A villám nagy energiájú, természetes légköri elektromos kisülés. Keletkezhet felhő–föld és felhő–felhő között is. Áramerőssége általában 20-30 000 amper, de kivételes esetben meghaladhatja a 300 000 ampert is.
Óránként több százezer villámcsapás történik a Föld felszínén.Met Office UK: Lightning Egyes adatok szerint Magyarországon évente a földet ért villámcsapások átlagos gyakorisága négyzetkilométerenként kettő. bélyegkép|300px|Elektromos gázkisülés
A villám keletkezése
A villám egyfajta elektromos gázkisülés, ami felhőn belül, felhők között, vagy a talaj és felhők között jön létre. Többnyire elágazásos szerkezetű, de van felületi villám is, amely a felhők felületén keletkezik. Ritkább jelenség az egyenes villám és a gömbvillám. E két utóbbira nincs általánosan elfogadott tudományos magyarázat. Az egyenes villám jellemzője, amiről a nevét is kapta az, hogy a vonala nélkülözi a villámokra általában jellemző elágazásokat (a villám vonala valójában nem egyenes, hanem íves is lehet). Az egyenes villám hurkot is leírhat.
A villám keletkezésének pontos folyamata még tudományos viták tárgya, de elfogadott magyarázat, hogy a villám kialakulása a felhők vízcseppjeinek, jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére vezethető vissza, aminek következtében az elektromos töltések szétválnak a felhőn belül. A felhő felső felén a pozitív, alul a negatív töltések halmozódnak fel.
A víz légkörben való körforgása során a nedvesség felhővé áll össze. A felhőt sok millió, apró vízcsepp alkotja, ugyanakkor jégkristályokat is tartalmaz, ezek súlya egyelőre annyira kicsi, hogy a levegőben lebegnek. A földfelszín felőli párolgás felfelé mozgatja az apró vízcseppeket, amik útjuk során összeütköznek más hasonló vízcseppekkel, jégkristályokkal, vagy a lefelé hulló hópelyhekkel. Az apró ütközések következtében a felfelé haladó nedvességben elektronhiány lép fel, így elektromos töltésszétválasztás jön létre a felhőn belül. Az elektronok a felhő alsóbb területén halmozódnak fel, ami így elektromosan negatív töltésű lesz.
Az ütközéseken felül a megfagyásnak is fontos szerepe van. Ahogy a felfelé szálló nedvesség a felhő felsőbb részében hidegebb levegővel találkozik, elkezd megfagyni, tömege növekedni kezd, ezért lefelé hullik és közben negatív töltésűvé válik, a még nem fagyott, felfelé haladó nedvesség pedig pozitív töltésű lesz.
A töltésszétválasztás elektromos teret hoz létre, ami az elhelyezkedő töltéseknek megfelelően alul negatív, felül pozitív irányultságú. Az elektromos tér erőssége a felhalmozott elektromos töltésekkel arányos. Ahogy ennek az erőtérnek az erőssége egyre növekszik, a földfelszínben lévő negatív töltésekre taszító erőt gyakorol, így azok a földben mélyebbre süllyednek. A földfelszín ennek hatására pozitív töltésű lesz.
Amikor az elektromos tér erőssége eléri a több tízezer volt/centiméter értéket, az elektromos töltésekre ható vonzóerő miatt a töltések a levegő molekuláiban is kezdenek szétválni, a felhő alja a közelében lévő pozitív töltésű levegőmolekulákra vonzóerőt gyakorol, így azok felfelé, a felhő alja felé mozdulnak el. A töltések szétválását a levegőben ionizációnak nevezik. Az ionizált levegő (más néven hideg plazma) elektromos vezetőképessége sokkal jobb, mint a nem-ionizált (de egyéb tulajdonságaiban azonos) levegőé (gyakran az elektromosan jól vezető fémeket is úgy jellemzik, mint pozitív atomtörzseket, amiket könnyen mozgó elektronfelhő vesz körül). Az elektronok kis tömegük miatt könnyen elmozdulnak, és áramlásuk elnevezése: elektromos áram. A levegő ionizációs folyamata során vékony, hosszabb-rövidebb járatok alakulnak ki a felhő és a földfelszín között, amikben az elektronok mozogni tudnak.
