Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 37
Текст из файла (страница 37)
з.2. огни святого эльма— коронный разряд в атмосэн к Наблюдения огней Святого Эльма «С моря поднималась туча — черная, тяжелая, похожая на горный хребет. Она ползла в степь... И в степной дали, теперь уже черной и страшной, вспыхивали маленькие голубые огоньки. То там, то тут они на миг являлись и гасли. Это были очень странные голубые языки огня, намекавшие на что-то сказочное», Так описывает М. Горький в рассказе «Старуха Изергиль» природное явление, которое поначалу называли огнями Кастора и Поллукса (по имени мифологических близнецов), а позднее переименовали в огни Святого Эльма — по имени святого Эльма (Эразма), считавшегося покровителем моряков в католической религии.
204 Глаоа д Заектричеотво а атиоороре У Н.С. Гумилева есть такое стихотворение: Там волны с блесками и всплесками Непрекрашаемого танца, И там летит скачками резкими Корабль Летучего Голландца. Ни риф, ни мель ему не встретятся, Но, знак печали и несчастий, Огни Святого Эльма светятся, Усеяв борт его и снасти. Во времена парусников огни Святого Эльма часто наблюдали на концах мачт и прямых рей, когда над морем сгущались тучи, предвещавшие грозу (рис. 3.6).
Древнеримский философ Луций Сенека (4 до н. з. — б5 н. э.) говорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся на мачты кораблей». Рис. 3.6 Находясь в 1902 г. в Атлантическом океане вблизи островов Зеленого Мыса, капитан клипера «Моравия» оставил такую запись в судовом журнале: «Целый час в море полыхали молнии. Стальные канаты, верхушки мачт, нок-реи, иоки грузовых стрел — все 3.2 Огни святого Элина — коронный разряд в атмосфере 205 светилось. Казалось, что на шканцах через каждые четыре фуга повесили зажженные лампы, а на концах мачт и нок-рей засветили яркие огни. Свечение сопровождалось необычным шумом; словно мириады цикад поселились в оснастке или с треском горели валежник и сухая трава...» Огни Святого Эльма разнообразны.
Они бывают в виде равномерного свечения, отдельных мерцающих огоньков или искрящихся факелов. Иногда они настолько похожи на язычки пламени, что их бросаются гасить. Это кажущееся необычным явление имеет простое естественное объяснение: перед нами коронный разряд в атмосфере. Его часто наблюдают во время гроз и снежных бурь.
Этот электрический разряд называют коронным, поскольку он как бы венчает тот или иной предмет короной. При таком разряде из различных острых выступов наземных предметов (шпилей, высоких шестов, корабельных мачт, ветвей деревьев, башен и т. и.) начинают выскакивать одна за другой маленькие электрические искры. Если искр много и процесс длится относительно долго, мы видим голубоватое сияние, которое может походить на язычки пламени.
В декабре 1957 г. коронный разряд наблюдали рыболовы на льду Плещеева озера под Переславлем-Залесским. Вот как об этом рассказывают очевидцы. Солнце уже село, шел мокрый снег. Один из рыбаков высоко поднял над лункой свою удочку, и вдруг ее конец вспыхнул голубоватым огоньком. Казалось, удочка загорелась, и рыбак даже попытался «потушить» огонь другой рукой в варежке. Другие рыбаки тоже стали поднимать свои удочки. У многих появились злополучные огоньки, которые исчезали, когда к концам удочек подносили руку и тем более, когда касались их. Часто свидетелями коронного разряда в атмосфере оказываются альпинисты.
Они наблюдают светящиеся кисточки разряда не только на концах металлических предметов, например ледорубов, но и на кончиках волос на голове. С коронным разрядом необходимо считаться, имея дело с высоковольтными линиями электропередач. При наличии острых концов мачт или слишком тонких проводов начинается коронный разряд. Его можно слышать, проходя под проводами высоковольтной линии; они издают легкое жужжание. Коронный заряд, естественно, приводит к утечке электроэнергии.
Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода. 206 Глава 3. Электричеснио в атмосфере Возбуждение и ионизация атомов (молекул) электронным ударом Образование ионосферы объясняется фотоионизацией молекул и атомов атмосферного воздуха, т. е. ионизацией под действием излучения Солнца (см. разд. 3.7).
Фотоионизацип — основной физический механизм, обусловливающий возникновение несамостоятельного электрического разряда в зонах хорошей погоды. А вот возникновение коронного разряда с фотоионизацией не связано; оно вызвано процессами ударной ионизации — когда молекулы и атомы атмосферного воздуха ионизируюгся, подвергаясь ударам со стороны свободных электронов. Забегая вперед, заметим, что возникновение в зонах нарушенной погоды искрового разряда (иначе говоря, линейной молнии) обусловлено одновременно двумя процессами: ударной ионизацией и фотоионизацией (поглощением фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером молнии).
Познакомимся поближе с ударной ионизацией или, точнее говоря, с воэоуэкдением и иониэацией атомов (молекул) электронным ударом. Такое знакомство — необходимая предпосылка разговора о физике коронного разряда. Предположим, что электрон массой т соударяется с частицей (атомом или молекулой) массой М. Возможны различные исходы. Например, возможно неупругое соударение первого рода: е + Х вЂ” » Х' + е; Х' — » Х+ у (3.11) Здесь е — электрон; у — фотон; Х вЂ” молекула (атом); знак «'» указывает на то, что частица возбуждена. Возможно также неупругое соударение второго рода: е+ Х вЂ” »Х'+ е+е. (3.12) Обратим внимание: именно в этом случае и происходит интересующая нас ударная ионизация — рождаются положительный ион Х' и еше один электрон.
