проф. O.А. Троицкий
Молнии
-ОРУЖИЕ БОГОВ
Троицкий О А “Молнии - оружие богов” - М.: Информэлектро, 1998, 56 с
Олег Александрович Троицкий Доктор технических наук. профессор
Эта книга содержит научно технические сведения о трех видах молнии линейных, четочных и шаровых Материал изложен в популярной форме Приводятся также сведения о коронном разряде (огни Святого Эльмы), тлеющем и дуговом разрядах, о полярных северных сияниях, о радиационных поясах вокруг Земли, о колебаниях магнитного поля Земли и о свойствах Солнца пульсировать, вызывая тем самым возмущение магнито и ионосферы Земли
Книга рассчитана на широкий круг читателей Местами она требует определенно го уровня физических знаний Небольшую часть книги составляют результаты ори гинальных исследований автора В этих местах книга не является научно популяр ной Их без ущерба для общего впечатления и расширения своих знаний можно пропустить
Автор стремился излагать основной материал в максимально популярной и зани мательной форме Основная цель книги - показать взаимосвязь электрических, элек тронных и радиационных процессов в атмосфере Земли и схожесть этих атмосфер ных явлений с уже ставшими бытовыми процессами тлеющего и дугового разрядов, а также связь процессов на Земле с первопричиной многих электрических и элект ройных явлений колебаниями и пульсацией плазмы Солнца
Автор надеется, что книга заинтересует тех, кто хочет больше узнать об электри ческих, электронных и радиационных процессах на Земле, в атмосфере Земли и в ближнем космическом пространстве
Рис 8, список литературы, 8 наименований
Содержание
3 2 Ступенчатые или стреловидные лидеры и стримеры
3 6 Можно ли создать молниевое оружие
5 2 Места зарождения шаровых молний
5 3 Размеры и форма шаровых молний
5 4 Вес шаровой молнии и ее энергетика
5 5 Способ хранения энергии в шаровой молнии
5 6 Парение и движение шаровых молний
5 7 Притяжение к металлическим предметам и гидирование шаровых молний
5 8 Излучение, цвет и температура шаровой молнии
5 9 Электрический заряд шаровой молнии
5 10 Поверхностное натяжение вещества шаровой молнии
5 12 Можно ли создать искусственную шаровую молнию
5 13 Как вести себя с шаровой молнией
6 1 Неполный пробой газового промежутка, или "огни Святого Эльма"
6 3 Практическое использование коронного разряда
7 1 Несамостоятельный газовый разряд
7 2 Самостоятельный газовый разряд
8. Родственные радиационные и электронные явления в атмосфере
8 2 Радиационные пояса вокруг Земли
8 3 Колебания магнитного поля Земли
8 4 Свойство Солнца пульсировать
Введической литературе упоминается эпизод из военной практики древних - полубог Индра убивает демона Вритасуру линейной молнией. Молниевое оружие называлось ваджрой и считалось оружием богов. С последним можно согласиться, поскольку из дальнейшего повествования станет ясным, что обычный воин вряд ли мог применить молниевое оружие на поле боя.
Существуют три вида молнии: линейные, неточные и шаровые. К этому же классу явлений относится коронный разряд или неполный разряд газового промежутка, получивший у моряков название “огней Святого Эльма”. Все указанные явления в той или иной мере связаны с плазменным состоянием вещества, поэтому остановимся сначала на этом понятии, тем более, что 99,9% массы видимой нами Вселенной находится в плазменном состоянии.
Плазма - это особое, как говорят, 4-е состояние вещества, когда оно уже не твердое, не жидкое и даже не газообразное, а является смесью возбужденных ионизированных атомов вещества с еще более возбужденными электронами. Плазма по своей сути еще более газообразна, чем обычный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул. Практически все частицы в плазме возбуждены и ионизированы Кроме того, в ней находятся сильно возбужденные электроны.
Для дальнейшего (особенно для понимания природы шаровых молний) нам потребуется понятие “холодной плазмы”. Это довольно распространенное состояние плазмы. Для него характерна низкая температура ионной подсистемы плазмы и высокая температура электронов. Например, в лампах дневного света в положительном столбе тлеющего разряда при давлении всего 0,1 мм ртутного столба температура электронов Те достигает значений 10
5 °К, тогда как температура ионов составляет всего лишь 2*102 ОК, т.е. ионная температура в тысячу раз меньше, чем электронная. Лампы дневного света - это типичный пример холодной спокойной плазмы.Из других свойств плазмы, кроме упомянутой нами ее яркой неизо-термичности (разных температур ионов и электронов), отметим электронейтральность и высокую электропроводность плазмы, сравнимую с электропроводностью металлов Первое связано с тем, что суммарный заряд электронов и ионов внутри плазмы должен быть равен нулю, а второе связано в первую очередь с высокой подвижностью электронов в плазме.
Итак, плазма неизотермична, электронейтральна и электропроводна подобно металлам. Она является рабочим телом всех видов молний, коронных и тлеющих разрядов, а также других атмосферных явлений (например, полярных сияний). В каждом отдельном случае в качестве главного инструмента выступает то или иное свойство плазмы, что, собственно, и создает многообразие проявлении четвертого состояния вещества в конкретных атмосферных явлениях.
Это, пожалуй, самое известное и хорошо изученное природное явление (наряду с явлением коронного и тлеющего разрядов), поскольку, во-первых, мало людей на Земле, не видевших линейную молнию, и, во-вторых, линейная молния подобна искровому разряду, а этот процесс детально изучен в лабораторных условиях.
Для получения искрового разряда в лабораторных условиях между специальными электродами создается электрическое поле пробойной величины Епр . Величина напряженности электрического поля Епр зависит от давления газа р по формуле Пашена Епр /р = const и для воздуха при атмосферном давлении составляет Епр = 3 • 106 B/ м, т е. несколько миллионов В/м
Отметим, что именно такая напряженность электрического поля возникает между Землей и тучами перед возникновением линейных молний. В предгрозовых условиях Земля локально заряжается положительно, а облака - отрицательно. Напряжение на обкладках этого гигантского конденсатора достигает значений U = 109 В, т.е доходит до одного миллиарда вольт.
Напряжение U в свою очередь связано с напряженностью электрического поля Епр по формуле Епр = U/L, где L - расстояние между облаками и Землей. Это расстояние равно сотням метров (до километра). Можем теперь вычислить типичное предгрозовое значение напряженности электрического поля в том месте Земли, где собирается гроза. Оно составляет величину Епр = 109/103 = 106 В/м, что примерно совпадает с приведенным выше значением напряженности поля Епр = 3 • 106 В/м для получения искрового разряда.
3.2. Ступенчатые или стреловидные лидеры и стримеры
Итак, предгрозовые условия в данном месте поверхности Земли возникли и что-то должно вот-вот произойти Между тучами и Землей создан огромный электрический потенциал, но нет пока проводника, который соединил бы обкладки возникшего гигантского конденсатора и снял бы накопившиеся на них большие электростатические заряды. Сам воздух не может выполнить эти функции, т к. является диэлектриком и состоит из нейтральных атомов и молекул Роль гигантских проводов, соединяющих тучи с поверхностью Земли, выполняют линейные молнии, но им предшествуют так называемые стреловидные лидеры.
От туч в сторону Земли начинают двигаться невидимые для нас ступенчатые или стреловидные лидеры. Это слабо светящиеся скопления ионизированных частиц. Причиной их возникновения являются процессы возбуждения и ионизации в воздухе под влиянием электронов, ускоренных гигантским электрическим полем, возникшим в этом месте земной поверхности под влиянием атмосферных условий.
Подобное явление наблюдается в лабораторных условиях, если между анодом и катодом создать большой величины электрическое поле.
Подобно атмосферным ступенчатым лидерам перед возникновением искрового разряда между электродами появляются так называемые стримеры - слабо светящиеся конусы, направленные от катода к аноду. Они образуются из ионизированных атомов и молекул при ударной их ионизации электронными лавинами, испускаемыми катодом, а затем и вершинами конусов В лабораторных условиях было замечено также, что наряду с отрицательными стримерами появляются положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду. Возможно, эти процессы возникают и в атмосферных явлениях перед возникновением молний
Важно отметить, что первые стримеры
возникают у катода, но практически сразу же
далеко впереди в сторону анода появляются
вторичные, третичные и т.д стримеры вследствие
фотоионизации излучением, т.е ионизации
нейтральных атомов и молекул под влиянием
квантов излучения. Стримеры, таким образом, сами
себе прокладывают дорогу. Отдельные стримеры
нагоняют друг друга и сливаются, формируя хорошо
проводящий плазменный ho?|7S~ >/MWSa6w0 S,#fۅi`>!RZNXIʣ~.F[7kicว0ѝVLBZ4 yJ!+8z6wj7> |H{_i^&otmfUu \,P]ή hHc$$*>)#d6`/
:Pr랝㚮r AQC\.~foRL Ađw^eN5FYӂI87iF*:GGs
8JIi$i}]z|U&ZK|>EcA'g}"0]g >V998_
По закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме, вытесненном этим телом. Шаровая молния, опускаясь с облаков вниз до плотных слоев атмосферы, вытесняет оттуда воздух в своем объеме V ив ответ на это получает выталкивающую архимедову силу FА находимую по формуле FА = VШ pВ g (где рВ- плотность воздуха и g - ускорение силы тяжести). По мере приближения к Земле роль
архимедовой силы FA возрастает, т к увеличивается плотность воздуха рв, увеличивается также ускорение силы тяжести g.
