Стаття Блискавка

Назва проекту

ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ ПРИРОДИ БЛИСКАВКИ

Автори проекту

учні дослідники

Результати дослідження

Вивчення атмосферної електрики і грозових розрядів вабило дослідників глибокої давнини. Проблема захисту споруд від ударів блискавки хвилює вчених різних спеціальностей і в наші дні.

Загальне число гроз на земній кулі досягає 16 мільйонів в рік, тобто щодня відбувається 44 000 гроз. У середньому під час грози виблискує 200 блискавок. Іншими словами, 100 грандіозних електричних розрядів щомиті виникають між хмарами або хмарою і землею. Історія вивчення природи блискавки розпочата відомим американським вченим Франкліном. Ним же був запропонований і спосіб захисту від ударів блискавки за допомогою винайденого «громовідводу». Насправді ця споруда відводить не грім - нешкідливий супутник блискавки, а саму блискавку, і тому правильніше називати його блискавковідводом. Необхідність надійного грозового захисту зажадала поставити широкі дослідження атмосферної електрики. Ми тепер знаємо, що причина утворення, блискавок - електрична іскра величезної довжини (не рідкість блискавки довжиною в 1 -5 кілометрів) велетенська різниця потенціалів, яка виникає між хмарами або хмарою і землею. Первісна електризація водяних крапельок в хмарі може походити від різних причин, наприклад при роздробленні крапель поривами-вітру. При цьому зазвичай дрібні бризки виявляються зарядженими негативно, а великі залишки крапель-позитивно. Різна швидкість падіння дрібних і великих крапель призводить до поділу зарядів в хмарі, в результаті потенціал хмари швидко зростає, досягаючи дуже великих величин. Внаслідок електростатичної індукції на землі під хмарою з'являються заряди протилежного знаку і між хмарою і землею утворюється електричне поле дуже великої напруженості. При досягненні деякої так званої критичної напруженості настає розряд, що починається зазвичай у верхніх, більш розряджених шарах повітря. Під дією електричного поля з повітря електрони розганяються і, стикаючись з нейтральними атомами, розбивають їх на електрони та іони. Одна пара атомів після розщеплення породжує чотири нові частинки, з яких дві є електрони. Останні, рухаючись в полі спільно з двома електронами, що їх утворили, породять чотири нових електрона і так далі. Таким шляхом відбувається початкова стадія розряду, який спрямовується зі швидкістю близько 100 кілометрів на секунду до землі (або до сусідньої хмари). Зовні ця стадія характеризується слабким світінням і нагадує струмочок, який насилу прокладає собі звивистий шлях в атмосфері, ніби огинаючи невидимі перешкоди, іноді розгалужуючись на кілька струмків. Цей блідий розряд, що пробігає відстань між хмарою і землею за соті долі секунди, називається лідером. Як тільки лідер завершить свій шлях, по його сліду, який насичений іонами і добре проводить електрику, починається сильний і швидкий розряд, але вже у зворотному напрямку. Швидкість цього розряду досягає десятків тисяч кілометрів на секунду. Струм в каналі блискавки за дуже короткий термін зростає до десятків і навіть сотень тисяч ампер. Звивистий шлях розряду починає яскраво світитися внаслідок дуже сильного нагрівання повітря. Ця друга стадія розряду і являє собою, власне, блискавку, яка здатна заподіяти значних руйнувань чи пожеж. Потім сила струму спадає, світіння слабшає, і на цьому закінчується перший імпульс блискавки. Часто через кілька сотих часток секунди в хмарі створюються умови для повторного імпульсу, який розвивається в тому самому повітряному каналі, по якому пройшов перший імпульс. Таких окремих імпульсів може бути до 50, а загальний час грозового розряду іноді досягає 1,5 секунди. При цьому кожен імпульс блискавки складається з лідера і головної фази розряду. Простим оком неможливо розрізнити окремі імпульси блискавки. Ми сприймаємо їх як одну блискавку, іноді розгалужену на кілька смуг, якщо шляхи окремих імпульсів не збігаються. Застосовуючи ж фотографічні апарати, вдається зняти і проаналізувати перебіг всього процесу в часі. Тотожність природи блискавки та електричної іскри, яку одержують штучно, дає можливість досліджувати розряди в лабораторних умовах. Проте дуже незначна довжина іскри в порівнянні з блискавкою довго заважала вловити деталі процесу, зокрема, виявити в іскрі рух лідера. Тільки після того, як було знайдено спосіб уповільнення іскрового розряду шляхом включення в ланцюг імпульсного генератора великого омічного опору, вдалося простежити і сфотографувати весь хід розвитку іскри. Ці дослідження розкрили багато чудових явищ в утворенні електричних розрядів, що відбуваються у вигляді іскор або блискавок. Але лабораторні досліди не можуть все-таки повністю замінити