9zip.ru Катушки Теслы О разряде молнии

После того как Франклин доказал тождественность природы искры, наблюдавшейся им при изучении работы Лейденской банки, и грозового разряда, естественной была мысль расширить и углубить лабораторные исследования столь быстро развивающегося и столь трудно уловимого явления, какое представляет собой молния.

Одним из основных вопросов изучения грозового разряда является механизм его развития. Благодаря тому, что разряд происходит в воздушном промежутке, наиболее характерные части его вызывают свечение, в силу чего возможно наблюдение его и регистрация при помощи оптических методов. Именно изучение молнии оптическим методом для решения ряда вопросов оказалось наиболее плодотворным.

Полученные рядом исследователей снимки молнии, сделанные при помощи перемещающегося фотографического аппарата, показали, что грозовой разряд, воспринимаемый невооруженным глазом как единичное явление, в действительности часто состоит из ряда быстро следующих друг за другом разрядов, в большинстве случаев происходящих точно по траектории, проложенной первым разрядом. Анализ снимков показывает, что развитие начальной стадии молнии, идущей к земле, происходит от тучи вниз.

Дальнейшие результаты, значительно углубившие наши познания о росте молнии, принесли работы группы английских исследователей, проводившиеся ими в течение ряда лет в Южной Африке. При помощи специально построенного фотографического аппарата были сняты изображения молнии, настолько растянутые по времени, что была получена возможность детального изучения составных элементов разряда.

Каждый грозовой разряд, ударяющий в землю, состоит из серии отдельных импульсов, числом от 1 до нескольких десятков. Интервалы времени между отдельными импульсами сильно варьируют — от тысячных до десятых долей секунды. Первый импульс каждой серии отличается от последующих данной серии двумя характерными чертами: он, во-первых, значительно интенсивнее, чем последующие импульсы, а во-вторых, значительно более ветвист.

Каждый импульс, в свою очередь, имеет сложный характер и состоит из лидера, идущего от тучи к земле, и главного канала, распространяющегося с большой скоростью, имеющего большую яркость и движущегося в обратном направлении.

Последние работы выявили различие между лидером, прокладывающим путь главному каналу первого импульса, и лидером, предшествующим главным каналам последующих импульсов.

Первый лидер имеет вид светящегося стримера (ветви, искры), распространяющегося отдельными толчками (ступенями), причем длина каждой ступени в среднем равна 50 м. После образования ступени свечение стримера практически прекращается на время около 100 uS. После этого периода погасания стример движется далее (со средней скоростью 5- 109 см/сек.) по старому пути, не развивая много света, до тех пор, пока он не подойдет к области воздуха, не затронутого предыдущим стримером.

Здесь стример образует новую очень яркую ступень и снова останавливается. Так как фотопластинка практически улавливает лишь ярко освещенную часть стримера, находящуюся на его конце, фотография такого типа лидера дает обычно лишь серию продолговатых линий, простирающихся от тучи до земли и удаленных по горизонтали друг от друга благодаря движению камеры при экспозиции.

Лидеры последующих импульсов имеют характер непрерывно распространяющихся стреловидных стримеров, сопровождающихся слабым свечением.

Вторая часть импульса представляет собой главный канал, который начинается в момент удара лидера в землю. По существующим воззрениям главный канал образуется в результате течения индуцированных в земле зарядов, которые подтягиваются к месту удара лидера.

Любопытно еще то, что обильная ветвистость главного канала первого импульса серии, как и зигзагообразный путь молнии, обусловлены исключительно идущим вниз ступенчатым лидером. Анализ полученных фотографий приводит к заключению, что разнообразный вид отдельных импульсов может быть объяснен различными проводимостями почвы. Обобщая это, иногда полагают, что вообще появление повторных импульсов зависит от удельной проводимости почвы, в которую попадает разряд. Получение большого количества фотографий молний, ударяющих в воду, сможет осветить этот важный вопрос.

