Фейнман - 05. Электричесво и магнетизм (1055667), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

Следовательно, в грозовой динамомашнне течет ток примерно в 4 а. А это означает, что любая модель, придуманная для объяснения того, как грозовой вихрь генерирует электричество, должна быть очень мощной — это должна быть огромная быстродействующая махина. Преп;де чем двинуться дальше, рассмотрим кое-что, почти наверняка не имеющее никакого отношения к излагаемому предмету, но тем не менее само по себе лаобопытное, так как зто демонстрирует влияние электрического поля на водяные капли. Мы говорим, что это может и не иметь отношения, потому что связано с опытом, который мол<но проделать в лаборатории со струйкой воды и который показывает довольно сильное действие электричества на капельки. В грозе же нет никаких водяных струй; там просто имеется туча сконденсированного льда и капель воды.

Так что вопрос о механизмах, действующих в грозе, но всей вероятности, никак не связан со всем тем. что вы увидите в том простом опыте, который мы хотим описать. Насадите на водопроводный кран шланг с суженным концом н направьте струю воды иа него под крутым углом (фиг. 9.12). Вода забьет тонкой струйкой и, вероятно, начнет разбрызгиваться мелкими панельками. Если поперек струи навести электрическое поле (скажем, заряженной палочкой), то форма струи изменится.

При слабом электрическом поле вы увидите, что струя разбивается на несколько больших капель, а при сильном поле струя разбрызгивается на много-много мельчайших капелек, гораздо более мелких, чем прежде*. У слабого электрического поля есть Удобный способ яаблюлать размер капель — дать воде падать за большей противень, От крупных капель дробь будет громче.

тенденция воспрепятствовать дроблению струи на капли, а сильное, напротив, стремится раздробить поток. Эти эффекты, по всея видимости, можно объяснить следую. щим образом. Когда из шланга бьет вода и мы приложили поперек небольшое поле, то одна сторона струи может зарядиться чуть-чуть более положительно, а другая — чуть-чуть более отрицательно. И потом, когда струя дробится, капли с одной стороны струи могут стать положительно заряженными, а с другой — отрицательно заряженными. Они начнут притягиваться и захотят сливаться в более крупные, чем прежде, капли. Струя не будет сильно дробиться.

Если же поле увеличить, то заряд на каждой отдельной капле станет очень большим, н сам заряд будет стремиться измельчать капли (из-за их отталкивания). Каждая капелька разделится на более мелкие (и тоже заряэкенные), они начнут отталкиваться, н посыплются брызги. Итак, при нарастании поля струйка дробится все мельче. Единственное, что нам хотелось бы подчеркнуть,— это что при некоторых обстоятельствах электрическое поле может сильно сказываться ка каплях. Точный механизм того, чтб происходит в грозе, неизвестен, и совсем не обязательно связывать его с только что описанным.

Мы включили это описание лишь для того, чтобы вы оценили слон ность явлений, которые могут играть роль. На самом деле нн у кого из ученых нет теории, основанной па таком представлонии. Мы хотели бы привести две теории, изобретенные для объяснения разделения зарядов в грозе. Обе они основаны на представлении о том, что на падающей частице должен существовать один заряд, а в воздухе — противополоя ный.

Тогда при движении падающей частицы (воды или льда) сквозь воздух возникает разделение электрических зарядов. Вопрос только в том, отчего начинается электризация? Одна из старейших теорий — это теория «дроблення капель». Кто-то когда-то обнаружил, что если в потоке воздуха капли дробятсн на части, то сами они заряжаются положительно, а воздух — отрицательно. У этой теории есть несколько недостатков, самый серьезный из которых— что знак получается не тот.

Кроме того, в большей части гроз умеренного пояса, сопровождаемых молниями, осадки на больших высотах бывают не в виде воды, а в виде льда. Иэ только что сказанного следует, что если б мы могли представить себе способ сделать так, чтобы верх и низ капли были наэлектризованы по-разному, и если б мы усмотрели какой-то резон для капель разбиваться в.быстром потоке воздуха па неравные части — большую впереди, а меньшую позади (ну, скажем, иэ-за движения сквозь воздух или из-за чего-то подобкого), то и у нас появилась бы своя теория (отличная от всех известных!).

