Министерство общегои профессионального образования
Свердловскойобласти
Департаментобразования администрации города Нижний Тагил
МОУ СОШ № 10
Шаровая молния какальтернативный источник энергии
Исполнитель: Штанько Алёна учащаяся 11Б класса
Руководитель: Хижная Лариса Павловна
учитель физики I категории, МОУ СОШ №10
Рецензент: Юрина Любовь Ивановна,
учитель физики I категории, МОУ СОШ №10
г. Нижний Тагил
2008 г.
Оглавление
Введение. 3
Глава I. Загадка шаровой молнии. 6
1.1 Наблюдения шаровой молнии. 6
1.2 Как выглядит шароваямолния? Ее поведение. 7
1.3 Опасна ли шаровая молния?.. 10
1.4 Гипотеза возникновенияшаровой молнии. Частота появления. 11
1.5 Физическая природа шаровоймолнии. 13
Глава II. Проблема созданияшаровой молнии, использование ее энергии. 18
2.1 Гастон Планте. 18
2.2 Никола Тесла – повелительмолний. 19
2.3 Современные исследования. 20
Глава III. Практическая часть. 21
Заключение. 24
Список литературы… 26
Тезаурус. 27
Приложение. 28
Введение
М. Горький рассказывает в своих воспоминаниях: «Я видел,как А. Чехов, сидя в саду у себя, ловил шляпой солнечный луч и пытался –совершенно безуспешно – надеть его на голову вместе со шляпой». Чехова нетребовалось убеждать, что солнечный луч поймать нельзя, добавляет С.И. Вавилов.Эта мысль представляется абсолютно очевидной, поскольку мы не видим вокруг себяпримеров хранения световой энергии.
Свет представляет собой электромагнитное излучение.Постоянные магниты дают нам пример сколь угодно долгого хранения магнитногополя. Конденсаторы представляют собой великолепные емкости для электрическогополя. А вот хранение электромагнитного поля, когда магнитное и электрическоеполя существуют лишь при непрерывном взаимном превращении друг в друга, мысчитаем невозможным. И, тем не менее, в природе существуют ловушки дляэлектромагнитного излучения. Так, например, волновод земля – ионосфера можетпри определенных условиях «захватить» радиоволны так, что радиолуч будетраспространяться по кругу, не приближаясь к земле и не удаляясь от нее.Известно явление накопления света в оптическом волокне, свернутом в петлю. Осмысливаниерезультатов многолетних лабораторных экспериментов по созданию и исследованиюлабораторных аналогов природной шаровой молнии приводит к мысли о том, чтосветовая энергия может накапливаться и в природной шаровой молнии.
Разгадка природы шаровой молнии давно занимает умы нетолько физиков-профессионалов, но и широкого круга людей, интересующихсяестествознанием. Предложено большое количество всевозможных попыток создать ееискусственно.
Новый результат в науке, в том числе и новая модельявления, должны обладать предсказательностью, обеспечивать воспроизводимостьэтого явления в различных лабораториях и намечать пути к использованиюполученных результатов на практике. Этим условиям не удовлетворяют в полноймере существующие модели шаровой молнии. Более того, на сегодняшний день мыдаже не можем дать надежного описания тому, что называется шаровой молнией.Б.М. Смирнов в книге: «Проблема шаровой молнии» дает такое ее определение:«Светящееся образование в воздухе, наблюдаемое в течение нескольких секунд идолее. Это образование чаще всего имеет сферическую форму, не прикреплено кстенкам и не меняет своих размеров за время своего существования».
Ясно, что такое определение дает лишь зрительный образ,не привязанный ни к каким физическим величинам и не вскрывает ее природу.
Российская наука переживает в настоящее время оченьтрудный период. Можно, например, считать, что сейчас трата времени и сил наразгадку природы шаровой молнии – не нужная забава. Однако познание окружающегомира – непреодолимая потребность человечества. Г.И. Бабат проводил экспериментыпо созданию искусственной шаровой молнии под вой сирен воздушных тревог в 1942 г. В осажденном Ленинграде. Н.И. Кибальчич в камере смертников за несколько дней до казни разработалоригинальный проект реактивного летательного аппарата, предназначенного дляполета человека. Их труды не пропали зря. Несомненно, наступит время, когдаискусственная шаровая молния будет работать на пользу человеку[1].
Объект исследования – процесс возникновения шаровоймолнии как физического явления.
Предмет исследования – способ передачи энергии нарасстояние путем использования шаровой молнии.
Цель исследования – обосновать перспективу использованияшаровой молнии в качестве источника электрической энергии.
Задачи исследования:
Изучить литературу по данной проблеме.
В понятие «шаровая молния» отметить ее свойства иповедение в различных ситуациях.
Рассмотреть возможность создания шаровой молнии вискусственных условиях.
Оценить реальность использования искусственной шаровоймолнии на практике.
