... Великий загін воїнів Стародавнього Риму перебував у нічному поході. Насувалася гроза. І раптом над загоном здалися сотні голубуватих вогників. Це засвітилися вістря списів воїнів. Здавалося, залізні списи солдатів горять не згораючи! Природи дивного явища в ті часи ніхто не знав, і солдати вирішили, що таке сяйво на списах провіщає їм перемогу. Тоді це явище називали вогнями Кастора і Поллукса - на ім'я міфологічних героїв-близнюків. А пізніше перейменували на вогні Ельма - за назвою церкви святого Ельма в Італії, де вони з'являлися.
Особливо часто такі вогні спостерігали на щоглах кораблів. Римський філософ і письменник Луцій Сенека говорив, що під час грози «зірки як би сходять з неба і сідають на щогли кораблів». Серед численних оповідань про це цікаво свідоцтво капітана одного англійського вітрильника.
Сталося це в 1695 році, в Середземному морі, біля Балеарських островів, під час грози.
Побоюючись бурі, капітан наказав спустити вітрила. І тут моряки побачили в різних місцях корабля більше тридцяти вогнів Ельма. На флюгері великий щогли вогонь досяг більше півметра у висоту. Капітан послав матроса з наказом зняти його. Піднявшись нагору, той гукнув, що вогонь сичить, як ракета з сирого пороху. Йому наказали зняти його разом з флюгером і принести вниз. Але як тільки матрос зняв флюгер, вогонь перескочив на кінець щогли, звідки зняти його було неможливо.
Ще більш вражаючу картину побачили в 1902 році моряки пароплава «Моравія». Перебуваючи біля островів Зеленого Мису, капітан Сімпсон записав у судновому журналі: «Цілу годину в море палахкотіли блискавки. Сталеві канати, верхівки щогл, нок-реї, НОКи вантажних стріл - все світилося. Здавалося, що на шканцях через кожні чотири фути повісили запалені лампи, а на кінцях щогл і нок-рей засвітили яскраві вогні ». Світіння супроводжувалося незвичайним шумом:
«Наче міріади цикад оселилися в оснащенні або з тріском горів трусок і суха трава ...»
Вогні святого Ельма різноманітні. Бувають вони у вигляді рівномірного світіння, у вигляді окремих мерехтливих вогників, смолоскипів. Іноді вони настільки схожі на язики полум'я, що їх кидаються гасити.
Американський метеоролог Хемфрі, що спостерігав вогні Ельма на своєму ранчо, свідчить: це явище природи, «перетворюючи кожного бика в чудовисько з вогняними рогами, справляє враження чогось надприродного». Це говорить людина, яка за самим своїм положенням не здатний, здавалося б, дивуватися подібним речам, а має брати їх без зайвих емоцій, спираючись тільки на здоровий глузд. Можна сміливо стверджувати, що і нині, незважаючи на панування, - далеко, правда, не повсюдне, - природничонаукового світогляду, знайдуться люди, які, якби вони опинились у становищі Хемфрі, побачили б у вогненних бичачих рогів щось непідвладне розуму. Про середньовіччя і говорити нічого: тоді в тих же рогах угледіли б, швидше за все, підступи сатани.
Коронний розряд, електрична корона, різновид тліючого розряду; виникає при різко вираженою неоднорідності електричного поля поблизу одного або обох електродів. Подібні поля формуються у електродів з дуже великою кривизною поверхні (вістря, тонкі проводи). При коронному розряді ці електроди оточені характерним світінням, також отримав назву корони, або коронирующего шару. Примикає до корони не світяться («темна») область міжелектродного простору називається зовнішньою зоною. Корона часто з'являється на високих загострених предметах (святого Ельма вогні), навколо проводів ліній електропередач і т. д Коронний розряд може мати місце при різних тисках газу в розрядному проміжку, але найбільш виразно він проявляється при тисках нижче атмосферного.
Поява коронного розряду пояснюється іонної лавиною. У газі завжди є певна кількість іонів та електронів, що виникають від випадкових причин. Проте, число їх настільки мало, що газ практично не проводить електрики. При досить великий напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома зіткненнями, може зробитися достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. У результаті утворюється новий негативний електрон і позитивно заряджений залишок - іон.
Вільний електрон 1 при зіткненні з нейтральною молекулою розщеплює її на електрон 2 і вільний позитивний іон. Електрони 1 і 2 при подальшому зіткненні з нейтральними молекулами знову розщеплює їх на електрони 3 і 4 і вільні позитивні іони, і т.д.
Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а ту роботу, яку потрібно затратити, щоб зробити відривання електрона від атома - роботою іонізації. Робота іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів. Утворилися під впливом ударної іонізації електрони та іони збільшує число зарядів у газі, причому в свою чергу вони приходять в рух під дією електричного поля і можуть призвести ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, процес посилює сам себе, і іонізація в газі швидко досягає дуже великий величини. Явище аналогічно сніжної лавини, тому цей процес був названий іонною лавиною.
Натягнемо на двох високих ізолюючих підставках металевий дріт ab, що має діаметр кілька десятих міліметра, і з'єднаємо її з негативним полюсом генератора, що дає напругу кілька тисяч вольт. Другий полюс генератора відведемо до Землі. Вийде своєрідний конденсатор, обкладками якого є дріт і стіни кімнати, які, звичайно, сполучаються з Землею.
