Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

...Всі прогнози електростатики випливають з двох її законів.

Але одне висловити ці речі математично, і  зовсім інше -

застосовувати їх з легкістю і з потрібною часткою дотепності.

Річард Фейнман

ЕЛЕКТРОСТАТИКА ВИВЧАЄ ВЗАЄМОДІЮ нерухомих зарядів. Ключеві експерименти з електростатики були проведені в XVII - XVIII століттях. З відкриттям електромагнитних явищ й тієї революції в технологіях, які вони викликали,  цікавість до електростатики на деякий час була  загублена. Однак сучасні наукові дослідження показують величезне значення електростатики для розуміння багатьох процесів живої й неживої при­роди.

Як електростатика викликає блискавки

У кожен момент часу в різних точках Землі виблискує близько 2000 блискавок, в одну секунду приблизно 50 блискавок вдаряють у Землю, один квадратний кілометр поверхні Землі вражає блискавка в середньому шість разів на рік. Ще в XVIII столітті Бенджамін Франклін довів, що блискавки, що б'ють із грозових хмар, це електричні розряди, що переносять на Землю від'ємний заряд. При цьому кожний з розрядів забезпечує Землю декількома десятками кулонів електрики, а амплітуда струму при ударі блискавок складає від 20 до 100 кілоампер. Швидкісна фотозйомка показала, що розряд блискавок триває лише десяті долі секунди й що кожна блискавка складається з декількох коротших.

За допомогою вимірювальних приладів, встановлених на атмосферних зондах, на початку XX століття було виміряно електричне поле Землі, напруженість якого у поверхні виявилася рівною приблизно 100 В/м, що відповідає сумарному заряду планети близько 400000 Кл. Носієм зарядів в атмосфері Землі є йони, концентрація котрих збільшується з висотою й сягає максимуму на висоті 50 км, де під дією космічного випромінювання утворився електропровідний шар - йоносфера. Тому можна сказати, що електричне поле Землі - це поле сферичного конденсатора з напругою близько 400 кВ. Під дією цієї напруги з  верхніх шарів в нижні весь час тече струм силою 2-4 кА, щільність якого складає (1-2)• 10~12 А/м², й виділяється енергія до 1,5 ГВт. Й якщо б не було блискавок, це електричне поле зникло б! Виходить, що в гарну погоду електричний конденсатор Землі розряджається, а під час грози -- заряджається.

Грозова хмара - це величезна кількість пари, частина якої сконденсувалася у вигляді найдрібніших краплинок або крижинок. Верх грозової хмари може перебувати  на висоті 6-7 км, а низ - нависати над землею на висоті 0,5--1 км. Вище 3-4 км хмари складаються з крижинок різних розмірів, оскільки темпера­тура там завжди нижче за нуль. Ці крижинки перебувають  в постійному русі, викликаному висхідними пото­ками  теплого повітря, що піднімається знизу від нагрітої поверхні землі. Дрібні крижинки легші, ніж більш великі, й вони захоплюються висхідними потоками повітря й по дорозі увесь час стикаються з великими. При кожному такому зіткненні відбувається  електризація, при якої великі крижинки заряджають негативно, а дрібні - позитивно. Згодом  позитивно заряжені дрібні крижинки збираються переважно у вер­хній частині  хмари, а від'ємно  заряджені великі - внизу (рис.2).

Іншими словами, вер­хівка хмари заряджається позитивно, а низ - від'ємно. При цьому на землі безпосередньо під грозовою хмарою наводяться позитивні заряди. Тепер все готово для розряду блискавки, при якому відбувається про­бій  повітря і від'ємний заряд з нижньої частини грозової хмари перетікає на Землю.

Характерно, що перед грозою напруженість елект­ричного  поля Землі може досягати 100 кВ/м, тобто в 1000 разів перевищувати її значення в гарну погоду. В результаті в стільки ж раз збільшується додатній заряд кожного волоска на голові людини, що стоїть під грозовою хмарою, і вони, відштовхуючись один від одного, встають дибки (мал.3).

Рис 2. Схематичне зоб­раження розділення елект­ричних зарядів в грозовій хмарі і появи додатних зарядів на землі під хмарою (унаслідок елект­ростатичної індукції) пе­ред розрядом блискавки

Мал. 3. Як встає волосся в сильному електричному полі

Фульгуріт - слід блискавки на землі

При розряді блискавки виділяється енергія порядку 109 - 1010 Дж . Велика частина цієї енергії витрачається на грім, нагрів повітря, світловий спалах і випромінювання інших електромагніт­них хвиль, і лише ма­ленька частина виділяєт­ься в тому місці, де  блискавка входить в землю. Але і цієї «маленької» час­тки  цілком достатньо, щоб спричиняти  пожежу, убити людину або зруйнувати будинок. Блискавка може розігрівати канал, по якому вона рухається до 30000 °С, що набагато вище за температуру плавлення піску (1600 - 2000 °С). Тому блискавки, потрапляючи в пісок, розплавляють його, а розжарене повітря і водяні пари, розширю­ючись, формують з розплавленого піску трубку, котра через деякий час застигає. Так народжуються фульгуріти (громові стріли) - порожні  циліндри, утворені з розплавленого піску (мал. 4).

Щонайдовші з розкопаних фульгури­тів йшли під землю на глибину більше п'яти метрів.

Як електростатика захищає від блискавок

На щастя, більшість розрядів блискавки прохо­дять  між хмарами і тому не загрожують здоров'ю людей. Проте вважається, що щороку блискавки вбиває більше тисячі людей по всьому світу. Принаймні, в США, де ведеться така статистика, щорічно від удару блискавки страждає близько тисячі чоловік і більше ста з них гинуть. Учені давно намагалися захистити людей від неї.

У 1750 році Франклін винайшов громовідвід (блискавковідвід). Намагаючись захистити будівлю Капітолія столиці штату Меріленд від удару блискавки, він прикріпив до будівлі товстий залізний стрижень, що височів  над куполом на декілька метрів і був з'єднаний із землею. Учений відмовився патентувати свій винахід, бажаючи аби він  якнайскоріше розпочинав слугувати людям.

Механізм дії громовідводу лег­ко пояснити, якщо пригадати, що напруженість електричного поля поблизу поверхні зарядженого провідника збільшується із зростанням кривизни цієї поверхні. Тому під грозовою хмарою поблизу вістря громовідводу напруженість поля буде така висока, що спричинятиме іонізацію довколишнього  повітря і коронний розряд в ньому. В результаті ймовірність попадання блискавки в громовідвід значно зросте. Так розуміння електростатики  не лише дозволило пояснити походження блискавок, але і знайти спосіб захиститися від них.

Звістка про громовідвід Франкліна швидко рознеслася Європою, і його вибрали у всі академії, включаючи і Російську.

Ну, а зараз портрет винахідника громовідводу - найбажаніша репродукція в світі, адже вона прикраша­є відому всім стодоларову  купюру.

 Література:журнал "Квант"