Тогда из-за сопротивления воздуха крупные капли при падении отставали бы от мелких и вышло бы разделение Иэ Ф и е. 9.13, 7еврия Ч. Вилъеана в разделении зарядов в грвзаввй туче. двлвизие зарядов. Как видите, можно измышлять любые возможности. Одна из самых остроумных теорий, во многом более удовлетворительная, чем теория дробящихся капель, принадлежит Вильсону. Описывая ее, мы, как и сам Вильсон, будем говорить о каплях, хотя все это относится в равной мере и ко льду. Пусть у нас имеется водяная капелька, пада|ощая в электрическом поле напрявкенностью 100 в1эз к отрицательно заряженной земле.

У капли появится наведенный дипольный момент — положительный заряд внизу, отрицательный наверху (фиг. 9.13). Кроме этого, в воздухе имеются аядра», о которых мы уже говорили,— болыпие неторопливо движущиеся ноны. (Быстрые ионы не окажут здесь заметного влияния.) Предположим, что на своем пути вниз капля приблизилась ь большому иону. Если он сам положителен, то положительный заряд низа капли оттолкнет его, и он отойдет в сторону. Так что, собственно, капля дая.е не соприкоснется с ним, Если же ион приблизится к капле сверху, он может притянуться к ней. Но капля падает сквозь воздух, и воздух нроноснтся мимо нее вверх, унося с собой ионы (если только они движутся достаточно медленно).

Так что положительные ионы не успевают коснуться верхушки капли. Все это относится, как видите, только к крупным, малоподвижным ионам. Положительные ионы такого сорта не смогут соприкасаться ни с нижней, ни с верхней поверхностью летящей капельки. Но когда крупные, медленные, отрицательные ионы входят в соприкосновение с каплей, она их притягивает к себе и захватывает. На капле накапливается отрицательный заряд (знак заряда определяется исходной разностью потенциалов всей Земли и получается как раз тот, какой нам нупеен), Отрицательный заряд будет перенесен каплями в нижнюю часть тучи, а положительные ионы, брошенные по дороге, будут сдуты к ее верхушке различными восходящими потоками. Теория выглядит довольно мило и, во всяком случае, дает правильные знаки.

К тому я~е она не зависит от того, град ли у нас или капли дождя. Мы увидим, когда будем изучать поляризацию диэлектриков, что со льдинками должно происходить то же самое. У них тоже в электрическом поле будут появляться на концах положительные и отрицательные заряды. Однако и эта теория оставляет ьакие-то неясности. Во-первых, суммарный заряд грозы очень велик. Довольно быстро весь запас больших ионов израсходуется. Вильсон и другие выну:кдены были предположить, что существуют добавочные источники больших ионов.

Как только начинается разделение зарядов, развиваются очень сильные электрические поля, и в этих полях могут быть места, где воздух ионизуется. Воли там имеется сильно заря'кенная точка или любой небольшой объект наподобие капли, то они могут сконцентрировать вокруг себя поле, достаточно большое для того, чтобы возник «кистевой разряда. Когда имеется достаточно сильное поле, скажем положительное, то электроны будут попадать в это поле и успевать набирать между столкновениями болыпую скорость. Она будет такой высокой, что, попадая в атомы, электроны будут срывать атомные электроны с их оболочки, оставляя позади себя положительные ионы.

Эти новые электроны тоже наберут скорость и, столкнувшись, породят еще больше новых электронов. Произоцдет своего рода цепная реакция, или лавина, вызывающая быстрое накопление ионов. Положительные заряды останутся невдалеке от своих прежних мест, так что чистый эффект состоит в распределении положительных зарядов в области вокруг исходной точки. При этом, конечно, сильное поле исчезнет и процесс замрет. Таков характер кистевого разряда. Не ясключено, что поля в грозовой туче могут достичь такой величины, что сколько-то там кистевых разрядов действительно возникнет; могут также быть и другие механизмы ионизации, включаемые, едва начнется гроза.

Но никто точно не знает, как онн действуют. Так что по-настоящему до конца происхождение молнии не понято. Мы знаем только, что молнии бывают от грозы (и знаем, конечно, что гром бывает от молнии — от тепловой энергии, высвобождаемой при вспышке молнии). Но по крайней мере мы можем хоть отчасти понять происхоясдение атмосферного электричества. Из-за того, что во время гроаы существуют воздушные течения, ионы и капли воды на льдинках — положительные н отрицательные заряды — разделяются.

Характеристики

Список файлов книги