С последним обстоятельством, как уже отмечалось, считается верблюд, несущий груз в барханах. В ложбинах в силу возрастания g груз становится тяжелее, поэтому верблюд старается нести груз на полувысоте барханов, чтобы нести было легче и чтобы путь был короче.
Наконец, для полноты картины в качестве еще одной причины парения шаровой молнии над Землей можно назвать нагрев приграничных с ней слоев воздуха. Расчеты показывают, что, если нагрев приграничных слоев воздуха составит 100°С, то, стремясь вверх, этот нагретый воздух создаст заметную подъемную силу Fn , действующую в том же направлении, что и F2 и FA.
Итак, мы рассмотрели три возможные причины парения шаровой молнии над Землей:
1) электростатическое отталкивание шаровой молнии от Земли F
2;2) архимедова выталкивающая сила F
A, действующая на шаровую молнию в плотных слоях атмосферы;3) нагрев приграничных с шаровой молнией слоев воздуха, который обеспечивает ей подъемную силу F
n как для воздушного шара, наполненного нагретым воздухомНазваны три причины парения шаровой молнии над Землей, но опыт учит, что никогда не действуют все причины одновременно, по крайней мере, никогда удельный вес возможных причин какого-то явления не является одинаковым. Какая-то причина всегда преобладает по своему действию над другими и является главной, хотя другие причины непротиворечивы и могут в определенных условиях выступить на передний план.
Что же является главным в способности шаровой молнии парить над поверхностью Земли и что определяет ее стремление проникнуть в закрытые помещения?
Мы считаем, что это все же электростатическое взаимодействие с Землей,т.е. сила F
2.Земля в предгрозовых условиях заряжается положительно (хотя в среднем по всей земной поверхности преобладает отрицательный заряд) Шаровая молния, по-видимому, также имеет нескомпенсированный положительный заряд. Электрическое поле Земли во время грозы возрастает в тысячи раз, но большая часть людей и животных не чувствуют этого, т.к не имеют соответствующих органов чувств. Шаровая же молния как легкий заряженный объект подвержена влиянию электрического поля Земли. Поэтому она “садится” на одну из невидимых нами эквипотенциальных поверхностей (поверхностей равного потенциала), где силы электростатического отталкивания F
2 уравновешиваются силами гравитационного притяжения F1, и свободно двигается по этой поверхности на некотором удалении от Земли, благо, при этом не затрачивается энергия. Об этом свидетельствуют очевидцы, которые видели, например, как шаровая молния двигается вверх по склону холма и повторяет рельеф местности, огибает строения, верхушки деревьев и т.д. Архимедовой выталкивающей силой FA или, тем более, подъемной силой Fn теплового происхождения такое поведение шаровой молнии нельзя объяснить.Кроме того, широко известное стремление шаровой молнии заползать в закрытые помещения также нельзя объяснить действием сил F
n и FA. С позиций же действия электрического поля, т.е. силы F2 и частичного экранирования (ослабления) электрического поля Земли в закрытых помещениях, т.е. уменьшения силы F2 такое стремление шаровой молнии легко объяснимо. Известно, что на расстояниях 20-30 см, равных диаметру шаровой молнии, разность потенциалов во время грозы достигает нескольких киловольт. В результате шаровая молния может деформироваться и поляризоваться. Это энергетически ей невыгодно, поэтому она стремится попасть туда, где электрическое поле Земли меньше.5.7. Притяжение к металлическим предметам и гидирование шаровых молний
Шаровые молнии часто притягиваются к металлическим предметам. Это можно объяснить действием закона электромагнитной индукции. Являясь заряженным телом, шаровая молния при приближении к металлическим предметам наводит в них заряд противоположного знака, а затем притягивается к ним, как к противоположно заряженным телам.
Шаровая молния может также двигаться вдоль электрических проводов. Это получило название “гидирование” (от слова “гид”). Известно, что поверхность проводника с током несет электрический заряд отрицательного знака. Поэтому шаровая молния, заряженная положительно, притягивается к проводам с током. Что касается ее следования именно вдоль проводов, то такое поведение можно объяснить следующим образом.
Известно, что заряженный металлический предмет создает вокруг
себя электрическое поле и линии напряженности поля направлены перпендикулярно к поверхности металла. Если же внутри проводника протекает ток, то суммарный вектор напряженности электрического поля уже не перпендикулярен поверхности проводника, а направлен под некоторым углом к его поверхности, что и создает компоненту силы, действующую на шаровую молнию вдоль проводника. Так можно объяснить явление гидирования шаровой молнии вдоль проводов с током.
5.8. Излучение, цвет и температура шаровой молнии
Начнем с температуры, т.к. именно она определяет в большинстве случаев излучение и цвет нагретых тел. Температура в центре шаровой молнии не превышает значений 1000°К, т.к. веществом ее или рабочим телом является холодная плазма. Это подтверждается тем, что шаровая молния практически прозрачна для видимого света, и означает, что внутри нее нет большого числа свободных электронов, которые сопутствуют высоким температурам и поглощают видимый свет. В противном случае она была бы легче воздуха и сильно поглощала бы свет. Прозрачность шаровой молнии для видимого света была доказана поперечным фотометрированием
следов шаровой молнии на фотографиях. Интенсивность ее излучения в процессе движения изменялась. Будем считать, таким образом, что шаровая молния состоит из холодной плазмы, т.е. преимущественно из различных ионов при явном дефиците электронов. Температура ее невысока. Отмечаемые же случаи оплавлений и даже испарений острых металлических предметов при контактах их с шаровой молнией связаны, как правило, с ее концом взрывом, когда сразу освобождается вся ее энергия (примерно 10 кДж).Существуют и теоретические оценки температуры шаровой молнии [1]. Они основаны на законе Стефана-Больцмана с учетом запаса ее энергии и потерь энергии в инфракрасной области спектра с поверхности 4тсР
2, пропорциональных четвертой степени температуры, как для абсолютно черного тела. С учетом времени жизни шаровой молнии ( t = 10-20 сек) это дает температуру внутри нее порядка 500-700°К.По закону Вина, максимум излучения
приходится на длину волны 
= 5 мкм, а все небольшое тепловое излучение
шаровой молнии происходит в диапазоне длин волн
от 2 до 10 мкм. Это инфракрасная область спектра.
Указанным каналом без взрыва шаровая молния
теряет около 0,8 кВт или примерно 1 кДж за каждую
секунду. За 10 секунд она может потерять
практически всю свою энергию
Рассеяние энергии шаровой молнии рассмотренным механизмом должно, происходить на расстоянии от нее 1 метр при тепловыделениях не более 50-60 Вт/м
2, что ничтожно мало и подтверждает многочисленные свидетельства об отсутствии тепла от шаровой молнии на расстоянии порядка 1 метра.Шаровая молния имеет также излучение в видимой и УФ части спектра. Из того многократно подтвержденного наблюдателями факта, что шаровая молния светится как 100 Вт лампочка, следует, что она излучает, а следовательно, и теряет энергию также в видимой и ультрафиолетовой областях спектра излучений. Мощность излучения составляет несколько ватт. В общем энергетическом балансе шаровой молнии мощность этого излучения несущественна, но вместе с тем если бы веществом шаровой молнии был просто нагретый до 500-700°К газ, то он давал бы во много раз меньшее равновесное излучение в видимой и ультрафиолетовых областях спектра. Это подтверждает гипотезу о том, что веществом шаровой молнии является холодная плазма. Только она может светиться и не нагревать окружающее пространство.
Наконец, третий вид излучений, зарегистрированный и характерный для шаровой молнии, - это радиоизлучение. Линейные и четочные молнии вызывают треск в радиоприемнике. Также действует шаровая молния. Она является источником радиоизлучений, что проявляется в нарастающих шорохах и тресках при приближении шаровой молнии. Она может быть помехой в радиосвязи.
Цвет шаровой молнии часто меняется от светлого до темно-красного. Последний цвет можно считать преимущественным (60% наблюдений), хотя часто встречаются шаровые молнии оранжевого, желтого и даже голубого цвета. В случае голубого цвета возможна ошибка наблюдений, т.к. такой цвет имеют огни Святого Эльма и наблюдатели могут принимать их за шаровые молнии.
Яркость света шаровой молнии несравненно ниже яркости канала обычной линейной или четочной молнии и соответствует примерно яркости 100 Вт электрической лампочки.
