Исследовательская работа студента I курса СПО по специальности АСУ

Государственное областное бюджетное профессинальное образовательное учреждение

«ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»

 

Индивидуальный проект

на тему

«Молния – газовый разряд в природных условиях»

 

 

Выполнил:

Бурмистенко Артём

студент группы 2020-7

 

Руководитель:

Саранцева Маргарита Юрьевна,

преподаватель физики

 

 

 

Липецк, 2021 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. Молнии………………………………………………………………………….4

1.1. Виды молний…………………………………...…………………………4

1.2. Физика линейной молнии…………………...…………………………...5

2. Исторические воззрения на молнии…………………………………………..8

3. Разряды………………………………………………………………………….9

3.1. Виды разрядов…………………………...…………………….................9

3.2. Искровой разряд…………………...……………………………………..9

3.3. Характеристика разрядов………...……………………………………..11

4. Молниезащита………………………………………………………………...13

5. Загадка шаровой молнии……………………………………………………..16

5.1. Итоги обработки наблюдений……………………...…………………..16

5.2. Гипотезы……………………...………………………………………….19

Заключение……………………………………………………………………….25

Список используемой литературы ……………………………………………..26

 

 

"И се, как ночь осенняя, темна,

Нахмурясь надо мной челом,

Хлябь пламенем расселась черна,

Сверкнул, взревел, ударил гром"

(Г. Р. Державин)

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Выбор моей темы обусловлен не только личным интересом, но и актуальностью. Природа молнии таит немало загадок. При описании этого редкостного феномена ученые вынуждены полагаться лишь на разрозненные свидетельства очевидцев. Эти скупые рассказы, да горстка фотографий - вот всё, чем располагает наука. Как заявил один из ученых, мы знаем о молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд.

Молния представляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров.

Цель работы: рассмотреть причины возникновения молнии, изучить виды электрических зарядов, познакомиться с опытами Бенджамина Франклина и узнать о принципе молниезащиты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Молнии

Молния - природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы.Одним из первых это установил американский государственный деятель и учёный Б.Франклин. В 1752 году он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплён металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалось как интересное явление природы, а также из-за серьёзных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.

 

 

1.1 Виды молний

1) Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными (молния туча-земля). Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами.

2) Ещё одним видом молний является ленточная молния. При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.

3) Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название чёточной молнии. Согласно Малану (1961) такой вид молний объясняется на основе затяжного разряда, после свечения которого казалось бы более ярким в том месте, где канал изгибается в направлении наблюдателя, наблюдающего его концом к себе. А Юман (1962) считал, что это явление стоит рассматривать как пример "пинг-эффекта", который заключается в периодическом изменении радиуса разрядного столба с периодом в несколько микросекунд.

4) Шаровая молния, которая является наиболее загадочным природным явлением.

         5) Молния земля-облако. Образуются они в результате накапливающегося электростатического заряда на вершине самого высокого объекта на земле, что делает его весьма «привлекательным» для молнии. Такие молнии образуются в результате «пробивания» воздушной прослойки между вершиной заряженного объекта и нижней частью грозовой тучи.

         6) Молния облако-облако. Поскольку верхняя часть облака заряжена положительно, а нижняя — отрицательно, то рядом стоящие грозовые облака могут простреливать электрическими зарядами друг друга.

7)      Шторовая молния. Шторовая молния выглядит как широкая вертикальная полоса света, сопровождающаяся низким негромким гулом.

8) Объёмная молния. Объёмная молния – белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности, с сильным звуком треска “отовсюду”. Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.

9) Эльфы. Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс).

10) Джеты. Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.

11) Спрайты. Спрайты — некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

12) Огни Святого Эльма. Огни Святого Эльма — разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей.

13) Вулканические молнии. По одному из многочисленных предположений ученых вулканические молнии возникают вследствие того, что пузыри магмы, выбрасываемые вверх, либо вулканический пепел несут электрический заряд, и при их движении возникают разделенные области. Кроме этого, выдвигается предположение, что вулканические молнии могут быть вызваны наводящими заряд столкновения в вулканической пыли.

 

1.2 Физика линейной молнии

Линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс - это пробой воздушного промежутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда. Вначале рассмотрим первый импульс. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Первая стадия - образование канала разряда. Всё начинается с того, что в нижней части тучи формируется электрическое поле очень большой напряженности – 105 - 106 В/м.

Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от первого столкновения к другому, электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизуют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого «дна» тучи, плазменные «нити» - стример.

Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому впоследствии пройдёт импульс основного тока.

Этот развивающийся от «дна» тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами, и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или точнее ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками - «ступенями».

Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные - точно неизвестно. Существует несколько теорий ступенчатых лидеров.

В 1938 году Шонланд выдвинул два возможных объяснения задержки, которая вызывает ступенчатый характер лидера. Согласно одному из них, должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера (пилота). Однако часть электронов захватывается атомами и положительно заряженными ионами, так что требуется некоторое время для поступления новых продвигающихся электронов, прежде чем возникнет градиент потенциала, достаточный для того, чтобы ток продолжался. Согласно другой точке зрения, время требуется для того, чтобы положительно заряженные ионы скопились под головкой канала лидера и, таким образом, создали на ней достаточный градиент потенциала. А вот физические процессы, происходящие вблизи головки лидера, вполне понятны. Напряженность поля под тучей достаточно велика - она составляет 103 - 104 B/м; в области пространства непосредственно перед головкой лидера она ещё больше. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха. Она происходит за счёт, во-первых, бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (так называемая ударная ионизация), и, во-вторых, поглощение атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Вследствие интенсивной ионизации, встречающихся на пути лидера атомов и молекул воздуха плазменный канал растет, лидер движется к поверхности земли.

С учетом остановок по пути лидеру, чтобы достигнуть земли, потребовалось 10-20 мс при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землёй плазменный канал, прекрасно проводящий ток. Канал ионизированного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом первая стадия развития начального импульса заканчивается.

Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток. Импульс тока длится примерно 0,1 мс. Сила тока достигает значений порядка 10 000 - 20 000 A. Температура газа в канале достигает 10 000 K. Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный внезапным расширением внезапно нагретого газа.

Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх. Для объяснения этого явления разобьем условно весь канал на несколько частей. Как только канал образовался (головка лидера достигла земли), вниз соскакивают, прежде всего, электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся части канала); начинаются свечение, и разогрев этой части. И так постепенно - от низа до верха - в движение к земле включаются всё новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх. После того, как прошёл импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до , степень ионизации канала, существенно уменьшается.

Если между последующими ударами молнии пройдёт больше времени, чем обычно, то степень ионизации может быть настолько низкой, особенно в нижней части канала, что возникает необходимость в новом пилоте для повторной ионизации воздуха. Это объясняет отдельные случаи образования ступеней на нижних концах лидеров, предшествующих не первому, а последующим главным ударам молнии.

2. Исторические воззрения на молнии

Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времён пытался постичь природу молний и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его попытки объяснить гром как следствие того, что "тучи сшибаются там под натиском ветров".

Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния - это огненный пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется вниз, к поверхности земли.

В 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Учёный выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы.

Опыт: На крестовине змея была укреплена заострённая проволочка, к концу верёвки привязаны ключ и шёлковая лента, которую он удерживал рукой. Как только грозовая туча оказалась над змеем, заострённая проволока стала извлекать из неё электрический заряд, и змей вместе с бечевой наэлектризуется. После того, как дождь смочит змея вместе с бечёвкой, сделав их тем самым свободными проводить электрический заряд, можно наблюдать как электрический заряд будет "стекать" при приближении пальца.

Одновременно с Франклиным исследованием электрической природы молнии занимались М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман, который побиг от удара молнии.

Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.

 

 

 

 

 

3. Разряды

Молния – это искровой разряд электростатического заряда кучевого облака, сопровождающийся ослепительной вспышкой и резким звуком (громом). Таким образом, следует рассмотреть подробно классификацию разрядов и понять, почему же сверкает молния.

3.1 Виды разрядов

·       тёмный (таунсендовский);

·       тлеющий;

·       дуговой;

·       коронный;

·       искровой.

3.2 Искровой разряд

Этот разряд характеризуется прерывистой формой (даже при пользовании источниками постоянного тока). Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молний. Внешне искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами. Они начинаются как от положительных, так и от отрицательных, а также от любой точки между ними. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют чёткие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательных - диффузные края и более мелкое ветвление.

Т.к. искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. (Для сухого воздуха, например, при давлении 1 атм. и расстоянии между электродами 10 мм, пробивное напряжение 30 кВ.) Но после того как разрядный промежуток "искровым" каналом, сопротивление промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное сопротивление. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает расти до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторой определенной величины Ек (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Например, для воздуха при нормальных условиях Ек3*106 В/м.

