Природа молнии
презентация может быть использована при проведении уроко по теме "Электричество"
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 priroda_molnii.ppt | 2.69 МБ |
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Физическое явление природы - МОЛНИЯ
Гнев Божий или атмосферное электричество – как ни назови молнию, она убивает. Ежедневно во всём мире происходит примерно 3 млн грозовых разрядов. За год они убивают около 10 тыс. и наносит увечья примерно 100 тыс. человек. Они уносят больше жизней, чем наводнения, смерчи или ураганы.
Что такое молния? Молния – это искровой разряд электростатического заряда кучевого облака, сопровождающийся ослепительной вспышкой и резким звуком (громом). Каким образом происходит образование молнии? В результате трения падающих капель воды о воздух происходит их электризация, величина которой определяется относительной скоростью движения в воздухе и энергией связи внешних электронов в атомах составляющих молекулы воды и воздуха. Знак заряда обусловлен тем, какие атомы, воды или встречного потока воздуха, легче отдают свои валентные электроны. В данном случае это будут капли воды, в состав которых входит водород относящийся к группе металлов.
Молния движется к Земле со скоростью около 22 500 км / ч. При этом возникает напряжение 300 000 вольт, а воздух нагревается до 28 000 градусов – в 5 раз сильнее поверхности Солнца. Очевидно, если стоять на пути такого разряда, тряхнёт как следует.
При движении грозового фронта от трения воздуха между землей и облаками образуется огромная разность потенциалов. Явление чем-то похоже на гигантский природный конденсатор, накапливающий энергию. Разряд статического электричества обычно проходит по пути наименьшего электрического сопротивления - по ионизированному каналу, проложенному "бегущим лидером" (как по проводу). Так как между самым высоким предметом, среди аналогичных, и кучевым облаком расстояние меньшее, значит меньше и электрическое сопротивление. Следовательно, молния поразит в первую очередь высокий предмет.
Большая часть молний и электрических разрядов происходит между грозовыми облаками и внутри грозового облака - порядка 80%. Но мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, так как намного выше разность потенциалов "между небом и землей". После накопления критического статического заряда из грозового облака стекает небольшой заряд (микро-шаровая молния) - так называемый "бегущий лидер" и движется к земле со скоростью порядка 20 м/с. По пути он образует ионизированный канал, может расщепляться и делиться - тогда молния ветвится. Как только молния достигает земли или высокого предмета, имеющего статический заряд электричества, с земли в грозовое облако по проложенному ионизированному каналу происходит мгновенный многократный электрический разряд. Его мы видим как единую очень яркую "цельную" молнию, но на расстоянии мы слышим раскаты грома, так как мгновенных последовательных разрядов молнии по одному каналу производится от 10-15 до 80 и даже 100 в редких случаях. Можете посчитать количество раскатов грома на отдалении 2 км от молнии.
"Бегущий лидер" - это ионизированный заряд электричества, стекающий с грозового облака. На фото вверху очень хорошо видно, как с грозового фронта стекают вниз "бегущие лидеры", оставляя за собой слабосветящийся ветвистый канал. И очень хорошо заметен яркий мощный канал "от земли до неба" со вспышкой на облаке, по которому происходит разряд молнии. Все такие каналы при входе в грозовое облако очень ярко подсвечены, а сам по себе выход "бегущего лидера" из облака - еще нет. На четвертой слева молнии хорошо видно, что мощный разряд бьет вдоль канала из земли и еще не достиг развилки. А крайний справа вверху "слабый" разряд - это движение "бегущего лидера" из облака. На конце крайней левой развилки третьей слева молнии виден очень яркий "бегущий лидер" в виде точечного маленького шара.
Если "бегущий лидер" оказался "слабеньким" и разрушился до того, как он полностью сформировал ионизированный канал, разряда молнии не происходит. Большинство выходов "бегущих лидеров" не заканчивается разрядом молнии. "Бегущий лидер", формирующий привычную нам молнию "между небом и землей", живет порядка 50-80 секунд, так как ему необходимо время для достижения поверхности. Если же "бегущий лидер" оказался очень большим по размеру, он начинает встречать более существенное сопротивление окружающей среды, скорость его движения резко замедляется, ионизированный канал за ним успевает полностью или частично закрыться. Поэтому полноценного разряда молнии не происходит, и мы можем наблюдать явление шаровой молнии. Стремясь занять наименьший объем, вещество в состоянии плазмы принимает шарообразную форму
В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год.