широко поставлене безпосереднє вивчення проявів атмосферної електрики. Для вивчення грозових розрядів, які тривають дуже короткий час, що виникають у невизначеному місці і несподівано, потрібні особливі, надзвичайно швидкодіючі прилади, які б завжди знаходилися напоготові. Крім спеціальних фотоапаратів, для реєстрації напруженості полів і змін сили струму в каналі блискавки застосовуються електронно-променеві осцилографи. Електронний промінь здатний реагувати на короткочасні імпульси, тому за допомогою осцилографів дуже зручно проводити реєстрацію розрядів. Дуже широке застосування для вивчення грозових розрядів знайшов простий прилад - феромагнітний реєстратор, який представляє собою циліндрик, спресований з ізолятора і металевого пилу. Якщо поблизу такого циліндра пройде блискавка, він намагнітиться в магнітному полі, утвореному блискавкою. За величиною цього намагнічування можна судити про максимальну силу струму блискавки. За допомогою таких реєстраторів радянські вчені зробили справжнє полювання за блискавками. У різних частинах країни було встановлено понад 120 000 реєструючих приладів. Вони розташовувалися на горах і рівнинах, в лісах і степах, інженери-альпіністи підняли реєстратори на вершини Кавказького хребта. Вся ця велика робота дозволила отримати дуже важливі результати і рекомендувати ефективні методи грозозахисту. Теорія і дослідження показали, що блискавки ніби надають перевагу одним ділянкам над іншими. Граніти, вапняки, сухий пісок, які погано проводять електрику, рідше піддаються ударам блискавки, і навпаки, навіть розташовані під землею металеві руди або пронизані підземними струмками шари притягують до себе розряди. Там, де ґрунт має погану електропровідність, струми блискавки не досягають великої сили, тому в горах, складених в основному з гранітів та базальтів, незважаючи на дуже часті грози, захист від них досягається легше. Розроблена теорія вибіркової уражуваності знайшла застосування при вирішенні питань грозозахисту. Так, наприклад, було показано, що ймовірність загоряння нафтового озера блискавкою дуже мала (один раз на кілька тисяч років). Непровідна нафта не уражається блискавками, яка «воліє» в цьому випадку береги озера. Для захисту споруд від блискавок застосовуються металеві провідники, розташовані належним чином і з'єднані з добре провідними шарами ґрунту. Ці провідники закріплюються на вертикальних щоглах або натягаються між ними у вигляді антени. При спорудженні громовідводів важливо забезпечити гарну його провідність і надійне з'єднання з землею. Погано заземлений громовідвід з тонким дротом, не в змозі витримати сильний струм блискавки, може прийняти на себе блискавку, але не захистить від неї. Для захисту особливо важливих споруд, наприклад складів вибухових речовин і т. п., якщо неможна влаштувати їх під землею, застосовується спосіб «клітки Фарадея». Як відомо, статичні електричні заряди розташовуються на поверхні провідника. Тому всі приміщення складу покриваються зверху дротяною сіткою або над ним натягаються заземлені проводи, а навколо влаштовується земляний вал і встановлюються щоглові громовідводи. Необхідна висота грозозахисних щогл зазвичай визначається за допомогою моделей, що піддаються дії штучних іскор. Так само можна визначити і зону захисної дії даного блискавковідводу, тобто простір, у який малоймовірне потрапляння блискавки. Ці дослідження в більшості випадків виправдовуються на практиці, хоча роботи над модельними установками ще не закінчені. Для захисту від грозових розрядів ліній електропередач застосовуються заземлені троси, розташовані над проводами. Для надійного захисту ці проводи повинні бути добре заземлені на кожній щоглі та підвішені, досить високо над лінією. Якщо ж блискавка прорветься крізь захист і вразить самі дроти електропередачі, починають діяти спеціальні апарати – розрядники. Призначення їх полягає в тому, щоб відкрити шлях струму до землі і потім закрити його, як тільки розряд скінчиться. Це досягається різними способами. У лініях низької напруги встановлюються різної конструкції іскрові проміжки, для ліній високої напруги застосовуються особливі розрядники. Одним з найбільш поширених видів лінійних розрядників є фіброва трубка, що встановлюється між проводом, що захищається, і землею та відокремлена від лінії іскровим проміжком. При дії напруги, викликаної розрядом блискавки, проміжок пробивається, через трубку проходить струм, під впливом якого фібра розігрівається і утворює гази. Гази, бурхливо вириваючись через отвір, задувають дугу і таким чином від'єднують дріт від заземлення. Існує також ряд способів захисту від грози ліній зв'язку, з яких найнадійніший – це влаштування ліній у вигляді кабелю, закопаного в землю....