CC BY
38ФИЗИКА ЛИНЕЙНЫХ МОЛНИЙ Бадалова Г.Т.1, Туламетов М.А.2
1Бадалова Гулбахор Тургуновна - ассистент-преподаватель;
Туламетов Махмуджан Ахмедович - старший преподаватель, кафедра физики и электротехники, Ташкентский химико-технологический институт, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Вполне понятно, что 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 молнии и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молнии и грома задумывался Лукреций. Но в те далекие времена разгадать эту природу ученым было не под силу. 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. Большинство молний возникают между тучей и земной поверхностью, однако есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами. Линейную молнию сравнительно нетрудно получить искусственно. Для этого надо создать достаточно большую разность потенциалов между двумя элек-тродами. Если, например, расстояние между электродами равно 1м, то для возникновения электрического пробоя межэлектродного воздушного промежутка (для создания искусственной молнии) нужна разность потен-циалов 105.... 106 В. Рассмотрим линейную молнию, возникающую между тучей и землей достигает в данном случае 109 В. Это в тысячи раз превы-шает разность потенциалов между землей и нижней границей ионосферы, обеспечивающую атмосферные электрические токи хорошей погоды. Разряд молнии длится около 0,1 с. Средняя сила
разряда составляет примерно 103 А, а общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 Кл (в среднем около 20 Кл). Выделяющаяся в канале молнии энергия равна 109... 1010 Дж. Рассмотрим задачу. Оценить энергию, выделяющуюся при разряде молнии, полагая, что электрическое поле между земной поверхностью и нижней границей тучи явлаяется однородным, т. Ею подобно полю внутри плоского конденсатора. Горизонтальные размеры тучи 4x4 км, расстояние от тучи до земли 1 км, разность потенциалов между тучей и землей 109 В. Для оценки можно принять, что энергия молнии равна энергии плоского конденсатора, образуемого нижним краем тучи и земной поверхностью. Плошадб Бкаждой пластины такого конден-сатора определяется горизонтальными размерами тучи. В данном
2 7 2
случае Б=16 км =1,6 10 м. Расстояние между пластинами
-5 о
конденсатора ё=10 м, а разность потенциалов и=10 В. Сначала находим электроемкость С рассматриваемого природного конденсатора, используя формулу
С=£0 Б/й
12
Здесь в0—электрическая постоянная; е0=8,85 10- Ф/м. Подставляя число-вые значения, получаем
С=1,510 Ф =
0,15 мкф. Энергию ^'находим по формуле
Ж=1/2Си2.
Подставляя сюда численные значения, получаем 1^=7.5-101° Дж.
Линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс-это пробой воздушного про-межутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда. Начнем с рассмотрения первого (начального) импульса. 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 электростатическое поле очень большой напряженности -105...106 В/м.
Вторая стадия протекает быстро и мощно. Импульс тока длится примерно 0,1мс. Сила тока достигает значений порядка 105 А. Выделяется значительное количество энергии (до 109 Дж). Температура газа в канале достигает (1...2) 104 К. Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.
Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала раз-виваются в направлении от земли к туче, т. е. снизу вверх. После оче-редной паузы, измеряемой десятками миллисекунд, все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы, естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку.
Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быс-тром повышении температуры в канале разряда молнии.
Вспышку молнии мы видим практически как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд; вед свет
о
распространяется со скоростью 3 10 м/с. Что же касается звука, то он распространяется зна-чительно медленнее. В воздухе его скорость равна 330 м/с. Поэтому мы слышим гром уже после того, как сверкнула молния. Измеряя длитель-ность таких пауз, можно приближенно оценить, как далеко от нас в данный момент гроза, насколько быстро она приближается к нам или, напротив, удаляется от нас.
Почему мы слышим гром в течение нескольких слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии (с учетом всей совокупности последовательных импульсов) длится всего 0,1.0,2 с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину (она измеряется километрами); звук от разных ее участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков и туч возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышатся более или менее долгие раскаты грома.
Список литературы
1. Буркнблит М.Б. Гаоглева Е.Г. "Электричество в живых организмах".
2. Энциклопедия для детей "Аванта +" том 2: Биология.
3. Элиот Л., Уилкокс У. "Физика".
4. Иваницкий Г.Р. "Мир глазами биофизики".
5. Кнорре Е. "Живое в прожекторах науки".
6. Барии Дж. Шаровая молнияи четочная молния. М.: Мир, 1983. 288 с.
7. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988 208с.
