Свободное электричество. Природа молний

Долгие годы множество учёных бьётся над объяснением одного из самых невероятных природных явлений. Речь, конечно же, о молнии. Уже столько лет прошло, сейчас имеется мощное оборудование для исследований, но даже несмотря на всё это, до сих пор не всё известно об этом явлении. Продолжаются активные наблюдения, изучения и исследования. Да, на данный момент уже много известно о молниях, но не всё. Первым, кто занимался изучением молний, был американский учёный Бенджамин Франклин ещё в 18 веке. Само явление молнии далеко не такое простое, как может показаться, там задействовано несколько достаточно сложных физических процессов. Молний на самом деле несколько, сейчас известны такие их разновидности, как: обычная молния – это тот самый электрический разряд, который мы с вами наблюдаем при грозовых тучах, и льёт дождь. Сухая молния – это молния, при которой также производится гром и молния, но осадки испаряются, не достигнув поверхности Земли. Также к сухой молнии можно отнести молнии, которые наблюдаются при извержении вулканов. Последняя разновидность молний самая интересная, самая необъяснимая и её изучением, и объяснением её явления занимаются очень интенсивно. Это шаровая молния. Данная разновидность молний выглядит, как светящийся плавающий в воздухе сгусток энергии. Шаровая молния тем не объяснима, что до сих пор неизвестно, по каким причинам она возникает, и уж тем более необъяснимо её поведение. Те, кто с ней сталкивался, утверждают, что шаровая молния ведёт себя не как электрический ток, поведение которого объясняется законами физики, а она как будто бы имеет собственный разум, реагирует на движения и тому подобное, тем и вызывает данная разновидность молний огромный интерес.

Явления шаровой молнии имеют много гипотез, но пока единой теории возникновения и протекания этого явления так и нет.

В данной статье поговорим о природе возникновения обычной для нас молнии, объясним наиболее доступным языком, пользуясь законами физики. Обобщим знания о данном явлении. Почему в названии статьи стоит свободное электричество? – спросите вы. Потому что молния является самым ярким примером свободного электричества.

Переходя к объяснению самого процесса образования молнии, вспомним несколько школьных основных понятий и определений необходимых нам.

Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением и сохранением электрического заряда на поверхности или в объёме проводника [3]. Говоря доступным языком, статическое электричество – это электрический заряд, возникающий сам по себе, при трении различных поверхностей. С таким электричеством вы все хорошо знакомы ещё со школы. Все вы должны знать, что стеклянная палочка при трении её о шёлк приобретает положительный заряд, а при трении эбонитовой палочки (янтарь) о мех, – она приобретает отрицательный заряд.

Рис. 1

Почему именно так? Многие учёные долго искали ответ на этот вопрос, и пришли к следующему выводу: из вещества с большей диэлектрической проницаемостью будет переходить больше электронов и вещество зарядится положительно, а другое отрицательно. Но есть исключения из этого правила, как раз стекло и шёлк. При их трении распределение зарядов можно объяснить тем, что стекло не имеет кристаллической решётки, атомы и электроны расположены неупорядоченно, вследствие чего нарушается их равномерное распределение внутри тела. С явлением статического электричества вы сталкиваетесь в быту очень часто, например, при быстром снятии свитера.