Многие считают, что шаровая молния практически не излучает тепло (до взрыва), но прямых доказательств этому нет, т.к.
никто не измерял температуру воздуха вблизи шаровой молнии, но если это так, то гипотеза о подъемной силе шаровой молнии за счет восходящих потоков нагретого воздуха вообще отпадает.
Кроме того, если это так, то веществом шаровой молнии действительно является холодная плазма. Шаровая молния - это, скорее всего, обособленное и принявшее под действием сил поверхностного натяжения шарообразную форму зародившаяся холодная плазма.
5.9. Электрический заряд шаровой молнии
Притягивание к металлическим предметам, радиоизлучение шаровой молнии, электрические пробои и замеченное физиологическое действие свидетельствуют о том, что шаровая молния имеет свой собственный электрический потенциал, т. е. несет электрический заряд. Расходятся мнения ученых лишь в том, какого знака этот заряд -положительный или отрицательный.
Если верна теория фрактального кластера, состоящего из твердых аэрозолей или пылинок [2], то шаровая молния скорее всего несет отрицательный заряд, т.к. в воздухе эти частицы заряжаются, как правило, отрицательно Отрицательные ионы к тому же более подвижны, чем положительные ионы. Считается, что отрицательные заряды собираются на концах “ветвей” фрактального кластера, обеспечивая поверхностное натяжение вещества шаровой молнии на границе ее с воздухом, натяжение порядка поверхностного натяжения воды [2], что очень сомнительно. По этим же оценкам заряд шаровой молнии составляет 3,3 • 10
-7 Кл, а ее электрический потенциал равен -30 кВ. Возможно, оценка эта, как и поверхностное натяжение, существенно завышены.Вместе с тем кластерная гипотеза хорошо объясняет свечение шаровой молнии. При высокой напряженности электрического поля Земли в предгрозовых и грозовых условиях энергия отрицательных ионов становится достаточной, чтобы выбивать электроны при столкновениях их с молекулами воздуха. Электроны концентрируются у концов “ветвей” фрактального кластера. Они возбуждают молекулы воздуха и атомы примеси, вызывая тем
самым свечение всего образования [2]. По природе свечения и по способу возбуждения его можно отнести к свечению тлеющего разряда, которому будет посвящена отдельная глава книги. Там причиной свечения является бомбардировка анода отрицательными ионами и возникновение вторичной эмиссии электронов.Возможно, знак заряда шаровой молнии не играет существенной роли в ее поведении вблизи Земли, т.к. она все равно неизбежно поляризуется под влиянием мощного электрического поля Земли и поэтому, в частности, стремится скрыться в помещениях, где это поле ослабевает.
Тем не менее эффект парения шаровой молнии над Землей, заряженность Земли перед грозой положительным электричеством и наличие гравитационного притяжения шаровой молнии к Земле свидетельствуют о том, что заряд шаровой молнии скорее всего все же положительный, а не отрицательный.
5.10. Поверхностное натяжение вещества шаровой молнии
Сама сферичность шаровой молнии указывает на то, что для ее вещества характерно наличие поверхностного натяжения на границе с окружающим воздухом. Шарообразная форма вообще обеспечивает минимум затрат энергии на образование поверхности тела. Поэтому, например, капли дождя имеют округлую форму.
Вспомним об упорном стремлении шаровой молнии проникать в помещения через узкие отверстия • втекать в них, превращаясь в “сосиску”, в “нитку”, в “змейку”, сплющиваясь, и т.д., а затем снова превращаться в шар. Шаровая молния способна как бы переливаться из одного пространства в другое. Выше мы установили, что она перетекает именно в то пространство, где разность потенциалов меньше, скрываясь таким образом от мощного электростатического поля Земли. Но сейчас речь пойдет о другом - о силе поверхностного натяжения вещества молнии на границе с воздухом. Если она достаточно велика, то шаровая молния
вновь принимает форму шара. Если она мала, то она может принять форму овала или грушевидную форму с тяжелой частью внизу. Последний вариант может иметь место, если, например, гравитационная сила F1 = mg превысит силу поверхностного натяжения вещества молнии F4 = 4ПR2
(где R - радиус шаровой
молнии и - ее
поверхностное натяжение , эрг/см2). Многие наблюдатели отмечали
вытянутость шаровой молнии в вертикальном
направлении. Это можно объяснить, если нет явно
выраженной груше-образности, другой причиной, а
именно поляризацией вещества молнии в
электрическом поле Земли, которое, как известно,
направлено вертикально вверх. На концах шаровой
молнии (вверху и внизу) появляются в этом случае
наведенные индукцией противоположного знака
заряды, что приводит к деформации ее в
вертикальном направлении. Она может принять
форму гантели.
По этому механизму возможен распад шаровой молнии на части.
Оценки показывают, что плазменное
вещество шаровой молнии имеет на границе с
воздухом поверхностное натяжение 
5 эрг/см
= 80
эрг/см2, а электролиты
еще больше (с увеличением концентрации
электролита сигма также увеличивается).
Но вернемся к веществу шаровой молнии. Оно имеет небольшое, но конечное значение а на границе с воздухом. Примерно 5 эрг/см
2. Отметим сразу, что обычные газы вообще не имеют поверхностного натяжения. Молекулы их нейтральны и не взаимодействуют между собой электрическими кулоновскими силами, поэтому на границе с воздухом они не обладают поверхностным натяжением. В этом, в частности, состоит подтверждение гипотезы о веществе шаровой молнии как о скоплении ионизированных атомов и молекул. Если бы шаровая молния состояла из обычного газа, она смешалась бы с окружающим воздухом, а не отделялась бы от него границей раздела.Холодная плазма, из чего наиболее вероятно состоит вещество шаровой молнии, включает в себя ионизированные атомы и молекулы, которые взаимодействуют между собой дальнодействующими кулоновскими силами. Именно поэтому вещество шаровой молнии обособляется от окружающего воздуха, а не растворяется в нем, как происходит это с нейтральными газами.
В литературе [1] описан случай, когда шаровую молнию расстреливали из дробового ружья. Если бы она состояла из нейтральных молекул газа, подобная экзекуция привела бы к отскоку огненного шара в направлении выстрела в связи с тем, что дробинки передают импульс силы молекулам газа.
Шаровая молния практически никак не реагировала на расстрел и лишь слегка покачнулась, вероятно, вследствие конвективного движения воздуха и своей большой парусности. Таким образом, она оказалась прозрачной для многих дробинок. Они не изменили существенно количества ее движения. Это подтверждает гипотезу о том, что шаровая молния - это ажурное образование из ионизированных и, возможно, гидротированных атомов и молекул, которое образует в воздухе отдельную фазу, но не слишком отличается от него по плотности. Граница раздела имеет электрическую природу и может исчезнуть в процессе рекомбинации ионов и нейтрализации заряда шаровой молнии.
Шаровая молния кончает свое существование одним из следующих способов:
а) взрывом при контакте с какими-либо предметами;
б) распадом на части;
в) постепенным угасанием.
Большей частью это все же взрыв, сопровождаемый громким хлопком из-за быстрого схлопывания газа в объеме, занимаемом до этого шаровой молнией. При этом отмечаются разрушения легких предметов (например, легкого дачного домика, трансформаторной будки), вырывается асфальт в радиусе 1-1,5 метра, разбрасываются камни, бьется стекло, разбиваются изоляторы проводов, расщепляются бревна на причале и т.д. Известен случай, когда шаровая молния влетела в комнату и взорвалась над столом, зацепившись за металлическую подвеску керосиновой лампы. Никто из людей, сидевших за столом, не пострадал. Однако в другом случае взрыв молнии произошел в волосах на голове у человека, в результате чего тот ощутил сильный удар и потерял сознание, но не умер.
Многие отмечают, что при столкновениях с различными предметами шаровая молния начинает сыпать искрами, что приводит иногда к возгораниям горючих веществ. Искрение - это предвестник гибели шаровой молнии. Оно сопровождается треском, а также уменьшением размеров шаровой молнии и это естественно, т.к. при искрении шаровая молния теряет часть своего вещества. Она уменьшается в диаметре от футбольного мяча до яблока. К концу своей жизни шаровая молния меняет также цвет (от светлого до темно-красного) и уменьшает интенсивность своих излучений.
5.12. Можно ли создать искусственную шаровую молнию
В лабораторных условиях, если использовать большие токи и высокие напряжения, дозировать в активную зону молекулы воды, варьировать давлением и температурой, можно создать искусственные шаровые молнии. Это позволит более детально изучить их природу и наметить пути практического использования. Искусственно созданные шаровые
молнии могут оказаться более долгоживущими и более энергоемкими, чем естественные. Для этого можно использовать более эффективные стабилизаторы вещества шаровых молний, чем простые гидратные группы.Используя различные ПАВ (поверхностно-активные вещества) аэрозольного направления, можно сильно повлиять на величину поверхностного натяжения вещества шаровой молнии на границе его с воздухом. На этом пути можно существенно увеличить время жизни шаровых молний и изменять их размеры.
