XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

Осенью мы с классом посетили экскурсию в Парке науки (г. Пермь), где нам рассказывали много интересного о различных предметах и явлениях окружающего мира. Но особо заинтересовала меня история про молнию. Нам рассказали, что молния это величественное и очень красивое явление природы. Вместе с тем это страшное явление, несущее разрушительную силу. Молния бывает разной. Когда я вернулся домой, я решил узнать о молнии подробнее.

Выбор темы «Что такое молния?» обусловлен не только личным интересом, но и актуальностью. Природа молнии таит немало загадок. Каждый год летом мы регулярно наблюдаем это явление, но каждый раз молния кажется нам чем-то таинственным и пугающим. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, до сих пор в таком природном явлении, как молния, даже для науки остается много загадочного и необъяснимого.

Тема исследования: «Что такое молния?»

Объект исследования: молния.

Предмет исследования: электрические заряды.

Цель: установление природы возникновения молний.

Задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Установить, как возникает молния.

Провести эксперименты по созданию молнии в миниатюре.

Гипотеза: Возможно, молния – это мощный разряд электричества.

Методы исследования:

- работа с литературными источниками;

- эксперимент;

- наблюдение;

- анализ.

Глава I. Что такое молния?

1.1. История изучения молнии

Во многих культурах молнию считали посланием богов. В Древней Греции считалось, что место попадания молнии – священно. Это ориентир, по которому души умерших и погибших следуют в подземное царство мертвых. Римляне же думали, что убитый грозой человек, попал в немилость богам и для него не проводили обряд погребения.

У славян тоже были свои приметы. Пожар, возникший от молнии, не тушили (а если и тушили, то молоком или квасом), а угли с пожарища растаскивали по домам, как оберег от такой же беды. Были такие народности, которые верили, что грибы вырастают в местах, где ударила молния. Еще на Руси считали, что во время грозы можно отвернуть Божий гнев с помощью колокольного звона.

Над природой молнии и грома задумывались Аристотель и Лукреций. Но в те далекие времена разгадать эту природу ученым было не под силу. Многие столетия, включая средние века, считалось, что молния – это огненный шар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется вниз, к поверхности земли. Примерно в начале XVII века грозами начинают активно интересоваться учёные.

В 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заостренная проволока, к концу бечевки привязаны ключ и шелковая лента. Ленту ученый удерживал рукой. Суть эксперимента состояла в том, что молния, ударив в змея, проходит по намокшей от дождя бечевке до ключа. В результате чего на конце ключа виден электрический разряд.

Установление электрической природы молнии позволило Франклину создать громоотвод. Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую.

Одновременно с Франклином исследованиями электрической природы молнии занимался русский ученый М.В. Ломоносов. Во время опытов по изучению молнии в 1753 году на глазах М.В. Ломоносова погиб работавший вместе с ним его друг, немецкий ученый Георг Рихман. Но именно благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.

С тех пор было сделано еще много открытий и изобретено большое количество приборов, которые позволяют избежать разрушений при ударе молнии и изучить мельчайшие подробности возникновения молний. Однако и по сей день это величественное явление природы скрывает в себе множество загадок и продолжает удивлять всех своим величием и непредсказуемостью.

1.2. Виды молний

Молния — гигантский электрический разряд в атмосфере, обычно наблюдаемый во время грозы. Проявляется яркой вспышкой света и сопровождается громом. Сила тока в разряде молнии достигает 10-300 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда — от 1 до 1000 ГВт.

Сегодня выделяют разные виды молний.

1. Линейная молния. Разряд линейной молнии происходит между облаками, внутри облака или между облаком и землёй, и обычно имеет длину около 2-3 км, но бывают молнии длиной и до 20-30 км. Форма линейной молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева.

Молния «туча-земля» - наиболее часто встречающийся вид, возникающий из-за разных зарядов верхней и нижней частей облака. Появляется и развивается линейная молния в результате активной ионизации воздуха. От основного канала-лидера ступенчато расходятся вспышки в разные стороны, на финальной стадии достигающие земли.