Электричество – это совокупность явлений, связанных с движением и взаимодействием электрических зарядов [3]. А электроэнергия, которой мы с вами пользуемся каждый день и уже не представляем свою жизнь без неё, это энергия, которая выделяется при взаимодействии электрических зарядов. Для того чтобы у нас был свет, строят различные электростанции, на которых основным способом выработки электроэнергии является преобразование механической энергии в электрическую, на этом принципе работают ГЭС, ТЭС. На этих станциях есть электрогенераторы, которые вращаются за счёт механической энергии и эти генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. В ГЭС используется вода, поток воды попадает на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы. А в ТЭС же используется тепловая энергия, полученная путём сжигания топлива, которая затем преобразуется в механическую энергию для вращения вала генератора, что приводит к выработке электроэнергии. Эти рассуждения позволяют нам понять, что для получения электроэнергии требуется затратить много механической работы, для которой требуются ресурсы, например, то же топливо. Электроэнергию нельзя назвать свободной, так как для её получения идёт множество энергетических и ресурсных затрат. Тогда что же является свободным электричеством? Исходя из ранних рассуждений, можно утверждать, что свободным электричеством называется электричество, для получения которого не требуются энергетические и ресурсные затраты. Как раз ярким примером такого электричества является молния.

Молния – электрический искровой разряд в атмосфере [2, c. 11]. Американский учёный Бенджамин Франклин доказал, что молния представляет собой электрический разряд, несущий в себе отрицательный заряд. Скоростная съёмка позволила установить, что вспышка состоит из нескольких коротких разрядов, длящихся десятые доли секунды.

Молния возникает в сильно наэлектризованной дождевой туче (электризация – это переход электрического заряда с одного тела на другое [3, c. 75]), между облаком и землей. Причиной электризации выступает сила притяжения, которая возникает вследствие трения сконденсированных капелек или льдинок, из которых и состоит грозовая туча [1]. Вот почему было важно вспомнить, что такое статическое электричество, возникающее при трении поверхностей, потому что в процессе возникновения молнии оно есть, как раз трение капелек и льдинок. Эти частички находятся в непрекращающемся движении, вызванным потоками теплого воздуха, поднимающимися вверх от нагретой поверхности Земли. Льдинки и капельки воды сталкиваются друг с другом, в результате чего и происходит электризация тучи. При этом более мелкие частички, увлекаемые воздухом вверх, имеют положительный заряд, а более крупные и тяжелые, находящиеся в нижней части облака – отрицательный. Когда в облаке происходит разделение заряда, возникает электрическое поле, которое также, как и заряды, в верхней части облака положительное, а в нижней – отрицательное. С увеличением электрического заряда электрическое поле становится всё интенсивнее, что в итоге приводит к тому, что электроны, находящиеся на поверхности Земли отталкиваются от облака и погружаются глубже в землю. В результате получается отрицательно заряженное облако и положительно заряженная поверхность Земли. Теперь для возникновения заряда требуется лишь проводник. Сильное электрическое поле создаст этот проводник самостоятельно, путём ионизации воздуха. Это означает, что, когда электрическое поле достаточно сильное, происходит ионизация воздуха, то есть происходит процесс образования ионов путём отрыва или присоединения электронов к нейтральному атому. Электроны на внешней оболочке атома при получении энергии покидают атом и становятся свободными, что увеличивает электропроводимость, а атом в свою очередь становится положительным ионом, то есть катионом. Также есть и обратный процесс, электрон, что покинул один атом, может попасть в структуру другого атома, в этом случае атом станет отрицательно заряженным ионом, по-другому анионом. Как и было сказано раннее, в результате ионизации увеличивается электропроводимость, а это значит, что электроны могут свободно перемещаться, что способствует распространению электрического разряда [1]. Но мгновенного контакта облака с Землей не происходит. Дело в том, что есть несколько путей, по которым этот контакт произойдёт. Эти пути называются лидерами [2, c. 16]. Почему несколько путей? Потому что воздух не везде ионизирован одинаково и где-то он оказывает большее сопротивление, а где-то - наоборот. Ток ищет путь с наименьшим сопротивлением. Поэтому в момент образования молнии мы видим на небе несколько лидеров и не все они доходят до Земли. Лидер – это путь, по которому следует пробой, внезапный массивный поток электрического тока, движущегося от облака к Земле, в результате чего происходит электрический разряд [2, c. 16]. Этот разряд тока является естественным способом попытки нейтрализовать разделение заряда. Каждый раз, когда возникает электрический ток, выделяется тепло, связанное с ним. Так как в молнии содержится огромное количество тока, следовательно, в ней содержится и огромное количество теплоты. Это тепло и является причиной вспышки, которую мы видим.