Подбирая компоненты исходного газа, из чего после ионизации и стабилизации создается вещество шаровых молний, можно существенно увеличить их энергоемкость.
5.13. Как вести себя с шаровой молнией
По своей физической сущности, как стало теперь ясно из изложенного в этом разделе книги, шаровая молния менее опасна как электрическое явление, чем, скажем, линейная молния. Последняя часто убивает людей, а шаровая молния очень редко.
К человеку, не несущему большого электрического заряда, она должна относиться индифферентно и нет никаких оснований паниковать, оказавшись вблизи от шаровой молнии. Нельзя в то же время не считаться с ней и обращаться с ней непочтительно.
Известна история, описанная также в [I], как один церковный сторож, оказавшийся в одном помещении с шаровой молнией, выгнал ее из церкви метлой и после этого потерял всякий интерес к ее дальнейшей судьбе.
Этот невежественный человек действовал не самым лучшим образом, потому что, во-первых, преследовал шаровую молнию метлой и мог получить травму и, во-вторых, потому что перестал за ней следить, как только выгнал ее из церкви, т.е. не проявил любознательность.
Лучше относиться к шаровой молнии (и это наш совет) как
к незнакомой собаке - стоять или сидеть неподвижно, наблюдая за ее поведением. В крайнем случае, если она приблизилась вплотную к лицу, можно энергично подуть на нее. Обладая высокой парусностью, шаровая молния обязательно отлетит от Вас в сторону После этого, если дверь рядом, лучше покинуть помещение самому, а не ждать, когда она вылетит и тем более не выгонять шаровую молнию веником, метлой или другими предметами, т.к. поведение ее в этом случае непредсказуемо, а энергию она несет достаточную, чтобы повредить Вашему здоровью.Автор этих строк был свидетелем того, как контакт человека с шаровой молнией вызвал состояние обморока с последующей госпитализацией человека. В литературе описано несколько случаев ожогов шеи, опаливания волос и т.д. Шаровая молния несет в себе удельную энергию примерно 10 Дж/см
3 или при ее объеме 500-1 000 см3 общую энергию 5 000-10 000 Дж, т.е. больше, чем обычная бытовая электрическая плитка, в 10 раз, что, конечно, много меньше, чем энергия, скажем, ручной гранаты, но, несомненно, все же достаточно, чтобы привести к травме человека.6.1. Неполный пробой газового промежутка, или “огни Святого Эльма”
Коронный разряд - это неполный пробой газового промежутка. Возникает в неоднородном электрическом поле. Он может проявиться под действием атмосферного электричества на верхушках мачт, шпилей, деревьев и в других тонких и заостренных местах. В обиходе получил название “огней Святого Эльма”.
В лабораторных условиях коронный разряд легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра (Рис. 3) и создавая достаточный электрический потенциал между цилиндром и проволокой. Линии напряженности Е, направленные от внутренней поверхности цилиндра к проволоке, сгущаются в районе проволоки. Напряженность Е достигает значений 3 • 106 В/м. В результате зажигается разряд (корона). При увеличении напряжения U между цилиндром и проволокой растет ток в коронном разряде и увеличивается диаметр светящейся вокруг проволоки короны.
Различают отрицательную и положительную корону по знаку электрического заряда на проволоке Электронные лавины обрываются на краю короны Расстояние, которое они проходят, и есть размеры
Короны. Поэтому и возникло определение коронного разряда как неполного пробоя газового промежутка.
Механизмы возникновения отрицательной и положительной короны разные В случае отрицательной короны положительные ионы ускоряются в сильно неоднородном электрическом поле вблизи катода, чем является проволока внутри цилиндра, и выбивают из нее электроны (называется это вторичной электронной эмиссией). Выбитые электроны порождают новые положительные ионы и электронные лавины. На некотором расстоянии от проволоки электронные лавины обрываются, т.к. электрическое поле убывает с удалением от проволоки.
Рис 3 Моделирование коронного разряда в лабораторных условиях
Так формируется край светящейся короны. За ней следует “темная” область, в которой носителями тока являются уже либо отрицательные ионы, либо электроны. Первые возникают из нейтральных молекул газа после прилипания к ним электронов. В "темной" области разряд носит характер несамостоятельного. Отрицательный заряд в “темной” области ограничивает разрядный ток.
В случае положительной короны при изменении знака зарядов электронные лавины порождаются уже не у катода, а вблизи анода при объемной ионизации газа фотонами, излучаемыми коронирую-щим слоем. Они зарождаются на внешней границе короны и распространяются к аноду, роль которого теперь играет проволока. В “темной” области из положительных ионов создается пространственный заряд, который также ограничивает силу разрядного тока.
Коронный разряд играет отрицательную роль на линиях электропередач (ЛЭП), т.к. вызывает значительные токи утечки. Из практики строительства и эксплуатации ЛЭП известно, что энергетически выгодно поднимать напряжение U на ЛЭП, т.к. при одной и той же мощности N = UI (где I - сила передаваемого по ЛЭП тока) можно уменьшать силу тока I, а значит, и уменьшать тепловые потери в проводах, равные I
2R (где R - электрическое сопротивление проводов).Однако слишком повышать U нельзя из-за появления токов утечки при сильно развитом коронном разряде вокруг проводов. Поэтому ЛЭП на несколько миллионов вольт не строят, хотя это было бы выгодно с точки зрения передаваемой электрической мощности. Провода же берут возможно большего диаметра, чтобы вокруг них не зажигалась корона и, конечно, с возможно более низким сопротивлением (из алюминия или меди), чтобы понизить тепловые потери в них. С целью предотвращения короны проводку в высоковольтных установках осуществляют с помощью труб значительного диаметра.
На опорах ЛЭП не случайно устанавливают сложного вида изоляторы - набор тарелок. Это увеличивает расстояние по поверхности диэлектрика и помогает бороться с электрическим пробоем, который возможен при U = 500 000 .. 800 000 В на ЛЭП, и стремится “стелиться” по поверхности
изолятора. Причиной такого поведения разряда является слой сорбированного газа и влаги на поверхности изолятора. Искусственно увеличивая путь пробоя на фигурных изоляторах, удается тем самым повышать пробойное напряжение на ЛЭП.6.3. Практическое использование коронного разряда
Таким образом, действие коронного разряда учитывается в практике строительства ЛЭП.
Люди стараются преодолеть отрицательные последствия коронного разряда, путем выбора умеренно высоких значений напряжений и используют для ЛЭП толстые провода. Имеются также случаи практического использования полезных особенностей коронного разряда. Примером является создание электрофильтров для очистки промышленных газов от твердых и жидких частиц.
Таким методом очищают, например, дым в производстве серной кислоты, очищают воздух в литейных цехах цветных металлов и в других вредных производствах. Принцип действия такого электрофильтра следующий. Внутри трубы натягивается отрицательно заряженная проволока, вокруг которой зажигается корона. Воздух внутри
трубы становится сильно ионизированным. Ионы оседают на частицах дыма, поднимающихся по трубе. В результате частицы дыма приобретают такой же заряд, как коронирующая проволока, поэтому отталкиваются от нее и оседают на стенках трубы. Со стенок трубы они могут в последующем собираться, утилизоваться, либо использоваться опять в производстве, если это ценный продукт, как, например, в случае дыма в литейных цехах.Описанный метод электрофильтрации дымов с использованием коронного разряда очень эффективен. В этом можно убедиться на простом опыте. Если прозрачную трубу с центральной проволокой заполнить темным дымом и потом включить напряжение, то воздух в трубе моментально очистится и станет светлым.
Таким образом, “огни Святого Эльма” могут не только наводить священный ужас, но могут также эффективно служить целям очистки атмосферы от дыма вредных производств, т.е. экологически они полезны, а там, где они наносят вред, как в случае ЛЭП, с ними можно успешно бороться, зная их природу и особенности.
ДРУГИЕ ВИДЫ РАЗРЯДОВВсе уже рассмотренные явления, за исключением шаровой молнии, по своей сути представляют собой прохождение электрического тока через газы, т.е. являются полным (в случае линейных и четочных молний) или неполным (в случае коронного разряда) газовым разрядом. Разряды сопровождаются теми или иными световыми и звуковыми эффектами - молниями, громом, шипениями, шорохами и тресками.
Вид реализованного газового разряда зависит от нескольких факторов атмосферы и тока:
а) от химической природы газа;
б) от температуры и давления газа;
в) от формы и размеров электродов (в лабораторных опытах);
г) от напряжения, плотности и мощности тока.
Кроме того, по характеру возбуждения газового разряда различают несамостоятельный и самостоятельный разряд, а по характеру протекания тока в газовом промежутке еще существуют тлеющий разряд и активный дуговой разряд.