Глава I. Загадка шаровой молнии
1.1 Наблюдения шаровой молнии
Грозное и таинственное явление природы – шаровая молнияпоявляется нечасто. Еще реже удается исследовать результаты ее воздействия посвежим следам[2]
Один из случаев возникновения шаровой молнии был описанМ.В. Ломоносовым, который подробно исследовал на месте последствияпроисшедшего. Упомянутый случай произошел 26-го июля 1752 г в Петербурге в результате неудачного эксперимента, проведенного в Физической лабораторииПетербургской Академии наук. Его проводил профессор Г. В. Рихман. Целью данногоэксперимента являлось исследование влияния грозы на устройство для измеренияатмосферного электрического поля, изобретенное самим профессором. Погодаблагоприятствовала проведению эксперимента: с утра было душно, а к середине днясгустились тучи, началась гроза. Вместе с Рихманом в лаборатории находился егодруг-гравер Академии наук.
Для того чтобы уловить молнию, измерительное устройствоРихмана было соединено с металлический стержнем, выходящим на крышу. Когда встержень попала молния, вблизи устройства вдруг появился светящийся голубой шарразмером с кулак. Стоящий в полушаге от устройства Рихман был убит ударом прямолоб. Раздался громкий треск, похожий на выстрел. На гравере загорелась одеждаот раскалившейся проволоки от устройства. Все вышеперечисленное не оставляетникаких сомнений в том, что Рихман был убит шаровой молнией
Описанному выше происшествию были свидетели, оказавшиесяна улице вблизи лаборатории, которые видели, как в металлический стержень накрыше попала молния. Имеется также гравюра, сделанная гравером, очевидцемтрагической смерти Рихмана.
Другой случай был описан французским физиком Д’Араго,который в первой половине 19-го века собрал сведения о 30-ти случаях наблюденияшаровой молнии. Вот один из них:
«После сильного удара грома в открытую дверь влетелабело-голубая шарообразная масса диаметром 40 см и начала быстро двигаться по комнате. Она подкатилась под табурет, на котором я сидел. И хотя она оказалась умоих ног, тепла я не ощутил. Затем шаровая молния притянулась к батарее иисчезла с резким шипением. Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2мм».[3]
1.2 Как выглядит шаровая молния?Ее поведение
Удивительны формы этих молний. 90% – это шары, в томчисле и полые пузыри, 6% – эллипсоиды и только 2,3% – грушевидные. Наблюдалисьединичные экземпляры в виде тора, диска и цилиндра. И 1,6% имели неправильныеформы.[4]
С учетом всех замечаний будем считать, что шаровая молния– это шар или почти шар. Он светится – иногда тускло, а иногда достаточно ярко.Яркость света шаровой молнии сравнивают с яркостью света 100-ваттной лампочки.Чаще всего (примерно в 60% случаев) шаровая молния имеет желтый, оранжевый иликрасноватый цвет. В 20% случаев – это белый шар, в 20% — синий, голубой. Иногдацвет молнии изменяется во время наблюдения. Перед угасанием молнии внутри неемогут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей.
Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкуюповерхность, ограничивающую вещество молнии от окружающей ее воздушной среды.Это типичная граница раздела двух разных фаз. Наличие такой границы говорит отом, что вещество молнии находится в особом фазовом состоянии. В отдельныхслучаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, их неевыбрасываются снопы искр.
Диаметр шаровых молний находится в диапазоне от долейсантиметра до нескольких метров. Чаще всего встречаются молнии диаметром 15…30сантиметров.
Обычно шаровая молния движется бесшумно, но можетиздавать шипение или жужжание, особенно когда она искрит.
Шаровая молния может двигаться по весьма причудливойтраектории. Вместе с тем в ее движении обнаруживаются определенныезакономерности. Во-первых, возникнув где-то вверху, в тучах, она опускаетсяпоближе к поверхности земли. Во-вторых, оказавшись у поверхности земли, онадвижется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности.В-третьих, молния, как правило, обходит, огибает проводящие ток объекты и, вчастности, людей. В-четвертых, молния обнаруживает явное «желание» проникатьвнутрь помещений.
Когда молния плавает над поверхностью земли (обычно навысоте метра или несколько больше), она напоминает тело, находящееся всостоянии невесомости. По-видимому, вещество молнии имеет почти такую жеплотность, что и воздух. Точнее, молния немного тяжелее воздуха – недаром она,в конечном счете, всегда стремится опуститься вниз. Ее плотность составляет(1…2)*10-3 г/см3. Разницу между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой)силой компенсируют конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какойдействует на молнию атмосферное электрическое поле. Последнее обстоятельствоявляется весьма важным. Как правило, человек не имеет органов, реагирующих нанапряженность электрического поля. Иное дело шаровая молния. Вот она обходитжелезный вагончик по периметру, огибает наблюдателя или груду металла, копируетв своем движении рельеф местности – во всех этих случаях она перемещается вдольэквипотенциальной поверхности. Во время грозы земля и объекты на ней заряжаютсяположительно, значит, шаровая молния, обходящая объекты и копирующая рельеф,также заряжена положительно. Если, однако, встречается предмет, заряженныйотрицательно, молния притянется к нему и, скорее всего, взорвется. С течениемвремени заряд в молнии может изменяться, и тогда меняется характер ее движения.Одним словом, шаровая молния очень четко реагирует на электрическое поле вблизиповерхности земли, на заряд, имеющийся на объектах, которые оказываются на еепути. Так, молния стремится переместиться в те области пространства, гденапряженность поля меньше; этим можно объяснить частое появление шаровых молнийвнутри помещений.