Величина Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поле к давлению газа (р) для данного газа остается приблизительным в широкой области изменения давления: Ек/рconst.

Время нарастания напряжения тем больше, чем больше ёмкость (С) между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последующими искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При большой ёмкости (С) канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же самое происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или о конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе, при искровом разряде, меняется в широких пределах, в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника, искровой разряд переходит в дуговой разряд.

В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 - 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе - образование цилиндрической ударной волны, температура на фронте которой ~104 К. Происходит быстрое расширение канала искры, со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на её фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновение ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты в случае молний.

В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается более яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала имеет максимум в его центре.

Рассмотрим механизм искрового разряда.

В настоящее время общепринятой считается так называемая стримерная теория искрового разряда, подтвержденная прямыми опытами. Качественно она объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершённой. Если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на её пути проходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбуждёнными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скорость света, сами производят ионизацию газа, и дают начало первым электронным лавинам. Таким путём во всем объёме газа появляются слабо святящиеся скопления ионизированного газа, называемые стримерами. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют хорошо проводящий мостик из стримеров. По этому в последующий момент времени и устремляется мощный поток электронов, образующий канал искрового разряда. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования много меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояний от катода к аноду. Наряду с отрицательными стримерами, т.е. стримерами, распространяющимися от катода к аноду, существуют также положительные стримеры, которые распространяются в противоположном направлении.

 

 

3.3 Характеристика разрядов

 

Коронный разряд — это самостоятельный газовый разряд, возникающий в резко неоднородных полях у электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Зона вблизи такого электрода характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Когда напряжённость поля достигает предельного значения (для воздуха около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид короны. При коронном разряде ионизационные процессы происходят только вблизи коронирующего электрода. Коронный разряд возникает при сравнительно высоком давлении воздуха (порядка атмосферного).

В природных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах — так называемые огни святого Эльма.

 

Электрическая дуга (дуговой разряд), представляющая собой самостоятельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между электродами, находящимися под напряжением, характеризуется малым анодно-катодным падением напряжения (10 - 20 В) и высокой плотностью тока (100 - 1000 А/см2).

 

Тлеющий разряд — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока переходит в дуговой разряд.

В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.

Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы.

 

Таунсендовский разряд — квазистационарный электрический разряд в газе. Характеризуется малым током разряда: от 10⁻¹⁸ до 10⁻⁵ А. Разряд может быть как несамостоятельным, так и самостоятельным. В последнем случае он носит название тёмного разряда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Молниезащита

До изобретения электричества и громоотвода люди боролись с разрушительными последствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и гибель 150 звонарей.

Первым человеком, придумавшим эффективный способ защиты от молнии, стал Бенджамин Франклин - универсальный гений своей эпохи (1706-1790). Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством стало изобретение громоотвода. В 1750 году Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укреплённой на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он предполагал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем - заряд того же знака, что у основания облака. Если напряжённость электрического поля при разряде молнии возрастёт достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги частично перетечёт в воздух, а штанга приобретёт заряд того же знака, что и основание облака.

Предложенный Франклином эксперимент был осуществлён не в Англии, а под Парижем (в местечке Марли) в 1752 году французским физиком Жаном д'Аламбером. Француз использовал вставленную в стеклянную банку, служившую изолятором, железную штангу длиной 12 м, но не водрузил ее на башню. В мае 1752 года ассистент ученого сообщил, что при прохождении грозового облака над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры. В последующие годы Великой французской революции Робеспьер и Марат пытались каждый по-своему бороться с идеей громоотводов, за что даже “немножко порезали друг друга”. В то время громоотводы ломали из благочестивых соображений, руководствуясь божественным происхождением человека и верой в "кару Божью".

Действие громоотвода не так просто, как может показаться на первый взгляд. Предполагается, что громоотвод притягивает приблизившегося к нему ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 90 градусов ниже верхушки громоотвода. Устройство простейшего громоотвода включает три основных элемента: молниеприемник, токоотвод и заземлитель. Часто молниеотвод имеет форму металлического штыря, троса или сетки., Устанавливать громоотвод необходимо на высоту с учетом 90 градусного конуса защиты окружающего пространства. Поскольку при молниевых разрядах в высоковольтных линиях электропередач могут возникать кратковременные импульсы в десятки киловольт, в электросеть добавляют электронные средства защиты.