Молния «земля-облако» образуется в результате накапливающегося электростатического заряда на вершине самого высокого объекта на земле, что делает его весьма «привлекательным» для молнии. Такие молнии образуются в результате «пробивания» воздушной прослойки между вершиной заряженного объекта и нижней частью грозовой тучи.

Молния «облако-облако» образуется за счет того, что верхняя часть облака заряжена позитивно, а нижняя — негативно, в результате рядом стоящие грозовые облака могут простреливать электрическими зарядами друг друга.

2. Горизонтальная (плоская) молния. Похожа на «облако-земля», но не достигает земной поверхности. Вспышки распространяются в разные стороны. Иногда такая молния может распространяться по чистому небу, исходя от одной грозовой тучи. Такие молнии очень мощные и очень опасные.

3. Ленточная молния. Интересную форму приобретает молния, в которой несколько одинаковых каналов устремляются вниз параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Вероятно, причина кроется в сильном ветре, расширяющем данные каналы.

4. Четочная (пунктирная) молния. Редкая форма электрического разряда при грозе, в виде цепочки из светящихся точек. Время существования четочной молнии 1–2 секунды. Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится — это является отличительной особенностью этого вида.

5. Шторовая молния. Возникает над облаками, а не внутри или под ними, как предыдущие виды. Внешне это широкая светящаяся полоса, состоящая из большого количества разрядов. При этом можно услышать негромкий гул.

6. Объёмная молния - белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности, с сильным звуком треска «отовсюду». Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.

7. Эльфы. Огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 миллисекунд (в среднем 3 миллисекунд).

8. Джеты. Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.

9. Спрайты. Спрайты — некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

10. Шаровые молнии. Молния в виде сгустка плазмы шарообразной формы, плавающего прямо в воздухе. Как и почему образуется такой разряд, учеными до сих пор не установлено. Можно наверняка утверждать лишь то, что такая молния ведет себе непредсказуемо. Многие до сих пор сомневаются в ее существовании.

11. Огни Святого Эльма. Фактически это не молния, а разряды, которые возникают на заостренных концах возвышающихся объектов. Сюда относятся вершины скал, деревья, мачты судов, башни и т.п. Образуются они из-за высокой напряженности электрического поля. Чаще всего это происходит во время грозы или метели зимой.

12. Вулканические молнии. Возникает при извержении вулкана. Вероятно, из-за того, что пепел и магма при выбросе несут электрический заряд. Кроме того, эти частицы постоянно сталкиваются, чем и вызывают разряды.

1.3. Как образуется молния?

Молния — это мощный электрический разряд. Она возникает при сильной электризации туч или земли. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов.

П ри этом молния не возникает мгновенно из ничего, хоть и движется она достаточно быстро. Формирование молнии можно условно разделить на начальную, среднюю и финальную стадию (Рисунок 1).

Грозовые облака представляют собой большой объем водяного пара. Причем часть объема представлена льдинками.

Р

Рисунок 1

азряд появляется в определенной части облака, где присутствует большое количество ионов. Ион – это частица с электрическим зарядом. Она возникает, когда атом или молекула получают либо теряют электроны.

Так же происходит и с грозовым облаком. В центре капли находится положительное электричество, а равное ему отрицательное электричество располагается на поверхности капли. Частицы водяного пара находятся в постоянном движении, сталкиваются друг с другом, подхватываются ветром, попадают в воздушные потоки.

Мелкие капли и льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому мелкие капли и льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, т.е. перераспределение электрически зарядов между каплями. Крупные капли заряжаются отрицательно, а мелкие — положительно. Со временем положительно заряженные мелкие капли оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные — внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ — отрицательно. Дождь, выпадающий из тучи, уносит часть электричества тучи на землю и, таким образом, между тучей и землёй также создаётся электрическое притяжение ( Рисунок 2).