Шаровая молния Появление шаровой молнии, как правило, связано с грозовой деятельностью протекающей в атмосфере, поэтому прежде чем пытаться понять ее внутреннее строение, необходимо представить те внешние условия, в которых происходит ее образование и существование. Канал молнии в разрезе можно представить моделью, представленной на рисунке. Она являет собой своего рода «вакуумный» проводник, частично изолированный от внешнего пространства слоем ионизированного воздуха под высоким давлением, а также плазмой которая экранирует электрическое поле. При разрушении этого проводника происходит взрыв – заполнение разреженного пространства и разрушение оболочки канала молнии, что мы и слышим как гром. В конечном итоге перемещение головы молнии заканчивается там, где окажется сосредоточенным ближайший наибольший положительный заряд, который в состоянии нейтрализовать электроны поступающие по каналу молнии. Таким образом, происходит образование канала молнии и разряд накопленного электрического заряда через этот канал. Формирование ствола молнии: 1 – пространство насыщенное положительно заряженными ионами; 2 – область высокого давления; 3 – область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами; 4 – область низкого давления занятая электронами.
В результате разряда, заряд земли и облака может значительно уменьшится, однако заряд ионов воздуха практически не меняется. Если учесть, что ток, который протекает по каналу молнии, создает значительные магнитные поля, а сам канал обладает большой протяженностью, возможно такое перераспределение, при котором заряд участка земли станет отрицательным, а облака положительным. Ионизированный воздух, который раньше отталкивался от земли, теперь будет к ней притягиваться. В результате положительно заряженное облако воздуха под действие электрических сил будет прижиматься к земле. Таким образом, образуется область, в которой достаточно долгое время существуют два противоположных связанных заряда – один из них сосредоточен в ионизированном воздухе, а другой в земле. Устройство шаровой молнии: 1 – область низкого давления, занятая электронами; 2 – область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами; 3 – область высокого давления (около 100000 атм.), в которой происходит рекомбинация положительно и отрицательно заряженных ионов и образуется экранирующий слой плазмы (радиус Дебая) и изоляции из нейтральных молекул воздуха; 4 – окружающее пространство, насыщенное положительно заряженными ионами.
На основании вышеизложенного объясним реальное событие. В «Комсомольской правде» промелькнуло сообщение о том, что произошло поражение молнией девушки стоящей недалеко от дерева, в которое угодила молния. При этом пострадала одна туфля и кофточка, все остальное оказалось целым. В данном случае, после удара молнии в дерево, произошел перезаряд земли относительно окружающего воздуха. Последующий разряд, но теперь уже из земли в положительно заряженный воздух, произошел через девушку. Через ту туфлю, которая лучше проводила электричество. А кофточка, которая обладала изолирующими свойствами и препятствовала перемещению электронов к положительно заряженным ионам воздуха, пострадала, так как не могла выдержать возникшего напряжения. Кроме этого, наибольшая плотность положительных ионов, вероятно, находилась на высоте этой кофточки. Случаи обратного удара молнии из выступающих над земной поверхностью проводников в окружающую атмосферу с образованием шаровых молний внешне не отличаются от прямых ударов. Этот факт следует учитывать при проектировании и оценке эффективности действия различных устройств грозовой защиты.
Линейные молнии, бьющие из туч или с чистого неба напрямую, менее опасны. От них можно защититься, если не выходить из дома в грозу, заземлять электроприборы и не пережидать непогоду на воде или под высоким деревом. Гораздо более опасны шаровые молнии. В большинстве случаев шаровая молния представляет собой светящийся сфероид, 12-25 сантиметров в диаметре, свободно плывущий в воздухе и существующий 1-2 секунды. Реже шаровая молния имеет форму короны. Окрашены такие молнии в любые оттенки желто-красного цвета, могут быть и серо-голубыми, сиреневыми или даже зеленоватыми. У многих из них можно заметить светящееся ядро и оболочку, ядро может вращаться и изредка проблескивать, словно искры на игрушечном шарике.