7.1. Несамостоятельный газовый разряд
Несамостоятельный разряд, и это понятно из самого названия, возникает в результате его инициирования тем или иным внешним воздействием - нагреванием газа, действием ультрафиолетовых лучей, рентгеновскими лучами или радиоактивными излучениями.
При облучении, например, газа возникают ионы разного знака. Они устремляются к электродам (рис. 4).
Возникает электрический ток в газе. Сила тока при этом равна I = e'*n
i*S*l, где е' - заряд ионов; ni - число пар ионов, которые отсасываются в 1 сек на электроды; S - площадь электрода; l - расстояние между ними. Вопрос о том, будет ли реализован указанный ток I в газовом разряде, зависит от того, какой величины электрическое поле приложено к электродам.При малом поле наряду с процессами ионизации происходят обратные явления рекомбинации ионов, а число носителей тока уменьшается. В этих условиях ток I не будет полностью реализован, но он все же будет возрастать с ростом Е, что показано на рис. 5 I стадией.
Число рекомбинированных пар ионов в воздухе составляет п
r = r * n20, где коэффициент r = 1,6*106 см3/сек или 1,6*1012 м3 и n0 - число пар ионов, возникающих под влиянием облучения. Число таких пар может составить величину 1018..1022 м-3/сек в зависимости от интенсивности облучения. Тогда nr = 106..1010.Только в случае сильных полей практически все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать. В этом случае n
r = 0, и ток I достигает значений насыщения I = е' * ni • S • 1 или плотности тока насыщения Jнас = e'*n*l. На вольт-амперной характеристике появляется плато II, т.е. независимость J от Е (стадия II на рис. 5). При значениях ni = 10 м3 и l = 0,1 м получается Jнас = 1013 А/м2, т.е. проводимость воздуха в обычных условиях все же ничтожно мала.Рис. 4. Инициирование несамостоятельного
газового разряда облучением
7.2. Самостоятельный газовый разряд
Для того, чтобы перейти от несамостоятельного разряда к самостоятельному, посмотрим, что будет при дальнейшем увеличении напряженности поля Е. На той же вольт-амперной характеристике с еще большим увеличением Е вновь начинается подъем I (стадия III на рис. 5). Возникает какой-то новый процесс. Этим процессом является ионизация ударом - электроны, ускоренные полем, начинают вызывать лавинообразное размножение ионов. Причем до какого-то момента начавшийся лавинный процесс размножения электронов не утрачивает характера несамостоятельного разряда и после прекращения облучения он затухает.
Для того, чтобы разряд стал полностью самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно в случае появления за счет ионизации ударом носителей обоих знаков.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика газового разряда
На рис. 6 показано, как возникают лавины ионов под влиянием ионизации ударом. Лавинообразно увеличивается не только число ионов, но и число электронов (черные точки) Один первичный электрон вызывает появление 104..105 электронов вследствие образования электронных лавин. Число электронов, попадающих на анод, составляет nа = n0 еальфа*d, где d - расстояние между анодом и катодом; n0 - число электронов, производимых облучением в единице объема и альфа - коэффициент объемной ионизации, т е. число пар ионов и электронов, образуемых одним электроном на единице длины пути. Очевидно, что, если n0 = 0, то и nальфа = 0, т.е. при прекращении облучения прекратится и ток анода.
Для того, чтобы процесс стал самостоятельным, необходимы процессы, непрерывно производящие новые электроны взамен ушедших на анод Именно таким процессом является вторичная электронная эмиссия с катода под действием бомбардировки катода положительными ионами, что учитывается специальным коэффициентом вторичной эмиссии у, входящим в выражение для числа выбитых с катода ионов n2 = гамма*n1 (еальфа*d-1), где n1 - общее число электронов, покидающих катод за 1 сек. Коэффициент гамма показывает, сколько вторичных электронов выбивает с катода один положительный ион С ростом напряженности поля Е значения коэффициентов альфа и гамма увеличиваются. Непрерывно увеличивается также число электронов n'а, попадающих на анод. Оно достигает величины
Наступает момент, когда гамма = 1 и знаменатель в выражении для n' обращается в нуль Следовательно, значения n'а будут возрастать при любом сколь угодно малом значении n
0 С этого момента источник внешнего облучения уже не нужен Несамостоятельный процесс превращается в самостоятельный Последнее условие гамма*(еальфа*d-1)=1есть процесс зажигания самостоятельного газового разряда
В заключение отметим, что, хотя n'а должно возрастать до бесконечности, в действительности этого не происходит, и в газе устанавливается конечный ток, зависящий от э д с. источника и сопротивления цепи. Ток разряда достигает больших значений, и это сопровождается уменьшением напряжения в газоразрядном промежутке.
Тлеющий разряд - еще одно самостоятельное электронно-ионное явление в газовом промежутке. Его можно легко воспроизвести в лабораторных условиях в стеклянной трубке.
Для этого пригодна, например, трубка с впаянными по концам плоскими электродами (Рис. 7) с напряжением на них 1 000 В и давлением внутри трубки 5-40 мм рт.столба.
Тлеющий разряд начинается со светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления до 5 мм рт.ст. светящийся шнур утолщается и заполняет все сечение трубки. Вблизи катода располагается светящаяся пленка (2). Она является результатом возбуждения молекул газа
Рис 7
Стеклянная трубка с электродами для возбуждения
тлеющего разряда и примерное распределение
потенциала У по длине трубки
под влиянием электронов, ускоренных в так называемом аста-новом темном пространстве (1), которое начинается непосредственно от катода и занимает область вплоть до светящейся пленки (2). Затем, после пленки (2) следует слабо'светящееся круксово темное пространство (3), а за ним в сторону анода распространяется большая светящаяся область (4), называемая собственно “тлеющим свечением”. На этом заканчивается катодная часть тлеющего разряда.
После этого идет еще одно темное пространство, называемое фарадеевым (5), и остальная часть трубки, причем большая ее часть, прилегающая к аноду, заполняется положительным светящимся столбом (6). Такова сложная структура тлеющего разряда, состоящего из газоразрядной плазмы.
Основные процессы, поддерживающие тлеющий разряд, происходят в катодной части трубки и состоят из трех явлений:
а) вторичная электронная эмиссия с катода, стимулированная бомбардировкой его положительными ионами;
б) ударная ионизация электронами молекул газа;
в) рекомбинация электронов и ионов, приводящая к выделению энергии и свечению.
Электронно-ионные процессы в трубке циклически повторяются. Положительные ионы, ускоренные в области круксова темного пространства, бомбардируют катод и выбивают с него электроны, которые начинают двигаться в сторону анода. Кроме них источником электронов является фотоэффект, т.е. появление электронов под влиянием излучения. Первые и вторые электроны ионизируют молекулы газа. Вновь появляются ионы и процессы повторяются.
В процессе работы катод газоразрядной трубки разогревается, в результате чего к электронному току вторичной эмиссии добавляется термоэлектронный ток. Пространственный положительный заряд и катодное падение потенциала уменьшаются. При дальнейшем возрастании разрядного тока катодное падение потенциала достигает значений 10 В, т.е. порядка потенциалов ионизации и возбуждения газа. В результате проводимость газового промежутка резко увеличивается и тлеющий разряд может перейти в дуговой. Если это нужно специально сделать, то применяют нагрев проволочного катода газоразрядной трубки с помощью специальной батареи.
В тлеющем разряде, который относится к самостоятельным разрядам, электрическое поле существенно неоднородно. Наибольшая напряженность его и наибольшее падение потенциала происходят вблизи катода (катодное падение).
Примыкаккиее-непосредственно к катоду узкое (порядка долей миллиметра) астоново темное пространство (1), открытое Ф. Астоном в гелии, неоне и водороде, - это место, где электроны, испускаемые из катода, еще не успели приобрести скорости, достаточные для возбуждения атомов и молекул газа. Поэтому в нем нет свечения.
Далее идет светящаяся пленка (2), называемая “катодным слоем”, где электроны возбуждают атомы и молекулы, но ионизации еще нет. Возбуждения заканчиваются испусканиями атомами квантов света.
Затем следует, как указывалось, темное круксово пространство (3). Оно не совсем темное и слегка светится. В нем начинаются процессы ионизации атомов и молекул, а также нарастание электронных лавин. При этом уменьшается вероятность возбуждения атомов и поэтому свечение газа резко ослабевает. Круксово пространство играет важную роль в работе тлеющего разряда, поскольку именно здесь создаются положительные ионы, которые затем начинают бомбардировать катод, вызывая вторичную электронную эмиссию, и такие циклы непрерывно повторяются.
После круксова пространства с резкой границей начинается тлеющее свечение (4) при катодной области. Здесь происходят процессы рекомбинации электронов с положительными ионами, а также квантовые переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни.
