Текст книги "Молния и гром"

Автор книги: И. Стекольников

И. С. Стекольников
Молния и гром

Введение

Летний полдень. Парит. Вдруг небо начинает быстро темнеть. Веет прохладой. Налетевший порыв ветра поднимает пыль и несёт её вдоль улицы. Проходит несколько минут, и первые крупные капли дождя падают на землю, оставляя на пыли большие тёмные пятна. Скоро дождь усиливается, – вот он уже полил сильными струями, создавая сплошную завесу из воды. Вдруг в свинцовом небе сверкнула извилистая огненная лента… Молния! Она ударила где-то близко, и через одну-две секунды раздался такой звук, как будто поблизости загрохотали орудийные выстрелы. Ещё несколько молний, сильных раскатов грома – и дождь утих, небо прояснилось. Гроза пронеслась мимо.

Мощные раскаты грома и ослепительные вспышки молнии внушали раньше людям страх. Наблюдая разрушения, иногда причинявшиеся молнией, человек, полный предрассудков и суеверий, считал, что молнию вызывают боги или могущественные силы, что молния «в наказание» убивает и калечит людей и сжигает их кров. В древнегреческих легендах говорится, что главный греческий бог – громовержец Зевс – в своём гневе мечет огненные стрелы – молнии. В русских поверьях считалось, что грозой управляет «Илья-пророк», разъезжающий в своей колеснице по небу.

Однако, несмотря на страх перед молнией, уже в глубокой древности люди внимательно наблюдали и изучали это грозное и прекрасное явление природы. Уже несколько десятков лет учёные исследуют его. Благодаря их самоотверженному и упорному труду, одно из интереснейших явлений природы – молния и сопровождающий её гром – в настоящее время получило полное научное объяснение. Выяснилось, что ничего таинственного в этом явлении нет и что «божественные силы» здесь не при чём. Учёные могут искусственно создавать молнию, правда в небольших размерах, в своих лабораториях. Совсем крошечные молнии может получить, как это рассказано дальше, каждый читатель этой книжки.

Люди стремились изучить молнию не просто из любопытства. Они хотели научиться бороться с нею, хотели её победить. Непобеждённая молния очень опасна. Она может смертельно поразить человека, разрушить здание, вызвать взрывы и пожары, причиняющие миллионные убытки, создать тяжёлые аварии электростанций, которые прекратят отпуск энергии. Всё это нарушает нормальную жизнь и работу людей.

Чтобы бороться с молнией, люди стремились изучить её. Без знаний победить молнию было невозможно. «Всё даётся знанием, победа – тоже», – говорил Максим Горький.

В этой небольшой книжке мы расскажем о том, как возникают молния и гром, какой вред может причинить молния и как защититься от её разрушительного действия. Начнём мы с основных сведений об электричестве, без которых всё дальнейшее не будет читателю понятно.

I. Некоторые сведения об электричестве

1. Молния и электрическая искра

Две с половиной тысячи лет тому назад греческий учёный Фалес из города Милета заметил, что если янтарь (жёлтую смолу, употреблявшуюся для украшения) натереть мехом, то он может притягивать лёгкие предметы – например, волокна или соломинки. По-гречески янтарь назывался электроном. От этого слова и получило своё название электричество.

Потом было обнаружено, что такие же свойства, как янтарь, приобретают и некоторые другие предметы, например, стекло, эбонит (вещество, из которого делают гребёнки, граммофонные пластинки и т. д.), если их натереть шерстью, шёлком или мехом. Тогда говорят, что эти предметы наэлектризованы.

Эбонитовую гребёнку можно наэлектризовать, расчёсывая ею волосы. Тот, кто видел, как в темноте расчёсывают чисто промытые и сухие волосы гребёнкой, замечал голубоватые искорки и слышал их треск.

