XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Молния – как газовый разряд в природных условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Юсупова К.Ф. 1

---

1МБОУ ОЦ "ФЛАГМАН"

Лашина Т.С. 1

---

1МБОУ ОЦ "ФЛАГМАН"

Работа в формате PDF

281.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Цель: собрать информацию о газовых разрядах, изучить и систематизировать собранный материал.

Задачи проекта:

1. Изучить газовый разряд;

2. Ознакомиться с молнией в природе;

3. Рассмотреть зачем и где люди применяют разряды;

4. Познакомиться с открытиями ученых.

Актуальность: тема, которая была выбрана для исследования, актуальна, ведь газовые разряды являются неотъемлемой частью в жизни людей.

Проблема: недостаточная информированность населения о таком газовом разряде, как молния.

Методы (использованные при работе):анализ, сравнение, эксперимент, наблюдение.

Этапы работы:

1. Первый этап-сентябрь (исследовательский) Результатом этого этапа является сбор, анализ и обобщения теории о газовом заряде

2. Второй этап- октябрь (исследовательский) Результатом этого этапа является сбор и изучения открытий, связанных с молнией.

1.Что такое газовый разряд?

1.1Молния – как газовый разряд.

Газовый разряд совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии.

Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счет столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Газовый разряд делятся на два типа. К первому типу относится разряд, который существует пока на него действует какая-либо внешняя сила, то есть внешний ионизатор и называется этот тип, несамостоятельным. А ко второму относится самостоятельный разряд. Самостоятельный разряд - разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя (потенциал ионизации).

Несамостоятельный разряд. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами (рис.16.31).

   Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секунду определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.
   При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы - к положительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.
   Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется с электронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста силы тока не происходит (рис.16.32). Ток, как говорят, достигает насыщения. Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине такой разряд называют несамостоятельным разрядом.

Самостоятельный разряд. Что будет происходить с разрядом в газе, если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах?
   Казалось бы, сила тока и при дальнейшем увеличении разности потенциалов должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная с некоторого ее значения, сила тока снова возрастает (рис.16.33). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд в этом случае не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

1.2Применения газового разряда людьми.

Применение газовых разрядов в жизни стала для людей обыденной. Использование свойств молний помогло людям развить огромное число отраслей промышленности. Также газовый разряд при ударе помогают очистить атмосферу от пыли, пыльцы, и загрязнителей. Искра молнии собирает более тяжелые вредные частицы, преобразуя их в полезные.

Газовый разряд в некоторых газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа и поэтому такие разряды используются художниками. Яркое свечение разрядов, часто используется в неоновых рекламных знаках и в неоновых лампах.

Также используют разряды для:

1. Сварки и освещения;

2. Сверхвысокочастотный разряд;

3. Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах;

4. Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания;

5. Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций;

6. Плазмотроны для резки и сварки;

7. Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т.д.;

8. В счётчике Гейгера;

9. В ионизационных вакуумметрах;

10. В тиратронах.

1.3 Молния в природе.

Когда в электрическом поле атмосферы развивается искровой разряд гигантских размеров, мы можем наблюдать удивительное природное явление – молнию. Самое зрелищное проявление грозы может быть крайне опасным для человеческой жизни и эксплуатируемой человеком инфраструктуры. Количество гроз на нашей планете в год превышает десять миллионов. В среднем на Земле происходит до полусотни тысяч гроз в день, одновременно – более тысячи. Грозы над мировым океаном случаются в разы чаще, чем над сушей. Каждую секунду десятки молний ударяют в поверхность Земли. Притом их частоту и динамику развития невозможно точно спрогнозировать, как нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать и последствия грозовой активности.

Благодаря современным техническим средствам удалось зафиксировать появление молний на других планетах солнечной системы, в частности на Юпитере. Что касается Земли, на экваториальную и тропическую зону приходится абсолютное большинство всех гроз. А вероятность появления молнии над полюсами нашей планеты стремится к нулю. В России наибольшая грозовая активность наблюдается в южных регионах. Грозозащита прежде всего требуется там, где велика вероятность проявления сил стихии.

Разряд молнии во время грозы подобен электрическому взрыву. А впечатляющие звуковые и световые эффекты зачастую сопровождаются резким усилением ветра, выпадением града и ливнем. Сила тока молнии может составлять сотни тысяч ампер, напряжение – до миллиарда вольт. Ее протяженность достигает сотен километров, скорость – сотен тысяч километров в секунду, длительность – нескольких секунд, а температура – десятков тысяч градусов. Интенсивность разрядов в среднем составляет полсотни в секунду. Скорость движения грозы составляет десятки километров в час, размеры – от нескольких километров до пары десятков. Зрелое грозовое облако может иметь биполярную или более сложную структуру распределения зарядов. Количество разрядов молнии и их параметры связаны с величиной заряда и с тем, как он распределен в облаке. На количество также влияет скорость, с которой воспроизводится заряд.