Вызывает удивление способность шаровой молнии проникать впомещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самоймолнии. Так, молния диаметром 40 сантиметров может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров. Проходя сквозь малое отверстие, молнияочень сильно деформируется, ее вещество как бы переливается через отверстие.Еще более удивительна способность молнии после прохождения сквозь отверстиевосстанавливать свою шаровую форму. Следует обратить внимание на способностьшаровой молнии сохранять форму шара, так как это явно указывает на наличиеповерхностного натяжения у вещества молнии.
Скорость движения шаровой молнии невелика: 1…10 м/с. Заней нетрудно следить. Внутри помещений молния может на некоторое время дажеостанавливаться, зависая над полом.
Живет шаровая молния примерно от 10 секунд до 1 минуты.Меньше живут очень маленькие молнии (диаметром порядка сантиметра и меньше) иочень большие (диаметром около метра и больше). Наиболее долго живут молниидиаметром 10…40 сантиметров. Существуют три разных способа прекращениясуществования молнии. Чаще всего (в 55% случаев) молния взрывается. В 30%случаев молния спокойно угасает ( из-за нехватки запаса энергии, накопленной вней). В 15% случаев внутри молнии развиваются неустойчивости, и она распадаетсяна части. Маленькие молнии обычно угасают («сгорают»); большие «предпочитают»распадаться на части.
Вообще надо сказать, что в поведении шаровой молниинемало коварства. Мы не знаем, обойдет она тот или иной объект или, напротив,притянется к нему. Неизвестно, взорвется она или спокойно угаснет. Наконец,можно лишь гадать, в какой именно момент произойдет взрыв.
Ну а если взрыв все же происходит, то, спрашивается,насколько он разрушителен? Это определяется, очевидно, запасом энергии молнии.
1.3 Опасна ли шаровая молния?
В принципе, конечно, она опасна. Вспомним хотя бы смертьРихмана. Впрочем, следует принять во внимание, что Рихман экспериментировал вовремя грозы со специальным устройством, исследуя атмосферное электричество.Возможно, что, сам того не желая, он искусственно создал шаровую молнию,которая и поразила его.
Вообще же встречи с естественной шаровой молнией, какправило, заканчиваются без трагических последствий. Из проведенного журналом«Наука и жизнь» опроса выяснилось, что из полутора тысяч писем лишь в пятисообщалось о смертельном исходе. При этом несколько смертей произошло не отсамого взрыва шаровой молнии, а от его последствий (например, человек был убитосколком стекла после взрыва молнии). Как отмечалось, энергия, выделяющаяся привзрыве шаровой молнии, не превышает приблизительно 100 кДж. Этого достаточно,чтобы оплавить небольшой участок металла, согнуть не слишком толстую трубу,расщепить бревно, пробить деревянную перегородку, отломить уголок каменнойкладки, устроить пожар. Однако каких-либо действительно серьезных разрушенийшаровая молния произвести, по-видимому, не в состоянии.
Чаще всего шаровая молния обходит человека стороной.Многих наблюдателей удивляет тот факт, что даже на близком расстоянии они неощущали тепла от молнии. В отдельных случаях даже прямое прикосновение молниине причиняло никакого вреда; в других случаях такое прикосновение давало ожоги,хотя и болезненные, но отнюдь не смертельные. Следовательно, температура наповерхности молнии невысока – она либо соответствует обычной температуре, либонемного превышает ее (по-видимому, на более чем на 100 К). Внутри шаровоймолнии температура выше, чем на ее поверхности, однако вряд ли она превышает300…4000С.
Можно утверждать, что опасность шаровой молнии явнопреувеличена. Как показывает практика, куда более опасна линейная молния. Нашстрах перед шаровой молнией основан не на действительной опасности, а наневозможности предвидеть, как она поведет себя через секунду, две, три. Мы незнаем, как надо защищаться от нее.
1.4 Гипотеза возникновенияшаровой молнии. Частота появления
В подавляющем большинстве случаев (более 90%) шароваямолния возникает в период грозовой активности, когда наблюдаются обычные молниии когда напряженность атмосферного электрического поля особенно велика. Но естьотдельные сообщения о появлении шаровой молнии в ясную погоду.
Вопрос о том, как возникает шаровая молния, является,пожалуй, наиболее сложным и неясным. К сожалению, не так уж много людей оказалисьсвидетелями ее возникновения. В большинстве своем наблюдатели утверждают, чтошаровая молния возникла либо сразу после разряда, либо перед разрядом обычноймолнии, что бывает реже.
Как именно рождается шаровая молния при разряде обычноймолнии? На этот счет ничего определенного сказать пока нельзя. Имеются лишьразные предположения. Можно, например, предположить, что шаровая молниявозникает в момент, когда спускающийся из тучи ступенчатый лидер встречается внескольких десятках метров над землей со встречным лидером. Возможно также, чтошаровая молния возникает в месте особенно резкого излома обычной молнии или втом месте, где произошло ее раздвоение. Нельзя не принимать во внимание исообщения, что шаровая молния возникла из земли или воды в том месте, котороебыло только что поражено обычной молнией. Наконец, шаровая молния можетродиться при электрическом разряде между тучами. Понятно, что во всех этихслучаях шаровая молния образуется за счет энергии разряда обычной молнии.
