Физика молний

Презентация по физике  
на тему: «ФИЗИКА МОЛНИЙ»

Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому удается выжить после поражения молнией.

• МОЛНИЯ - природный разряд больших скоплений  электрического заряда в нижних слоях  атмосферы. Одним из первых это установил  американский государственный деятель  и ученый Б.Франклин. В 1752 он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру  которого был прикреплен металлический  ключ, и получил от ключа искры  во время грозы. Проведенный эксперимент  доказал, что  молния – это электрический  заряд  большой мощности
• С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.
• Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии. В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь.

 
 
 

 История

• Формирование  молнии.

    Первый этап образования молнии включает в себя первоначальный разряд низкой яркости, известный как нисходящий (бегущий) лидер. Он формируется в центре облака и двигается вниз к земле ступенями в нескольких десятков метров(Рис.2-а). Одновременно, по мере снижения нисходящего бегущего лидера, электрический заряд в атмосфере на уровне земли увеличивается. В любой расположенной поблизости возвышенной точке, типа опоры электропередач или молниеотвода, немедленно начинается естественная ионизация в виде электрических разрядов голубого цвета. Это явление объясняется эффектом истечения заряда с острия или эффектом короны, наблюдаемым, например, моряками в грозу или альпинистами, сообщающими о том, что перед грозой они слышали характерный звук, похожий на жужжание пчел.

      Как только нисходящий бегущий  лидер окажется достаточно близко  к земле, ионизация вследствие  эффекта короны(  заряда статического  электричества у земли) усиливается,  особенно около любой возвышенной  точки, и превращается в направленный  вверх разряд, восходящий лидер,  поднимающийся к облаку (Рис.2б)

      Когда один из  этих направленных  вверх разрядов встречается с  нисходящим лидером, прошедшим  значительный путь вниз, образуется  ионизированная проводящая дорожка(канал  молнии), по которой пробегает  мощный разряд электрического  тока. Это и есть молния, характеризующаяся  яркой  вспышкой  и оглушительным  звуком грома (Рис.2с). Уда молнии  может состоять из множества  последовательных обратных молний, бьющих с земли, разделенных   несколькими сотыми долями секунды,  следующими по тому же высокоионизированному  пути. 
 
 

      Физические свойства молнии

   Линейная  молния «туча-земля»

   Молния  «земля-облако»

   Молния  «облако-облако»

   Горизонтальная  молния

   Ленточная молния

   Бисерная (пунктирная молния)

   Спрайтовые  молнии

   Шаровая молния 

        Какие бывают молнии?

Линейная  молния

Молния  «земля-облако»

Молния  «облако-облако»

Горизонтальная  молния

Ленточная молния

Бисерная  молния

Шаровая молния

      Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли. В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2.10-12 А/м2, и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

• Молнии  — серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного  молнией часто  происходит на открытых пространствах, так  как электрический  ток идёт по кратчайшему  пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и  трансформаторные установки  на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной  линейной молнией  внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может  проникать через  щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для  телевизионных и  радиоантенн, расположенных  на крышах высотных зданий, а также  для сетевого оборудования.
• Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.
• Каждый год молнии убивают в России, по некоторым оценкам, 550 человек, в США -- около 200

 
 

         Молния     человек

• Молния  и электроустановки

    Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение, вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются грозовыми разрядниками. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией.

       Молния и авиация

    Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса, летательные аппараты оборудуются разрядниками.

       Ввиду того, что  электрическая емкость  самолёта, находящегося  в воздухе невелика, разряд «облако-самолёт»  обладает существенно  меньшей энергией  по сравнению с  разрядом «облако-земля». Наиболее опасна  молния для низколетящего  самолёта или вертолёта,  так как в этом  случае летательный  аппарат может  сыграть роль проводника  тока молнии из  облака в землю.  Известно, что самолёты  на больших высотах  сравнительно часто  поражаются молнией  и тем не менее,  случаи катастроф  по этой причине  единичны. В то  же время известно  очень много случаев  поражения самолётов  молнией на взлете  и посадке, а  также на стоянке,  которые закончились  катастрофами или  уничтожением летательного  аппарата.

   Молния и надводные  корабли

      Молния также представляет  очень большую  угрозу для надводных  кораблей в виду  того, что последние  приподняты над  поверхностью моря  и имеют много  острых элементов  (мачты, антенны), являющихся концентраторами  напряженности электрического  поля. Во времена  деревянных парусников, обладающих высоким  удельным сопротивлением  корпуса, удар  молнии практически  всегда заканчивался  для корабля трагически: корабль сгорал  или разрушался, от  поражения электрическим  током гибли люди. Клёпаные стальные  суда также были  уязвимы для молнии. Высокое удельное  сопротивление заклёпочных  швов вызывало  значительное локальное  тепловыделение, что  приводило к возникновению  электрической дуги, пожарам, разрушению  заклёпок и появлению  водотечности корпуса.

      Сварной корпус  современных судов  обладает низким  удельным сопротивлением  и обеспечивает  безопасное растекание  тока молнии. Выступающие  элементы надстройки  современных судов  надежно электрически  соединяются с  корпусом и также  обеспечивают безопасное  растекание тока  молнии.

   Типичная  молния длится около четверти секунды  и состоит из 3-4 разрядов.

   Молнии  путешествуют со скоростью 56'000 км в  секунду и имеют силу тока в 10-40 тысяч ампер.

   В мире каждую минуту сверкает 6000 молний.

   Средняя гроза путешествует со скоростью 40 км в час.

   Прямо сейчас в мире гремят 1800 гроз.

   В Сингапуре, например, в среднем бывает в году более 170, а в некоторых местах на о. Ява - до 220 дней с грозой! 

Молниеносные          факты