Поле в цьому конденсаторі дуже неоднорідний, і напруженість його поблизу тонкої дроту дуже велика. Підвищуючи поступово напруга і спостерігаючи за дротом в темряві, можна помітити, що при відомому напрузі біля дроту з'являється слабке світіння (корона), що охоплює з усіх сторін дріт; воно супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Якщо між дротом і джерелом включений чутливий гальванометр, то з появою світіння гальванометр показує помітний струм, що йде від генератора по проводах до дроту і від неї по повітрю кімнати до стін, між дротом і стінами переноситься іонами, утвореними в кімнаті завдяки ударної іонізації. Таким чином, світіння повітря і поява струму вказує на сильну іонізацію повітря під дією електричного поля. Коронний розряд може виникнути не тільки поблизу дроту, а й у вістря і взагалі поблизу будь-яких електродів, біля яких утворюється дуже сильне неоднорідне поле.
Застосування коронного розряду. Електрична очистка газів (електрофільтри). Посудина, наповнений димом, раптово робиться абсолютно прозорим, якщо внести до нього гострі металеві електроди, з'єднані з електричною машиною, а всі тверді і рідкі частки будуть осідати на електродах. Пояснення досвіду полягає в наступному: як тільки і дроту запалюється корона, повітря усередині трубки сильно іонізується. Газові іони прилипають до частинок пилу і заряджають їх. Так як усередині трубки діє сильне електричне поле, заряджені частинки пилу рухаються під дією поля до електродів, де й осідають.
Лічильники елементарних частинок. Лічильник елементарних частинок Гейгера - Мюллера складається з невеликого металевого циліндра, забезпеченого віконцем, закритим фольгою, і тонкого металевого дроту, натягнутої по осі циліндра і ізольованою від нього. Лічильник включають в ланцюг, що містить джерело струму, напруга якого одно кільком тисячам вольт. Напруга вибирають необхідним для появи коронного розряду всередині лічильника.
При попаданні в лічильник швидко рухомого електрона останній іонізує молекули газу всередині лічильника, чому напругу, необхідну для запалювання корони, трохи знижується. У лічильнику виникає розряд, а в ланцюзі з'являється слабкий короткочасний струм. Щоб знайти його, в ланцюг вводять дуже великий опір (кілька мегаом) і підключають паралельно з ним чутливий електрометрії. При кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листка електрометра будуть відкланятися.
Подібні лічильники дозволяють реєструвати не тільки швидкі електрони, а й взагалі будь-які заряджені, що швидко рухаються частинки, здатні виробляти іонізацію шляхом зіткнень. Сучасні лічильники легко виявляють попадання в них навіть однієї частинки і дозволяють тому з повною достовірністю і дуже великою наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні заряджені частинки.
Громовідвід. Підраховано, що в атмосфері всієї земної кулі відбувається одночасно близько 1800 гроз, які дають у середньому близько 100 блискавок в секунду. І хоча ймовірність ураження блискавкою будь-якого окремого людини мізерно мала, тим не менш блискавки завдають чимало шкоди. Досить зазначити, що в даний час близько половини всіх аварій у великих лініях електропередачі викликається блискавками. Тому, захист від блискавки представляє собою важливу задачу.
Ломоносов і Франклін не лише пояснили електричну природу блискавки, але і вказали, як можна побудувати громовідвід, що захищає від удару блискавки. Громовідвід являє собою довгу дріт, верхній кінець якої загострюється і зміцнюється вище найвищої точки захищається будівлі. Нижній кінець дроту з'єднують з металевим листом, а лист закопують в Землю на рівні грунтових вод. Під час грози на Землі з'являються великі індуковані заряди і у поверхні Землі з'являється велика електричне поле. Напруженість його дуже велика близько гострих провідників, і тому на кінці громовідводу запалюється коронний розряд. Внаслідок цього індуковані заряди не можуть накопичуватися на будівлі і блискавки не відбувається. У тих же випадках, коли блискавка все-таки виникає (а такі випадки дуже рідкісні), вона вдаряє в громовідвід і заряди йдуть в Землю, не завдаючи шкоди будівлі.
У деяких випадках коронний розряд з громовідводу буває настільки сильним, що у вістря виникає явно видиме світіння. Таке світіння іноді з'являється і біля інших загострених предметів, наприклад, на кінцях корабельних щогл, гострих верхівок дерев, і т.д. Це явище було помічено ще кілька століть тому і викликало забобонний жах мореплавців, не розуміли істинної його сутності.
Блискавка. Красиве і небезпечне явище природи - блискавка - представляє собою іскровий розряд в атмосфері.
Вже в середині 18-го століття звернули увагу на зовнішню схожість блискавки з електричною іскрою. Висловилося припущення, що грозові хмари несуть у собі великі електричні заряди і що блискавка є гігантська іскра, нічим, окрім розмірів, що не відрізняється від іскри між кулями електричної машини. На це вказував, наприклад, російський фізик і хімік Михайло Васильович Ломоносов (1711-65), поряд з іншими науковими питаннями займався атмосферною електрикою.
Це було доведено на досвіді 1752-53 р.р. Ломоносовим і американським вченим Бенджаміном Франкліном (1706-90), що працювали одночасно і незалежно один від одного.
Ломоносов побудував «гучну машину» - конденсатор, що знаходилося в його лабораторії і заряджається атмосферною електрикою за допомогою дроту, кінець якого був виведений з приміщення і піднято на високій жердині. Під час грози з конденсатора можна було рукою витягувати іскри.