Тем временем изобретатели продолжают искать новые способы спасения от попадания молний зданий и сооружений. Недавно ведущий инженер Московского института теплотехники Борис Игнатов запатентовал "универсальный молниеотвод" для защиты от линейных и шаровых молний. По теории Игнатова, поскольку ядро шаровой молнии является мощным магнитным диполем, при установке в зоне обычного громоотвода постоянного магнита, шаровая молния должна обязательно притянуться к этому магниту. Важно обеспечить надежный сток электрического заряда на землю.

Недавно появился радикально новый способ борьбы с "небесными стрелами". Американский инженер Дуг Палмер предложил использовать водомёты - направлять вверх струи подсоленной воды высотой до 300 метров. Молния, проходя водяной столп, будет уходить в землю. Подобные водомёты можно размещать близ стадионов, где проходят соревнования или концерты. Вместо соли, повышающей электропроводность воды, можно использовать растворимые полимерные добавки.

А ряд американских компаний выпускают "детекторы молний" - приборы размером с мобильный телефон, которые, зафиксировав характерные электрические шумы в радиусе 60 километров, подают громкие сигналы, сообщая, что надо искать укрытие.

Если же молния застала человека на открытом пространстве, то не стоит паниковать, лучше попытаться найти реальное убежище. Таким убежищем может послужить лес. Не рекомендуется прятаться возле одиноких деревьев, поскольку возможно короткое замыкание между деревом и человеком (сопротивление человека около 500 Ом - меньше, чем у дерева). Нельзя во время грозы плавать в воде, поскольку вода является хорошим проводником электричества.

Признаком того, что вы находитесь в электрическом поле, могут послужить вставшие дыбом волосы, которые начнут издавать легкое потрескивание. Но это только сухие волосы. Если поблизости нет убежища, для уменьшения опасности во время грозы лучше сесть на корточки в наиболее низком месте и переждать ненастье. Если гроза успешно миновала, можно продолжить занятие своим делом. Если же молния вас задела, но вы еще в состоянии думать, следует как можно скорее обратиться к врачу.

Медики полагают, что человек, выживший после удара молнии (а таких людей немало), даже не получив сильных ожогов головы и тела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений в сердечно-сосудистой и невралгической деятельности от нормы. Впрочем, может и обойтись.

Люди давным-давно поняли, какой вред может принести удар молнии, и придумали от нее защиту. Но опять-таки назвали её почему-то громоотводом, хотя он “отводит” не гром, а молнию. Громоотвод - это железный шест, который помещают как можно выше. Молнии ведь надо сначала проложить себе дорожку в воздухе. Понятное дело, что чем короче дорожка, тем проще ее сделать. А молния - ужасная лентяйка, всегда ищет самый короткий путь и ударяет в самый высокий (и, значит, самый близкий к ней) предмет. Когда молния “видит” поблизости высокий железный шест, приготовленный для нее людьми, она прокладывает дорожку именно к нему. А громоотвод проводом соединен с землёй, и все электричество молнии, не причинив никому вреда, уходит в землю. А вот раньше, давным-давно, в городах и селах от ударов молний бывали большие пожары.

Рабби Йеуда Нахшони приводит комментарий Раббейну Бахья (умер в 1340 г.), который считал, что Вавилонская башня должна была быть своего рода громоотводом против молний, которыми Всевышний намеревался сжечь землю. В энциклопедии сказано, что громоотвод изобрел Бенджамин Франклин (1706-1790) в Америке. Не спорим, он действительно интересовался этим вопросом, сумел использовать накопленный опыт и дать практическое применение своим идеям. Однако, как мы видим, еще во время составления Мишны (1500 лет до этого) уже использовались громоотводы. Поэтому можно считать, что первенство, приписываемое Франклину, на деле является довольно сомнительным. В далекое прошлое уходят воспоминания о вещах, ставших для нас привычными, и не всегда удается найти того, кто был первым, кто открыл для нас то, без чего свою жизнь мы уже не можем и представить.

 

Вывод: Принцип работы внешней молниезащиты очень прост и основан на базовом свойстве электрического тока, которое заключается в том, что он протекает всегда по пути наименьшего электрического сопротивления.

 

 

 

 

 

 

5. Загадка шаровой молнии

Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию ни по своему виду, ни по тому, как она себя ведёт. Обычная молния кратковременна; шаровая живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом; шаровая почти бесшумна, в поведении её много непредсказуемого.