Грозовые облака, которые могут достигать в диаметре нескольких километров, образуются в результате мощных атмосферных процессов и отличаются вертикальным развитием. Их формируют воздушные потоки, насыщенные парами воды. В электрическом поле облака запасается энергия – грозовое электричество. Первая и вторая стадии развития грозового облака – кучевое и зрелое – завершаются стадией распада. Развитие грозы запускается при появлении конвекции. Потоки влажного воздуха движутся вверх, притом влага находится частично в жидком состоянии, а частично – виде льдинок. Величина и мощность потоков определяют тип грозы и цикл жизни грозового облака. Одноячейковое кучево-дождевое облако отличается небольшим сроком жизни – не более часа, - и быстро исчезает после грозы, которую вызвало. Более распространенные многоячейковые кластерные грозы возникают, когда грозовые ячейки на разных стадиях развития собираются в группу, или кластер, и движутся как единое целое. Такая гроза длится уже несколько часов, сопровождаясь градом, ливнем и порывами ветра. Многоячейковая линейная гроза напоминает темную стену, закрывающую горизонт. Этой опасной для авиации грозе, которую также называют “линия шквалов”, сопутствуют мощные нисходящие потоки воздуха, сильный ливень и крупный град. Суперъячейковая гроза получила свое название благодаря гигантскому размеру грозовой ячейки. Помимо сильнейшего града и шквала для нее характерны разрушительные смерчи.

Когда в электрическом поле атмосферы развивается искровой разряд гигантских размеров, мы можем наблюдать удивительное природное явление – молнию. Самое зрелищное проявление грозы может быть крайне опасным для человеческой жизни и эксплуатируемой человеком инфраструктуры. Количество гроз на нашей планете в год превышает десять миллионов. В среднем на Земле происходит до полусотни тысяч гроз в день, одновременно – более тысячи. Грозы над мировым океаном случаются в разы чаще, чем над сушей. Каждую секунду десятки молний ударяют в поверхность Земли. Притом их частоту и динамику развития невозможно точно спрогнозировать, как нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать и последствия грозовой активности.

Благодаря современным техническим средствам удалось зафиксировать появление молний на других планетах солнечной системы, в частности на Юпитере. Что касается Земли, на экваториальную и тропическую зону приходится абсолютное большинство всех гроз. А вероятность появления молнии над полюсами нашей планеты стремится к нулю. В России наибольшая грозовая активность наблюдается в южных регионах. Грозозащита прежде всего требуется там, где велика вероятность проявления сил стихии.

Разряд молнии во время грозы подобен электрическому взрыву. А впечатляющие звуковые и световые эффекты зачастую сопровождаются резким усилением ветра, выпадением града и ливнем. Сила тока молнии может составлять сотни тысяч ампер, напряжение – до миллиарда вольт. Ее протяженность достигает сотен километров, скорость – сотен тысяч километров в секунду, длительность – нескольких секунд, а температура – десятков тысяч градусов. Интенсивность разрядов в среднем составляет полсотни в секунду. Скорость движения грозы составляет десятки километров в час, размеры – от нескольких километров до пары десятков. Зрелое грозовое облако может иметь биполярную или более сложную структуру распределения зарядов. Количество разрядов молнии и их параметры связаны с величиной заряда и с тем, как он распределен в облаке. На количество также влияет скорость, с которой воспроизводится заряд.

2.Практическая часть. Исследования ученых, связанных с молнией.

2.1Эксперимент с воздушным змеем Бенджамина Фраклина

Бенджамин Франклин провел опыт с воздушным змеем, запустив его в грозовое облако.

Проведенный эксперимент доказал, что молния – это электрический заряд большой мощности. Воздушный змей был сделан из деревянных распорок и шелкового платка, на конце которого был прикреплен медный штырь, а сам змей был привязан на бечевке. На другом конце бечевки был прикреплен металлический ключ.

Суть эксперимента состояла в том, что молния, ударив в змея, пройдет по намокшей от дождя бечевке до ключа. В результате чего на конце ключа будет виден электрический разряд.

В своих записях Франклин отметил, что эксперимент он проводил из окна своего дома, изолировав себя от возможного поражения электрическим током. Он понимал важность принятия мер по безопасности, т.к. до этого несколько ученых из Германии и Франции проводили подобный эксперимент и погибли от поражения электрическим током.

Эксперимент прошел успешно, существование молнии, как электрического заряда было доказано. Началась новая эра в исследовании природы молнии. Позже Франклин изобрел громоотвод и молниеотвод, но патентовать эти изобретения отказался.