Франклін під час грози пустив на мотузці змія, який був забезпечений залізною вістрям; до кінця мотузки був прив'язаний дверний ключ. Коли мотузка намокла і зробилася провідником електричного струму, Франклін зміг витягти з ключа електричні іскри, зарядити лейденський банки і виконати інші досліди, вироблені з електричною машиною (Слід зазначити, що такі досліди надзвичайно небезпечні, так як блискавка може вдарити у змій, і при цьому великі заряди пройдуть через тіло експериментатора в Землю. В історії фізики були такі сумні випадки. Так загинув у 1753 р. в Петербурзі Г. В. Ріхман, що працював разом з Ломоносовим).
Звичайна лінійна блискавка являє собою гігантський електричний іскровий розряд між шарами атмосфери або між хмарами і земною поверхнею довжиною кілька кілометрів при напрузі кілька сотень мільйонів вольт і тривалістю десяті частки секунди. Форма блискавки зазвичай схожа на розгалужене коріння розрослося в піднебесся дерева. Тому є свої причини.
Провідність верхніх шарів атмосфери досить велика, щоб атмосферу можна було вважати сферичним провідником. Існуюче між негативно зарядженої поверхнею Землі і позитивно зарядженої верхній атмосферою електричне поле могло б розрядитися менш ніж за 5 хвилин з-за безперервної іонізації молекул повітря під дією космічного випромінювання та природної радіоактивності Землі. Однак цього не відбувається, оскільки в результаті грозової активності підтримується постійний приплив електронів до Землі. Різниця потенціалів між нашим носом і ступнями могла б досягати 200 В, якщо б не висока провідність людського тіла.
При розряді блискавки заряди в хмарі розподіляються наступним чином: в основі хмари зосереджується відносно невеликий запас позитивних зарядів, в середині - великий негативний, нагорі - величезний позитивний. Спочатку виникає розряд між підставою хмари і його негативно зарядженої серединою, при якому електрони переходять в основу хмари. Граничне напруга пробою, що викликає утворення ионизованного каналу, становить приблизно 3 млн В / м. Далі розряд просувається вниз у вигляді ступінчастого лідера, що стрибає стрибками по 50 м з паузами по 50 мкс, і з кожним стрибком негативний заряд переміщається з хмари в нижню частину зробленого лідером каналу. Світиться лише нижня частина лідера, але з-за швидкого руху нам видно повністю світиться канал. Лідер скаче по ламаній лінії, відхиляючись під дією розкиданих в повітрі позитивно заряджених острівців. Якщо неоднорідність велика, лідер може змінити напрямок з вертикального на горизонтальне.
Поблизу загострених предметів на поверхні Землі електричне поле досягає таких значень, що назустріч лідеру спрямовується позитивний заряд, а в місці зустрічі виникає яскравий спалах, що триває до повної нейтралізації електрики. Яскраво світна область рухається вгору по каналу лідера і досягає хмари. Якщо рух вниз відбувається приблизно за 20 мс, то зворотний рух відбувається всього за 0,1 мс. Діаметр розряду-лідера оцінюється метрами, а зворотного розряду - кілька сантиметрів. Світіння походить від центральної частини каналу. Через нездатність людського ока стежити за такими швидкими рухами, що світиться здається весь стовбур з відгалуженнями.
При спалаху блискавки виникають імпульси електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні - від наднизьких частот до 30 кГц і вище. Найбільше випромінювання радіохвиль знаходиться в діапазоні від 5 до 10 кГц. Такі низькочастотні радіоперешкоди зосереджені в просторі між нижньою межею іоносфери і земною поверхнею і здатні поширюватися на відстані в тисячі кілометрів від джерела.
Електричний розряд блискавки викликає різке розширення повітря, в результаті чого створюється циліндрична ударна хвиля і утворюється грім. Поруч з вдарила блискавкою можна розчути шипіння, вироблене коронним розрядом, і наступний за ним клацання - звук рухається вгору надзвукового лідера. Супроводжуючий блискавку грім рідко розповсюджується на відстань понад 25 кілометрів, хоча ті ж гарматні постріли і вибухи снарядів розносяться значно далі. Справа в тому, що швидкість звуку в теплому повітрі вище, ніж у холодному. Оскільки із збільшенням висоти температура зменшується, верхня частина звукової хвилі, що поширювалася спочатку горизонтально, рухається повільніше, ніж нижня її частина. Внаслідок цього траєкторія хвилі загинається вгору. У холодний ж дня звук може відхилятися не вгору, а вниз, поширюючись на великі відстань по поверхні землі (на жаль, в морозні дні блискавки не виблискують). Крім того, досягаючи відносно більш теплих шарів стратосфери, траєкторія хвилі може викривитися таким чином, що знову спрямовується вниз, поглинаючись і розсіюючись рельєфом місцевості. Між областю, якої досягає пряма звукова хвиля, і відбитої від стратосфери областю знаходиться "мертва зона", в якій звук джерела не чути. За межами мертвої зони, поза видимості грози, відбитий звук може з'явитися знову, попереджаючи про нашестя стихії.
Інколи під час грози можна спостерігати розряд блискавки, який обривається на півдорозі до землі, що означає проміжну нейтралізацію лідера позитивним зарядом об'ємного повітряного скупчення. Ще рідше виникає картинка з кількох паралельних розрядів, які виробляють враження звисає з хмари стрічки - так звана стрічкова блискавка. "Лента" утворюється при сильному вітрі, що переміщує канал блискавки із серією наступних один за одним розрядів. Цікава за структурою і нагадує нанизані на нитку намистинки четочная блискавка. Ефект чоток виникає при сильно дощі, коли розряд частково закритий краплями води і дощовими струменями. В останньому випадку ділянки каналу блискавки, що збігаються з напрямом зору спостерігача, помітні кілька довше за всіх, оскільки видно з торця і дають більше світла.
