Quelles sont les causes du feu de St. Elmo

Quelles sont les causes du feu de St. Elmo

Pour ceux qui ne connaissent pas, "St. Elmo’s Fire ”est le nom de la lueur qui ressemble à un feu bleu / violet entourant le sommet d’objets métalliques pointus lors d’un orage.

Ce phénomène peut être attribué à un saint italien «Sant‘ Ermo »ou« Saint Erasmus ”vers 300 après JC, le saint patron des premiers marins de la Méditerranée. Cette lueur avait tendance à apparaître au sommet des mâts de navires pendant les phases de dissipation d'un orage. La superstition générale était que si Saint-Elmo paraissait, c’était un bon présage et une réponse aux prières du marin, car les mers violentes commenceraient à s’affaiblir et les vents à la surface s’apaiseraient. S'il (la lueur ardente) apparaissait par beau temps, on aurait dit que la main directrice de Saint-Elme avertissait d'un orage.

Charles Darwin a même écrit sur le phénomène dans une lettre à J.S. Henslow, il a écrit à propos d'une nuit passée à Beagle pendant un orage,

Tout était en flammes, le ciel éclairé, l'eau chargée de particules lumineuses et même les mâts étaient pointés d'une flamme bleue.

Scientifiquement, ce phénomène est appelé «décharge corona» ou «décharge ponctuelle». Il peut se produire et se produit couramment à la pointe de toute surface conductrice pendant les orages. On peut le voir sur les sommets des clochers des églises, des barres de foudre, des hélices et des ailes d’avions, et même des brins d’herbe et des cornes de bétail!

Benjamin Franklin a été le premier à décrire plus ou moins correctement le phénomène d’électricité atmosphérique en 1749. Il pensait que le "feu" était un moyen par lequel des barres de foudre "aspireraient" lentement l’électricité d’un orage avant qu’elle accumule suffisamment de charge pour former une grève.

Une couronne peut se former lorsque le potentiel d’un champ électrique (dans ce cas, l’atmosphère pendant un orage) est plus fort que la résistance (dans ce cas, les tiges conductrices pointues) quel que soit le support traversé par l’électricité (électrons). Scientifiquement, c’est ce que l’on appelle la loi d’Ohm: le courant électrique est égal à la tension divisée par la résistance.

Alors, pourquoi cela se produit-il pendant les orages et pourquoi cela se produit-il plus facilement avec des objets métalliques pointus?

En un mot (ou deux dans ce cas): équilibre électrostatique. L’équilibre électrostatique est une condition naturelle dans laquelle un conducteur chargé (comme dans le cas du mât d’un navire) voit sa distance de charge excédentaire de manière égale. Ceci est dû au fait qu'il a des forces de répulsion égales agissant sur tout le matériau. Fondamentalement, tous les électrons présents dans le matériau s'éloigneront également, car ils se repoussent tous. C’est important à noter quand il s’agit de conducteurs pointus, comme le mât d’un navire, et de leurs champs électriques.

Les champs électriques auront toujours leur force dirigée entièrement perpendiculairement à la surface du conducteur. Dans le cas d'un conducteur plat, cela signifie que la force est appliquée vers le bas. C’est pour cette raison qu’un conducteur pointu aura plus d’électrons, et donc plus de charge, à son extrémité.

Si vous prenez deux aimants et que vous les placez sur une surface plane, ils peuvent se repousser mutuellement sur une certaine distance. Si vous courbez cette surface plane tridimensionnelle en faisant le centre de la pointe entre les deux aimants, vous pourrez faire glisser les aimants vers le haut et ainsi les rapprocher si la surface était plane. Cela est dû au fait que la force de répulsion est appliquée loin de la surface et non au niveau de l'aimant opposé. L'intérieur des surfaces pliées agit comme une sorte d'isolant, ne permettant pas à la force de la traverser, ce qui affecte l'aimant de l'autre côté. Le résultat est plus de charge sur toute surface courbe d'un conducteur en équilibre électrostatique. Plus le point est net, plus le résultat est prononcé.

Je sais ce que tu penses. Pourquoi les électrons en rotation autour des atomes de l’intérieur du conducteur ne provoqueraient-ils pas une dispersion accrue des électrons et ne permettraient donc pas l’accumulation d’électrons sur la surface incurvée?

La réponse est un autre truisme impliquant l'équilibre électrostatique. Ce qui est étonnant avec la charge d’un conducteur, c’est que la charge n’existe que sur la surface du matériau et non à l’intérieur de celui-ci. Les lignes de champ électrique ne feront que s'étendre de la surface et non vers l'intérieur. S'il existait une force à la surface, les électrons devraient encore se déplacer en réponse à cette force et ne pas être en équilibre. Comme ils sont déjà en équilibre, il en résulte toute la charge existant à la surface. C’est ce phénomène qui permet aux mordus de la science de se tenir partout dans une cage en métal (une cage de Faraday) tout en laissant éclater des éclairs entourés de millions de volts.

