Реферат: Шаровая молния

Константин Резуев

Начнемс некоторых предположений. Во-первых, шаровая молния (ШМ) существует безподвода энергии извне, т.е. энергия необходима только в начальный момент. Послеобразования (например, в результате электрического разряда) ШМ существует безпоглощения дополнительной энергии. Во-вторых, ШМ состоит из плазмы, т.е. изполностью ионизированного вещества.

Какже происходит образование ШМ. Предположим, что за счёт подвода большогоколичества энергии (например, при мощном электрическом разряде), в некоторомобъёме образовалась плазма (рис.1а.).

/>

Рис.1. Последовательность формирования ШМ

Приодной и той же энергии, скорости движения электронов намного больше, скоростиядер. Электроны первыми покидают объём плазмы, ионизируя на своём путинекоторый объём окружающего воздуха. В итоге на этом этапе образуетсявнутренняя, положительно заряженная область, состоящая из ядер и окружающий этуобласть, ионизированный газ (рис.1б). Свободные электроны ионизированного газаускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центремаксимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис.1в. За счётразлёта ядер, в центре образуется область с очень маленькой концентрацией ядер.Будем считать, что в этой области находятся только электроны. При такомраспределении заряда имеем: центральный отрицательный заряд замедляет электроны,движущиеся из области ионизированного газа, и поэтому максимум энергииэлектронов будет находиться не в центре ШМ а на сфере, обозначенной на рис.1впунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся отцентра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т.к. их скоростинамного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМуспевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимоерасстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре,который уже способен замедлить и ускорить при движении к центру положительныеядра. Через некоторое время наступает равновесное состояние, которое ирассмотрим. Примем такую модель ШМ.

/>

Рис.2. Разрез шаровой молнии

Нарис.2 представлен разрез ШМ. Движение ядер и электронов, составляющих ШМ – этоколебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т.е.практически вся масса ШМ, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. Вобъёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. Придвижении к центру ШМ ядра ускоряются, приобретая в центре максимальную энергию.Двигаясь от центра они замедляются до нулевой энергии в промежутке междуточками А и В. Такое движение положительно заряженных ядер обусловленоцентральным отрицательным зарядом. Теперь рассмотрим движение электронов. Ониимеют максимальную энергию на сфере с точкой В, а нулевую энергию в центре ШМмежду синей и голубой линиями (линии с точками С и D), т.е. электроныускоряются от точки D до точки В, после чего замедляются при движении к центруШМ. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точкеD. Рассмотрим распределение заряда по радиусу ШМ. Такое распределениепредставлено на рис.3.

/>

Рис.3. Распределение заряда по радиусу ШМ

Какимобразом получается такое распределение заряда? Частицы в разных точках порадиусу ШМ имеют разные энергии, а значит и разные скорости. Чем большескорость частицы в какой-то области, тем меньше время её нахождения в этойобласти и меньший заряд сосредоточивается в данном объёме. И наоборот, чемменьше энергия частиц в каком-то объёме, тем больший заряд сосредоточен в этомместе. Энергия электронов минимальна в центре ШМ и в интервале между точками Cи D, а энергия ядер в интервале между точками A и B. Это значит, что в этихместах сосредоточены отрицательный и положительный заряды. Это показано нарис.3. Положительный заряд в области точки Е обусловлен другими причинами,которые рассматриваются ниже. Эти заряды создают внутри ШМ электрическое поле.Распределение потенциала и напряженность этого поля представлены на рис.4 ирис.5.

/>

Рис.4. Распределение потенциала электрического поля f по радиусу шаровой молнии

/>

Рис.5. Распределение напряженности электрического поля по радиусу шаровой молнии

Извсех вышеприведённых графиков, можно сделать некоторые выводы. В центресосредоточен отрицательный заряд, который хоть и меньше, примерно в два раза,положительного заряда с максимумом на сфере с точкой А, тем не менее создаётвозрастание потенциала электрического поля от центра ШМ до точки В, и еслимаксимальная энергия ядра делённая на заряд ядра меньше разности потенциаловмежду точками О и В, то такое ядро не может проникнуть за точку В и покинутьпределы ШМ.

Дляиллюстрации этого утверждения, рассмотрим задачу. Имеем центральныйотрицательный заряд в точке О и распределенный по сфере с центром в точке Оположительный заряд в два раза больший по величине. В результате на пробный,положительный заряд, помещённый на поверхность сферы, будет действоватьрезультирующая кулоновская сила, направленная в центр сферы, т.е. влияниецентрального отрицательного заряда будет больше, чем влияние положительногозаряда, распределённого по сфере. Таким образом, центральный заряд удерживаетоколо себя положительно заряженные ядра. С другой стороны, суммарный зарядвнутри сферы с точкой В будет положительным. И уже этот положительный заряд недаёт электронам (т.к. они заряжены отрицательно) вылететь дальше точки Е ипокинуть пределы ШМ.