А как быть с теми случаями (о них пишут некоторыеочевидцы), когда шаровая молния выскакивает из телефонных аппаратов,электрических розеток и т. л.? Можно предположить, что она возникает за счетэнергии разряда обычной молнии, которая подводится к телефонному аппарату или розеткепо подключенным к ним проводам.
Шаровую молнию принято считать весьма редким явлением потой причине, что ее удается наблюдать крайне редко. Однако это еще не означает,что шаровая молния редко возникает. Не следует путать частоту ее наблюдений счастотой появлений. Существует гипотеза, согласно которой шаровая молниявозникает столь же часто, как и обычная молния. Обычная молния ярко вспыхивает,хорошо видна за километры, и даже десятки километров; к тому же она оповещает освоем возникновении раскатами грома. Что же касается шаровой молнии, то она,конечно, далеко не столь заметна. Чтобы обратить внимание на сравнительнонебольшой шар, движущийся практически бесшумно и светящийся как 50-ваттнаялампочка, необходимо, что называется, столкнуться с ним «нос к носу». Крометого, надо учесть, что шаровую молнию наблюдают вблизи земной поверхности (навысоте от метра до десятков метров), так что она легко может скрыться за темиили иными объектами. Предположим, что шаровая молния действительно возникает в местеудара обычной молнии. Но разве часто удается наблюдать это место внепосредственной близости? Могут возразить, что шаровую молнию нетрудноопознать по ее взрыву. Однако не всегда она заканчивает свое существованиевзрывом. Могут сказать, что, как отмечалось, шаровая молния взрывается вбольшинстве случаев (приводилось число – 55% случаев). Но ведь эти 55%относятся к случаям наблюдения, а не к случаям появления. Может быть,значительно чаще молния заканчивает свое существование спокойно, без взрыва; простомы ее не замечаем.
Итак, вполне возможно, что шаровая молния – не такое ужредкое явление. Все дело в том, что наблюдатель в состоянии заметить лишь тешаровые молнии, которые либо случайно возникли вблизи него, либо приблизились кнему; во всяком случае, вряд ли кто заметит небольшой светящийся шарик нарасстоянии в несколько километров. Конечно, это только предположение, гипотеза.В настоящее время мы не можем ее подтвердить, как, впрочем, и не имеемоснований отбросить[5].
1.5 Физическая природа шаровоймолнии
Более двух веков ученые всего мира пытаются познать тайнышаровой молнии. Почему она возникает и что собой представляет?[6]
Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровоймолнии, можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласнокоторым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, чтомолния каким-то образом (по какому-то каналу) получает энергию, накапливающуюсяв облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказываетсянезначительным, так что вся передаваемая энергия сосредотачивается в объемешаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы,согласно которым шаровая молния после своего возникновения становитсясамостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит из некоего вещества,внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.
Среди гипотез первой группы отметим гипотезу,предложенную в 1955 г. академиком П.Л. Капицей: «Если в природе не существуетисточников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергииприходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводитсяэнергия, и мы вынуждены искать этот источник вне объема шаровой молнии».[7]
Предполагается, что энергия подводится к шаровой молниипри помощи электромагнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнееговоря, диапазона дециметровых и метровых волн). Сама шаровая молниярассматривается как пучность электрического поля стоячей электромагнитнойволны, находящаяся на расстоянии четверти длины волны от поверхности земли иликакого-либо проводящего объекта. В области этой пучности напряженность поляочень высока, и поэтому здесь образуется сильно ионизированная плазма, котораяи является веществом молнии. Несмотря на многие привлекательные стороны даннойгипотезы, она все же представляется несостоятельной. Дело в том, что она неможет объяснить характера перемещений шаровой молнии, ее причудливого блужданияи, в частности, зависимости ее поведения от воздушных потоков. В рамках даннойгипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии. К тому жевзрыв такой шаровой молнии вообще не должен сопровождаться выделением энергии.Если по каким-то причинам поступление энергии электромагнитного излучения вдругпрекращается, нагретый в пучности волны воздух быстро остывает и, сжимаясь,воспроизводит громкий хлопок.
Следует признать, что такими недостатками страдают всегипотезы первой группы. Учитывая накопленный фактический материал, можно вполнеуверенно утверждать, что шаровая молния – это самостоятельно существующее тело.Иными словами, следует, по-видимому, отдать предпочтение гипотезам второйгруппы.
Остановимся на двух таких гипотезах. Одна из нихпредполагает химическую природу шаровой молнии. Эту гипотезу детальноразрабатывал в середине 70-х годов Б.М.Смирнов. Предполагается, что шароваямолния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 1000 вышетемпературы окружающей атмосферы), небольшой примеси озона O3 и оксидов азотаNO и NO2. Принципиально важную роль играет здесь озон, образующийся при разрядеобычной молнии; его концентрация около 3%. Внутри шаровой молнии происходятхимические реакции:
NO+O3 → NO2+O2
NO2+O3 → NO3+O2
Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объемедиаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем,запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж.Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможностьобъяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностногонатяжения. Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенногоозоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающейатмосферы.