Шаровая молния задает нам множество загадок, вопросов, на которые нет ясного ответа. В настоящее время можно лишь предполагать и строить гипотезы.

Единственным методом изучения шаровой молнии является систематизация и анализ случайных наблюдений.

 

5.1 Итоги обработки наблюдений

 

Сформируем основные выводы, которые можно сделать из анализа наблюдений.

Плотность вещества шаровой молнии практически совпадает с плотностью воздуха и обычно лишь немногим превосходит её.

Недаром шаровая молния стремится опустится вниз, разницу между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой) силой компенсируют конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действуют на молнию атмосферное электрическое поле.

Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии равен 10-15 см, а средний диаметр 20-30 см.

Температура шаровой молнии (не считая момента "взрыва") лишь относительно ненамного превышает температуру окружающего воздуха, достигая, по-видимому, всего нескольких сотен градусов (предположительно 500-600 К).

Вещество шаровой молнии является проводником с низкой работой выхода зарядов и поэтому обладает свойством легко рассеивать электрические заряды, накопившиеся в других проводниках.

Контакт шаровой молнии с заряженными проводниками приводит к появлению кратковременных импульсов электрического тока, довольно значительных по силе и проявляющихся иногда на сравнительно большом расстоянии от места контакта. Это вызывает перегорание предохранителей, срабатывание реле, вывод из строя электроприборов и другие аналогичные явления.

Электрические заряды стекают со значительной площади через вещество шаровой молнии и рассеиваются в атмосфере.

Взрыв шаровой молнии во многих (не исключено, что почти во всех) случаях является следствием такого кратковременного электрического разряда.

Поражения шаровой молнией людей и животных также, по-видимому, связаны с импульсами тока, которые она вызывает.

Запас энергии шаровой молнии может составлять от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей, в некоторых случаях (особенно при больших размерах молнии), возможно, до ста килоджоулей. Плотность энергии 1-10 кДж. Однако эффекты взрыва могут определятся, по крайней мере в некоторых случаях, не энергией самой шаровой молнии, а энергией, накопленной во время гроза в заряженных проводниках и окружающих их электрических полях. Шаровая молния играет в этом случае роль триггерного механизма, включающего процесс освобождения этой энергии.

Вещество шаровой молнии образует обособленную фазу в воздухе, обладающую значительной поверхностной энергией. На существование поверхностного натяжения указывают стабильность границы шаровой молнии, в том числе при перемещении ее в окружающем воздухе (иногда при сильном ветре), устойчивость сферической формы и восстановление ее после деформаций, возникающих от взаимодействия с окружающими телами. Необходимо отметить, что сферическая форма молнии восстанавливается и после больших деформаций, сопровождающихся распадом шаровой молнии на части.

Кроме того, на поверхности шаровой молнии нередко наблюдаются поверхностные волны. При достаточно большой амплитуде эти волны приводят к выбрасыванию капель вещества с поверхности, аналогичных брызгам жидкости.

Существование шаровой молнии не сферической формы (грушевидная, эллиптическая) могут быть обусловлены поляризацией в сильных магнитных полях.

Шаровая молния может нести электрический заряд, который появляется, например, при поляризации в электрическом поле (особенно если заряды разных знаков по-разному стекают с её поверхности). Движение шаровой молнии в условиях безразличного равновесия, при котором сила тяжести уравновешена архимедовой силой, определяется как электрическими полями, так и движением воздуха.

Наблюдается корреляция времени жизни и размера молнии.

Долгоживущие молнии оказываются в основном больших размеров (по данным они составляют 80% среди молний диаметром больше 30 см и только 20% среди молний диаметром меньше 10 см). Наоборот, короткоживущие молнии имеют малый диаметр (80% молний диаметром меньше 10 см и 20% - больше 30 см).

Анализируя наблюдения, можно предположить, что шаровая молния появляется там, где накапливается значительный электрический заряд, при мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух.

Исчезает шаровая молния в результате взрыва, развития неустойчивостей или из-за постепенного расходования запаса её энергии и вещества (тихое погасание). Природа взрыва шаровой молнии не вполне ясна.

Большая часть молний - около 60% - испускает видимый свет, относящийся к красному концу спектра (красный, оранжевый или желтый). Около 15% испускает свет в коротковолновой части спектра (голубой, реже - синий, фиолетовый, зеленый). Наконец, приблизительно в 25% случаев молния имеет белый цвет.