A villám nem egy lépésben csap le, mivel ezek a hosszabb-rövidebb vezető szakaszok nem egyszerre alakulnak ki, hanem fokozatosan. A járatok általában nem pontosan a felhő és a föld közötti legrövidebb egyenesen keletkeznek, hanem ezek jellemzően cikkcakk alakban haladnak. Ez amiatt van, mert az ionizáció mértékét befolyásolja a levegőben található apró porszemcsék elhelyezkedése, amik elősegítik az ionizációt. Így az elektromosan vezető csatorna abban az irányban alakul ki, ahol a jobban vezető szakasz megtalálható. A már kialakult apró vezető szakasz elősegíti további vezető szakaszok kialakulását, mivel a töltések a vezető szakaszban annak végéig el tudnak mozdulni, tehát módosítják a korábban kialakult elektromos teret, vagyis az erőviszonyokat.
A földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul (kis lépésekben) a pozitív előjelű elektromosság cikkcakkos áramlása a felhő felé, de azt sohasem éri el. A föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény (ami persze csak nagysebességű kamera felvételén észlelhető). A felhőből kiinduló nyúlvány általában fehér színű.
Az elektromosan vezető csatornák kialakulási folyamatának végén a felhő és a földfelszín összekapcsolódik egy vagy több, elektromosan vezető csatornán keresztül, amin először egy gyengébb elővillám fut végig, majd egy vagy több erősebb töltésáramlás megy végbe, gyakran ugyanazon a csatornán, hiszen abban a pillanatban azon a legkisebb az elektromos ellenállás.
Amikor a kétféle töltés találkozik, a töltések kiegyenlítődnek. A folyamat során a villámban haladó elektromos áram erősen felhevíti a levegőt, ami hirtelen kitágul, majd összeomlik. Ez erős fénnyel és hangrobbanással, azaz nagy robajjal jár. Ugyanazon az ionizált légcsatornán több villám is áthalad (akár 30-40), ezért a szemtanú számára úgy tűnhet, hogy a fő villámcsapás hosszabb ideig tartott, mint az azt megelőző gyengébb villanások. Ezt az illúziót erősíti, hogy a többszöri villámlással járó morajlások egybeolvadnak.
Az átlagosan 0,2 s-ig tartó kisülési időtartam alatt 30-40 000 amperes áramerősség lép fel. A villám sebessége 180 km/s (egy 18 km magasságban lévő felhőtől a földig a kész villám 0,1 másodperc alatt végighalad, alacsonyabb felhő esetén az idő még rövidebb). A hőmérséklet elérheti a 30 000 kelvint. A villámok 75%-a felhőn belül zajlik le. A villám fénye látható és UV-fényből áll.
Ha a villám homokos talajba csap, üvegszerű anyag keletkezik, aminek a neve fulgurit.
A villámok fajtái bélyegkép|jobbra|200px|Majdnem egy időben lecsapó villámok (Nagyvárad, Románia)
A zivatarokban vagy a szupercellában vihar alkalmával többféle elektromos kisülés megfigyelhető.
Felhő és föld közötti (lásd a leírást fentebb) Föld és felhő közötti (ez többnyire a földfelszínből kiemelkedő, hosszú, elektromosan jól földelt objektumból indul el) Felhőn belüli vagy felhők közötti, amit emiatt felhővillám-nak is neveznek - Működési mechanizmusa hasonló a felhő és föld közötti villáméhoz, csak éppen felhőn belül jön létre. Fénye emiatt kevésbé éles és nem vonalszerű, hanem a felhőt belülről világítja meg, fénye emiatt nagyobb felületre kiterjedő, elmosódott.
Megkülönböztetjük továbbá a szárazvillám és nyári villám jelenségeket is. A köznyelv a szárazvillám kifejezéssel jelzi, ha villámláskor nem esik az eső, azaz a felhőből hulló csapadék nem éri el a talajt. A nyári villám a szemlélőtől annyira távol látható, hogy onnan hanghatás nem, vagy csak gyengén érkezik. A távoli helyen ilyenkor általában esik az eső, de azt az észlelő nem érzékeli.
A szárazvillám veszélyessége abban áll, hogy nem jár a talajra hulló csapadékkal, ezért könnyen bozóttüzeket okoz (ez különösen Észak-Amerika nyugati területeire jellemző). A szárazvillámok megjelenését ezért külön figyelik az USA-ban.
A mennydörgés oka A villám erősen felhevíti a levegőt (a Nap felszínének hőmérsékletére), amely hirtelen kitágul, és összeütközik a környező légtömegekkel, ez hangrobbanást okoz, ami nagy robajjal jár. A hosszabban hallható dörej több villám következtében alakul ki, amik sűrűn követik egymást.
A villámlás és dörgés időbeni eltérésének oka A fény és a hang terjedési sebessége különböző. Ugyanazt a távolságot a fény sokkal gyorsabban teszi meg, ezért látjuk először a villámlást, és csak utána halljuk a dörgést.