Alors, maintenant que nous savons que les matériaux conducteurs auront une charge excessive sur leurs surfaces incurvées, voyons pourquoi les orages provoquent l’incendie de St. Elmo.

Comme mentionné précédemment, les conducteurs ont des champs électriques spécifiques. Les gaz peuvent aussi avoir des champs électriques. Dans ce cas, le gaz est l'air que nous respirons. Lorsque l'atmosphère est calme, par beau temps, l'intensité de son champ électrique est d'environ 1 volt par centimètre (en fonction de la composition exacte de l'air présent).Quand un orage commence à se former, l’intensité du champ électrique commencera à augmenter et se poursuivra jusqu’à atteindre 10 000 volts par centimètre. Autour de ce point, vous aurez un coup de foudre. C’est dans cette fenêtre d’intensité de champ accrue au-dessus de la normale et avant la foudre que vous pourriez voir le feu de St. Elmo.

Voyons maintenant ce que nous savons de l’équilibre électrostatique et de ce que nous savons des champs électriques croissants des orages, et parlons de la raison pour laquelle ils provoquent une couronne.

Les nuages, dans ce cas un cumulonimbus, ont tendance à avoir des charges excessives en haut et des charges négatives en bas. Bien que les scientifiques discutent encore de la nature exacte de la raison, la théorie la plus communément admise est qu’elle résulte de deux processus.

La première est que les nuages ​​contiennent d'innombrables gouttelettes d'eau en suspension et de la glace qui tourbillonne. Lorsque les eaux souterraines en cours d'évaporation atteignent le nuage, les électrons sont forcés de s'éloigner de la gouttelette ascendante chargée positivement, laissant une charge négative au bas du nuage.

Le deuxième mécanisme en cause concerne la glace. Lorsque l'eau qui s'évapore monte, elle peut geler à haute altitude. Le groupe de glace aura tendance à devenir chargé négativement vers son centre. Lorsque la glace tourbillonne autour du nuage, les parties extérieures les plus chargées positivement sont laissées vers le haut et les parties gelées plus chargées négativement vont couler vers le bas. Le résultat de ces deux processus laisse une charge négative croissante vers le bas. C’est important dans le cas de l’incendie de St. Elmo, car cette charge négative croissante affecte la surface de la Terre.

Normalement, l’air autour d’un nuage est suffisant comme isolant pour tenir Zeus et ses éclairs en échec. Dans le cas de nuages ​​d'orage, à mesure que la charge du nuage augmente, l'intensité de son champ augmente également. Cela peut ioniser l'air qui l'entoure, le rendant plus conducteur. Lorsque l'excès d'électrons du bas du nuage commence à se faufiler dans l'air conducteur, de plus en plus conducteur, il force les électrons à la surface de la Terre (ou tout objet attaché à la Terre, comme un mât de bâtiment ou de navire). . Il en résulte une augmentation croissante de la charge positive sur les parties élevées de la terre, à la manière d'un paratonnerre.

En utilisant l’équilibre électrostatique comme précurseur, nous pouvons voir qu’un objet avec une pointe pointue aurait une concentration de charge positive relativement plus élevée qu’un objet qui n’a pas de pointe pointue. À la fin, la pointe chargée positivement réagit avec l'atmosphère croissante chargée négativement et un courant électrique est généré.

Normalement, ce processus serait invisible. Dans le cas de la couronne (non, pas de la bière), lorsque le potentiel du champ électrique est suffisamment fort (comme au sommet du mât d’un navire), des électrons peuvent être arrachés de leurs molécules. Si cet électron peut gagner suffisamment d’énergie pour ne pas être absorbé par une molécule proche (comme par exemple par l’intensité ou la diminution du champ électrique d’un nuage orageux et de l’air qui l’entoure), il en résulte des électrons libres, des amas ioniques chargés positivement surface du mât du navire) et l’air environnant, tous se heurtant sous une forme de matière appelée plasma. Le plasma émettra une lumière qui donnera vie à St. Elmo et à son "feu"!

La couleur de la lueur du plasma dépendra du type de gaz présent. Puisque notre air est composé principalement d'azote et d'oxygène, il brillera en bleu / violet.

En fin de compte, St. Elmo et son incroyable feu bleu / violet ne sont que le résultat de l'équilibre électrostatique d'un conducteur affecté par le potentiel de champ électrique croissant créé par les nuages ​​d'orage. Ou, comme Ben Franklin a dit «électricité atmosphérique».

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