Молния - вид искрового разряда

Красивое и небезопасное явление природы - молния - представляет собой искровой разряд в атмосфере (см. приложение 1.3).

Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. Это было доказано на опыте 1752-53 гг. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной. Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым.

Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры. Наблюдая за показаниями электроскопа, соединённого с высоким металлическим шестом, Ломоносов обнаружил, что электрическое поле у поверхности земли существует и в отсутствие грозы, сильно увеличиваясь в предгрозовые периоды. Он создал первую теорию возникновения электрических разрядов в атмосфере и этим положил начало науке об атмосферном электричестве.

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.

Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя - положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений и в воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля достаточно большая, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.

Согласно многочисленным исследованиям, произведенным над молнией, искровой заряд характеризуется следующими примерными числами:

напряжение (U) между облаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт);

сила тока (I) в молнии 0,1 МА (мегаампер);

продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда);

диаметр светящегося канала 10-20 см.

Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо - громовые раскаты. Очень часто молния представляет собой ряд искровых разрядов, следующих друг за другом по одному пути (кратные молнии). Число разрядов молнии может достигать нескольких десятков, а общая длительность молнии - 1 секунду.

Особенно интересные результаты получаются при фотографировании молнии камерой с вращающимся объективом. Подобные фотографии позволяют проследить за последовательными стадиями развития молнии. Они показывают, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала - лидера, распространяющегося обычно от облака к земле и аналогично стримеру в коротких лабораторных искрах. Когда лидер достигает земли, по пути, пробитому лидером, устремляются большие заряды и развивается ярко светящийся главный канал молнии, распространяющийся с огромной скоростью 10⁷ - 10⁸ м/с от земли к облаку. При этом происходит сильное разогревание воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна - гром.

Хотя основные процессы в молнии, по-видимому, такие же, как в лабораторных искрах, особенности развития обоих типов разрядов все же несколько различны. Это видно, например, из следующего факта. Искровой разряд (короткий) в воздухе при нормальных условиях возникает при напряженности поля Е_к≈3000 кВ/м. Многочисленные же измерения напряжённости поля в атмосфере показывают, что даже во время грозы она значительно меньше и не превышает 200-400 кВ/м. Такое снижение пробойной напряженности поля наблюдается и в очень длинных лабораторных искрах (длиной до 10 м). Оно объясняется, по-видимому, тем, что в очень длинных разрядных промежутках могут возникать случайные большие местные усиления электрического поля, в которых и зарождаются стримеры искрового разряда. Кроме обычных молний, наблюдаются, хотя и редко, так называемые шаровые молнии. Они имеют вид светящихся шаров диаметром 10-20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются к неподвижным предметам. Шаровые молнии зарождаются обычно при ударе очень сильных молний и через несколько секунд, а иногда и минут, исчезают с сильным взрывом.