Одна из первых машин, которую человек построил для получения электричества (это было в конце 17 века), состояла из стеклянного шара, вращающегося на железной оси. Когда натирали сукном вращающийся шар и затем дотрагивались до него рукою, то между шаром и рукой в темноте был виден свет и слышался треск. При быстром вращении шара наблюдались слабенькие искорки. Кажется сначала удивительным, что эти маленькие слабенькие искры и их лёгкий треск имеют такое же происхождение, что и громадная ослепительная молния и сопровождающий её гром. Но это именно так. Уже 200 лет тому назад учёные окончательно установили, что молния – это электрическая искра.

Впервые это доказал в 1752 году знаменитый американский учёный и общественный деятель Вениамин Франклин.

Летом 1752 года в американском городе Филадельфия можно было наблюдать странную картину. Забравшиеся под навес два взрослых человека (старшему на вид было лет 45, другой был совсем юноша) запускали шёлковый змей. Это были Франклин и его сын. К концу шнурка змея, прикреплённого шёлковой лентой к столбу, отец с сыном привязали массивный железный ключ от садовой калитки (рис. 1). Только сына посвятил отец в тайну своих опытов, опасаясь, в случае их неудачи, язвительных насмешек. Он тревожно стоял у змея, ожидая результатов опыта, как приговора своим многолетним исследованиям.

Рис. 1. Франклин с сыном запускают змея. (Со старинной картины.)

Вот надвинулась туча и прошла мимо. Никаких результатов, никаких следов электричества… И вдруг волокна шнурка натянулись, как это бывало при опытах с электричеством, проводившихся учёным в лаборатории. Франклин быстро поднёс палец к ключу и… сотрясение, которое он получил от проскочившей при этом сильной электрической искры, показалось ему приятнейшим из ощущений.

Ведь он добился того, чего так страстно и упорно желал! Его открытие возбудило весь учёный мир того времени. Бледная искра, издавшая негромкий треск, прозвучала громом на весь мир, доказав, что молния – это электрический разряд. Франклин как бы низвёл молнию на землю, отняв её у таинственных «неземных сил».

В том же 1752 году великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов, откликаясь на открытие Франклина, так описывал сходство между искрой, получаемой от натёртого сукном стеклянного шара, и грозовыми разрядами – молниями:

 
«Вертясь Стеклянный шар даёт удары с блеском,
С громовым сходственным сверканием и треском.
Дивился сходству ум, но, видя малость сил,
До лета прошлого сомнителен в том был.
Внезапно чудный слух по всем странам течёт,
Что от громовых стрел опасности уж нет!
Что та же сила туч гремящих мрак наводит,
Котора от Стекла движением исходит,
Что зная правила, изысканны Стеклом,
Мы можем отвратить от храмин наших гром…»
 

2. Два рода электричества

Производя различные опыты над электричеством, люди выяснили основные его свойства. Прежде всего они открыли, что существует два рода электричества. Одно получается при натирании мехом стекла, драгоценных камней и некоторых других материалов – этот род электричества назвали стеклянным. Другой род электричества получается натиранием янтаря, смолы и ряда других веществ – это электричество назвали смоляным. Теперь для стеклянного и смоляного электричества приняты в науке другие названия. Электричество первого рода (стеклянное) называется положительным, а второго рода (смоляное) – отрицательным. В науке принято положительное электричество обозначать знаком «+», а отрицательное знаком «–». Такие обозначения и будут употребляться на рисунках этой книжки.

Электричество одного какого-нибудь рода отталкивает от себя электричество того же рода и притягивает электричество другого рода. Это – важное свойство электричества. Вот какими простыми опытами можно его проверить.

На вбитый в стену гвоздь наденем чистую сухую стеклянную трубочку, а к концу её подвесим на шёлковой нитке кусочек пробки (рис. 2, слева). Натрём стеклянную палочку мехом или плотной бумагой. Тогда на стекле появится положительное (стеклянное) электричество. Дотронемся затем этой палочкой до пробки. При этом часть электричества перейдёт с палочки на пробку. Теперь на пробке и на конце стеклянной палочки будет находиться электричество одного и того же рода (положительное), и пробка отскочит от палочки.