Причиною виникнення блискавки, крім поширених природних явищ, можуть послужити також ядерний вибух, виверження вулкану і землетрус. При вибуху водневої бомби блискавки можуть виникати в результаті поділу зарядів від гамма-випромінювання, а лідери виникають поблизу металевих споруд. Подібні лідери блискавок, що йдуть знизу вгору, іноді спостерігаються над дахами хмарочосів і загостреними піками гір. При вулканічному виверженні розпечена лава сповзає в море і піднімає вгору хмари позитивно зарядженого пара, електрони по каналу розряду потім рухаються вгору. Що стосується провокування гроз землетрусами, вчені висувають гіпотезу про п'єзоелектричному ефекті в скельних глибинах, де поширюється сейсмічна хвиля. На подібному електричному ефекті засноване відтворення музики з грамплатівки.
Блискавкозахист. До винаходу електрики і громовідводу люди боролися з руйнівними наслідками ударів блискавок заклинаннями. У Європі дієвим засобом боротьби вважався безперервний дзвін під час грози. Згідно зі статистикою, підсумком 30-річної боротьби з блискавками в Німеччині стало руйнування 400 дзвіниць і загибель 150 дзвонарів.
Першим, хто запропонував ефективний спосіб нейтралізації молніевих ударів, став відомий громадянин США Бенджамін Франклін - універсальний геній своєї епохи (1706-1790).
Результатом семирічного захоплення Франкліна електрикою став винахід громовідводу. У 1750 Франклін запропонував Лондонському королівському суспільству поставити досвід із залізною штангою, укріпленої на ізолюючому підставі і встановленої на високій вежі. Він припускав, що при наближенні грозової хмари до вежі на верхньому кінці спочатку нейтральної штанги зосередиться заряд протилежного знаку, а на нижньому - заряд того ж знака, що у підстави хмари. Якщо напруженість електричного поля при розряді блискавки зросте досить сильно, заряд з верхнього кінця штанги частково перетече в повітря, а штанга придбає заряд того ж знака, що і підстава хмари.
Запропонований Франкліном експеримент був здійснений не в Англії, а під Парижем (у містечку Марлі) в 1752 році французьким фізиком Жаном Д'Аламбера. Француз використовував вставлену в скляну банку, що служила ізолятором, залізну штангу довжиною 12 м, але не поставив її на башту. У травні 1752 асистент вченого повідомив, що при проходженні грозової хмари над штангою, при піднесенні до неї заземленою дроту виникали іскри. У наступні роки Великої французької революції Робесп'єр і Марат намагалися кожен по-своєму боротися з ідеєю громовідводів, за що навіть «трошки порізали один одного». У той час громовідводи ламали з благочестивих міркувань, керуючись божественним походженням людини і вірою в "кару Божу".
Дія громовідводу не так просто, як може здатися на перший погляд. Передбачається, що громовідвід притягає наблизився до нього ступеневої лідера, утворюючи захисний конус з кутом 900 нижче верхівки громовідводу. Пристрій найпростішого громовідводу включає три основних елементи: блискавкоприймач, струмовідвід і заземлювач. Часто громовідвід має форму металевого штиря, троса або сітки., Встановлювати громовідвід необхідно на висоту з урахуванням 900 конуса захисту навколишнього простору. Оскільки при молніевих розрядах у високовольтних лініях електропередач можуть виникати короткочасні імпульси в десятки кіловольт, в електромережу додають електронні засоби захисту.
Тим часом винахідники продовжують шукати нові способи порятунку від попадання блискавок будівель і споруд. Нещодавно провідний інженер Московського інституту теплотехніки Борис Ігнатов запатентував "універсальний громовідвід" для захисту від лінійних і кульових блискавок. За теорією Ігнатова, оскільки ядро кульової блискавки є потужним магнітним диполем, при встановленні в зоні звичайного громовідводу постійного магніту, кульова блискавка повинна обов'язково притянуться до цього магніту. Важливо забезпечити надійний сток електричного заряду на землю.
Принципово новий спосіб боротьби з блискавками пропонує каліфорнійська компанія BoltBlocker. За задумом, громовідвід буде складатися з б'є вгору під час грози водяного струменя, диметр якої складе 1 см, а максимальна висота до 300 м. Подібними громовідводами компанія планує оснастити спортивні та дитячі майданчики найбільш "блискавок" районів США.
Якщо ж блискавка застала людину на відкритому просторі, то не варто панікувати і спробувати знайти реальне притулок. Таким притулком може послужити ліс. Не рекомендується ховатися біля самотніх дерев, оскільки можливо коротке замикання між деревом і людиною (опір людини близько 500 Ом - менше, ніж у дерева). Не можна під час грози плавати у воді, оскільки вода є гарним провідником електрики. Ознакою того, що ви знаходитеся в електричному полі, можуть послужити встали дибки волосся, які почнуть видавати легке потріскування. Але це лише сухі волосся. Якщо поблизу немає притулку, для зменшення небезпеки під час грози краще сісти навпочіпки в найбільш низькому місці і перечекати негоду. Якщо гроза успішно минула, можна продовжити заняття своєю справою. Якщо ж блискавка вас зачепила, але ви ще в змозі думати, слід якомога швидше звернутися до лікаря. Медики вважають, що людина, що вижила після удару блискавки (а таких людей чимало), навіть не отримавши сильних опіків голови та тіла, згодом може отримати ускладнення у вигляді відхилень у серцево-судинної та невралгічною діяльності від норми. Втім, може й обійтися.