1. 2. Исследователи молний Георг Рихман и Михаил Ломоносов

Современные системы молниезащиты позволяют нам надежно защитить себя и свое жилище от опасностей, порожденных молниями. Но мало кто вспоминает сегодня, какой большой вклад в разработку мер безопасности при использовании электричества внесли русские ученые 18 века — в частности, великий Ломоносов. А его соратник и друг, физик Георг Рихман, даже заплатил за это знание жизнью.

Георг Вильгельм Рихман и Михаил Ломоносов активно занимались изучением атмосферного электричества. И Ломоносов в тандеме ученых играл не первую роль: кабинетом физики заведовал Рихман, оборудовавший все по последнему слову техники тех времен. В его распоряжении было целое собрание электрических машин (похожих на сегодняшнюю школьную электростатическую машину), многие выполнены знаменитым первооткрывателем «лейденской банки» Мушенбреком. А Рихман изобрел электрометр — прибор, позволяющий измерить силу электрического заряда.

Ученые проводили многочисленные опыты, но изучение явлений электричества затрудняло то, что не было количественной оценки результатов. Так, Ломоносов разработал своеобразную школу из эпитетов: «синеватые искры», «ясные синеватые», «весьма красные», «вишневые». Ясно, что для того, чтобы электричество превратить в настоящую, точную науку, такой способ оценки «силы» электричества не годился.

Впрочем, теория атмосферного электричества, разработанная Ломоносовым, оказалась верна на все сто. Он предположил, что восходящие и нисходящие вертикальные потоки воздуха электризуются от трения при своем движении. Так считают и сейчас, через 200 с лишним лет!

Степень опасности молний для жизни человека со временем тоже не изменилась, но в середине 18 -го века элементарно не было известно даже о заземлении. И тот, кто узнает, каким опасным способом в своей лаборатории «ловил» молнии Рихман, ужаснется.

К проведению таких экспериментов ученых подтолкнула публикация научного труда Бенджамина Франклина. Ломоносов писал по поводу работ американского коллеги: «В Филадельфии, в Северной Америке, господин Вениамин Франклин столь далеко отважился, чтобы вытягивать из атмосферы тот страшный огонь, который часто целые земли погубляет».

Ломоносов и Рихман решают повторить опыты Франклина и углубить их. Рихману, кроме того, не терпелось приспособить свой электрометр к измерению электрической силы молнии. Дома у обоих ученых находились хитроумные установки, представлявшие выведенный на крышу железный прут с железной линейкой, проволокой и шелковыми нитями.

Особенно широкий размах приобрели исследования летом 1753 года. На 6 сентября того года назначено было ежегодное публичное собрание Академии наук, на котором оба ученых должны были выступить с докладами по атмосферному электричеству. Времени оставалось мало, и ученым нельзя было пропускать ни одной грозы.

Вот почему, едва только 26 июля с севера поднялась большая грозовая туча, оба ученых заспешили к своим инструментам. Правда, Ломоносову помешали докончить эксперимент домашние дела. А Рихман, пригласивший гравера Соколова для зарисовывания экспериментов, стал жертвой ужасного происшествия. Когда он находился поблизости от своего электрометра, ему в лоб ударил голубоватый огненный шар.

В большинстве источников описывается, что ученый пострадал от незаземленного прибора, однако некоторые исследователи настаивают, что он стал жертвой несчастного случая. Судя по записям доктора, осматривавшего тело погибшего, и планам дома и описаниям деталей, сделанным Ломоносовым, Рихман пострадал от шаровой молнии, проникшей в здание с улицы.

Тем не менее, в сознании общества (в том числе научного) смерть исследователя молний Рихмана оказалась тесно связана с опасностями созданной им аппаратуры. Положительным результатом стало то, что эта трагедия подтолкнула к поиску защиты от молний и разработкам мер безопасности при работе с электричеством. Но негативным фактором стало охлаждение к этой теме многих ученых, существенно задержавшее процветание российской науки.

2.3 Никола Тесла-повелитель молний.

В 1899–1900 годах проводилась исследовательская экспедиция в Колорадо-Спрингс — этот регион славился постоянными и частыми грозами. Тесла со своей командой инженеров исследовал молнии и строил первые экспериментальные установки громадных размеров для получения мощных электрических разрядов, имитирующих молнии (искровой разряд в атмосфере). Именно тогда начала складываться репутация Теслы среди далекого от науки населения США как о «властелине молний», «черном маге электричества» и т. п. Разработав конструкцию большого высокочастотного излучателя, Тесла действительно смог получать напряжения от 12 до 20 млн вольт (по данным разных источников) и токи в тысячи ампер. Это действительно было конструкторским, инженерным достижением. Попутно Тесла подтвердил перспективное применение нескольких замечательных свойств сильных электростатических полей: осаждение тумана, очистка поверхностей от ржавчины, грязи, краски. То есть миллионвольтовые схемы, разработанные Теслой, действительно открывали новые пути исследования микроволновых (высокочастотных) токов.