Количественный анализ фотографий показал, что скорость движения конца ступенчатого лидера равна в среднем 5*10^8 см/сек. С учетом паузы лидера средняя скорость его движения оценивается величиной 1.5*10^7 см/сек. Скорость стреловидного лидера в среднем равна 2*10^8 см/сек. Скорость главного канала равна в среднем 3.5*10^8 см/сек.

В том случае, когда интервал времени между двумя последующими импульсами относительно велик и ионизация в канале в силу этого упала до величины, меньшей обычной, повторный лидер теряет способность стреловидного движения и начинает распространяться ступенчато. Некоторым исследователям ступенчатое движение кажется единственно возможным методом развития в столбе мало или совсем не ионизированного воздуха.

При ударе молнии в провода линии электропередачи по ней начинают распространяться электромагнитные волны перенапряжений, имеющие форму, подобную применяемым в лаборатории для импульсного испытания изоляции.

Как уже отмечалось выше, грозовой разряд представляет собой явление, недостаточно полно изученное экспериментально. Еще меньше продвинута теоретическая сторона работы. В целом ряде исследований, касающихся различных сторон явлений разряда, принимались положения, которые при дальнейшем экспериментальном изучении оказывались ошибочными. Первоначальные работы касались вопроса о схеме замещения грозового разряда.

В этих работах туча рассматривалась как металлический проводник, а разряд — происходящим между двумя идеально проводящими обкладками. При этом допускался колебательный характер разряда. Накопление фактического материала заставило сильно изменить схемы замещения. Наиболее близко условия разряда изображаются схемой, в которой туча представляется состоящей из отдельных участков, обладающих каждый приблизительно одинаковым потенциалом. При разряде одного из участков тучи потенциал его снижается, благодаря чему может наступить разряд соседнего объема тучи. Такая схема протекания явления может объяснить повторные, быстро следующие друг за другом разряды, зарегистрированные вращающимися камерами. В рассмотренной картине разряда принимается наличие сопротивлений в отдельных частях — туче, канале молнии и земле, благодаря чему разряд, как правило, не должен иметь колебательный характер.

С точки зрения практических расчетов очень важно получение схемы замещения канала молнии металлическим проводником, обладающим определенным волновым сопротивлением. Действительно, при ударе молнии, напр. в трос высоковольтной линии передачи, на последнем появляется потенциал относительно земли. Величина и характер изменения этого потенциала зависят от характера изменения тока молнии и целого ряда физических и геометрических факторов, из которых важнейшими являются: сопротивления заземлений опор (а следовательно, тросов), волновое сопротивление троса, длина пролета между соседними опорами линии передачи, высота опор и пр.

В технических расчетах канал молнии заменяют металлическим проводником, по которому распространяется электромагнитный импульс данной формы. Получающаяся при этом схема сравнительно просто анализируется, и при принятых количественных параметрах решение может быть получено с желаемой степенью точности. Однако -основная предпосылка, что канал молнии может быть замещен определенным проводником с установленным волновым сопротивлением, не может быть безоговорочно принята, ибо сложные физические процессы, происходящие в канале молнии при его развитии, заставляют подходить к вопросу количественного определения этого сопротивления с большой осторожностью.

Касаясь теоретических работ, в которых рассматривался механизм развития молнии, нужно отметить, что большинство из них после получения новых экспериментальных данных оказывались лишенными всякого основания. Отдельные теоретические высказывания остаются правильными и в свете новых факторов, однако общая теория грозового разряда ждет своей разработки.

Когда смотришь на извилистый путь молнии, управляемой невидимыми факторами, невольно приходит в голову вопрос: чем определяется траектория этого грандиозного разряда?

В многовековой литературе по молнии можно найти самые различные догадки, гипотезы и теории по поставленному вопросу. В самое последнее время много обсуждается свойство молнии усиленно поражать определенные участки земной поверхности. Это явление представляет большой интерес не только с теоретической, но и с чисто практической точки зрения, так как с ним приходится вплотную сталкиваться при защите от действия молнии различных сооружений линий электропередач и т.п.