A villámlás távolsága Mivel a fénysebesség sokszorosan felülmúlja a hang terjedési sebességét, ezért mindenféle eszköz nélkül is meg tudjuk állapítani a villámlás távolságát. Ha a két jelenség között eltelt időt (másodperceket) elosztjuk 3-mal, közelítőleg megkapjuk a távolságot km-ben.Azért 21-től kezdünk számolni, mert úgy a számolás nagyjából másodpercenként történik.
A villám megpillantásakor (például 20-tól egyesével) elkezdünk számolni: 21, 22, 23, ... Ha a dörgést például „25”-nél halljuk, a hangnak kb. 5 másodperc kellett az út megtételéhez. Ez azt jelenti, hogy körülbelül 1,5 kilométernyire történt a villámlás.
A másik módszer ha a a villám észlelése után elkezdjük számolni a másodperceket a mennydörgés meghallásáig, a kapott másodpercek számát megszorozzuk a hang terjedési sebességével, (kb. 340 méter/másodperccel), akkor megkapjuk a villámlás távolságát méterben. Ha például a villám felvillanása után 5 másodperccel halljuk meg a mennydörgést, akkor a vihar távolsága 1700 méter.
Villámcsapás elleni védekezés 200px|bélyegkép|Villám csap az Eiffel-toronyba (1902)
Villámcsapás ellen nincs 100%-osan hatékony védekezés, azonban a károkat és a sérüléseket előre tervezéssel és odafigyeléssel jelentősen csökkenteni lehet.
Villámcsapás zivatar előtt is lehetséges, ezért komoly figyelmeztető jel a sötét és magas viharfelhő vagy az erősödő szél. A villámcsapások 10%-a verőfényes, kék égbolt mellett következik be, a zivatarfelhőtől akár 15 km távolságban.
Ha a villámlás után 30 másodpercen belül hallható a dörgés, akkor a szemlélő villámcsapás veszélyének van kitéve, mely ellen biztonságos menedék keresése a legjobb védekezés. Mivel fába gyakorta csap villám, ezért a fa közvetlen közelében való tartózkodás tovább fokozza ezt a veszélyt. Ehelyett zárt hely keresése, például autó vagy épület belseje a jobb megoldás, de a barlang nem alkalmas erre. Évente világszerte mintegy 2000 embert ér villámcsapás, ezeknek 25-33%-a halálos.Glenn D. Considine (főszerk.): Van Nostrand's Scientific Encyclopedia, 2008, John Wiley & Sons, Inc., , p. 3038
Épületek védelme A villámok elleni védekezés érdekében Benjamin Franklin feltalálta a villámhárítót. Ez egy, az épületek tetején elhelyezett és földelt fémrúd, amely az épület környezetében felhalmozódó elektromos töltéseket a villámhárítón keresztül elvezeti, illetve becsapódó villám esetén annak áramát a talajba vezeti, így az épületet megóvja a villámcsapás közvetlen károsító hatásaitól.
A villám azonban akkor is okozhat károkat, ha villámhárítóba csap. A villámhárítóban folyó nagy áramerősség hatására háromféle úton terjedhet tovább a villám hatása.
Konduktív csatolással: a földelt fémvezetéken végigfolyó, illetve a földben szétterjedő áram hatására megemelkedik a villámhárító és annak környékének potenciálja a távolabbi „föld” pontokhoz képest. Ez túlfeszültséghez vezet, ami átívelhet szigetelt vagy máshol földelt tárgyakhoz. Mivel a feszültségemelkedés mértéke ( a villám áramerőssége, az úgynevezett földelési ellenállás), fontos a villámhárítók (és egyéb, villámcsapásnak kitett fémtárgyak) megfelelő földelése. 100 kA-es áramcsúcs és 2 Ω-os földelési ellenállás esetén 200 kV adódik, ami elegendő kb. 10 cm levegő átütéséhez. Induktív csatolással: a villámhárítóban folyó áram mágneses tere feszültséget indukálhat a közelben található, attól független vezetőhurkokban is. Többszintes épület esetén az adatátviteli és villamos hálózatok és antennák rendszerében könnyen indukálódhatnak hatalmas túlfeszültségek. Egy villámvédelmi méretezésekben használt átlagos áramfelfutási értékkel, 100 kA/μs-mal számolva egy, a villámhárítótól fél méterre (falvastagság) elhelyezkedő, 10 m élhosszúságú négyzetben 620 kV is indukálódhat.