Рис. 2

На рисунке 2 представлена молния. Также отмечены основные и неосновные лидеры. Неосновные – это лидеры, которые так и не дошли до поверхности Земли. Основные же (на рисунке их 2) – это лидеры, которые оказывают наименьше сопротивление электрическому току и весь основной поток электрического тока протекает по ним до поверхности Земли, в результате чего и происходит электрический разряд.

Также мы с вами знаем, что удар молнии сопутствуется таким явлением, как гром.

Гром – это ударная волна [1, c. 235]. Мы с вами разобрались, что при ударе молнии выделяется огромное количество теплоты. Воздух вокруг места удара молнии быстро нагревается. При нагревании он расширяется, и возникают механические вибрации раскалённого воздуха, их–то мы и слышим. И так как, скорость распространения света в среде больше скорости распространения звука (скорость света 3*10⁸ м/с; скорость звука 331 м/с), вспышку мы видим быстрее, чем слышим звук.

В среднем один грозовой разряд несет в себе до 20 000 мегаватт. Сила тока в молнии может достигать порядка 100 тысяч ампер, при этом напряжение составляет около нескольких миллионов вольт (вплоть до миллиарда). Температура внутри молниевого канала достигает 25 000 градусов Цельсия, и при ударе в песок или песчаную почву образуется стекло, которое называется фульгурит.

Теперь давайте разберёмся, чем опасна молния!?

Поскольку молния представляет собой электрический разряд огромной мощности, при попадании в здание она может вызвать его разрушение или возгорание. Кроме того, если такой разряд попадет в человека, это может стать причиной тяжелых увечий и даже летального исхода. Поражается головной мозг, разрушается центральная нервная система, может произойти остановка сердца. Ударная волна высвободившегося разряда способна сломать дерево, выбить окна, травмировать, контузить, обжечь или оглушить оказавшегося поблизости человека, потому даже ударившая рядом молния чрезвычайно опасна.

Чтобы избежать риска попадания молнии, нужно знать, как правильно себя вести во время грозы:

• избегать открытой местности. Известно, что разряд обычно бьет в самую высокую точку на поверхности Земли. Если гроза застает человека и поле или степи следует постараться стать как можно ниже: спрятаться в канаву, присесть на корточки и передвигаться пригнувшись;
• нельзя прятаться под высокими деревьями. Если гроза застала в лесу, нужно отойти от высоких деревьев, лучшим вариантом будет присесть на корточки между низкорослых растений.
• опасно купаться в открытых водоемах. Вода хороший проводник тока, потому если внезапно началась гроза нужно выйти на берег. Кроме того, часто разряд бьет по берегу, потому пока бушует стихия нельзя ловить рыбу, нужно как можно дальше отойти от водоема;
• избегать разговоров по мобильному телефону. Радиоволны, испускаемые телефоном, притягивают грозовой разряд;
• постараться избавиться от металлических предметов. Известны случаи, когда молния била по ключам, находящимся в кармане, цепочке на шее и даже раскрытому зонту.

Также хорошей защитой от токов, возникающих при ударе молнии, является клетка Фарадея. Клетка Фарадея – это такое устройство, которое представляет собой замкнутую цепь, в которой под воздействием внешнего электрического поля свободные электроны перераспределяются таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. То есть стороны клетки приобретают заряды, которые создают своё электрическое поле, и это поле противоположно направлено по отношению к внешнему полю. И получается, что внутреннее поле компенсирует внешнее и внутри клетки поле отсутствует.

Даже салоны автомобилей и самолётов защитят пассажиров от последствий ударов молнии, так как они сконструированы по принципу клетки Фарадея.

Рис. 3. Клетка Фарадея