Пусть над холмом находится та часть грозовой тучи, из которой начинается образование разряда. Подготовляющие этот разряд токи смещения, замыкающиеся токами проводимости в земле, избирают пути наименьшего сопротивления. Так как проводимость глины выше, чем у песка, развитие разряда определяется не верхним рельефом места, а контуром верхнего слоя глины. Таким образом следует различать два рельефа местности: один «статический», который до некоторой степени может влиять на начало образования разряда, и другой «динамический», который влияет на путь развивающейся молнии. Действие какого из этих рельефов будет превалировать — зависит как от их формы, так и от геологической конституции, определяющей проводимость. Не следует поэтому удивляться, что молния в определённом случае ударяет в овраг, расположенный у подножия холма.

Если теперь вернуться к вопросу о зигзагах молнии и распространить сделанные выше выводы с целью объяснить весь путь молнии, то можно придти к тому, что фактором, определяющим всю траекторию молнии, является электродинамическое поле.

Природа развития разряда зависит от среды. Однако развивающийся разряд в воздухе происходит в условиях наличия электрического поля, и решающая сторона процесса разряда заключается в динамике этого поля. Как только разряд начался, электростатическое поле уже не может полностью отобразить картину распределения градиентов, так как искровой разряд характеризуется меняющимся по мере развития разряда электрическим полем, которое мы будем называть, в отличие от существовавшего до этого момента статического поля, электродинамическим. Последнее безусловно зависит и от сочетания емкостей, образующихся в результате наличия проводящих сред, существующих к моменту разряда, т. е. это поле деформируется в зависимости от того, имеются ли в пространстве развития разряда какие-либо неоднородные включения, и далее — насколько сам разряд меняет это поле, создавая области объемных зарядов, лавины и пр.

В последние годы проводятся, наряду с изучением молнии, усиленные исследования свойств лабораторного искрового разряда. Так, удалось четко получить лидер у лабораторного искрового разряда.

Было обнаружено, что сначала прокладывает путь предварительный ветвистый разряд — так наз. лидер, растущий как со стороны острия положительной, так и отрицательной полярности, а затем после перекрытия всего расстояния лидерами появляется более яркого света канал разряда. При исследованиях использовалась специально построенная для этого в лаборатории перенапряжений ВЭИ фотографическая камера с числом оборотов барабана со 9000 в мин. Исследования подтвердили большую зависимость природы развития разряда от сопротивления пути развития разряда, зависимость скорости прорастания лидера от величин сопротивления, которое встречает прорастающий лидер, получены повторные разряды, подобные грозовым разрядам, и пр.

К настоящему времени установлено, что избирательность пути разряда в воздухе предопределяется степенью усиления и ослабления электродинамического поля в различных участках пространства, а последнее можно условно характеризовать большей или меньшей проводимостью включений (объемные заряды, объемы ионизации, проводящие частицы и пр.).

Исследования, поставленные с целью выяснения факторов, влияющих на путь прорастания разряда в воздухе, установили, что как в случае опытов на плоскости, так и в трехмерном пространстве возможно посредством дискретно расположенных проводящих включений деформировать электрическое поле, влиять на перераспределение градиентов, создавая на одних участках усиление электродинамического поля, а на других — ослабление. Таким образом стало возможным заранее определять и задавать профиль пути разряда.

Развивающийся разряд следует по пути скопления более проводящих частиц, где имеется усиление электродинамического поля, по пути, где требуется меньшее напряжение для пробоя и меньшее время для развития разряда.

С этой точки зрения, может получить объяснение факт зигзагов молнии и отклонения разряда к областям с повышенной ионизацией в воздухе (при отсутствии других, влияющих на путь разряда факторов).

С другой стороны, нужно подчеркнуть, что влияние объемов ионизированного воздуха на путь искры может однозначно определять направление разряда лишь вдали от земли. При приближении к земле начинается действие динамического поля, обусловленного поверхностной и подпочвенной структурой. Нетрудно было экспериментально показать значение влияния электродинамических уровней земли, приводящих к изменению пути разряда при приближении его к поверхности.

И. С. СТЕКОЛЬНИКОВ И А. П. БЕЛЯКОВ, 1938 год

Понравилась статья? Штрилиц говорит: поделись с друзьями!