Рис. 2. Опыты с электричеством. Слева: зарядившись от натёртой палочки, пробка отталкивается от неё. Справа наверху: заряженные натёртой стеклянной палочкой две пробки оттолкнутся друг от друга. Справа внизу: если одну пробку зарядить от стеклянной, а другую – от смоляной палочки, то они притянутся друг к другу.

Подвесим теперь на стеклянную трубку две шелковинки с пробками. Если к обеим пробкам прикоснуться натёртой стеклянной палочкой, то они получат одинаковое, положительное электричество (или, как говорят, «зарядятся» положительным электричеством) и оттолкнутся друг от друга (рис. 2, справа наверху). То же самое произойдёт, если зарядить обе пробки отрицательным электричеством от натёртой смоляной палочки. Таким образом, два одинакового рода электричества отталкиваются друг от друга.

Если же одну пробку зарядить натёртой стеклянной палочкой, а другую – натёртой смоляной, то обе пробки окажутся заряженными электричествами различного рода и притянутся одна к другой (рис. 2, справа внизу).

Таким образом, два разного рода электричества притягиваются одно к другому.

3. Прибор для наблюдения действия электричества – электроскоп

Чтобы узнать, заряжен ли какой-нибудь предмет электричеством, пользуются простым прибором, который называется электроскопом. Электроскоп основан на том свойстве электричества, о котором только что говорилось – на свойстве двух предметов, заряженных электричеством одинакового рода, отталкиваться друг от друга.

Этот прибор изображён на рис. 3 (слева). Он состоит из стеклянной банки, закрытой пробкой, через которую проходит металлический стержень. На том конце стержня, который находится внутри банки, укреплены два тонких продолговатых металлических листочка, а на наружном конце находится металлический шарик. Если к шарику прикоснуться стеклянной палочкой, заряженной электричеством, то это стеклянное электричество перейдёт по стержню на листочки. Оба листочка окажутся заряженными электричеством одинакового рода (положительным), и поэтому они оттолкнутся друг от друга и примут наклонное положение. Это и показано на рис. 3 (справа).

Рис. 3. Листочки электроскопа (справа) раздвинулись – значит он заряжен электричеством.

Если ещё раз натереть стеклянную палочку и снова прикоснуться ею к шарику, то листочки электроскопа разойдутся ещё больше. Это происходит потому, что мы зарядили электроскоп дважды или, как говорят, подвели к нему двойное количество электричества. Чем больше электричества мы имеем, тем более заметно оно себя проявляет. В маленькой искре от гребёнки имеется очень немного электричества – и мы видим слабый свет и слышим тихий треск. При молнии же образуется очень большое количество электричества, и поэтому мы видим искры огромной длины и слышим оглушительный гром.

4. Электрический разряд

Произведём теперь такой опыт. Зарядим электроскоп электричеством одного рода, например – положительным (стеклянным). Листочки электроскопа разойдутся (рис. 4, слева).

Теперь поднесём к этому электроскопу натёртую смоляную палочку и, таким образом, подведём к нему некоторую новую порцию электричества, но уже другого рода – отрицательного (смоляного). Казалось бы, листочки должны разойтись ещё больше. Но оказывается, происходит обратное явление: листочки сойдутся и свободно повиснут так, как будто бы никакого электричества в электроскопе нет (рис. 4, справа). Два одинаковых количества электричества разного рода уничтожают друг друга; при их соединении ни того, ни другого электричества не остаётся.

Рис. 4. Два разного рода электричества уничтожают друг друга.

Это явление называют электрическим разрядом – говорят, что два тела, содержавшие положительное и отрицательное электричества, разрядились.

Положительное и отрицательное электричества всегда стремятся притянуться друг к другу и разрядить тело, на котором они находились. Если тела, заряженные электричествами разного рода, находятся близко друг от друга, но не соединены, то разряд может произойти и через воздух – тогда между обоими телами проскакивает искра и раздаётся короткий сухой треск. Чем сильнее тела были заряжены электричеством, тем ярче искра и сильнее треск.

В лабораториях учёные могут зарядить электричеством металлические шары так сильно, что образуется сверкающая искра до 10 метров длиной и раздаётся оглушительный удар.