Тлеющее свечение (4) постепенно переходит в фарадеево темное пространство (5). Сюда уже не долетают быстрые электроны электронных лавин. За этим пространством следует положительный стойб разряда, занимающий всю прианодную область. Здесь иногда возникают чередующиеся светлые и темные полосы, получившие название “страты”. Свечение в положительном столбе происходит благодаря рекомбинации электронов с положительными ионами. Проводимость газового промежутка в этом месте высокая и плотность пространственного заряда поэтому невысокая. В некоторых условиях возникает анодное темное пространство, а на поверхности анода свечение или анодная светящаяся пленка, т.е. такие же явления, как на катоде. Но все же главные процессы происходят в прикатодной области газоразрядной трубки.
В этом можно убедиться, если анод трубки сделать подвижным. При движении анода в сторону катода длина положительного столба уменьшается, укорачивается длина фарадеева темного пространства (5), а затем и тлеющего свечения (4), хотя положение резкой границы последнего со стороны катода остается неизменным При сближении анода с этой границей до долей миллиметра тлеющий разряд гаснет.
Если двигать внутри трубки не анод, а катод, то по-прежнему все прикатодные области остаются главными - они без изменения размеров и формы передвигаются, как буфер впереди катода, в сторону анода. При достаточном движении на анод “наезжают” и “съедаются” сначала положительный столб (6), затем фарадеево темное пространство (5) и последним тлеющее свечение (4), после чего разряд гаснет. Иногда катод специально сближают с анодом до расстояний, когда в нем не помещается фарадеево пространство (5) и начало тлеющего свечения (4), а конструкцию трубки делают, как на Рис. 7.
Тогда разряд выбирает для себя более длинный путь. Эту особенность и способность тлеющего разряда используют для изготовления светящихся реклам из стеклянных трубок. Они заполнены положительным столбом (6), т.е. являются прианодной частью разрядаДавление газа внутри трубки также является важным фактором ее работы. Если взять стеклянную трубку длиной 40 см с впаянными в нее электродами, заполнить ее газом и приложить к электродам напряжение в несколько сот вольт, то в зависимости от давления можно наблюдать следующие явления в трубке.
При атмосферном давлении трубка останется темной По мере откачивания газа при давлении 50 мм рт ст возникнет светящийся шнур самостоятельного разряда красноватого цвета, который соединит катод с анодом.
При давлении 2-3 мм рт ст свечение расширится и заполнит всю трубку, а при давлении 0,01-0,1 мм рт.ст. тлеющий разряд примет свою нормальную рассмотренную уже форму со сложной структурой прикатодной области и светящимся столбом в анодной области. При дальнейшем понижении давления до 0,0001 мм рт.ст. тлеющий заряд не зажигается, и трубка перестает работать. В зависимости от давления газа в указанных рабочих пределах 0,01-0,1 мм рт.ст. меняются параметры отдельных зон в прикатодном пространстве. Например, ширина астонова темного пространства меняется обратно пропорционально давлению газа и составляет несколько десятых долей миллиметра.
Необычное применение тлеющий разряд нашел, когда были обнаружены катодные лучи и наличие излучения в закатод-
ном пространстве. Была исследована также возможность использования трубки с тлеющим разрядом в качестве рентгеновской трубки.
Первыми 'были открыты Круксом катодные лучи в 70-х годах прошлого столетия. Тогда еще не знали, что это ускоренные электроны.
Электронный пучок, составляющий круксово темное пространство, при давлении газа 0,01-0,001 мм рт ст в зависимости от размеров трубки может заполнять почти все ее пространство. Ускоренные электроны двигаются в этом случае почти без столкновении. Если подействовать на них магнитом, то электронный пучок смещается в стороны. Крукс заметил это по смещению тени от специального металлического экрана на противоположной стороне трубки. Для экспериментов с катодными лучами применяют короткие, но широкие трубки, а анод располагают сбоку трубки. Поверхности катода придают иногда вогнутую сферическую форму и тогда катодные лучи удается сфокусировать. Попадая на стенки трубки, катодные лучи заряжают их отрицательным зарядом, который нейтрализуется затем положительными зарядами из газа трубки. Происходит свечение стенок трубки.Катодные лучи были использованы для создания ионной рентгеновской трубки. Трубка имеет вогнутый катод К и два анода А и А . Первый расположен в области тлеющего свечения сбоку трубки. Он поддерживает в трубке тлеющий разряд. Второй водоохлаждаемый электрод Ад не является собственно анодом. Он называется “антикатодом” и выполняется из тугоплавких металлов и сплавов (вольфрама, молибдена и др.). Назначение его - тормозить катодные лучи и создавать рентгеновские лучи, которые через стенку выходят
наружу трубки. Ионные рентгеновские трубки не получили широкого рас-пространения, т.к. их вытеснили более надежные в работе электронные рентгеновские трубки, где тлеющий разряд вообще не используется, а имитируемые при нагреве катода током электроны ускоряются внешним полем.Каналовые лучи состоят из положительных ионов, бомбардирующих катод. Они были обнаружены в 1882 году Гольд-стейном. Он просверлил в катоде небольшие отверстия и положительные ионы, проходя эти отверстия, попадали в зака-тодное пространство, где и распространялись в виде прямолинейных лучей. Они заметны в трубке в виде слабо светящихся пучков. Магнитный анализ показал, во-первых, что внутри каналовых лучей постоянно происходят процессы перезарядки ионов и, во-вторых, что они состоят из трех сортов частиц - положительных ионов, отрицательных ионов и нейтральных молекул и атомов.
Как указывалось, тлеющий разряд нашел широкое применение в производстве световой рекламы в виде стеклянных трубок самой различной конфигурации, заполняемых положительным светящимся столбом. Были созданы газосветные трубки с очень малым потенциалом зажигания. Всем известная неоновая лампочка - это также тлеющий разряд при пониженном напряжении. Для понижения работы выхода электронов в ней на железные листочки наносят слой бария.
Это яркое световое и тепловое явление, возникающее при прохождении тока большой величины в газовом промежутке. Возбуждается дуговой разряд между двумя угольными или металлическими электродами путем их соприкосновения, распадения и последующего разведения. Температура плазмы в нем достигает температуры 6000О, т.е. это горячая плазма. Наиболее горячим местом в дуговом разряде является кратер, образующийся на аноде под влиянием горящей дуги.
Если дуга зажигается в специальной камере при повышенном давлении, например, 20 атм, то температура в дуговом разряде в области анода достигает значений 7 000°К, что уже
больше, чем температура на поверхности Солнца (примерно 6000ОК).
Температура в дуге на катоде ниже • порядка 3 500-К, хотя именно на катоде происходит важный для непрерывного горения дуги процесс термоэлектронной эмиссии с катода. Для стабильного горения дуги важно иметь высокую температуру катода.
Кроме термоэлектронной эмиссии с катода, процессом, поддерживающим плазму в дуговом разряде, является термическая ионизация молекул газа в газовом промежутке.
Дуговой разряд обладает падающей вольт-амперной характеристикой (Рис 8). Это происходит потому, что при увеличении силы тока I усиливается термоэлектронная эмиссия с катода и возрастает степень ионизации молекул газа в дуговом пространстве, что приводит к падению напряжения U.
Электрическая дуга в газовом промежутке впервые была получена русским ученым В.В. Петровым в 1802 году. Он использовал для этого источник низкого напряжения в виде гальванической батареи. Дуга возбуждалась, минуя стадию искры, путем сближения двух электродов из древесного угля до соприкосновения. При этом электроды сильно раскалялись электрическим током, после чего разводились на небольшое (5-7 мм) расстояние. Электроды были включены последовательно в цепь мощной гальванической батареи. Ток большой величины в десятки ампер при напряжении 40-50 В разогревал электроды до белого каления. Между ними загоралась яркая электрическая дуга - столб светящегося газа.
Опубликованная на русском языке работа В.В. Петрова с описанием явления горения дуги в газовом промежутке осталась не замеченной мировой научной общественностью, а в России на нее также не обратили внимание и забыли по уже сложившейся традиции признавать у себя только то, что нашло отклик в других странах. В результате о работе В.В. Петрова вспомнили только после 1810 года, когда английский ученый Дэви повторно “открыл” это явление и назвал его вольтовой дугой.
С точки зрения всего человечества в конце концов неважно, кто открыл явление. Ведь и знаменитый закон Кулона о взаимодействии электрических зарядов открыл вовсе не Кулон, а лорд Кэвендиш, который, будучи богатым и, видимо, не очень тщеславным человеком, вовсе не нуждался в публикациях и результаты некоторых своих опытов складывал в сундук. Но потом, много лет спустя, из анализа архивных данных лорда было установлено все же его авторство в отношении закона Кулона.
Мы не будем больше останавливаться на вопросах приоритета и коснемся объяснения причин непрерывного горения дуги в газовом промежутке между электродами, а также практической ценности этого явления
Вернемся к вольтовой дуге
Главной причиной горения дуги - этой непрерывно действующей на коротком расстоянии линейной молнии, является, как указывалось, процесс термоэлектронной эмиссии с катода, т.е. с отрицательного электрода, температуру которого желательно поддерживать высокой.