Мощность излучаемого света - порядка нескольких ватт. Поскольку температура молнии невелика, её видимое излучение имеет неравновесную природу. Возможно, молния излучает также некоторое количество ультрафиолетового излучения, поглощением которого в воздухе можно объяснить голубой ореол вокруг неё.

Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой происходит через испускание значительного количества инфракрасного излучения. Если шаровой молнии действительно можно приписать температуру 500-600 К, то мощность равновесного теплового излучения, испускаемого молнией среднего диаметра (20-30 см), порядка 0,5-1 кВт и максимум излучения лежит в области длин волн 5-10 мкм.

Кроме инфракрасного и видимого излучений шаровая молния может испускать довольно сильное неравновесное радиоизлучение.

 

 

 

 

5.2 Гипотезы

 

Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, что молния каким-то образом получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передаваемая энергия сосредотачивается в объёме шаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния становится самостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.

Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1965 году академиком Капицей. Он подсчитал, что собственных запасов энергии шаровой молнии должно хватить на её существование в течение сотых долей секунды. В природе, как известно, она существует гораздо дольше и нередко заканчивает свое существование взрывом. Возникает вопрос, откуда энергия?

Поиск решения привел Капицу к выводу, что "если в природе не существует источников энергии, ещё нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать источник вне объёма шаровой молнии". Академик теоретически показал, что шаровая молния представляет собой высокотемпературную плазму, существующую довольно длительное время за счет резонансного поглощения или интенсивного поступления энергии в виде радиоволнового излучения.

Он высказал мысль, что искусственная шаровая молния может быть создана с помощью мощного потока радиоволн, сфокусированного в ограниченную область пространства (Если молния - шар диаметром порядка 35-70 см.)

Но несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она всё же представляется несостоятельной: не объясняет характера перемещения шаровой молнии, зависимости её поведения от воздушных потоков; в рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии; взрыв такой шаровой молнии не должен сопровождаться выделением энергии и напоминает громкий хлопок.

Несколько лет назад в одной из лабораторий НИИ механики МГУ под руководством А.М. Хазена была создана ещё одна теория огненного шара.

Согласно ей, в грозу под действием разности потенциалов начинается направленный дрейф электронов из облаков к земле. Попутно электроны, разумеется, сталкиваются с молекулами газов, из которых состоит воздух, причем вопреки здравому смыслу - тем реже, чем выше скорость электрона. В итоге отдельные атомы, достигшие некоей критической скорости, скатываются вниз, будто с горки. Такой "эффект горки" перестраивает войско заряженных частиц. Они начинают скатываться не беспорядочной толпой, а шеренгами, подобно тому, как накатываются волны морского прибоя. Только "прибой" этот обладает колоссальной скоростью - 1000 км/с! Энергии таких волн, как показывают расчеты Хазена, вполне достаточно, чтобы, настигая плазменный шар, подпитывать его своим электростатическим полем и некоторое время поддерживать в нём электромагнитные колебания. Теория Хазена ответила на некоторые вопросы: почему шаровая молния часто движется над землей, будто копируя рельеф местности? Объяснение следующее: с одной стороны, светящаяся сфера, обладая более высокой температурой по отношению к окружающей среде, стремится выплыть наверх под действием архимедовой силы; с другой стороны, под действием электростатических сил шар притягивается к влажной проводящей поверхности почвы. На какой-то высоте обе силы уравновешивают друг друга и шар словно катится по невидимым рельсам.

Иногда, правда, шаровая молния делает и резкие скачки. Их причиной может послужить либо сильный порыв ветра, либо изменение в направлении движения электронной лавины.

Нашлось объяснение и ещё одному факту: шаровая молния стремится попасть внутрь построек. Любое строение, особенно каменное, поднимает в данном месте уровень грунтовых вод, а значит, возрастает электропроводность почвы, что и привлекает плазменный шар.

И наконец, почему шаровая молния по-разному заканчивает своё существование, иногда бесшумно, а чаще - взрывом? Здесь тоже виноват электронный дрейф. Если к шаровому "сосуду" подводится слишком много энергии, он, в конце концов, лопается от перегрева или, попав в область повышенной электропроводности разряжается, подобно обычной линейной молнии. Если же электронный дрейф по каким-либо причинам затухает, шаровая молния тихо угасает, рассеивая свой заряд в окружающем пространстве.