Поэтому сосредоточим внимание на гипотезе, согласнокоторой шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионыобразуются за счет энергии разряда линейной молнии. Затраченная на ихобразование энергия как раз и определяет запас энергии шаровой молнии. Онавысвобождается при рекомбинации ионов Благодаря электростатическим(кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будетобладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную формумолнии.
Также существует кластерная гипотеза, предположенная в 1974 г. И.П.Стахановым.
Если ион окружен молекулами воды, его называютгидратированным. На рисунке 1а изображена схематически молекула воды. Онаявляется полярной молекулой: центры ее положительных и отрицательных зарядов несовпадают друг с другом. На рисунке 1б показан кластер – гидратированныйотрицательный ион, а на рисунке 1в – еще один кластер – гидратированныйположительный ион. Молекулы воды в силу своей полярности удерживаются вблизиионов силами электростатического притяжения. Заметим, что гидратированные ионыизвестны давно; они имеются в растворах электролитов. В последние годы онинайдены также в земной атмосфере.
/>
Рис.1. Кластерная гипотеза
На рисунке 1г два гидратированных иона разных знаковобъединились в нейтральный комплекс. Вот из таких комплексов и состоит,согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии. Таким образом,предполагается, что в шаровой молнии каждый ион окружен «шубой» из молекулводы. Эта «шуба» мешает ионам сблизиться непосредственно друг с другом и темсамым существенно замедляет рекомбинацию ионов.
Если количество рекомбинаций ионов за единицу времени вединице объема не слишком велико, шаровая молния ведет себя спокойно.Выделяющаяся при рекомбинации энергия преобразуется в энергию световогоизлучения и частично передается окружающей среде через теплообмен. Когда жечисло рекомбинаций становится чрезмерно большим, выделяющаяся энергия неуспевает отводиться из молнии – и тогда быстро растет температура, дружнорушатся оболочки ионов-кластеров, рекомбинация резко усиливается – происходитвзрыв.
Итак, согласно кластерной гипотезе, шаровая молнияпредставляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подводаэнергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных иотрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствиегидратации ионов. Надо признать, что данная гипотеза (в отличие от остальных)вполне хорошо объясняет все свойства шаровой молнии, выявленные в результатемногочисленных наблюдений. И все же пока это только гипотеза, хотя и довольноправдоподобная.
Что даст нам понимание природы шаровой молнии? Естественносчитать, что в основе природы шаровой молнии лежат известные физическиезакономерности, но их сочетание приводит к новому количеству, которого мы непонимаем. Разобравшись в этом, мы найдем реальным то, что ранее казалосьэкзотическим, и получим качественные представления, которые могут иметь аналогии в других физических процессах и явлениях. Получение таких представленийобогащает науку и является ценным в рассматриваемых исследованиях. Таковалогика развития науки вообще, и накопленный опыт исследования природы шаровоймолнии подтверждает это.
Глава II. Проблема созданияшаровой молнии, использование ее энергии
Практически неослабевающий интерес к шаровой молнииобусловлен, по-видимому, тем, что до сих пор не существует какой-то однойобщепринятой модели ее внутреннего строения. Точно также нет иэкспериментальной техники, которая позволяла бы в любой момент временисоздавать искусственные шаровые молнии, не отличающиеся по своим свойствам отприродных аналогов[8].
2.1 Гастон Планте
Ученые не раз пытались получить шаровую молнию влабораторных условиях. Впервые и наиболее успешно это удалось Гастону Планте.
Ученый заряжал соединенные параллельно аккумуляторы отгальванического элемента, а затем при помощи специального переключателя –«реостатической машины» — соединял их последовательно. (Отдельный аккумулятор всреднем дает напряжение 2,5 В, но когда их соединяют последовательно, тонапряжения складываются.)
Так Планте удавалось получить батарею с напряжением до4500 В. При ее разряде через воду на положительном электроде получалисьустойчивые вращающиеся шары. Направление вращения было случайным, что говорит отом, что оно не связано с действие тока. В то же время при перемещенииэлектрода шары следовали за ним. Это говорит, что они получали энергию отбатареи.
Такие огненные шарики Планте уверенно отождествлял сшаровыми молниями и полагал, что шаровая молния – это первичная формасуществования «электрической материи», а линейная – лишь цепочка шаровых. Этозаявление он подтверждал своими наблюдениями, из которых следовало, что вгороде практически при любой грозе можно увидеть шаровую молнию, нужно лишьуметь смотреть.
Планте утверждал, что шаровая молния получает энергиючерез вихревой столб, по которому на нее стекают заряды из грозовых туч.Сегодня к этому можно добавить то, чего Планте не знал: полный внутри вихревойстолб является отличным волноводом, концентрирующим в нижней своей частиэнергию возникающих при грозе электромагнитных волн[9].
2.2 Никола Тесла – повелитель молний
Идея Теслы была проста и одновременно глобальна:научиться отбирать электричество, преобразовывать его и без проводов передаватьв самые глухие уголки земного шара.
«К концу 1898 систематические исследования, проводившиесямного лет с целью усовершенствования метода передачи электрической энергиичерез естественную среду, привели меня к пониманию трех важных потребностей;Первая — разработать передатчик огромной энергии; вторая — усовершенствоватьспособы индивидуализирования и изолирования передаваемой энергии; и третья —выяснить законы распространения токов через землю и атмосферу» — Никола Тесла[10].
