Электростатический разряд и молния
Молния — одно из наиболее часто наблюдаемых явлений в природе. Если развернуть мировой масштаб, по подсчетам метеорологов ежедневно происходит где-то три миллиона вспышек — в пересчете это примерно 44 удара в секунду. Яркая и завораживающая, молния выделяется своей убийственной красотой. В прямом смысле слова. Шутка ли: от молниевого удара происходит минимум двадцать четыре тысячи смертей в год!
Несмотря на смертельную опасность для человечества, происхождение небесных разрядов остается для мира науки не до конца разгаданным ребусом — исследования продолжаются по сей день. Конечно же, потому что молния относится непосредственно к электростатике. А мы уже с вами неоднократно ставили электростатике «диагноз»: этот раздел физики постоянно окружен тонкой вуалью тайны.
Как бы то ни было, разобраться попробуем. Не зря же столько изучать электростатические явления, чтобы взять и так просто отступить!
Молния в кармане
Как и положено истинным потомкам богов, каждый из нас владеет искусством метания молний. Ну, не всегда искусством осознанным. Тем не менее, создать мини-молнию в камерных условиях под силу любому. Это вовсе не шутка!
Автолюбители, к примеру, могли сталкиваться с ситуацией, когда по руке вдруг откуда ни возьмись пробегает электрический разряд при попытке открыть дверь, — особенно явно это во время сухой зимней погоды. В помещении, при соприкосновении с металлической ручкой, та же попытка открыть дверь вновь может привести к неприятному «удару» по коже. Если освещение позволяет, вы увидите, как этот «удар» сопровождается маленькой, миллиметровой искоркой.
Приглядитесь. Искорка, что мы порой наблюдаем в бытовых условиях, и погодные вспышки молнии выглядят практически идентично, с поправкой на величину. Механизм тут определенно общий. Сможем объяснить явление в малых масштабах — сможем примерно понять, что происходит в масштабах больших.
Электростатический разряд
В начале было слово. В нашем случае: в начале было сосредоточение заряда. Магистральное условие электростатических явлений — скопление заряда на поверхности тела. Почему и как заряд образуется мы успели обсудить вдоволь. Сейчас интерес представляет совершенно другое: почему в некоторых случаях взаимодействие заряженного тела с предметами результируется в притяжение или отталкивание, а в некоторых приводит к электростатическому разряду, иногда сопровождаемому искрами?
Уместным будет, во-первых, определение:
Электростатический разряд — неконтролируемый резкий сброс электрического заряда между телами.
Повторимся, что сброс по качеству неконтролируемый: быстрый, внезапный поток перераспределения заряда между телами, длящийся доли секунд. Сразу в противовес понятно, что электростатическое притяжение или отталкивание — процесс, занимающий некоторое время.
Перераспределение электронов происходит неспешно и постепенно, если сравнивать с разрядом. Если между телами имеется сильный электронный дисбаланс — тело с огромным отрицательным зарядом вступает во взаимодействие с таким же, но положительно заряженным, — это приводит к быстрому обмену зарядами.
Ионизация
Второй фактор — условия среды. Недистиллированная вода содержит примеси в виде разнообразных минералов, за счет чего является неплохим проводником. Как связаны эти два утверждения? Простым фактом: воздух, что чаще всего является средой взаимодействия тел, содержит частички воды. Чем выше влажность воздуха, тем большей проводимостью он обладает. Поразительно то, что тело с большим скоплением заряда может самостоятельно зональным образом усиливать проводимость среды ионизацией.
Чтобы передвинуть предмет, к нему требуется приложить силу. Такая сила — контактная, она действует на тело только при прямом взаимодействии. Электрическая же сила, исходящая от заряда, по образу действия схожа с гравитационной.
Заряд, как Земля, создает вокруг себя поле и имеет возможность влиять на попадающие в это поле тела без прямого физического контакта. Величина напряженности электрического поля зависит от величины заряда: больше заряда — сильнее поле. Молекулы воздуха, воды и примесей, попадающие в пространство активности электрического поля, начинают «трансформироваться».
Под действием сильного притяжения или отталкивания от заряженного тела они частично разбиваются на свободные электроны и положительные ионы. Заряженное тело, образно выражаясь, во время ионизации протаптывает себе дорожку сброса заряда, словно шахтер на проходке.
Будьте внимательны. Влажная среда является главным недоброжелателем скопления электростатического заряда, ионизированная среда — прям смертельным врагом, поскольку влажный ионизированный воздух работает как заземление. Скопления! Не прохождения. Как раз таки для прохождения заряда это идеальная среда.
Все вместе: что происходит в небе?
В процессе гидрологического цикла в атмосфере Земли скапливается влага. Скопление влаги в воздухе образует облака.
Первый этап
Испарение продолжает циклично сменять конденсацию, и восходящая влага все время сталкивается с нисходящей влагой.
В результате данных трибо-столкновений происходит перераспределение заряда. Температура атмосферы по мере восхождения падает, и происходит нечто вроде трения твердых изоляторов: электроны «сбиваются» с поднимающихся кристалликов льда спускающимися крошками льда и скапливаются на нижней части облака. Положительно заряженные ионы воздушными массами поднимаются на верхнюю часть облака.
Второй этап
Теперь облако представляет собой огромное сосредоточение заряда: снизу отрицательного, сверху положительного. По мере того, как происходит столкновение замороженной влаги, заряд продолжает накапливаться. В конечном счете все доходит до того, что облако снизу обладает настолько сильным электрическим полем, что отталкивает электроны на поверхности земли. Возникает разнополярность зарядов между облаком и землей, и теперь нужна всего лишь среда с хорошей проводимостью, чтобы электроны могли резко сброситься с облака, на котором им жутко тесно и дискомфортно.
Третий этап
Ионизация, не забыли? Сильное электронное поле облака влияет как на земную поверхность, так и воздушную среду.
Безусловно, ионизация воздуха происходит неравномерно, от заряженного облака порциями по «кривым» траекториям. Воздух разнороден, содержит пыль и всяческие микроэлементы, поэтому какие-то атомы быстрее превращаются в ионы, какие-то медленнее. Вот вам, кстати, причина, почему молния выглядит рвано — ломанными линиями, растекающимися в разные стороны. Она следует по траектории наименьшего электрического сопротивления.
Четвертый этап
Сверху для разряда все готово, и электроны с облака устремляются вниз по ионизированным тропам. Массовка, как говорится, пошла. Заряд приближается к земле, расширяя зону действия электрического поля, на которое активнее начинают реагировать вынужденно заряженные положительно тела на поверхности.
Они, чуя противоположный заряд, стремятся подняться выше к облаку. За счет стремления заряда с поверхности, процесс ионизации завершается и снизу.
Теперь дорожка для электрического разряда полностью протоптана. Отрицательный поток продолжает путь, наконец встречается с положительным…
Бум! Молния.
Подумайте сами. Снимая шерстяной свитер в сухом помещении, вы можете услышать характерный электростатический треск. Молния тоже не случается в тишине. Как же молния связана с потрескивающим свитером? Откуда берется раскат грома? И почему между звуковым и визуальным эффектами возникает временная разница?
5
5
1
5
Хотите оставить комментарий?
Войти