А.М. Хазен создал интересную теорию одного из самых загадочных явлений природы и предложил схему её создания: "Возьмем проводник, проходящий через центр антенны передатчика сверхвысоких частот (СВЧ). Вдоль проводника, как по волноводу, будет распространятся электромагнитная волна. Причём проводник надо взять достаточно длинный, чтобы антенна электростатически не влияла на свободный конец. Подключим этот проводник к импульсному генератору высокого напряжения и, включив генератор, подадим на него короткий импульс напряжения, достаточный для того, чтобы на свободном конце мог возникнуть коронный разряд. Импульс надо сформировать так, чтобы возле его заднего фронта напряжение на проводнике не падало до нуля, а сохранялось на каком-то уровне, недостаточном для создания короны, то есть постоянно светящегося заряда на проводнике. Если менять амплитуду и время импульса постоянного напряжения, варьировать частоту т амплитуду поля СВЧ, то в конце концов на свободном конце провода даже после выключения переменного поля должен остаться и, возможно, отделиться от проводника светящийся плазменный сгусток".

Необходимость большого количества энергии мешает реализовать данный эксперимент.

И всё же большинство учёных отдают предпочтение гипотезам второй группы.

Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Первым её предложил Доминик Араго. А в середине 70-х годов её детально разрабатывал Б.М.Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100 градусов выше температуры окружающей атмосферы), а также небольшой примеси озона и оксидов азота. Принципиально важную роль здесь играет озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3%.

Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивой формы шаровой молнии, существование поверхностного натяжения.

В поисках ответа была разработана новая физическая теория. Согласно этой гипотезы шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счёт энергии разряда обычной линейной молнии. Затраченная на их образование энергия и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов. Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объём, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровую форму молнии.

Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизированы, то есть потеряли (или наоборот приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа - при столкновениях, но и на расстоянии с помощью электрических сил.

Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путём рекомбинации с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, - как правило, очень высокая температура.

Если шаровая молния - это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждали сторонники плазменных моделей до Стаханова. А он заметил, что существует и другая возможность. Ионы, то есть молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной "водяной" оболочкой, запирающей лишние электроны внутри и не дающий им воссоединятся со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса: отрицательный и положительный, за один из которых "хватается" ион в зависимости от своего заряда, чтобы притянуть молекулу к себе. Таким образом, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и "холодной", не горячее 200-300 градусов. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.

Самым важным достоинством кластерной гипотезы стало то, что она продолжает не просто жить в науке, но и обогащаться новым содержанием. Группа исследователей из Института общей физики РАН, в которую входит профессор Сергей Яковленко, недавно получила поразительные новые результаты.

Выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать. Но рекомбинация приводит к возрастанию энтропии шаровой молнии, то есть меры её беспорядка. Действительно, в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга, по-особому взаимодействуют, а после рекомбинации они перемешиваются и становятся неразличимыми. До сих пор считалось, что в предоставленной самой себе системе беспорядок самопроизвольно возрастает, то есть в случае шаровой молнии рекомбинация произойдет сама собой, если ей как-то не помешать. Из результатов компьютерного моделирования и теоретических выкладок, проведенных в институте общей физики, следует совершенно иной вывод: беспорядок вносится в систему извне, например, при хаотичных столкновениях молекул на границе шаровой молнии и воздуха, в котором она движется. Пока беспорядок не "накопится", рекомбинации не будет, даже несмотря на то, что молекулы стремятся к этому. Характер их движения внутри шаровой молнии таков, что при сближении разноименно заряженные молекулы будут пролетать друг мимо друга, не успевая обменяться зарядом.

Итак, согласно кластерной гипотезе шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящих из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов.

В отличие от многих других гипотез, данная выдерживает сравнение с результатами нескольких тысяч известных сейчас наблюдений и удовлетворительно объясняет многие из них.

В 2000 году журнал "Nature" представил работу новозеландских химиков Джона Абрахамсона и Джеймса Динниса. Они показали, что при ударе молнии в почву, содержащую силикаты и органический углерод, образуется клубок волокон кремния и карбида кремния. Эти волокна медленно окисляются и начинают светиться - вспыхивает огненный шар, разогретый до 1200-1400°С. Обычно шаровые молнии бесшумно тают, но бывает, что и взрываются. По мнению Абрахамсона и Динниса, такое случается, если начальная температура клубка чересчур высока. Тогда окислительные процессы протекают ускоренно, что и приводит к взрыву. Впрочем, эта гипотеза не может описать все случаи наблюдения шаровых молний.