Проверку своих идей он начал в 1899 году в горном районеКолорадо-Спрингс, известном своими частыми грозами с исключительно мощнымимолниями. Через некоторое время по словам Теслы он знал о молниях больше, чемзнает о них сам Бог. На очереди стояла проверка принципов передачи энергии надальние расстояния без проводов. С этой целью была построена специальнаялаборатория. Вскоре ученый убедился, что электрический заряд может передаватьсячерез землю без проводов и радиоволн[11].
2.3 Современные исследования
На сегодняшнее время эксперименты по созданию шаровоймолнии и сравнению ее свойств с природной проводятся на экспериментальномполигоне недалеко от г. Владимир. (Подробнее в Приложении).
Глава III. Практическая часть
Для того, чтобы убедиться в том, что использованиеэнергии шаровой молнии в практических целях действительно выгодно нам нужно:
Оценить энергию шаровой молнии.
Рассчитать мощность исследуемого объекта.
Определить, число шаровых молний, потребуется,необходимых для обеспечения промышленного города.
Оценить количество энергии в шаровой молнии можно по темпоследствиям, которые она оставляет после своего исчезновения. Воспользуемсясообщением одного из наблюдателей: «Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм ».
Значит, молния испарила около 0,45 г железа (v=56 мм3, p=7,9*103 кг/м3). Для этого требуется энергия, равная 4 кДж.
Естественно, что не вся энергия шаровой молнии былаизрасходована на испарение небольшого участка батареи, так что полученныйрезультат можно рассматривать всего лишь как оценку нижней границы энергиимолнии: эта энергия оказывается не меньше нескольких килоджоулей.
Вот еще одно из наблюдений шаровой молнии: «Молниядиаметром 30 см взорвалась около водопроводного крана. Этот кран представлялсобой трубу диаметром 3 см и высотой 80 см. После взрыва труба оказалась скрученной и была покрыта окалиной, хотя и не накалилась докрасна». Чтобы скрутитьжелезную трубу, надо разогреть некоторый ее участок до достаточно высокойтемпературы. В то же время, как указывает наблюдатель, труба не накалиласьдокрасна. Поэтому можно предположить, что молния нагрела участок трубы, скажем,на 600 К. Длину этого участка будем полагать приблизительно равной диаметрутрубы.
Решим в связи с этим следующую задачу. Сколько энергиитребуется для нагревания на ∆T=600 К участка железной трубы длиной l=5см? Наружный радиус трубы R=1,5 см, внутренний r=1,2 см. удельная теплоемкостьжелеза c=0,71 Дж/(г*К), плотность железа ρ=7,8 г/см3.
Найдем массу трубы:
m=ρ/>(πR2-πr2)l,
где (πR2-πr2)l – объем трубы
Используя числовые значения величин, получаем m=100 г.Отсюда находим искомую энергию:
W=cm∆T=4,2*104 Дж=42 кДж.
Энергия шаровой молнии может принимать значения отнескольких килоджоулей до нескольких тысяч килоджоулей. Чтобы убедиться в этомрешим следующую задачу, основанную на событии, произошедшем в Закарпатье, близгорода Перечина:
В августе 1962 года, около 11-12 часов вечера в корыто сводой для скота упала шаровая молния размером с теннисный мяч: она светиласьцветами радуги в течение около 10 секунд. Вода из корыта полностью выкипела, надне лежали сварившиеся лягушки. Размер корыта 0,3*2,5 метра. Глубина слоя воды– 15 см[12].
Масса воды равна: ρ*V. V=11,3*10-2м3.
Плотность воды – 1*103 кг/м3.
Отсюда получаем массу воды, равную 113 кг
Найдем энергию, которая потребовалась для того, чтобывода выкипела:
W=cm∆T+Lm
Удельная теплоемкость воды – 4200 Дж/кг*К. Температуракипения воды – 1000С, а температуру воды изначально возьмем примерно равную180С.
W=299*103 кДж ≈ 300*103 кДж
В условии задачи дано время существования молнии вкорыте. В связи с этим найдем мощность молнии:
P=W/∆t. P=/>30*103 кВт.
Мощность шаровой молнии может быть поистине огромной.Интересно, сколько молний потребуется, чтобы обеспечить промышленный городэлектроэнергией. Возьмем, например, такой город, как Нижний Тагил и решимследующую задачу:
Рассчитаем, сколько молний потребуется, чтобыобеспечивать Нижний Тагил электроэнергией в сутки. Если в среднем город НижнийТагил в течение суток потребляет 800*103 кВт. электроэнергии. Мощность шаровоймолнии составляет 30*103 кВт.
N=800*103/30*103 кВт = 27
Получив данный результат, можно утверждать, чтоиспользование энергии шаровой молнии является вполне реальным и выгодным. Такженужно учесть, что шаровая молния является более безопасной и экологическичистой, чем атомные электростанции.
