Грозовые разряды

Министерство Образования РФ.

УГТУ-УПИ

РЕФЕРАТ

на тему: «Грозовые разряды».

Студент, Некрасов М. В.,

группа э-14021

преподаватель Хлюпин Ю.А.

Екатеринбург, 2005 г.

Молния - это электрический разряд большой мощности. Электрическое напряжение возникает в облаках в результате трения молекул. Подобное явление можно наблюдать, если расчесывать волосы эбонитовой расческой. Волосы и расческа заряжаются электричеством, пока заряд не достигнет такой силы, что между ними начинают проскакивать искры и слышится потрескивание

Одним из первых это установил американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. В 1752 он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением. Результаты таких исследований кратко излагаются ниже.

Теория. Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т.д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий. В 1929 Дж.Симпсон предложил теорию, которая объясняет электризацию дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления, падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. В основе индукционной теории, предложенной в 1885, лежит предположение о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В теории свободной ионизации Ч.Вильсона предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Разряд. На открытой местности разряды положительной и отрицательной полярности наблюдаются одинаково часто, но около 95% ударов в линии электропередачи и антенны исходят из отрицательно заряженных облаков. Разряд молнии характеризуется чрезвычайно быстрым нарастанием тока до пикового значения, как правило, достигаемого за время от 1 до 80 мкс (миллионных долей секунды), и последующим падением тока обычно за 3–200 мкс после пикового значения.

Многократные молнии. Многократные молнии – обычное явление, они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. С помощью фоторегистратора с временной разверткой было детально изучено развитие разряда молнии от облака до земли. Разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название лидера молнии, который ступенчато продвигается от облака к земле. Скорость ступенчатого движения лидера к земле равна приблизительно 45Ч10⁶ м/с, причем интервал между ступенями составляет около 100 мкс. Длина каждой ступени лидера – около 45 м, так что полное время движения до земли может достигать 0,02 с. Затем по этому ионизованному каналу от земли к облаку движется основной разряд со скоростью от 2Ч10⁷ м/с до 15Ч10⁷ м/с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов. Свечение этого яркого разряда, обусловленное рекомбинацией ионизованных атомов, может продолжаться более секунды.

Канал. Канал молнии определяется электрическим полем на конце движущегося лидера и локальной ионизацией. Вблизи земли его движение определяется земными стримерами или коронным разрядом, возникающим над заостренными проводящими предметами, выступающими над поверхностью земли. Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же самую точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом. Диаметр ядра светящегося разряда – от 1 до 2 см, а наэлектризованная зона вокруг ядра составляет, по-видимому, несколько метров в диаметре. Разветвленность разряда молнии между облаками обусловлена ступенчатым характером движения лидера, направление каждого шага которого определяется локальными условиями ионизации и потому носит в значительной мере случайный характер.

Структура шаровых молний

О шаровой молнии рассказывается довольно много небылиц. Однако наличие этого явления в настоящее время зафиксировано фотографическими снимками. Шаровые молнии, представляют собой более или менее ярко светящиеся образования, сравнительно медленно передвигающиеся в атмосфере и длящиеся от долей секунды до нескольких минут; форма этих образований по большей части напоминает шар. Наблюдали их движение из облаков к земле, а также появление около земли после удара обычной молнии. Шаровые молнии либо плывут, по воздуху, либо оседают на различных предметах. Исчезают они внезапно путём взрыва, сопровождаемого большим или меньшим шумом. Причиняемые ими разрушения могут быть значительными. По оценке очевидцев диаметры шаровых молний лежат в пределах от десятка сантиметров до двух с лишним десятков метров. Попытки получить подобие шаровых молний лабораторным путем при мощных разрядах пока не привели к осязательным результатам, могущим пролить свет на природу этого явления. Гипотез о природе шаровых молний было высказано очень много, но твердого обоснования ни под одну из этих гипотез не подведено.
Интересны предположения, считающие шаровые молнии особым состоянием вещества со специфическим строением последнего из электронов и других элементарных частиц. Укажем также на другую гораздо более простую точку зрения в этом вопросе, по которой шаровую молнию можно рассматривать как пузырь, образованный химически активными веществами, возникающими в атмосфере под влиянием грозового разряда и образующими капельки на пылинках. В некоторых случаях зарегистрированы так называемые «чёточные» молнии. В чёточной молнии виден не непрерывно распространяющийся светящийся канал, а последовательность большого числа как бы нанизанных на нить светящихся круглых пятнышек. Четочные молнии, возможно, представляют собой переход от обычной ленточной молнии к шаровой. Кроме ленточной, шаровой и четочной молний грозовые разряды проявляются еще в виде так называемой плоской молнии.

Плоская молния представляет собой захватывающие широкую область туч световые вспышки и является следствием разряда центров скопления зарядов в окружающий воздух. Эти разряды не следует смешивать с зарницами, под которыми понимают вспышки света от далёких молний. Удары молнии вызывают в атмосфере электромагнитные импульсы, распространяющиеся в зависимости от условий их поглощения иногда на очень большие расстояния (6000-7000 км). Эти импульсы мешают работе радиостанций и называются атмосфериками, или атмосферными помехами. Наблюдение над атмосферными помехами ведется систематически при помощи антенн, соединённых с осциллографами. Первым по времени прибором для регистрации атмосфериков был «грозоотметчик» основоположника радио профессора Александра Степановича Попова, установленный им на метеорологической станции Лесного института в Петербурге в 1896 году. Статистика показывает, что число атмосфериков по всему земному шару больше числа молний. Атмосферики наблюдаются во время дождя без грозовых разрядов, во время снежной пурги и обычно сопровождаются наличием высокой напряженности электрического поля в атмосфере.

Грозовые разряды могут явиться причиной как пожаров, так и механических повреждений оборудования, нарушение на линиях связи и энергоснабжения отдельных территорий, взрывов технического оборудования.