В 2004 году российские исследователи А.И. Егоров, С.И. Степанов и Г.Д. Шабанов описали схему установки, на которой им удавалось получать шаровые разряды, названные ими "плазмоидами" и напоминавшие шаровую молнию. Опыты вполне можно было воспроизвести, вот только существовали плазмоиды не более секунды.

В феврале 2006 года пришло сообщение из Тель-Авивского университета. Физики Владимир Дихтярь и Эли Йерби наблюдали в лаборатории светящиеся газовые шары, во многом напоминающие те странные молнии. Генерируя их, Дихтярь и Йерби разогревали в микроволновом поле мощностью 600 ватт кремниевый субстрат, пока тот не испарялся. В воздухе возникал желтовато-красный шар диаметром около 3 сантиметров, состоявший из ионизованного газа (как видите, заметно меньше шаровой молнии). Он медленно плавал в воздухе, сохраняя свою форму до тех пор, пока установку, создававшую поле, не отключали. Температура поверхности шара достигала 1700°С. Подобно обычной молнии, он притягивался к металлическим предметам и скользил вдоль них, а вот проникнуть сквозь оконное стекло не мог. В опытах Дихтяря и Йерби стекло лопалось, соприкоснувшись с огненным шаром.

Очевидно, в природе шаровые молнии порождены не микроволновыми полями, а электрическими разрядами. В любом случае израильские ученые продемонстрировали, что исследование подобных молний допустимо в лабораторных условиях и что результаты экспериментов можно использовать при создании новых технологий обработки материалов, в частности, для нанесения сверхтонких пленок.

Число различных гипотез о природе шаровой молнии значительно превосходит сотню, но мы разобрали только несколько. Ни одна из существующих в настоящее время гипотез не является совершенной, каждая имеет множество недостатков.

Поэтому, хотя принципиальные закономерности природы шаровой молнии поняты, данную проблему нельзя считать решенной - осталось множество тайн и загадок, а также нет конкретных способов создания её в лабораторных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Молния - одно из самых разрушительных и устрашающих природных явлений, с которыми повсеместно сталкивается человек.

В настоящий момент современный уровень науки и техники позволяет создать действительно функционально надежную и соответствующую техническому уровню систему молниезащиты.

Шаровая молния - загадочное явление природы, о наблюдениях которого сообщается на протяжении нескольких столетий. Большой прогресс в исследовании этого явления был достигнут в последние десять - пятнадцать лет. Изучение загадочного явления прогрессирует за счет развития смежных областей физики и химии.

Естественно считать, что в основе природы шаровой молнии лежат известные физические закономерности, но их сочетание приводит к новому качеству, которое мы не понимаем. Разобравшись в этом, мы найдем реальным то, что ранее казалось экзотическим, и получим качественные представления, которые могут иметь аналоги и в других физических процессах и явлениях. Получение таких представлений обогащает науку и является ценным в рассматриваемых исследованиях. Такова логика развития науки вообще, и накопленный опыт исследования природы шаровой молнии подтверждает это.

На Земле происходит около 32 миллиардов ударов молний в год, ущерб от которых оценивается в 5 миллиардов долларов. Только в США от молний ежегодно страдает около 1000 человек, двести из которых гибнет.

По статистике, молнии попадают в самолеты, в среднем, три раза в год, но в наши дни это редко приводит к серьёзным последствиям. Современные авиалайнеры теперь достаточно хорошо защищены от удара молнии. Самая тяжелая авиационная катастрофа, вызванная молнией, произошла 8 декабря 1963 года в штате Мэрилэнд, США. Тогда попавшая в самолет молния проникла в резервный бак горючего, что привело к воспламенению всего самолета. В результате этой погибло 82 человека.

В ходе написания индивидуального проекта, была изучена специальная литература, благодаря которой выполнена цель данного реферата: рассмотрены причины возникновения молнии, изучены различные виды электрических зарядов, рассмотрены различные виды защиты.

 

Список используемой литературы и интернет-ресурсов

 

1. Физика. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003.

2. Френкель Я.И. Собрание избранных трудов, т. 2. М. -Л., 1958.

3. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 1971.

4. Юман М.А. Молния.М., 1972.

5. Тарасов Л.В. Физика в природе. - М.: Просвещение, 1988.

6. https://ru.wikipedia.org.

7. https://otherreferats.allbest.ru

8. https://www.bibliofond.ru

9. https://vuzlit.ru

10. https://ronl.org