Заключение
В ходе данной работы нами были исследованы свойствашаровой молнии, ее поведение. На основе рассказов очевидцев, была рассчитана ееэнергия и мощность. По полученным результатам можно смело говорить обиспользовании шаровой молнии. Прежде всего, это касается дешевойэлектроэнергии. Но главная проблема состоит в том, что мы не умеем удерживатьшаровую молнию длительное время. Нам следует продолжать исследования по даннойтеме.
Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца непонято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, темболее как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активноизучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочноеатмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для егообъяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физическихконцепций.
Основной камень преткновения в этих исследованиях —отсутствие надёжной методики воспроизводимого получения шаровой молнии вуправляемых, лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была быпрактически решена. Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишьотдалённо схожее с шаровой молнией. И, изучая это «нечто», экспериментаторыпока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другоеявление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигатьсовершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы осущности шаровой молнии.
Что может дать человеку изучение природы шаровой молнии?В настоящее время эти исследования носят фундаментальный характер, то есть покане разрабатываются способы использования шаровой молнии в практических целях.Однако результаты именно фундаментальных исследований приводит к появлениюпринципиально новых видов технических устройств, радикальному изменениютехнологий, появлению новых видов научных знаний.
Однако уже сейчас можно обозначить достаточно весомуюперспективу. Это, например, сверхмощное оптическое воздействие на протяженныеобъекты (в отличие от тонкого лазерного луча).
Это беззеркальные накопители энергии для сверхмощныхлазеров на основе закольцовки лучей за счет рефракции.
Это, наконец, новые перспективы в решении проблемы управляемоготермоядерного синтеза.
Список литературы
1. Видеофильм Властелин мира. Никола Тесла.
2. Демкин С. Загадка «огненных яблок / С. Демкин //Тайная власть – 2007. — №12. – С.5.
3. Коллекция рефератов и сочинений // Рефераты по точнымнаукам // Шаровая молния
4. Кунин В.Н. Шаровая молния на экспериментальномполигоне 2000. – С 3-5
5. Ильин. А. Шаровая молния: вопросы без ответов /А.Ильин // Юный техник – 2005. — №5. – С.40.
6. Муранов А.П. В мире необычных и грозных явленийприроды // Огненные стрелы небес. 1977. – С. 83
7. Никола Тесла. Лекции и статьи // Передачаэлектрической энергии без проводов 2003. А 153
8. Петрова И. Хоть стой, хоть падай / Петрова И. // ТайныХХ века – 2006. — №34. – С. 15
9. Славин. С. Охотники за молниями / С. Славин // Юныйтехник. – 2004 — №11 – С.50.
10. Тарасов Л.В., Физика в природе // Шаровая молния С.103-111
11. Томилин А. Загадка шаровой молнии / А. Томилин // ЗаклятиеФавна С. 96
12.Усанин А. Своенравная дочь Перуна / А. Усанин // Чудесаи приключения – 2006. — №9. – С. 41
13. Щелкунов Г. / Шаровая молния: наблюдения и анализследов / Г.Щелкунов // Наука и жизнь – 2001. — №10 – С.52.
14. Интернет. Федосин С.Г. Электронно-ионная модель шаровоймолнии// mt.arisfera.info/lightning_articles/lightning_articles10.html#
Тезаурус
Кластер – это положительный ион, окруженный своеобразной«шубой» из нейтральных молекул.
Магнитное поле – вид материи, посредством котороговзаимодействуют между собой движущиеся электрические заряды.
Плазма (от греч. plasma — вылепленное, оформленное),ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядовравны
Рекомбинация ионов — образование нейтральных атомов имолекул из свободных электронов положительных атомных или молекулярных ионов(процесс, обратный ионизации).
Приложение
На сегодняшнее время эксперименты по созданию шаровоймолнии и сравнению ее свойств с природной проводятся на экспериментальномполигоне (недалеко от г. Владимир), на уникальных крупномасштабных установках,обеспечивающих параметры процессов, близкие к параметрам природных процессов.
На полигоне расположены:
Комплекс по регистрации электрических полей КНЧдиапазона.
Приемно-регистрирующий комплекс документации вариациивертикальной составляющей электрического поля Земли в крайне низкочастотномдиапазоне включает в себя около 15 регистраторов вариаций электромагнитногополя Земли (ЭМПЗ).
Систематическая регистрация вариаций ЭМПЗ дает надежду наразработку не только надежного прогноза неблагоприятных периодов сколичественной оценкой степени неблагоприятности, но и предсказания самихглобальных явлений (например, землетрясений). В этом главная научная задачакруглогодичной работы полигона.
Импульсную компоненту вариаций создают молниевые разряды,поэтому их регистрация также производится попутно.
Одним из интересных и до сих пор загадочныхтеплоэлектрических явлений в атмосфере считается шаровая молния. Ее природазанимает уму не только физиков-профессионалов, но и широкого кругалюбознательных людей. Естественно, она должна была попасть в круг полигонныхинтересов, в результате чего была поставлена задача попытаться создать наполигоне шаровую молнию искусственно.
Ясно, что на полигоне пришлось создать мощные источникиэлектрических импульсов. И хотя их мощность значительно уступает мощностисиловой цепи подводной лодки, необходимый результат был получен за счетоптимизации характеристик разряда и конструкции плазменной пушки. Рассмотримэти источники:
Инерционный копровый накопитель энергии.