Особливо часто такі вогні спостерігали на щоглах кораблів. Римський філософ і письменник Луцій Сенека говорив, що під час грози «зірки як би сходять з неба і сідають на щогли кораблів». Серед численних оповідань про це цікаво свідоцтво капітана одного англійського вітрильника.
Сталося це в 1695 році, в Середземному морі, біля Балеарських островів, під час грози.
Побоюючись бурі, капітан наказав спустити вітрила. І тут моряки побачили в різних місцях корабля більше тридцяти вогнів Ельма. На флюгері великий щогли вогонь досяг більше півметра у висоту. Капітан послав матроса з наказом зняти його. Піднявшись нагору, той гукнув, що вогонь сичить, як ракета з сирого пороху. Йому наказали зняти його разом з флюгером і принести вниз. Але як тільки матрос зняв флюгер, вогонь перескочив на кінець щогли, звідки зняти його було неможливо.
Ще більш вражаючу картину побачили в 1902 році моряки пароплава «Моравія». Перебуваючи біля островів Зеленого Мису, капітан Сімпсон записав у судновому журналі: «Цілу годину в море палахкотіли блискавки. Сталеві канати, верхівки щогл, нок-реї, НОКи вантажних стріл - все світилося. Здавалося, що на шканцях через кожні чотири фути повісили запалені лампи, а на кінцях щогл і нок-рей засвітили яскраві вогні ». Світіння супроводжувалося незвичайним шумом:
«Наче міріади цикад оселилися в оснащенні або з тріском горів трусок і суха трава ...»
Вогні святого Ельма різноманітні. Бувають вони у вигляді рівномірного світіння, у вигляді окремих мерехтливих вогників, смолоскипів. Іноді вони настільки схожі на язики полум'я, що їх кидаються гасити.
Американський метеоролог Хемфрі, що спостерігав вогні Ельма на своєму ранчо, свідчить: це явище природи, «перетворюючи кожного бика в чудовисько з вогняними рогами, справляє враження чогось надприродного». Це говорить людина, яка за самим своїм положенням не здатний, здавалося б, дивуватися подібним речам, а має брати їх без зайвих емоцій, спираючись тільки на здоровий глузд. Можна сміливо стверджувати, що і нині, незважаючи на панування, - далеко, правда, не повсюдне, - природничонаукового світогляду, знайдуться люди, які, якби вони опинились у становищі Хемфрі, побачили б у вогненних бичачих рогів щось непідвладне розуму. Про середньовіччя і говорити нічого: тоді в тих же рогах угледіли б, швидше за все, підступи сатани.
Коронний розряд, електрична корона, різновид тліючого розряду; виникає при різко вираженою неоднорідності електричного поля поблизу одного або обох електродів. Подібні поля формуються у електродів з дуже великою кривизною поверхні (вістря, тонкі проводи). При коронному розряді ці електроди оточені характерним світінням, також отримав назву корони, або коронирующего шару. Примикає до корони не світяться («темна») область міжелектродного простору називається зовнішньою зоною. Корона часто з'являється на високих загострених предметах (святого Ельма вогні), навколо проводів ліній електропередач і т. д Коронний розряд може мати місце при різних тисках газу в розрядному проміжку, але найбільш виразно він проявляється при тисках нижче атмосферного.
Поява коронного розряду пояснюється іонної лавиною. У газі завжди є певна кількість іонів та електронів, що виникають від випадкових причин. Проте, число їх настільки мало, що газ практично не проводить електрики. При досить великий напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома зіткненнями, може зробитися достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. У результаті утворюється новий негативний електрон і позитивно заряджений залишок - іон.
Вільний електрон 1 при зіткненні з нейтральною молекулою розщеплює її на електрон 2 і вільний позитивний іон. Електрони 1 і 2 при подальшому зіткненні з нейтральними молекулами знову розщеплює їх на електрони 3 і 4 і вільні позитивні іони, і т.д.
Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а ту роботу, яку потрібно затратити, щоб зробити відривання електрона від атома - роботою іонізації. Робота іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів. Утворилися під впливом ударної іонізації електрони та іони збільшує число зарядів у газі, причому в свою чергу вони приходять в рух під дією електричного поля і можуть призвести ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, процес посилює сам себе, і іонізація в газі швидко досягає дуже великий величини. Явище аналогічно сніжної лавини, тому цей процес був названий іонною лавиною.
Натягнемо на двох високих ізолюючих підставках металевий дріт ab, що має діаметр кілька десятих міліметра, і з'єднаємо її з негативним полюсом генератора, що дає напругу кілька тисяч вольт. Другий полюс генератора відведемо до Землі. Вийде своєрідний конденсатор, обкладками якого є дріт і стіни кімнати, які, звичайно, сполучаються з Землею.