Но самым интригующим остается виртуозное владение шаровыми молниями. Гений научился создавать лабораторно эти удивительные природные явления и довольно больших размеров. Напомню, что недавно в Курчатовском университете были, наконец, созданы шаровые молнии размером с куриное яйцо. На научной конференции в Берлине он продемонстрировал феноменальный эксперимент, чем изрядно напугал светил науки. С помощью обычной катушки и трансформатора, которые находились за 600 км от места конференции, каким - то чудесным образом он "разжег пламенные шары". Утренние газеты просто сошли с ума. В статьях Тесла представляли и сумасшедшим ученым, и колдуном.

2.4 Молния из космоса

Новые научные открытия приходят незаметно для широкой общественности. Одно из таких открытий было сделано не так давно советским и российским исследователем кометных метеоритов, членом Астрономического общества и ветераном космического центра «Хруничев» Евгением Валентиновичем Дмитриевым (1937 -2020). Кометные молнии — сверхмощные электрические разряды, возникающие при пролете крупных небесных тел сквозь газопылевое облако (хвост) активных комет.

П ри прохождении комет внутри солнечной системы их хвост и кома под воздействием солнечного ветра способны получать огромный электрический заряд. При близком прохождении хвоста кометы возле других небесных тел могут возникать колоссальные молнии — кометный электромагнитный импульс (КЭМИ).

На Земле от ударов кометных молний в земной коре появились гигантские кимберлитовый киры  и кимберлитовые трубки, в которых сегодня добывают алмазы. Кимберлитовые трубки похожи на фульгуриты — стеклоподобные образования, возникающие в почве от обычных земных молний. Но в отличие от фульгуритов кимберлитовые трубки имеют гораздо больший размер и глубину. Их происхождение для учёных долгое время было загадкой.

Кроме этого от ударов кометных молний на Земле появились ветвистые пещеры. Кимберлитовый киры как результат удара космических молний были обнаружены также и на Луне . На Марсе удары кометных молний породили многокилометровые тоннели, называемые «стеклянные черви».

Удар космической молнии представляет большую угрозу для Земли. По расчётам учёных, вероятность удара кометной молнии от кометы среднего размера на 4-5 порядка выше, чем столкновение кометы с Землёй. Мощность удара кометной молнии по грубым расчётам может составить 10²⁰ Ватт. В результате огромного электромагнитного импульса, вызванного ударом электрического разряда из космоса, по всей планете могут быть выведены из строя электростанции, транспорт и связь, вычислительная техника. Удар кометной молнии по земной океанической коре может спровоцировать вулканическую активность.

Заключение

Я достигла поставленной перед собой цели: собрала информацию о газовых разрядах, изучила и систематизировала собранный материал. Моя гипотеза, что молния – это интересное, но в то же время и сложное явление природы подтвердилась.

Также я выяснила, что молния – это мощный электрический искровой разряд, который возникает в газовой оболочке нашей планеты, то есть атмосфере. Газовые разряды нашли активное применение во многих сферах жизни человека. В результате работы я выполнила все поставленные перед собой задачи:

• Изучила газовый разряд;

• Ознакомилась с молнией в природе;

• Рассмотрела зачем и где люди применяют разряды;

• Познакомилась с открытиями ученых.

Список используемой литературы

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Молния

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Газовый_разряд

• https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/27717-molniya-vid-so-sputnika/?ysclid=lpl0q4vex673646862

• https://toyota-club.net/files/2003/03-05-18_tahoe_kinem.htm?ysclid=lpl0se5o6f606738431

• https://scask.ru/e_book_fg.php?id=56&ysclid=lpl0u40ytv481974830

• https://teslanikola.info/ru

• https://en.wikipedia.org/wiki/Kite_experiment

• https://www.electro-mpo.ru/newspaper/gazeta-mpo-elektromontazh-aprel-2007/issledovateli-molniy-georg-rikhman-i-mikhail-lomonosov/

Антиплагиат

Отчет №1

ПРОВЕРЕНО:10.11.2023 16:05:00ДЛИТЕЛЬНОСТЬ:00:00:02

СОВПАДЕНИЯ

26,91%

САМОЦИТИРОВАНИЯ

0%

ЦИТИРОВАНИЯ

0%

ОРИГИНАЛЬНОСТЬ

73,09%

ОТКРЫТЬ

РЕВИЗИИ

Интернет Free26,91%0%0%73,09%