Д

Рисунок 2

алее запускается цепная реакция. Это средняя стадия. Ток, проходящий под высоким напряжением, нагревает воздух в определенной области. Образуется все больше и больше энергетических частиц, которые превращают в ионы соседние области. Поэтому молния распространяется чрезвычайно быстро. В составе молнии есть главенствующая часть – наиболее мощный канал, от которого распространяются ответвления в разные стороны. Этим объясняется извилистая форма разрядов: с каждой новой вспышкой молния как будто скачками продвигается все дальше и дальше примерно на несколько десятков метров. В определенный момент наиболее мощный разряд достигает земной поверхности либо другой части тучи. Как только электрическим разрядом пробивается ионизированный канал толщиной несколько сантиметров, заряженные частицы на высокой скорости проходят по нему. Фактически это и есть молния, которую мы можем наблюдать. Из-за высокого напряжения температура внутри данного канала измеряется в тысячах градусов. Поэтому мы видим молнию в виде очень яркой вспышки.

Финальная стадия. Скорость перемещения зарядов по каналу быстро снижается. Однако напряжение и сила тока все равно остаются очень высокими. На этой стадии молния обычно достигает земли, различных объектов. В случае нахождения поблизости людей молния становится очень опасной. Финальная стадия занимает даже не секунду, а ее десятые доли. Но и этого достаточно для нанесения ущерба, образования пожаров и т.д.

1.4. Интересные факты

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

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

3. Молния часто несколько раз подряд ударяет в одно место: как и любой электрический разряд, она устремляется по пути наименьшего сопротивления.

4. В мире каждую минуту сверкает 6000 молний.

5. Средняя молния имеет длину 9,5 км.

6. Температура молнии может быть в 5 раз горячее, чем поверхность Солнца.

7. Прямо сейчас в мире гремят 1800 гроз.

8. Каждый год молнии убивают в России, по некоторым оценкам, 550 человек.

9. Примерно 25% тех, в кого попала молния, погибают. Смертельные случаи - обычно результат остановки сердца. После удара молнии в электрических системах организма происходит короткое замыкание и те, кто выжил, получают серьезные нарушения здоровья, не говоря уже о психической травме: потери памяти и чувствительности, нарушения сна, ослабление слуха, постоянные боли.

10. Чаще, чем в другие деревья, молнии попадают в дубы. Этому есть мифологическое объяснение: у древних греков дуб был деревом Зевса, бога-громовержца.

11. Ударяя в песчаную почву, молния способствует образованию стекла. После грозы в песке можно найти полоски стекла.

12. Стоять под деревом в грозу крайне опасно. Из-за своей высоты деревья могут притягивать молнии. Однако человек проводит электричество лучше, чем дерево, так что если вы рядом с деревом - молния может легко перепрыгнуть с дерева на вас.

Глава II. Экспериментальное исследование

Электризация предметов

Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов. Атомы состоят из ещё более мелких частиц: протонов и электронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный заряд. Заряды с противоположными знаками притягиваются, заряды с одноименными знаками отталкиваются. Атомы содержат одинаковое количество протонов и электронов, поэтому заряды уравновешиваются. Протоны с нейтронами находятся в неподвижном состоянии и представляют собой ядро атома. Электроны постоянно вращаются вокруг ядра.

Если количество электронов в атомах увеличивается или уменьшается, образуются ионы, тело электризуется. Аналогичный процесс происходит в грозовых облаках.

Эксперимент 1. Для эксперимента по электризации предметов я взял пластмассовую линейку, шерстяную тряпочку и небольшие кусочки бумаги.

Шерстяной тряпочкой интенсивно трем линейку несколько минут. Пластмассовая линейка при трении получила отрицательный заряд, приобрела способность притягивать положительные заряды бумаги и заставила обрывки бумаги двигаться за собой.

Эксперимент 2. Нам потребовались кран с водой, пластмассовая линейка и шерстяная тряпочка.

Для начала нужно открыть кран, чтобы была маленькая струйка воды. Затем надо хорошо потереть линейку об шерстяную тряпочку, линейка зарядится электрическим зарядом. Медленно подносим линейку к воде и видим, как вода притягивается к линейке. Вода, вытекая из крана, приобретает электрический заряд. Тогда она начинает притягиваться к предметам, имеющим противоположный заряд.

Эксперимент 3. Электрический заряд банки. Берём линейку и хорошо натираем её шерстяной тряпочкой. Пустую алюминиевую банку из-под газировки кладём на ровную, твёрдую поверхность. Банка катится вслед за линейкой. Алюминиевая банка получила противоположный по знаку заряд, чем и притягивалась к линейке.

