Проект «Исследование электрического тока в газах»

Федеральное государственное автономное общеобразовательное учреждение высшего образования

Балтийский федеральный университет имени Иммануила канта

(БФУ им. И. Канта)

Институт природопользования, территориального развития и градостроительства

Проект индивидуальный

«Исследование электрического тока в газах»

Специальность: 08.02.05 «Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов»

Разработал

Студент группы АД-11

Сергеев Л.С.

Руководитель:

Насакина И.Н.

Консультант:

Максимова Н.А

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 ЧТО ТАКОЕ МОЛНИЯ? 4

2 ВИДЫ МОЛНИИ 6

3 МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ МОЛНИИ. 9

4. ЗАГАДКИ МОЛНИИ И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ СУДЬБЫ. 11

5.СИСТЕМА ГРОЗОЗАЩИТЫ. 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 15

Большую роль в понимании явлений природы и сохранении устойчивого окружающего мира играет ФИЗИКА, так как в основе большинства природных и технологических процессов лежат физические явления, описываемые физическими законами. Если мы будем знать причины опасных явлений в окружающей среде, то сумеем найти способы их устранения или использования. Каждый из нас понимает, что Земля - это наш общий дом. Об этом очень хорошо сказал французский писатель и лётчик Антуан де Сент-Экзюпери: «Есть такое правило: встал поутру, умылся, привёл себя в порядок – и сразу приведи в порядок свою планету».

Актуальность: Каждую секунду в атмосфере Земли возникает примерно 700 молний, и каждый год около 3000 человек погибают из-за удара молнии. Физическая природа молнии не объяснена окончательно, а большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Кроме того, электрический ток в газах – невероятно красивое и зрелищное явление.

Цель: Изучение природных электрических явлений грозы и молнии.

Задачи:

• Понять сущность наблюдаемого природного явления «молния» и объяснить механизм её образования.

• Ознакомиться с характеристиками наиболее часто встречаемых видов молний.

• Выяснить, какую систему грозозащиты используют при строительстве ЛЭП, зданий и сооружений.

• Какие действия необходимы для спасения жизни человека, если он попал под воздействие молнии?

Предмет: Электрический заряд в газах.

Объект: Молнии различных типов, возникающие во время грозы.

Метод исследования: Исследовательско – информационный. 

Начало изучению атмосферного электричества было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу (см. рисунок 1).

Молния — это электрический разряд в атмосфере, сопровождающийся вспышкой света и последующим громом. Светящийся канал разряда напоминает разветвляющуюся реку или дерево. Ее возникновению предшествует образование проводящего канала для разряда молнии в виде ломаной линии, так называемого ступенчатого лидера. Длина каждой такой «ступеньки» — около 50 м. На таком отрезке электроны под действием сильного электрического поля между тучей и землей разгоняются до скоростей порядка 50 000 км/с! Ионизировав огромное количество атомов, первичные электроны теряют энергию и тормозятся. Вновь образовавшиеся электроны быстро разгоняются до столь же высоких скоростей, и возникает следующее звено лидера. Так продолжается до тех пор, пока он не достигнет земли (см. рисунок 2).

Рисунок 1 - Бенджамин Франклин и его знаменитый опыт.

Рисунок 2 - Молния

Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы.

По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках, образованных из мелких водяных частиц, находящихся в жидких и твердых состояниях.

Плоская молния представляет собой электрический разряд на поверхности облака, не имеет линейного характера (см. рисунок 3).

Линейная молния представляет собой искру длиной 1-10 км с разветвлениями, диаметром несколько сантиметров. Вспышка длится 0,01-0,1 с, температура превышает 25000°C. Часто происходит несколько повторных разрядов по одному и тому же каналу, при этом общая продолжительность вспышки может достигать 1 с и более (см. рисунок 4).

Чёточная молния - разряд в виде цепочки отдельных точек и черточек. Чёточная молния имеет ряд утолщений на канале разряда; это яркие светящиеся узелки, или "ракеты". Встречается очень редко (см. рисунок 5).

Шаровая молния имеет сферическую форму, диаметр 10-50 см, движется медленно, может существовать 1-2 минуты, после чего исчезает со взрывом или без взрыва. Встречается редко (см. рисунок 6).

Огни Святого Эльма — разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей (см. рисунок 7).