Этот накопитель – наиболее надежный и простой вуправлении источник электрических импульсов полигона, однако, к сожалению,наименее мощный. Он используется в тех экспериментах, где не требуется большаямощность, но требуется хорошая дозировка получаемой энергии. Основнымиэлементами накопителя являются электромагнит постоянного тока с броневыммагнитопроводом и рабочая катушка. Электромагнит под действием силы тяжестипадает по направляющим колоннам на соосно расположенную рабочую катушку так,что она входит внутрь электромагнита. При этом вырабатывается электрическийимпульс колоколообразной формы. Электромагнит массой 1350 кг питается от генератора постоянного тока с силой 500 А. Он поднимается лебедкой сэлектрическим приводом на высоту 9 м. Масса установки 4 т. Накопительгенерирует импульсы тока с энергией до 50 кДж и длительностью 50-100 мс.Максимальная мощность около 1000 кВт. Таким образом, он дает выигрыш по отношениюк мощности электросети приблизительно в 10 раз.
3. Пороховой генератор сверхмощных электрическихимпульсов.
В отличие от копрового накопителя, при генерацииэлектрического импульса рабочая катушка не входит, а наоборот – выстреливаетсяиз электромагнита. На вертикальной раме к противооткатному устройству подвешенэлектромагнит. На рабочую катушку укладывается в виде кольца пороховой зарядвесом до 10 кг. Затем катушка, с помощью подвижной платформы, лебедкой вводитсяв электромагнит. Включается ток питания электромагнита и рабочая катушка сбольшой силой притягивается к магниту, замыкая без зазора броневоймагнитопровод, что обеспечивает высокое значение магнитной индукции.Пространство, занятое зарядом, также оказывается замкнутым.
Платформа опускается вниз и производится выстрел. Взамкнутом пространстве скорость горения пороха очень большая и давлениепороховых газов быстро растет. После того как сила пороховых газов превыситсилу притяжения катушки к магниту, катушка вылетит из него.
При заряде в 10 кг движение рабочей катушки происходит при усилии на нее, равном 3000 т с ускорением 1000 g. Это обеспечивает индуцирование электрических импульсов с напряжением около 1кВ при силе токапорядка 500 кА. Такой ток равносилен самым мощным разрядам природных молний.Пороховой генератор предназначен для проведения эксперимента, близкого кнатуральному. В настоящее время генератор прошел наладочные испытания суменьшенным зарядом. При выстреле в земле возникает сейсмическая волна,способная нанести вред зданию лаборатории и помешать проведению экспериментов.Поэтому генератор построен на расстоянии 40 м от здания. Для подводящей электролинии требуется 15 т медного провода.
Индукционный накопитель.
Он представляет собой индуктивность на основе U-образногоразомкнутого сердечника из трансформаторного железа массой 22000 кг, имеющего сечение 0,80*0,75м2. На сердечник намотано 15 витков из параллельно соединенныхмедных проводов, имеющих суммарное сечение около 4*103 мм2. С целью увеличениякоэффициента заполнения и исключения электрического пробоя изоляции, укладкупроводов на одной части магнитопровода вели от центра к периферии, а на другойчасти – от периферии к центру. Общая масса накопителя около 4*103кг,индуктивность L=6,5*10-4 Гн, а запасаемая энергия при токе питания 3*104 Аоколо 0,5 МДж.
Тепловая установка «метеотрон».
Тепловая установка метеотрон предназначена для имитациивысокоэнергетических природных и антропогенных явлений в атмосфере. Ее основныечасти:
Цистерна для горючего (керосин) емкостью 180 м3.
Топливный насос низкого давления.
Топливный насос высокого давления (расход топлива – 9л/с).
Топливные магистрали высокого давления с распределеннымипо ним форсунками (51 шт.), распыляющими керосин в туман.
Дизельный насос для подачи воды (100 л/с) из озера ксоплу реактивного двигателя.
Реактивный двигатель для распыления этой воды в туман иподачи тумана к топливным форсункам.
Измерительное хозяйство.
При работе установки каждая форсунка создает вертикальныйфакел высотой семь метров, так что общий объем пламени около 700м3. Тепловаямощность установки около 450 000 кВт.
Установка позволяет имитировать крупные пожары (например,пожары на нефтяных скважинах), ликвидировать облачность в районе полигона,создавать грозовое облако натуральных размеров с разрядами линейной молнии натерриторию полигона. Такую возможность этой установки предполагаетсяиспользовать для создания шаровой молнии в натурном эксперименте.
Эксперимент по созданию грозового облака с помощьюметеотрона.
Экспериментальная установка по получению и исследованиюдолгоживущих плазменных образований в атмосфере.
Оптическая лаборатория.
Лаборатория предназначена для решения задач, связанных сновыми технологиями в навигации и управлении движением различных объектов.
В работах Владимирского государственного университетаможно выделить задачи трех этапов:
1. В лабораторных экспериментах исследовать условияполучения аналогов шаровой молнии с достаточно большим времени жизни.
2. Выяснить физику возникновения светящегосядолгоживущего образования, которое может рассматриваться как аналог шаровоймолнии.
3. Подготовить проведение натурных экспериментов,практически полностью реализующих условия образования шаровой молнии в природе.