Познавательно

Известно, что внутри облака заряд сосредоточивается на частицах воды; поэтому при своем перемещении заряд должен захватить с собой и воду. Подвижность частиц воды, даже очень сильно заряженных, так мала, что возбудить заметный ток может лишь электрический пробой воздуха. Другими словами, разряд может наступить лишь в случае подобного пробоя. Поэтому я должен сказать несколько слов о процессе ионизации и об электрическом пробое воздуха.

 

При нормальном давлении и температуре, электрический пробой воздуха наступает в том случае, когда силовое поле достигает 30 000 вольт на сантиметр. При этих условиях электрон за короткий промежуток своего свободного движения приобретает такую скорость, что при столкновении в конце своего пути с нейтральной молекулой он оказывается способным вырвать из нее один или несколько электронов. Эти освобожденные электроны, попадая в поле той же интенсивности, воспроизводят тот же самый процесс, в результате чего, в течение короткого времени образуется большое количество свободных электронов, движущихся с большой скоростью вдоль электрических силовых линий.

Скорость движения электронов очень отличается от скорости движения ионов в том же поле. Эта разница так велика, что даже в самом сильном ноле отрицательные и положительные ионы, но сравнению с электронами, можно считать практически неподвижными. Носителями положительного электричества являются всегда только ионы; элементарные частицы положительного электричества—протоны, будучи атомами материи, являются ионами. Поэтому при пробое воздуха движутся лишь большие количества отрицательного электричества, в виде электронов, в то время как положительное электричество остается связанным о практически неподвижными положительными ионами.

Так как во время грозы па одной части облака аккумулируется электрический заряд одного знака, а на другой части — заряд противоположного знака, то интенсивность поля между ними возрастает. На рис. 1 (а) эти заряды изображены знаками + и —; там же указаны и силовые липни. Так как заряд распределяется неравномерно, то силовые линии непараллельны; они приближаются друг к другу в .месте соединения обоих зарядов, где интенсивность поля максимальная.

При достаточном увеличении интенсивности поля, пробой воздуха произойдет прежде всего по линии АB. Как только это произойдет, эта небольшая область станет весьма электропроводной; эффект получается аналогичный тому, какой мы имеем, вводя отрезок проволоки в электростатическое поле. Изображенные на диаграмме 1 (b) силовые линии указывают новое распределение; интенсивность поля значительно возрастает по краям проводящей области, где линии сходятся к ней.

На рис. 1 (с) область электрического пробоя воздуха изображена в увеличенном масштабе. Электроны быстро двигались налево,т. е. по направлению к положительному заряду; правую половину проводящей области заполняли положительные ионы, которые, как уже было указано, можно считать неподвижными. Такова картина непосредственно после пробоя воздуха; особенный интерес представляют, однако, последующие изменения. На диаграмме стрелки на силовых линиях указывают направление движения электронов. Налево электроны выталкиваются из проводящей области в окружающий неионизированный воздух; оттуда они переходят в менее интенсивное поле и захватываются нейтральными молекулами, для образования отрицательных ионов. Эти ионы обладают малой подвижностью и остаются в области рассеянного поля, в конце проводящего канала.

Действие этого облака отрицательных ионов на электрическое поле показано на рис. 1 (d); из него видно, что по краям проводящей области первоначальное интенсивное поле уже не существует, так как эта область значительно расширились и многие из силовых линий кончаются в области расположения отрицательного электричества, связанного с новыми отрицательными ионами.

Обращаясь снова к рис. 1 (с) и рассматривая условия на другом конце проводящей области, мы находим в них большую разницу. Канал заполнен положительными ионами, слишком громоздкими для заметного продвижения, несмотря на стремление поля вытолкнуть их, вследствие чего форма канала остается неизменной. Однако, благодаря концентрации силовых линий, наступившей после пробоя воздуха, интенсивность поля у края проводящей области очень велика, и воздух в пространстве, окружающем конец канала [указанном пунктиром на рис. 1 (с)], не в состоянии противостоять электрическому напряжению. В результате происходит новый пробой, с новым освобождением большого количества электронов. Эти электроны сразу устремляются в проводящий канал, где они сильно ионизируют воздух, сталкиваясь с молекулами его при прохождении канала. В конце концов, они проникают в облако отрицательных ионов через другой конец канала. Переход электронов из вновь ионизированной области в другой конец канала сопровождается заполнением этой области положительными ионами; другими словами, этот канал, как показано на рис. 1 (d), попросту продолжается в область отрицательного электричества. Однако, на этом процесс не заканчивается, так как конец удлиняющегося канала остается острым, вследствие чего поле в конце его оказывается еще достаточно интенсивным для того, чтобы ионизировать воздух. Таким образом, канал сам быстро удлиняется в направлении, противоположном движению электронов, и проникает далеко в область, где перед разрядом интенсивность поля была слишком слаба для того, чтобы вызвать пробой воздуха.

Часто случайные причины вызывают при росте канала разветвление его, в результате чего получается картина, изображенная на рис. 1 (с). Этот рисунок иллюстрируетдва чрезвычайно важных свойства электрического разряда в воздухе при нормальном давлении. 1. Возникновение разряда вызывает пробивание канала в одном только направлении, а именно,— к месту расположения отрицательного электричества; в другом же направлении канал не образуется; там находится только рассеянное облако отрицательных ионов. 2. Все разветвления имеют одно и то же направление, именно: в сторону расположения отрицательного электричества. Это обстоятельство имеет большое значение, так как дает нам возможность определить положительный конец молнии, если видны ее разветвления.-

Рис. 2. Разряд между положительным и отрицательным электродами.

До сих пор мое описание грозового разряда было чисто теоретическим, но ряд произведенных мною лабораторных опытов всесторонне подтвердил эту теорию. Эти опыты описаны мною в специальной статье о молнии, и я упомяну здесь только один из них. На фотографической пластинке были помещены два медных диска, изображающих заряженные области облака, один— положительный (А), другой — отрицательный (В). Для концентрации поля на каждом диске выступала небольшая проволочка. Диски соединялись с электростатической машиной Уимшерста, вследствие чего наступал разряд, результаты которого указаны на рис. 2. Длинные, тонкие, очень заостренные на концах каналы исходят из положительно заряженного электрода, из отрицательно же заряженного — каналы не исходят; там имеется лишь небольшое облако около конца проволочки.

Дж. К. Симпсон, 1930г

Скачать статью полностью можно здесь

Читайте также:
Атмосферное электричество
Электростатическая индукция