım çarpmasında ise voltaj 300.000 Volt’tur.
Elektrik çarpması nadiren yarım saniyeden (500 mili saniye) fazla sürer çünkü ya devre otomatik olarak kesilir ya da çarpma kişiyi fırlatır. Yıldırım çarpmasında ise süre çok kısadır (bir kaç mili saniye). Hemen her ikisinde de çarpılan kişi ya kalp problemlerinden ya da fırlatılma ile meydana gelen yaralanmalardan hayatını kaybeder.
Yıldırımdan Korunma Sistemleri
Yıldırımdan Korunma Sistemleri ikiye ayrılır:
1) Dış Yıldırımlık Sistemleri,
2) İç Yıldırımlık Sistemleri.
1) Dış Yıldırımlık
Dış yıldırımlık sistemi, binaları direk yıldırım darbelerine karşı korumak için geliştirilmiştir. 3 farklı metotla binalar yıldırma karşı korunabilmektedir.
1) Yakalama Çubuğu
2) Kafes Metodu
3) Aktif Paratonerler
Ancak yukarıdaki metotlardan birini seçmeden önce korunacak yerin yıldırım düşme riskini belirleyen koruma seviyesi hesaplanmalıdır. Ülkemizde yıldırım risk hesabı IEC 62305 ve NF C17 102 standartlarına uygun yapılarak uygun koruma sistemleri seçilmektedir. Takip eden satırlarda yıldırım risk hesabı için NF C 17 102 standardına uygun koruma seviyesi hesabını bulabilirsiniz.
Koruma Seviyesi Hesaplanması
Yıldırım Risk Hesabı
Etkili eşdeğer Alan Ae= L.W+6.H.(L+W)+9.š.H2L … Boy (m) , W: En (m) , H: Yükseklik (m)
Tesis için beklenen yıldırım sayısı
Nd= Ng.Ae.C1.10-6 Yıldırım yoğunluğu Ng=0,04.NK1,25 Nk: Yıldırımlı gün sayısı (haritadan)
Tesis için onaylı yıldırım darbe sayısı Nc=5,5.10-3/C ; C=C2.C3.C4.C5 Nd Nc ise koruma isteğe bırakılır. Nd > Nc ise koruma gereklidir. Bu durumda etkinlik E=1-(Nc/Nd)
Hesaplanan Etkinlik Koruma seviyeleri E>0.98 Seviye 1 0,95