Немаловажными являются также термическая и фотоионизация молекул газа в промежутке между электродами в силу действия высоких температур и ультрафиолетового излучения, сопровождающего горение вольтовой дуги. По мере горения дуги катодный электрод заостряется, а анодный электрод, наоборот, приобретает форму кратера с высокой температурой в
центре кратера.Термоэлектронная эмиссия с катода как главный поддерживающий горение дуги процесс дополняется иногда автоэлектронной эмиссией, что характерно для так нызываемых холодных катодов Дело в том, что эмиссия электронов, т е вылет свободных электронов с электрода может происходить не только под влиянием высоких температур, но также под действием сильного электрического поля вблизи катода В этом последнем случае эмиссия считается уже автоэлектронной Катод как бы сам испускает электроны под влиянием
катодного падения потенциала, составляющим величину порядка 10 В, но действующим на очень коротком расстоянии - порядка длины свободного пробега электронов В результате вблизи катода возникает сильное электрическое поле. Именно оно вытягивает дополнительные электроны из катода, обеспечивая, помимо термической, и автоэлектронную эмиссию.Путем добавления в материал, из которого делают электроды, специальных добавок удается уменьшить работу выхода электронов с катода и тогда требование поддержания для устойчивой работы дуги высокой температуры катода становится уже не столь обязательным. Исследовательские работы в этом направлении в настоящее время продолжаются.
Вольтовая дуга нашла очень широкое применение в практике. Самые мощные прожекторы зажигаются и светят энергией вольтовой дуги. Все виды сварки с применением электрического тока, за исключением контактной сварки, - это практическое использование вольтовой дуги с целью соединения и наращивания изделий из металла.
Вольтовая дуга используется также в медицинской практике, примером чего являются ртутные лампы, являющиеся мощным источником ультрафиолетового излучения. Ртутная лампа представляет собой откаченный кварцевый или из специального пропускающего УФ-лучи материала баллон, наполненный парами ртути. Дуга зажигается электрической искрой между двумя столбиками ртути, служащими электродами лампы. Небольшое ярко светящееся пятно при работе лампы возникает на катоде и оно непрерывно бегает по поверхности катода. Оно так и называется - “катодное пятно” Плотность тока в нем при небольшом общем токе через лампу достигает значений 10
6-107 А/см2. Поэтому возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия, дополняемая во время непрерывной работы лампы другими видами эмиссии.Следует отметить, что “катодное пятно” и его блуждание по поверхности катода - это не есть особенность работы ртутной лампы Точно такое же пятно и блуждание возникают на металлических катодах.
Еще до поступления в аспирантуру Академии наук, работая технологом на тепловозоремонтном заводе в Ташкенте, автору этих строк приходилось заниматься практическим использованием дугового разряда в так называемых плазменных горелках. В них в зону дуги в виде порошка или проволоки подается металл, который специальным газом затем выдувается из активной зоны и наносится на изделия с целью их ремонта путем наращивания толщины или как покрытие против коррозии.
Так вот, тогда возникла мысль, что, поскольку вольтова дуга - прекрасный проводник тока и по ней постоянно протекает большой величины ток, неплохо бы заставить ее бегать внутри активной зоны горелки, как белку в колесе, используя для этого магнитное поле подходящей конфигурации. Сказано -сделано. Небольшое дополнительное электромагнитное устройство заставило бегать вольтову дугу по кольцу внутри активной зоны плазменной горелки и более эффективно разогревать расходный материал. Бегала она с частотой примерно 10 Гц, т.е. десять оборотов в секунду.
Таким образом, дуговой разряд в отличие от молнии - это непрерывно протекающий сильноточный процесс в газовом промежутке, сопровождаемый мощным световым и ультрафиолетовым излучением, а также высокими температурами.
В основе объяснений дугового разряда и тлеющего разряда лежат, можно сказать, те же механистические представления - ускорение частиц-снарядов, бомбардировка электродов, эмиссия электронов, ионизация ударом и т. д.
8. РОДСТВЕННЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Полярное северное сияние (ПСС) - это сияние отдельных участков ночного неба в полярных областях. В основе его лежит люминесценция или свечение верхних слоев атмосферы на высоте от 100 до 1 000 км.
Возбуждение ПСС происходит под влиянием электронного ветра и потоков других заряженных частиц, или корпускул, инициируемых активными областями Солнца.
По времени ПСС возникает через 30-40 часов после прохождения больших солнечных пятен через центральный меридиан Солнца.
Солнце, как известно, имеет 11-летний цикл своей активности. Во время максимума цикла активности солнца ПСС может наблюдаться не только в своих обычных местах - на 23° от Северного и Южного геомагнитных полюсов, но и на значительных расстояниях от этих зон. Примером чего являются наблюдения ПСС в период активного Солнца в Алматы, в Киеве, в Париже и в других городах.
Мало кому известен тот факт, что наше светило не только имеет 11-летний цикл своей активности, но обладает свойством постоянно пульсировать с периодом 160 минут в радиальном направлении с амплитудой примерно 10 км. Это открытие последних лет. Такое пульсирование плазмы Солнца сопровождается синхронными с ним колебаниями яркости Солнца. Пульсации плазмы Солнца, как и большие активные пятна на поверхности нашего Светила, являются причиной возникновения от Солнца в сторону Земли и других планет солнечной системы электронного ветра и мощных потоков других заряженных частиц или корпускул.
Открытием последних лет является также обнаружение вокруг Земли двух радиационно-плазменных поясов. Нижняя граница их находится на высоте 500 - 600 км.
Внешний пояс является электронным. Он пополняется за счет плазмы солнечного происхождения.
Внутренний пояс является протонным. Он пополняется протонами космического происхождения.
Сложность электронно-плазменной ситуации вокруг Земли дополняется тем, что на высоте 70 - ПО км, т.е. на нижней границе существования ПСС над поверхностью Земли в области ионосферы над северным и южным полюсами, текут мощные постоянные электрические токи.
Механизм возникновения ПСС в настоящее время до конца не ясен, так же, как неизвестна структура шаровых молний и некоторых других электрических явлений в атмосфере Земли.
Тем не менее по внешним проявлениям ПСС классифицируют на три вида:
а) безлучевая форма ПСС в виде полос, дуг и диффузного, т.е. рассеянного свечения;
б) лучевая форма ПСС в виде короны, драпри;
в) пламенная форма ПСС в виде сполохов и языков.
8.2. Радиационные пояса вокруг Земли
В результате запусков 2-го и 3-го космических кораблей-спутников в СССР были обнаружены две области интенсивной радиации на высотах 200-300 км. Аномалии радиации были исследованы различными приборами.
Установлено, что это гигантские “мешки”, заполненные энергичными заряженными частицами, связанные с двумя радиационными поясами вокруг Земли и провисающие в сторону Земли в двух местах.
Нижняя граница радиационных поясов лежит выше 500-600 км, вследствие поглощения частиц атмосферой на более низких высотах.
Аномалии в распределении радиации в поясах - это провисание их нижних границ в районах Южной Атлантики (Южная аномалия) и Южно-Атлантической Бразильской области (Бразильская аномалия).
Бразильскую аномалию составляют, в основном, протоны с энергией 50 Мэв из внутреннего радиационного пояса.
В Южной аномалии регистрируются электроны из внешнего радиационного пояса. Эта аномалия менее стабильна. Она испытывает значительные флуктуации интенсивности находящихся в ней электронов.
Обнаруженные провисания радиационных поясов в сторону Земли являются местом стока заряженных частиц в плотные слои атмосферы (с плотностью 1012 ...1013 г/см3), где они гибнут
В области нижнего края внутреннего радиационного пояса на высоте 500 - 600 км плотность атмосферы составляет 1016 г/см3, т е на три порядка меньше, поэтому здесь частицы не гибнут в массовом порядке, а спускаются в “мешки”.
Подпитка же радиационных поясов, т.е их накачка, должна происходить довольно интенсивно, т к время жизни частиц обратно пропорционально плотности атмосферы Поэтому существуют мощные источники для поддержания стационарной интенсивности в радиационных поясах.
Внутренний пояс заполняется за счет распада нейтронов альбедо, возникающих в атмосфере под влиянием космических лучей.
Внешний пояс пополняется за счет потоков плазмы солнечного происхождения, носящих нерегулярный характер.
