Физика - Каплун С. В. - Страница 40

Согласитесь, что нашу современную жизнь сейчас невозможно даже представить без радио, телевидения, спутниковой связи, мобильных телефонов!.. Все это возникло благодаря физическим исследованиям выдающихся ученых и техническим разработкам, основанным на результатах этих исследований.

И в конце – исторический анекдот из жизни физиков.

Вспоминает академик В. И. Векслер:

«Во время Первой мировой войны Сергей Иванович Вавилов был в армии, и по долгу службы ему пришлось принимать имущество полевой радиостанции тогдашнего примитивного типа. В описи, выполненной очень аккуратно каким-то писарем и содержавшей перечень оборудования, за номером таким-то каллиграфическим почерком значилась следующая формулировка: «непонятное в баночке». Естественно, что это возбудило у Сергея Ивановича любопытство, и он установил, что такое «оригинальное определение» писарь дал когереру, хорошо известному всем физикам.

Это определение – «непонятное в баночке» – стало очень популярным среди физиков и, по существу, превратилось в имя нарицательное».

«Люблю грозу в начале мая…»

В природе электричество наиболее ярко проявляется в электрических разрядах, которые называют молниями. Существуют различные виды таких разрядов. Молнию относят к искровому разряду.

Люди издавна наблюдали молнии и наделяли их особыми свойствами. Главного бога древних греков Зевса называли еще богом молнии и грома («громовержец»). У римлян богом-громовержцем был Юпитер. Главную роль отводили своим богам-громовержцам и древние индусы (бог Индра), скандинавы (бог Тор), славяне (бог Перун).

Электрический разряд в атмосфере – молния

Молния и гром сначала воспринимались людьми как выражение воли богов, причем как проявление божьего гнева. Но те люди, которые стремились познать мир, пытались постичь и природу молнии, понять ее естественные причины. В древности над этим размышлял Аристотель. Писал о молнии и Лукреций. Пусть его представления были наивными и не вполне физическими (он, например, считал, что гром возникает там, где «облака сбиваются под напором ветров»), однако это были первые шаги в осмыслении причин этого явления.

Большой интерес к изучению молнии проявлял американский исследователь Бенджамин Франклин. Именно он в 1752 г. показал, что молния – это сильный электрический разряд. Франклин выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его во время грозы и исследуя эффекты, возникающие при этом.

Одновременно с Франклином молнии исследовали в России М. Ломоносов и Г. Рихман (для Рихмана, как мы уже говорили, к сожалению, это закончилось трагически). Благодаря исследованиям именно этих трех ученых в середине ХVШ в. была доказана электрическая природа молнии.

Что мы сейчас можем сказать о молнии?

Существуют два основных вида молнии: линейные и шаровые. Рассмотрим кратко, каким образом происходит образование обычной линейной молнии и какие процессы сопровождают это явление.

Как известно, молния возникает тогда, когда образовались грозовые облака. Чаще всего говорят о четырех этапах образования такого облака: зарождение облака, начальное развитие, этап зрелого облака и этап его разрушения.

Основными физическими причинами зарождения и развития облака является конвекция (движение теплого воздуха вверх, а холодного – вниз) и конденсация (образование капелек воды из влажного воздуха при его охлаждении на большой высоте от поверхности земли).

Капли воды, образовавшиеся при конденсации, начинают падать вниз. Вследствие трения воды, падающих капель о воздух, происходит их электризация.

Чаще всего распределение электрических зарядов внутри грозового облака таково: верхняя часть облака (на высоте примерно 7—10 км) заряжена положительно, а нижняя (на высоте 3–4 км) – отрицательно. Важно также и то, что поверхность земли и прилегающий к ней слой воздуха под облаком тоже оказываются заряженными – этот заряд положительный. Именно благодаря наличию этих зарядов и возникает молния – электрический разряд в атмосфере.

Линейная молния представляет собой последовательность нескольких импульсов – пробоин в воздушном промежутке между облаком и землей. Происходит это чаще всего так: сначала образуется канал разряда между облаком и землей, а потом по этому каналу быстро проходит кратковременный ток (говорят – импульс тока).

Ленточная молния

Импульс тока длится примерно 0,1 миллисекунды, а сила этого тока достигает 100 000 А! Температура газа в канале молнии может достигать 10 000 К. В это время и рождается чрезвычайно яркий свет, который мы наблюдаем во время разряда молнии. Тогда же возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.

Если рассматривать не отдельный импульс тока, а средние значения для всей молнии, то можно сказать, что один разряд длится примерно 0,1 с, а средняя сила тока равна 1000 А. Видимый канал молнии имеет диаметр около 1 м, при этом основной ток протекает по еще более узкому каналу диаметром всего лишь 1 см.

Продолжительность каждого из последовательных импульсов одной молнии составляет 10-3 с, промежутки времени между импульсами – приблизительно 10-2 с.

Иногда возникает не одиночная молния, а так называемая ленточная. При этом наблюдается такая картина, будто возникло несколько практически одинаковых молний, смещенных одна относительно другой.

Шаровая молния была известна еще в далеком прошлом, однако ученые до сих пор не могут объяснить это природное явление. В конце своей жизни академик Петр Леонидович Капица сетовал: «Плазмовый орешек оказался мне не по зубам».

Георг Рихман

В свое время Г. Рихман погиб именно от шаровой молнии. Это произошло 26 июля 1752 г., когда ученый во время грозы проводил запланированные исследования. Свидетели видели, что из стержня, который был соединен с молниеотводом, вдруг будто вылетел голубой шар размером с кулак. Шар ударил Рихмана прямо в лоб, он упал и мгновенно умер.

Сохранилось описание этого события, составленное другом Г. Рихмана М. В. Ломоносовым, который сразу посетил лабораторию и исследовал последствия этого трагического случая.

Загадочность этого явления, связанного с неожиданным появлением шаровой молнии, приводит к самым неожиданным выводам. Некоторые люди заявляют, что шаровая молния руководствуется высшим разумом, является живым существом или связана с пришельцами из космоса. Другие объясняют природу шаровой молнии на основе космического излучения, антивещества и других экзотических элементов.

В свое время популярный журнал «Наука и жизнь» обратился к своим читателям с просьбой описать собственные наблюдения шаровой молнии. Сбор наблюдений – важный элемент в изучении этого загадочного явления. Далее переходят к систематизации и анализу собранного материала, а затем – к обобщениям и выводам.

Что же можно сказать (конечно, кратко и без использования сложных физических законов и математических записей) об этой молнии?