Появление еше одного электрона обеспечивает возникновение лавинообразного рождения электронов — возникает огонь Святого Эльма. Выпишем соотношения, выражающие законы сохранения энергии и импульса в процессе е+ Х-» Х*+ е, 3.2 Огни снятого Эльма — коронный разряд в возмог(Оврв 207 полагая для простоты, что до соударения частица Х покоилась: тоо = Мо + пюз+ И' тоо = Мз — то .
(3.13) 2 1 2 1 2 О 2 2 2 0 1, М+т И = Мооо2 2 т (3.14) При заданной скорости оо налетаюШего электрона энергия возбуждения И'будет, как мы видим, зависеть от скорости о, частицы Х'. Наибольшее возможное значение энергии возбуждения И" достигается при т О2 =ОО М+т (3.15) Подставив (3.15) в (3.14), находим: 1 2 М И пьзз тОО 2 М+т' (3.16) Для читателя, умеющего дифференцировать, заметим, что результат (3.15) можно получить, если продифференцировать функцию И'(о,), представленную в (3.14), и затем приравнять производную нулю: г(И' М+т = М"о = О.
до, т Поскольку т «М, то соотношение (3.16) можно переписать в виде: 2 И пня тОО' 2 (3.17) Таким образом, при неупругом соударении первого рода может превратиться в энергию возбуждения почти вся кинетическая энергия налетающего электрона. Если бы, например, рассматривался не Здесь о — модуль скорости налетающего электрона; о, и о, — соответственно модули скорости частицы Х и электрона после соударения (удар полагаем центральным; после удара электрон отскакивает назад, поэтому импульс то, берется со знаком «минус»); И' — внутренняя энергия частицы Х' (энергия возбуждения).
Исключив о из равенств (3.! 3), получим 208 Глава 3. Электричество в атмосфере электронный удар, а соударение атома с атомом, то при условии равенства масс соударяющихся частиц (т = М) соотношение (3.16) приняло бы вид И" „= — Мое', 4 Значит, не более половины кинетической энергии налетающей частицы могло бы тогда превратиться в энергию возбуждения частицы- мишени. Читатель, возможно, заметит, что результат (3.16) получен для процесса, в котором происходит не ионизация, а только возбуждение частицы Х. А какое это имеет отношение к интересующему нас процессу ударной ионизации (3.12)? Конечно, уравнения (3.13) не годятся в случае ионизации, поскольку после соударения появляются не две частицы Х' + е, а три частицы Х'+ е + е.
Однако заключение о том, что возможна передача всей энергии налетающего электрона внутренней энергии частицы-мишени, остается в силе. Просто теперь полученная частицей-мишенью энергия ю пойдет не на возбуждение, а на отрыв электрона, т. е. будет энергией иониэаиии. Обозначим через И'", энергию ионизации данной молекулы (атома). Исходя из результата (3.17), который можно отнести также к случаю ионизации, заключаем, что необходимым условием ударной ионизации частицы является неравенство: 2 тгв > И'" 2 ! ' (3.!8) Физика коронного разряда Напомним, что если проводник поместить в электрическое поле, то его свободные заряды распределятся по его поверхности, экранируя тем самым поле внутри проводника (там Е = О).
Утверждение об отсутствии электрического поля внутри проводни- Обратим внимание на то, что данное условие необходимое, но отнюдь не достаточное. Существует лишь некоторая вероятность того, что акт ионизации произойдет. При выполнении условия (3.18) акт ионизации может произойти, но может и не произойти. При невыполнении условия (3.18) акт ионизации определенно не произойдет. 3.2 Огни святого Эльма — коронныи разряд в втмяейере 209 ка справедливо как для заряженного проводника, так и незаряженного проводника, помещенного во внешнее электрическое поле. Обозначим через а физическую величину, называемую ооверхностной плотностью заряда; она измеряется в единипах Кл/м'.
Допустим, проводник — шар радиусом г, обладающий электрическим зарядом ь). Этот заряд будет распределен по поверхности шара равномерно. Поверхностная плотность зарядов в данном случае всюду одинакова и равна 0 4пгз (3.19) Модуль напряженности электрического поля, создаваемого нашим шаром, равен в непосредственной близости от поверхности шара Е=й —,, 0 г- (3.20) где 1 й= —; 4л:ь ' е = 8,85. 10-и Кл~/(Н м') — электрическая настоянная.
Исключив (Э из равенств (3.19) и (3.20), находим Е = 4пйгг. (3. 21) Этот результат можно было бы получить также из теоремы Гаусса. Поэтому он справедлив в общем случае, а не только для заряженного шара. Напряженность электрического поля над данной точкой поверхности любого проводника равна по модулю 4пйа, где а — поверхностная плотность зарядов в рассматриваемой точке поверхности. Направлен вектор напряженности поля перпендикулярно к поверхности в данной точке (он направлен прочь от проводника, если тот заряжен положительно, и внутрь проводника, заряженного отрипательно).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