Внешний радиационный пояс, состоящий из энергичных электронов, пополняемый плазмой солнечного происхождения (электронным ветром) через геомагнитное поле Земли, особенно в полярных областях, влияет на Южную, а также и на Южно-Атлантическую (Бразильскую) аномалии
В результате происходит высыпание частиц в атмосферу Земли Они достигают стратосферных высот (30 40 км), вызывая ряд спорадических вторичных эффектов, к которым, по-видимому, можно отнести и полярное северное сияние (ПСС)
Результатом действия электронного ветра и других компонент солнечной плазмы является и тот твердо установленный факт, что на высотах 70 - 110 км уже в ионосфере текут сравнительно мощные постоянные токи, особенно в северных и южных полярных районах, что, несомненно, также влияет на возникновение ПСС
Изложенное - это лишь часть того, что уже известно по проблеме связи солнечной активности с состоянием магнитосферы и ионосферы Земли
8.3. Колебания магнитного поля Земли
Известно, что на Земле под влиянием Солнца периодически возникают магнитные бури
Колебания магнитного поля Земли возникают в ходе развития магнитных бурь Оно связано с увеличением инжекции протонов энергии 20-200 Кэв в область, захваченную радиацией, т.е. во внутренний протонный пояс вокруг Земли
Колебания магнитного поля Земли сопровождают также два других процесса в ионосфере Земли
а) усиление интенсивности свечения полярных сияний, которые в основе своей являются протонными;
б) дрейф энергичных частиц на Запад, что свидетельствует о том, что дрейфующие частицы являются протонами.
8.4. Свойство Солнца пульсировать
Наше светило Солнце - это лишь одна из многих типичных звезд, так называемый “желтый карлик”.
В последние годы сотрудникам Крымской обсерватории на самом крупном в стране башенном солнечном телескопе обнаружено свойство Солнца пульсировать в радиальном направлении с периодом 160 мин и амплитудой 10 км. Солнце периодически расширяется и сжимается и это сопровождается синхронными колебаниями яркости Солнца. После временных замираний пульсации восстанавливаются
Открытие было подтверждено физиками из Бирмингемского университета (Великобритания), а также из Стэнфордского университета (США) и франко-американской экспедицией на Южном полюсе Земли, где наблюдения велись за незаходящим Солнцем круглосуточно
Таким образом, пульсация плазмы Солнца - надежно установленный факт Эти пульсации наблюдаются на Земле повсеместно. Расширение и сжатие Солнца происходит в одни и те же моменты мирового времени, независимо от места наблюдения
Пульсации сопровождаются изменениями мощности потока оптического излучения с тем же периодом 160 мин.
Целью настоящей книги было приобщение широкого круга читателей к физическому пониманию электрических и электронных явлений в атмосфере и быту, к пониманию окружающего нас мира без всякой мистики Фактически, это приобщение читателей к золотому фонду фундаментальных знаний в области физических естественных наук.
По глубокому убеждению автора, культура научно-технических знаний - это дверь в будущее На базе знаний человечество шагнет в следующее столетие, а другие поколения шагнут в грядущие столетия Трудно предсказать, какие новые открытия сделаны еще в области естественных наук и как далеко пойдет развитие науки и техники в будущем Одно ясно если человечество не уничтожит само себя и гуманистические, а также прогматические, с точки зрения выживания всего живого на Земле, идеи будут преобладать над национально-эгоистическими, криминальными и прочими неразумными тенденциями, то будущий мир представляется как идеальный дом для живых существ и процветания Природы.
Культура научно-технических знании является элементом истинной культуры и отличается от различного рода культов и догм, включая религиозные и псевдонаучные. Она отличается от них тем. что является светской, т.к. несет в себе универсальные истины и знания, добытые трудом многих ученых. Она не привязана ко времени, транснациональна и трансцендентна. Она должна и
может стать достоянием большинства людей, иначе не произойдет переворот в сознании Человечества. Такая культура находит уже отклик в сердцах людей всех национальностей и всех сословий. Можно по крайней мере утверждать, что она не имеет негативного к себе отношения со стороны большинства людей. Безразличие же некоторых людей не в счет, т.к. безразличие не является отрицанием и происходит большей частью по недомыслию. Культура научно-технических знаний универсальна и имеет, таким образом, общечеловеческое значение. Настоящая книга служит этим целям. Если хотя бы частично цель была достигнута, то автор - счастливый человек, сумевший не только сделать посильный вклад в физическую науку, но расширивший кругозор своих ученых-коллег и многих других людей, вообще не причастных к науке, безусловно любознательных и верующих в рациональность, многообразие и взаимосвязь окружающего нас Мира.Электрические, электронные и радиационные явления, о которых была речь в настоящей книге, непосредственно касаются жизни людей, животных и растений на Земле, влияют на процессы в атмосфере Земли и даже на геологические процессы в земной коре. Эти явления непосредственно наблюдались многими людьми и, если и не обнаруживали себя в явной форме, то тем не менее активно влияли на жизненные процессы на Земле.
Большая часть настоящей книги была прочитана автором в виде бесед на научно-технические темы по ведическому радио “Кришна-лока”. Не случайно мы обратились к верующим. Им не в последнюю очередь надо нести знания, чтобы они прониклись духом, идеями, принципами и традициями науки, восприняли хотя бы поверхностно огромный научный потенциал в области естественных наук с его истинными Знаниями, а не отталкивались от него, говоря высокопарно - все это написано в Ведах, все это создано Богом Так говорят по
недомыслию и по недоразумению. Так говорят люди либо неграмотные, либо получившие лишь обрывки образования. В Ведах они находят как бы оправдание своему невежеству и прикрывают свое нежелание учиться и приобщаться к Знаниям. Нет слов, Веды - это жемчужина Человечества. Ученые не отрицают этого. Более того, многие из них, включая автора книги, внимательно читают ведическую литературу, черпая в ней новые методические подходы, духовность и советы в преодолении механистических подходов, чем грешит современная наука. Веды, наконец, это не что иное, как обобщенный опыт человечества и в них нет запрета учиться и познавать созданный Богом мир.
В наших беседах по радио “Кришналока” участвовал В.Г. Критский, в прошлом физик, а теперь сотрудник радио, глубоко верующий человек и имеющий духовное имя Вишвамитра. Автор сердечно признателен ему за понимание целей передач и за участие в них.
На обложке книги показано, как полубог Индра убивает демона Вритасуру линейной молнией, а в названии утверждается, что молнии - это оружие богов. Являются ли в действительности молнии оружием богов? Можно ответить и “да” и “нет”, скорее “да”, чем “нет”. Хотя бы потому, что в ведической литературе, в частности, в “Бхагават-гите”, они неоднократно упоминаются именно как оружие богов, и у нас нет оснований не верить этому. В то же время можно ответить “нет”, т. к. человечество уже научилось создавать искусственные молнии и осталось дело за малым - применить его на поле боя. Не дай только Бог этому случиться.
Беседы и публикации на научно-технические темы помогают преодолевать невежество многих людей, а невежество, как известно, один из пороков человечества, не меньший, чем стремление убивать себе подобных и все живое в угоду корыстным, политическим и амбициозным целям. Знание дает
человеку силу и уверенность в себе. Люди, не обладающие и не стремящиеся получить Знания, являются слабыми. Они не развиты как личности и достойны сожаления. Даже те из них, которые в силу своей ярко выраженной кармической направленности и алчности достигли богатства, могут стать добычей еще более алчных и материалистических людей или стать жертвой жизненных обстоятельств и природных явлений, т.к. они недостаточно образованы и недостаточно были любознательны. Такие люди зачастую бывают просто опасны, поскольку игнорируют в угоду своим алчным кармическим устремлениям духовные и природные ценности.Умный и любознательный крестьянин или ремесленник куда более полезен и приемлем для общества, чем невежественный и хитрый богач или не желающий ничего знать кроме бутылки водки пролета рий Все названные категории людей имеются в любом народе и в любой вере христианстве исламе, иудаизме и т д Они могут ненави деть или презирать ученых Могут пренебрежительно к ним отно ситься, игнорировать результаты научно технической деятельности человечества, хотя сами каждодневно пользуются плодами этой дея тельности Фактически они существуют и богатеют за счет знаний, добытых учеными Таких людей надо перевоспитывать
Принося на алтарь Знаний новые сведения о законах Природы, созданной Богом, научно-техническая книга и беседы на такие темы повышают жизненный уровень конкретных людей, имея в виду и ду ховную его сторону Образование можно получить не только в ин ститутах и университетах, но и самостоятельно, читая книги, слушая радио, смотря телевизор, слушая других людей, что-то больше тебя знающих Многие блестящие и достаточно образованные люди, ныне здравствующие и уже ушедшие из этой жизни, не имеют и не имели высшего образования Они приобрели статус образованных людей самостоятельно, работая над собой Настоящая книга была адресована и таким людям
1. И П Стаханов Физическая природа шаровых молний М , Ато миздат, 1979г 240с
2. Б М Смирнов Шаровая молния - что же это такое ж Природа, 1987г. №2, с 1728
3. Б М Смирнов Шаровая молния, ж Природа, 1989 г , № 4, с 35 46
4. Дж Барри Шаровая молния и четочная молния, М , 1983 г
5. Л М Биберман, Г Э Норман Теплофизика высоких температур 1969 г, т 7, с 822831
6. В Я Александров, Е М Голубев, И В Подмошенский Журн техн физ 1982г т 52,стр 1987 1992
7. С И Исаев, Н В Пушков Полярные сияния, М , 1958 г
8. И А Хвостиков Свечение ночного неба, М Л 1948 г