Гроза как электрическое явление

 

 

Министерство науки и образования Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
 
высшего профессионального образования 
 
«Владимирский государственный университет 
 
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» 
 
(ВлГУ) 
 
 
 
Кафедра Общей и прикладной физики 
 
 
 
 
 
Реферат по Физике

Тема:  Гроза как электрическое явление.

 
 
 
 
 
 
 
Выполнил студент группы ЗАсд – 114 
 
Клементьев М.А.  
 
Проверил преподаватель

Струкова М.А.

Владимир 2015 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

Введение

 

Выбор темы моего реферата 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 все, 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. Целью данного реферата является рассмотрение причин возникновения молнии, изучение различных видов электрических зарядов. Также в реферате рассмотрен вопрос молниезащиты. Люди давным-давно поняли, какой вред может принести удар молнии, и придумали от нее защиту.

Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

 

 

 

 

 

 

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 времен 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 в низ, к поверхности земли.

В 1752 г Бенджамин Франклин (рис. 1) экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы.

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

Одновременно с Франклином исследованием электрической природы молнии занимались М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман.

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.

 

1. Молнии

 

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли. В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-12 А/м2, и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

Молния - природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. Одним из первых это установил американский государственный деятель и ученый 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 изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния – «привет» из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда.

Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

 

 

Виды молний

a) Большинство  молний возникает между тучей  и земной поверхностью, однако, есть  молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть  линейными. Длина отдельной линейной  молнии может измеряться километрами.

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

в) Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной 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.

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

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. Все 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 до другого, 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 пройдет 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 B/м; в области пространства непосредственно перед головкой лидера она еще больше. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация атомов  и молекул воздуха. Она происходит за счет, 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 землей 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 0,1мс. Сила тока достигает значений порядка А. Выделяется значительное количество энергии (до Дж). Температура газа в канале достигает . Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный внезапным расширением внезапно нагретого газа.