Поле в цьому конденсаторі дуже неоднорідний, і напруженість його поблизу тонкої дроту дуже велика. Підвищуючи поступово напруга і спостерігаючи за дротом в темряві, можна помітити, що при відомому напрузі біля дроту з'являється слабке світіння (корона), що охоплює з усіх сторін дріт; воно супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Якщо між дротом і джерелом включений чутливий гальванометр, то з появою світіння гальванометр показує помітний струм, що йде від генератора по проводах до дроту і від неї по повітрю кімнати до стін, між дротом і стінами переноситься іонами, утвореними в кімнаті завдяки ударної іонізації. Таким чином, світіння повітря і поява струму вказує на сильну іонізацію повітря під дією електричного поля. Коронний розряд може виникнути не тільки поблизу дроту, а й у вістря і взагалі поблизу будь-яких електродів, біля яких утворюється дуже сильне неоднорідне поле.
Застосування коронного розряду. Електрична очистка газів (електрофільтри). Посудина, наповнений димом, раптово робиться абсолютно прозорим, якщо внести до нього гострі металеві електроди, з'єднані з електричною машиною, а всі тверді і рідкі частки будуть осідати на електродах. Пояснення досвіду полягає в наступному: як тільки і дроту запалюється корона, повітря усередині трубки сильно іонізується. Газові іони прилипають до частинок пилу і заряджають їх. Так як усередині трубки діє сильне електричне поле, заряджені частинки пилу рухаються під дією поля до електродів, де й осідають.
Лічильники елементарних частинок. Лічильник елементарних частинок Гейгера - Мюллера складається з невеликого металевого циліндра, забезпеченого віконцем, закритим фольгою, і тонкого металевого дроту, натягнутої по осі циліндра і ізольованою від нього. Лічильник включають в ланцюг, що містить джерело струму, напруга якого одно кільком тисячам вольт. Напруга вибирають необхідним для появи коронного розряду всередині лічильника.
При попаданні в лічильник швидко рухомого електрона останній іонізує молекули газу всередині лічильника, чому напругу, необхідну для запалювання корони, трохи знижується. У лічильнику виникає розряд, а в ланцюзі з'являється слабкий короткочасний струм. Щоб знайти його, в ланцюг вводять дуже великий опір (кілька мегаом) і підключають паралельно з ним чутливий електрометрії. При кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листка електрометра будуть відкланятися.
Подібні лічильники дозволяють реєструвати не тільки швидкі електрони, а й взагалі будь-які заряджені, що швидко рухаються частинки, здатні виробляти іонізацію шляхом зіткнень. Сучасні лічильники легко виявляють попадання в них навіть однієї частинки і дозволяють тому з повною достовірністю і дуже великою наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні заряджені частинки.
Громовідвід. Підраховано, що в атмосфері всієї земної кулі відбувається одночасно близько 1800 гроз, які дають у середньому близько 100 блискавок в секунду. І хоча ймовірність ураження блискавкою будь-якого окремого людини мізерно мала, тим не менш блискавки завдають чимало шкоди. Досить зазначити, що в даний час близько половини всіх аварій у великих лініях електропередачі викликається блискавками. Тому, захист від блискавки представляє собою важливу задачу.
Ломоносов і Франклін не лише пояснили електричну природу блискавки, але і вказали, як можна побудувати громовідвід, що захищає від удару блискавки. Громовідвід являє собою довгу дріт, верхній кінець якої загострюється і зміцнюється вище найвищої точки захищається будівлі. Нижній кінець дроту з'єднують з металевим листом, а лист закопують в Землю на рівні грунтових вод. Під час грози на Землі з'являються великі індуковані заряди і у поверхні Землі з'являється велика електричне поле. Напруженість його дуже велика близько гострих провідників, і тому на кінці громовідводу запалюється коронний розряд. Внаслідок цього індуковані заряди не можуть накопичуватися на будівлі і блискавки не відбувається. У тих же випадках, коли блискавка все-таки виникає (а такі випадки дуже рідкісні), вона вдаряє в громовідвід і заряди йдуть в Землю, не завдаючи шкоди будівлі.
У деяких випадках коронний розряд з громовідводу буває настільки сильним, що у вістря виникає явно видиме світіння. Таке світіння іноді з'являється і біля інших загострених предметів, наприклад, на кінцях корабельних щогл, гострих верхівок дерев, і т.д. Це явище було помічено ще кілька століть тому і викликало забобонний жах мореплавців, не розуміли істинної його сутності.
Блискавка. Красиве і небезпечне явище природи - блискавка - представляє собою іскровий розряд в атмосфері.
Вже в середині 18-го століття звернули увагу на зовнішню схожість блискавки з електричною іскрою. Висловилося припущення, що грозові хмари несуть у собі великі електричні заряди і що блискавка є гігантська іскра, нічим, окрім розмірів, що не відрізняється від іскри між кулями електричної машини. На це вказував, наприклад, російський фізик і хімік Михайло Васильович Ломоносов (1711-65), поряд з іншими науковими питаннями займався атмосферною електрикою.
Це було доведено на досвіді 1752-53 р.р. Ломоносовим і американським вченим Бенджаміном Франкліном (1706-90), що працювали одночасно і незалежно один від одного.
Ломоносов побудував «гучну машину» - конденсатор, що знаходилося в його лабораторії і заряджається атмосферною електрикою за допомогою дроту, кінець якого був виведений з приміщення і піднято на високій жердині. Під час грози з конденсатора можна було рукою витягувати іскри.
Франклін під час грози пустив на мотузці змія, який був забезпечений залізною вістрям; до кінця мотузки був прив'язаний дверний ключ. Коли мотузка намокла і зробилася провідником електричного струму, Франклін зміг витягти з ключа електричні іскри, зарядити лейденський банки і виконати інші досліди, вироблені з електричною машиною (Слід зазначити, що такі досліди надзвичайно небезпечні, так як блискавка може вдарити у змій, і при цьому великі заряди пройдуть через тіло експериментатора в Землю. В історії фізики були такі сумні випадки. Так загинув у 1753 р. в Петербурзі Г. В. Ріхман, що працював разом з Ломоносовим).