Теперьрассмотрим вопрос, как частицы ШМ взаимодействуют с окружающим её атомамивоздуха. На периферии ШМ находятся только электроны и чем ближе они к границе,тем меньше их энергия. Основное взаимодействие с атомами газа происходит в тойобласти, где энергия электронов близка к тепловой энергии. Процессвзаимодействия атомов воздуха с электронами ШМ схематично показан на рис.6.

/>

Рис.6. Взаимодействие электронов ШМ с атомами воздуха

Атомывоздуха взаимодействуют со встречным потоком электронов. В голубой области(рис.6) энергия электронов приблизительно равна тепловой и взаимодействие сатомами будет упругим, т.к. энергии электрона не хватает на возбуждениеэлектронных оболочек, а тем более на ионизацию атома. В то же время её хватаетдля сообщения атому импульса обратного направления. Здесь необходимо отметить,что изменение направления движения частиц в центральном потенциальном поле неприводит к уменьшению средней энергии колебаний. Существует вероятность того,что атом пройдёт эту область, попав в оранжевую область с более высокойэнергией электронов (эта вероятность зависит от плотности потока электронов). Вэтом случае атом ионизируется, электрон переходит в состав ШМ, а ионвыталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутрисферы с точкой D (рис.2) ШМ заряжена отрицательно. Ионы будут накапливаться насфере с точкой Е (рис.2). Это та точка, где заканчивается влияние положительнозаряженного объёма внутри сферы с точкой В (рис.2) и сказывается общийотрицательный заряд ШМ, т.е. эти ионы можно считать частью ШМ. С учётом этогоположительного заряда ШМ будет электрически нейтральной.

Врезультате такого взаимодействия электроны теряют небольшую часть энергии, т.к.это взаимодействие происходит в области низких энергий электронов. С другойстороны, потеря электронами энергии, уменьшает радиус ШМ. Это приводит куменьшению поверхности ШМ и к увеличению плотности потока электронов через неё,что в свою очередь, уменьшает вероятность проникновения атомов воздуха вобласть электронов с высокой энергией. Таким образом, ШМ всё время стараетсяприйти в равновесное состояние.

Теперьрассмотрим, как эта модель согласуется с описанным наблюдателями, поведением ШМв естественных условиях.

СвечениеШМ, запах озона легко объяснить проникновением атомов и молекул воздуха вобласть больших энергий электронов. Вследствие этого, происходит ионизация иливозбуждение электронных оболочек атомов, разрушение химических связей.

Еслисоздались условия и ШМ потеряла устойчивость (например, столкновение с твёрдымпредметом), то происходит мгновенный выброс энергии, сконцентрированной в ШМ.Это можно расценить, как взрыв. Если же ШМ потеряет всю энергию постепенно, тоэто будет выглядеть как будто она «растаяла» в воздухе.

/>

Рис.7. Взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами

Рассмотримрис.7, на котором показано взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами. Если приэтом взаимодействии ШМ не потеряла устойчивость, то та часть твёрдого предмета(на рис.7 обозначена жирной линией), которая попала в область высоких энергийэлектронов, будет ионизирована. При этом ШМ частично будет терять энергию. Так,пролетев вдоль дерева, ШМ может оставить на нём ожоги. Тонкие предметы (листья,тряпку, палатку) она может прожечь насквозь.

Таккак по радиусу ШМ заряды распределены неравномерно, то на её движение впространстве может влиять внешнее электрическое поле (рис.8). Разная плотностьлиний напряжённости электрического поля создаёт силу, действующую на ШМ.

/>

Рис.8. Влияние внешнего электрического поля ШМ на ее движение в пространстве

Вконце остановимся на некоторых моментах. Предложенная модель ШМ основана толькона кулоновском взаимодействии заряженных частиц. Первоначально разделённыезаряды формируют такую колебательную систему, где каждая заряженная частицадвижется под действием электрического поля, а совокупность всех частиц создаётэто поле. При взаимодействии частиц с атомами воздуха не происходитзначительной потери энергии, т.к. это взаимодействие происходит в области малыхэнергии электронов. В центре ШМ ядра имеют максимальную энергию и, возможно,она больше пороговой энергии термоядерных реакций. Это значит, что если создатьШМ из термоядерных материалов (T, D или He3), то возможно получениеэнергии.

Список литературы

Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.n-t.org/