Шаровая молния - это солнечная плазма. При некоторых условиях из плазмы образуются сгустки, сдерживаемые измененным магнитным полем. И если в обычных условиях плазма мгновенно охлаждается, соприкасаясь с воздухом, то здесь этого не происходит. Устроенная подобным образом шаровая молния может существовать только в чистом воздухе. Соприкоснувшись с пылью, она мгновенно исчезает. И это не соотносится со многими свидетельствами о прохождении молний через стены и другие предметы. Например, как в знаменитом случае с альпинистами, к которым в палатку залетела шаровая молния. По словам участников событий, она не единожды влетала в спальники прямо через все слои ткани и жалила, вырывая клочья мяса людей. Причем на спальниках участников восхождения остались узкие прожженные отверстия.
По словам физиков, шаровая молния может легко убить несколько человек - внутри нее заключена колоссальная энергия. Она измеряется несколькими тысячами джоулей. То есть в шарике размером с мяч для игры в пинг-понг заключена сила, способная оторвать от земли 500 килограмм и поднять их в воздух на метр. Молния может просто исчезнуть, может рассыпаться веером искр, может взорваться так, что ничто живое вокруг не уцелеет. Предугадать, как она поведет себя, невозможно. Это одно из самых непредсказуемых явлений на нашей планете. Более того, иногда иррациональность появления и ударов молний кажется потрясающе упорядоченной и, казалось бы, осмысленной. Например, в 1899 году в своем дворе погиб от удара молнией итальянец Примарда. 30 лет спустя на том же самом месте при тех же обстоятельствах погиб его сын, а 8 октября 1949 г. Роллан Примарда, внук первого и сын второго, был убит точно в том же дворе, на том самом месте и тоже ударом молнии.
Некоторые ученые считают, что шаровая молния получается из обычной линейной при соблюдении целого ряда условий. Однако никто еще не смог ни сформулировать точно эти условия, ни воспроизвести шаровую молнию искусственно, что подтвердило бы правильность теории. И как любая тайна природы, эта загадка привлекает многочисленных исследователей как из числа ученых, так и среди любителей загадочного.
Китайские ученые разработали технологию использования энергии молнии в научных и промышленных целях. Новинка позволяет захватывать молнию в воздухе и перенаправлять ее в коллекторы на земле для исследований и использования. Для захвата молнии будут использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты, которые будут запускать в центр грозового облака. Ракета должна стартовать за несколько минут до удара молнии. Как показали проверки, точность запусков составляет 70 %. Энергия молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение будут использоваться для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников.
Чувствует ли человек энергию молнии? Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело — хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля — превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.
Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Бенджамин Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния — это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, — российский академик Георг Вильгельм Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии. В 1990-е годы исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию — запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.
Почему зимой грозы очень редки? Ф.И. Тютчев, написав «Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром...», знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.
Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Германа Мелвила «Моби Дик» описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.
Может ли вас поразить молния внутри дома? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.
Фульгурит — окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 109–1010 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и др. электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой «маленькой» части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000 ° С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600–2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов — полых цилиндров из оплавленного песка.
Слово «фульгурит» происходит от латинского fulgur - молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.
По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом. Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле «Бигль» обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил «автограф» молнии, которая чуть не убила его.
Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бoльшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.
Молния может ударить в 16 км от породившей её грозовой тучи. Вопреки распространённому мнению, резиновые подошвы от молний не защищают. Энергии средней молнии хватит, чтобы лампочка мощностью 100Вт непрерывно горела 3 месяца. Средняя длина проходимой молнией пути 9км. Молния не всегда попадает в самый высокий объект. Молния может приносить человеку пользу для здоровья.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Туманность "Пузырь" в созвездии Кассиопея
Агния Барто. Сережа учит уроки
Два Мороза
Астрономический календарь. Июнь, 2019
Муравьиная кухня