Звичайна лінійна блискавка являє собою гігантський електричний іскровий розряд між шарами атмосфери або між хмарами і земною поверхнею довжиною кілька кілометрів при напрузі кілька сотень мільйонів вольт і тривалістю десяті частки секунди. Форма блискавки зазвичай схожа на розгалужене коріння розрослося в піднебесся дерева. Тому є свої причини.
Провідність верхніх шарів атмосфери досить велика, щоб атмосферу можна було вважати сферичним провідником. Існуюче між негативно зарядженої поверхнею Землі і позитивно зарядженої верхній атмосферою електричне поле могло б розрядитися менш ніж за 5 хвилин з-за безперервної іонізації молекул повітря під дією космічного випромінювання та природної радіоактивності Землі. Однак цього не відбувається, оскільки в результаті грозової активності підтримується постійний приплив електронів до Землі. Різниця потенціалів між нашим носом і ступнями могла б досягати 200 В, якщо б не висока провідність людського тіла.
При розряді блискавки заряди в хмарі розподіляються наступним чином: в основі хмари зосереджується відносно невеликий запас позитивних зарядів, в середині - великий негативний, нагорі - величезний позитивний. Спочатку виникає розряд між підставою хмари і його негативно зарядженої серединою, при якому електрони переходять в основу хмари. Граничне напруга пробою, що викликає утворення ионизованного каналу, становить приблизно 3 млн В / м. Далі розряд просувається вниз у вигляді ступінчастого лідера, що стрибає стрибками по 50 м з паузами по 50 мкс, і з кожним стрибком негативний заряд переміщається з хмари в нижню частину зробленого лідером каналу. Світиться лише нижня частина лідера, але з-за швидкого руху нам видно повністю світиться канал. Лідер скаче по ламаній лінії, відхиляючись під дією розкиданих в повітрі позитивно заряджених острівців. Якщо неоднорідність велика, лідер може змінити напрямок з вертикального на горизонтальне.
Поблизу загострених предметів на поверхні Землі електричне поле досягає таких значень, що назустріч лідеру спрямовується позитивний заряд, а в місці зустрічі виникає яскравий спалах, що триває до повної нейтралізації електрики. Яскраво світна область рухається вгору по каналу лідера і досягає хмари. Якщо рух вниз відбувається приблизно за 20 мс, то зворотний рух відбувається всього за 0,1 мс. Діаметр розряду-лідера оцінюється метрами, а зворотного розряду - кілька сантиметрів. Світіння походить від центральної частини каналу. Через нездатність людського ока стежити за такими швидкими рухами, що світиться здається весь стовбур з відгалуженнями.
При спалаху блискавки виникають імпульси електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні - від наднизьких частот до 30 кГц і вище. Найбільше випромінювання радіохвиль знаходиться в діапазоні від 5 до 10 кГц. Такі низькочастотні радіоперешкоди зосереджені в просторі між нижньою межею іоносфери і земною поверхнею і здатні поширюватися на відстані в тисячі кілометрів від джерела.
Електричний розряд блискавки викликає різке розширення повітря, в результаті чого створюється циліндрична ударна хвиля і утворюється грім. Поруч з вдарила блискавкою можна розчути шипіння, вироблене коронним розрядом, і наступний за ним клацання - звук рухається вгору надзвукового лідера. Супроводжуючий блискавку грім рідко розповсюджується на відстань понад 25 кілометрів, хоча ті ж гарматні постріли і вибухи снарядів розносяться значно далі. Справа в тому, що швидкість звуку в теплому повітрі вище, ніж у холодному. Оскільки із збільшенням висоти температура зменшується, верхня частина звукової хвилі, що поширювалася спочатку горизонтально, рухається повільніше, ніж нижня її частина. Внаслідок цього траєкторія хвилі загинається вгору. У холодний ж дня звук може відхилятися не вгору, а вниз, поширюючись на великі відстань по поверхні землі (на жаль, в морозні дні блискавки не виблискують). Крім того, досягаючи відносно більш теплих шарів стратосфери, траєкторія хвилі може викривитися таким чином, що знову спрямовується вниз, поглинаючись і розсіюючись рельєфом місцевості. Між областю, якої досягає пряма звукова хвиля, і відбитої від стратосфери областю знаходиться "мертва зона", в якій звук джерела не чути. За межами мертвої зони, поза видимості грози, відбитий звук може з'явитися знову, попереджаючи про нашестя стихії.
Інколи під час грози можна спостерігати розряд блискавки, який обривається на півдорозі до землі, що означає проміжну нейтралізацію лідера позитивним зарядом об'ємного повітряного скупчення. Ще рідше виникає картинка з кількох паралельних розрядів, які виробляють враження звисає з хмари стрічки - так звана стрічкова блискавка. "Лента" утворюється при сильному вітрі, що переміщує канал блискавки із серією наступних один за одним розрядів. Цікава за структурою і нагадує нанизані на нитку намистинки четочная блискавка. Ефект чоток виникає при сильно дощі, коли розряд частково закритий краплями води і дощовими струменями. В останньому випадку ділянки каналу блискавки, що збігаються з напрямом зору спостерігача, помітні кілька довше за всіх, оскільки видно з торця і дають більше світла.