Рисунок 3 – Плоская молния Рисунок 4 – Линейная молния

Рисунок 5 – Чёточная молния Рисунок 6 - Шаровая молния

Рисунок 7 - Огни Святого Эльма

Эльфы — самые эфемерные и короткоживущие в семействе высотных разрядов. Эти светящиеся красно-фиолетовые кольца возникают в нижней ионосфере на высотах 80—100 километров. Меньше чем за миллисекунду свечение, возникнув в центре, расширяется до 300—400 километров и угасает (см. рисунок 8).

Спрайты - характеризуется краткостью разряда — доли миллисекунд. Выглядит спрайтовый разряд в виде вспышек, начинающихся над грозовым фронтом на высоте 25–30 километров и уходящих на высоту до 140 км (см. рисунок 9).

Джеты – один из самых загадочных видов высотных разрядов. Они срываются с верхней кромки грозовых облаков и поднимаются вверх на 10 - 30 километров.

Рисунок 8 - Эльфы.

Рисунок 9 - Спрайты.

В темном огромном грозовом облаке постоянно циркулируют мощные воздушные потоки, которые сталкивают между собой разнообразные частицы — крупинки океанической соли, пыль и так далее. Частицы в облаке при столкновении освобождаются от электронов, которые перескакивают на другие частицы. Так возникает перераспределение зарядов. На одних частицах, которые потеряли свои электроны, имеется положительный заряд, на других, которые приняли на себя лишние электроны, теперь отрицательный заряд. По причинам, которые не вполне ясны, более тяжелые частицы заряжаются отрицательно, а более легкие — положительно. Таким образом, более тяжелая нижняя часть облака заряжается отрицательно. Отрицательно заряженная нижняя часть облака отталкивает в сторону земли электроны, так как одноименные заряды отталкиваются. Таким образом, под облаком формируется положительно заряженная часть земной поверхности. Электроны гигантским зигзагом летят к земле, находя там свои протоны. Вместо едва слышного потрескивания раздается сильный удар грома (см. рисунок 10).

Молнию можно сравнить с пробоем конденсатора, у которого диэлектриком является воздух, а обкладками - облака и земля. Емкость такого конденсатора невелика - примерно 0,15 мкФ, но запас энергии огромен, так как напряжение достигает миллиарда вольт.

Одна молния состоит обычно из нескольких разрядов, каждый из которых длится всего несколько десятков миллионных долей секунды.

Рисунок 10 – Механизм образования молнии.

Для изучения атмосферного электричества Ломоносов и профессор Рихман оборудовали в своих квартирах специальные «громовые машины», которые цепями соединялись с высокими шестами, выставленными на крышах. В 1753г. во время грозы над Санкт- Петербургом из железного прута в квартире Рихмана внезапно появилась голубоватая шаровая молния и ученый погиб.

Самое грозовое место на Земле -Тороро в Уганде, где в году 251 грозовой день.

«Гнездом» молнии называют место, куда грозовые разряды бьют с завидным постоянством. Ученые объясняют тайну «гнёзд молний» пониженным электрическим сопротивление таких мест. Это возможно, когда в земле есть залежи металла. Молнии выбирают порой не только какие-то определённые участки земли, но и людей. Самый известный факт, занесенный в Книгу рекордов Гиннеса: егерь национального парка в американском штате Вирджиния Рой Салливен за свою жизнь был атакован молниями семь раз. Самое страшное, что вопреки логике, Рой остался жив. Правда у него начало сохнуть левое плечо, сгорели все волосы на теле, он стал слепнуть и глохнуть. Несчастный егерь прожил 71 год и покончил с собой.

Несколько лет назад в Стране восходящего солнца группа школьников отправилась в горы. Разразилась гроза. Учитель велел детям обвязаться веревкой, как обычно поступают альпинисты. В эту связку и угодил грозовой разряд, убив каждого третьего. Понятно, что намокшая веревка стала хорошим проводником тока. Но почему погиб каждый третий? Молния вырывает из рук человека металлические предметы и отбрасывает их на большое расстояние, не причиняя вреда державшему их. Молния сплавляет в один большой слиток все монеты, бывшие в кошельке, не сжигая лежавших вместе с ними бумажных денег. Молния бесследно уничтожает, надетый на шею медальон на цепочке, оставляя на память ограбленной ею девушке отпечаток цепочки и медальона, не сходящий с кожи в течение нескольких лет.