При проведении экспериментов (Приложение 1) по электризации предметов я установил, что одноименные электрические заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Так, пластмассовая линейка при трении получила отрицательный заряд и приобрела способность притягивать положительные заряды других предметов.

Молния в миниатюре

Следующий этап – создание искусственной молнии. Мне удалось получить молнию в миниатюре (Приложение 2).

Эксперимент 4. Для своего эксперимента я взял катушку Теслы.

Это устройство, изобретенное  Николой Теслой. Катушка представляет собой трансформатор. Целью устройства является повышение параметров тока до огромных высот.  Данный прибор был изобретен с целью беспроводной передачи электричества.

У меня маленький вариант катушки Теслы. У прибора есть две проводниковые катушки — первичная и вторичная. В первичной обмотке как правило небольшое количество витков. Вместе с ней идут конденсатор и искровой промежуток. Вторичная обмотка — это прямая катушка провода.

Катушкой Тесла создаётся сильное электромагнитное излучение, что приводит к ионизации воздуха вокруг. Если в этот момент к катушке Теслы поднести проводник - лампочку, ионы в воздухе вызовут тлеющий разряд лампочки. Таким образом, в данном случае также наблюдается процесс электризации в воздухе.

Если мы поднесем основание лампочки ближе к проводам катушки, то мы можем увидеть маленькую искорку. Это и есть наша молния в миниатюре - электрический разряд. Разряд от катушки Теслы распространился через ионы в воздухе.

Эксперимент 5. После эксперимента с катушкой Теслы я задумался, а можно ли как-то наблюдать искру молнии в миниатюре чуть большего размера.

И мне пришла в голову идея обратиться к медицинскому прибору под названием «Ультратон». Я давно обращал внимание, что этот прибор реагирует на прикосновение к нему: появляется свечение, гул. Как я выяснил, принцип работы данного прибора заключается в воздействии на ту или иную область тела высокочастотными маломощными токами высокого напряжения. Ток проводится через специальный стеклянный электрод. В процессе работы происходит ионизация воздуха.

Таким образом, я подумал, что в результате ионизации также происходит беспроводная передача электрического тока. Я поднес к прибору энергосберегающую лампочку и увидел электрические разряды — молнии. При этом, чем ближе я подносил лампочку, тем больше был разряд. Это говорит о том, что разряд создается в той части, где больше ионов, частиц с зарядом.

В результате эксперимента я получил молнии в миниатюре, похожие на природные.

Вывод

Изучая литературу и материалы по данной теме, я узнал, что такое молния, какие бывают молнии.

Молния - одно из самых разрушительных и устрашающих природных явлений, с которыми повсеместно сталкивается человек. Хотя ученые занялись изучением молний еще 150 лет назад, до сих пор в этом природном явлении остается много загадочного и необъяснимого.

В процессе работы выдвинутая гипотеза подтвердилась: Молния – это электрический искровой разряд сильно наэлектризованного облака.

Во время выполнения исследовательской работы я узнал много нового и очень интересного, выяснил, что положительный и отрицательный заряд взаимно притягиваются друг к другу. Результаты работы по теме показали, что в основе возникновения молнии лежит процесс электризации.

Молния — опасное явление. Чтобы защититься от молнии, нужно знать несколько основных правил. Я составил памятку, как вести себя во время грозы и раздал её своим одноклассникам (Приложение 3).

Данная работа может быть использована на внеклассных мероприятиях и на уроках по окружающему миру в моем классе. При этом эксперименты по созданию молнии в миниатюре следует проводить в присутствии взрослых, поскольку даже маленькая молния может быть опасна.

Используемая литература

1. Я познаю мир. Детская энциклопедия: Физика/сост., худож. А.А. Леонович; под общ.ред. О.Г Хинн. – М.: ООО «Издательство АТ-ЛТД», 1998.-480 с.

2. Физика в природе: книга для учащихся. М.: «Вербум-М» 2002. – 352 с. Тарасов Л.В.

3. Интернет-источники:

https://kipmu.ru/molniya-chto-eto-takoe-vidy-kak-i-pochemu-voznikaet-foto-i-video/

https: //ru.wikipedia.org