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.

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?

{"questions":[{"content":"Расположите по порядку сверху вниз <b>этапы возникновения молнии</b>.[[sorter-1]]","widgets":{"sorter-1":{"type":"sorter","items":["Испарение продолжает циклично сменять конденсацию, и восходящая влага все время сталкивается с нисходящей влагой.<br />В результате данных трибо-столкновений происходит перераспределение заряда. Температура атмосферы по мере восхождения падает, электроны скапливаются на нижней части облака. Положительно заряженные ионы воздушными массами поднимаются на верхнюю часть облака.","Облако представляет собой огромное сосредоточение заряда: снизу отрицательного, сверху положительного. Заряд продолжает накапливаться, в результате чего облако снизу обладает настолько сильным электрическим полем, что отталкивает электроны на поверхности земли. Возникает разнополярность зарядов между облаком и землей.","Происходит ионизация воздуха. Сильное электронное поле облака влияет как на земную поверхность, так и воздушную среду.","Электроны с облака устремляются вниз по ионизированным тропам. Заряд приближается к земле, расширяя зону действия электрического поля, на которое активнее начинают реагировать вынужденно заряженные положительно тела на поверхности. Они поднимаются выше к облаку. Процесс ионизации снизу облака завершается. Отрицательный поток встречается с положительным."]}}}]}