При ударе молнии в песок, он может превратиться в стекло, так что после грозы можно обнаружить стеклянные полосы и полые стеклянные трубки на песке. Драматический случай произошел с пятью альпинистами 17 августа 1978г. на Кавказе на высоте 4000м, где они остановились в ясную ночь на ночлег. В палатку к альпинистам залетел светло-желтый шар величиной с теннисный мяч. Шар проникал в спальные мешки. Люди чувствовали сильнейшую боль, не могли двигать ни руками, ни ногами, теряли сознание. После того как шар «посетил» каждый спальный мешок по нескольку раз, он исчез. Альпинисты получили тяжелые раны, мышцы были вырваны целыми кусками, до самых костей. Одного альпиниста шар убил. В год на Земле от молний гибнет около тысячи человек. 23 декабря 1975 года молния установила свой собственный рекорд в Зимбабве - одним ударом убила сразу 21 человека, находящихся в одной из хижин.

В 1966 голу в Вологодской области на берегу реки молния ударила в отару овец, сбившихся от страха в одну большую кучу, и убила всех - всего 101 овцу...

В 1963г. от удара молнии потерпел аварию самолет «Боинг-707», погиб весь экипаж.

По сообщениям американских ученых, молния дважды била в космический корабль «Аполлон-12» с тремя астронавтами на борту и причинила аппарату достаточно серьезный ущерб.

На Венере, Юпитере, Уране и Сатурне тоже бывают молнии.

Молнии Сатурна в миллион раз сильнее Земных.

Молнии приносят пользу: они успевают выхватить из воздуха миллионы тонн азота, связать его и направить в землю, удобряя почву.

По своей силе разряд молнии таковой, что может разогреть воздух вблизи себя до полутора тысяч градусов – это результат, сравним с силой взрыва.

Очень часто молния ударяет в провода линий электропередач. При этом либо грозовой разряд поражает один из проводов линии и соединяет его с землёю, либо молния соединяет между собой два или даже три провода. Во всех этих случаях молния замыкает провода и направляет электрическую энергию по неправильному пути. Наступает авария, и потребитель остаётся без электроэнергии. Чаще всего над проводами линии электропередачи подвешивают дополнительный провод (трос), хорошо соединённый с землёй. Так как трос возвышается над остальными проводами линии, то молния ударяет в него и отводится в землю через мачты, на которых он укреплён.

В состав системы внешней грозозащиты зданий и сооружений входят: 
1. Молниеприемники - часть внешней грозозащиты, которая предназначена для приема разряда молнии; 
2. Токоотводы - часть внешней грозозащиты, которая предназначена для отвода тока молнии от молниеприемников к заземляющему устройству; 3. Заземляющее устройство - часть внешней грозозащиты, канализирующая энергию молнии в землю для последующего её безопасного распределения.

На самом высоком месте кровли устанавливают стальной стержень круглого сечения. Это - молниеприемник. Он примет первый удар. От молниеприемника должна идти пара токоотводов - медный или стальной одножильный проводник. Токоотвод должен быть надежно присоединен или приварен к молниеприемнику, так как через него будет проходить ток силой до 200 000 ампер. Токоотводы спускают с кровли, закрепляя их на фасаде здания, доводят до земли и соединяют с заземлителем, расположенным на глубине 0,5-1,0 метра.

Несмотря на то, что возникновение молнии вызывает большой интерес на протяжении длительного времени, серьезное его рассмотрение стало возможным лишь после кропотливого анализа результатов большого количества наблюдений.

Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Чаще поражаются люди, находящиеся во время грозы на открытой местности, укрывающиеся от дождя под деревьями и вблизи от работающего электрооборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна.

Главное — не па­никовать и немедлен­но начать делать потерпевшему массаж сердца и искусственное дыхание.

Изучение природы молнии позволяет использовать полученные знания в различных областях человеческой деятельности и сделать жизнь человека безопасной и комфортной.

1. Тарасов Л.В. Физика в природе: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение,1988. – С. 102-103.

2. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. – 2-е изд.,перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – С. 9-15.

3. Молния [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://bluesbag1.narod.ru (Дата обращения 12.02.2019).

4. Виды молнии [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://vvika.ru (Дата обращения 12.02.2019)

5. Механизм образования молнии [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://webfacts.ru (Дата обращения 16.02.2019)

6. Человеческие судьбы людей при ударе молнии [Электронный ресурс]-Режим доступа: http://sharmolniya.narod.ru (Дата обращения 17.02.2019)

7. Грозозащита [Электронный ресурс] –Режим доступа: http://vivareit.ru (Дата обращения 22.02.2019)

Калининград

2019 г