Причиною виникнення блискавки, крім поширених природних явищ, можуть послужити також ядерний вибух, виверження вулкану і землетрус. При вибуху водневої бомби блискавки можуть виникати в результаті поділу зарядів від гамма-випромінювання, а лідери виникають поблизу металевих споруд. Подібні лідери блискавок, що йдуть знизу вгору, іноді спостерігаються над дахами хмарочосів і загостреними піками гір. При вулканічному виверженні розпечена лава сповзає в море і піднімає вгору хмари позитивно зарядженого пара, електрони по каналу розряду потім рухаються вгору. Що стосується провокування гроз землетрусами, вчені висувають гіпотезу про п'єзоелектричному ефекті в скельних глибинах, де поширюється сейсмічна хвиля. На подібному електричному ефекті засноване відтворення музики з грамплатівки.
Блискавкозахист. До винаходу електрики і громовідводу люди боролися з руйнівними наслідками ударів блискавок заклинаннями. У Європі дієвим засобом боротьби вважався безперервний дзвін під час грози. Згідно зі статистикою, підсумком 30-річної боротьби з блискавками в Німеччині стало руйнування 400 дзвіниць і загибель 150 дзвонарів.
Першим, хто запропонував ефективний спосіб нейтралізації молніевих ударів, став відомий громадянин США Бенджамін Франклін - універсальний геній своєї епохи (1706-1790).
Результатом семирічного захоплення Франкліна електрикою став винахід громовідводу. У 1750 Франклін запропонував Лондонському королівському суспільству поставити досвід із залізною штангою, укріпленої на ізолюючому підставі і встановленої на високій вежі. Він припускав, що при наближенні грозової хмари до вежі на верхньому кінці спочатку нейтральної штанги зосередиться заряд протилежного знаку, а на нижньому - заряд того ж знака, що у підстави хмари. Якщо напруженість електричного поля при розряді блискавки зросте досить сильно, заряд з верхнього кінця штанги частково перетече в повітря, а штанга придбає заряд того ж знака, що і підстава хмари.
Запропонований Франкліном експеримент був здійснений не в Англії, а під Парижем (у містечку Марлі) в 1752 році французьким фізиком Жаном Д'Аламбера. Француз використовував вставлену в скляну банку, що служила ізолятором, залізну штангу довжиною 12 м, але не поставив її на башту. У травні 1752 асистент вченого повідомив, що при проходженні грозової хмари над штангою, при піднесенні до неї заземленою дроту виникали іскри. У наступні роки Великої французької революції Робесп'єр і Марат намагалися кожен по-своєму боротися з ідеєю громовідводів, за що навіть «трошки порізали один одного». У той час громовідводи ламали з благочестивих міркувань, керуючись божественним походженням людини і вірою в "кару Божу".
Дія громовідводу не так просто, як може здатися на перший погляд. Передбачається, що громовідвід притягає наблизився до нього ступеневої лідера, утворюючи захисний конус з кутом 900 нижче верхівки громовідводу. Пристрій найпростішого громовідводу включає три основних елементи: блискавкоприймач, струмовідвід і заземлювач. Часто громовідвід має форму металевого штиря, троса або сітки., Встановлювати громовідвід необхідно на висоту з урахуванням 900 конуса захисту навколишнього простору. Оскільки при молніевих розрядах у високовольтних лініях електропередач можуть виникати короткочасні імпульси в десятки кіловольт, в електромережу додають електронні засоби захисту.
Тим часом винахідники продовжують шукати нові способи порятунку від попадання блискавок будівель і споруд. Нещодавно провідний інженер Московського інституту теплотехніки Борис Ігнатов запатентував "універсальний громовідвід" для захисту від лінійних і кульових блискавок. За теорією Ігнатова, оскільки ядро кульової блискавки є потужним магнітним диполем, при встановленні в зоні звичайного громовідводу постійного магніту, кульова блискавка повинна обов'язково притянуться до цього магніту. Важливо забезпечити надійний сток електричного заряду на землю.
Принципово новий спосіб боротьби з блискавками пропонує каліфорнійська компанія BoltBlocker. За задумом, громовідвід буде складатися з б'є вгору під час грози водяного струменя, диметр якої складе 1 см, а максимальна висота до 300 м. Подібними громовідводами компанія планує оснастити спортивні та дитячі майданчики найбільш "блискавок" районів США.
Якщо ж блискавка застала людину на відкритому просторі, то не варто панікувати і спробувати знайти реальне притулок. Таким притулком може послужити ліс. Не рекомендується ховатися біля самотніх дерев, оскільки можливо коротке замикання між деревом і людиною (опір людини близько 500 Ом - менше, ніж у дерева). Не можна під час грози плавати у воді, оскільки вода є гарним провідником електрики. Ознакою того, що ви знаходитеся в електричному полі, можуть послужити встали дибки волосся, які почнуть видавати легке потріскування. Але це лише сухі волосся. Якщо поблизу немає притулку, для зменшення небезпеки під час грози краще сісти навпочіпки в найбільш низькому місці і перечекати негоду. Якщо гроза успішно минула, можна продовжити заняття своєю справою. Якщо ж блискавка вас зачепила, але ви ще в змозі думати, слід якомога швидше звернутися до лікаря. Медики вважають, що людина, що вижила після удару блискавки (а таких людей чимало), навіть не отримавши сильних опіків голови та тіла, згодом може отримати ускладнення у вигляді відхилень у серцево-судинної та невралгічною діяльності від норми. Втім, може й обійтися.