Всякая электрическая искра происходит от соединения между собой положительного и отрицательного электричества, т. е. от электрического разряда.

5. Проводники и изоляторы

Все вещества, предметы, тела можно разделить на две группы – проводники электричества и электрические изоляторы.

Чем отличаются проводники от изоляторов?

Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий опыт с электроскопом. Возьмём два электроскопа и поставим их рядом на столе. Один из электроскопов зарядим электричеством, а другой оставим незаряженным (рис. 5, сверху). Прикоснёмся теперь к обоим шарикам сразу медной палочкой. Мы увидим, что угол между листочками заряженного электроскопа немного уменьшится, а листочки незаряженного электроскопа раздвинутся (рис. 5, слева). Это происходит потому, что часть электричества с одного электроскопа ушла по медной палочке к другому. Медь – проводник электричества.

Рис. 5. По проводнику электричество переходит от одного электроскопа к другому, а по изолятору перейти не может.

Сделаем теперь снова такой же опыт, но на этот раз соединим шарики обоих электроскопов палочкой, сделанной из фарфора (рис. 5, справа). Листочки электроскопа останутся в прежнем положении: с ними ничего не произойдёт. Через фарфор электричество не смогло перейти от одного электроскопа к другому. Фарфор не проводит электричества. Он является изолятором.

Проводниками электричества являются, в первую очередь, металлы (медь, железо и другие), вода и земля. Человеческое тело также относится к проводникам. Примерами электрических изоляторов являются фарфор, стекло, резина, воздух.

Проводники и носят своё название от того, что они проводят электричество, т. е. пропускают его через себя, а изоляторы не проводят – не пропускают через себя электричество.

Основную часть электрических устройств составляют проводники, переносящие электричество в определённое место, и изоляторы, которые не дают электричеству уходить в неположенные для него места. Всякий, кто видел телефонную линию или линию передачи электрической энергии (рис. 6), замечал, что провода, которые служат для передачи электричества, натянуты на фарфоровых или стеклянных изоляторах. Провода (линия передачи) несут электричество от электрической станции (где оно вырабатывается машинами) к фабрикам, заводам, МТС и жилищам. Большие фарфоровые изоляторы поддерживают провода и обеспечивают передачу по ним электричества. Изоляторы нужны именно для того, чтобы не допустить ухода электричества с проводов через столбы в землю, оградить, или, как говорят, «изолировать» его от земли.

Рис. 6. Линия передачи электричества.

Текущее в проводах электричество образует электрический ток. Чем больше электричества протекает в одну секунду через провод, тем больший ток течёт по нему.

6. Что представляет собою электричество?

Для ответа на вопрос – что же представляет собою электричество? – нужно знать, из чего состоят различные тела природы. Это изучается наукой, которая называется физикой.

Учёные-физики установили, что каждое тело, твёрдое, жидкое или газообразное, состоит из отдельных очень мелких частичек, называемых атомами. Атом же, в свою очередь, состоит из нескольких ещё более мелких частиц, заряженных электричеством. В середине атома расположена его основная часть – ядро атома. Это ядро заряжено положительным электричеством. Вокруг ядра вращаются частицы вещества, называемые электронами. Электрон заряжен отрицательным электричеством.

В обычном состоянии атом содержит одинаковое количество положительного и отрицательного электричества и поэтому он не проявляет своих электрических свойств.

Однако, если каким-либо образом разбить атом на части – отделить от него один или несколько электронов, то оставшаяся часть будет иметь больше положительного электричества, чем отрицательного. Тогда такой неполный атом проявит себя как положительно заряженное тело: он будет стремиться притянуть из окружающей среды недостающие ему электроны. Оторвавшиеся же от атома электроны будут проявлять свойства отрицательного электричества.

Этот отрыв и происходит, например, при натирании стекла мехом или плотной бумагой; его можно получать и другими способами. Электрический ток в проводе и представляет собой движение электронов. Количество электронов, т. е. количество электричества, проходящего через 1 квадратный сантиметр поперечного сечения проводника, называется силой тока.

Сила тока в электротехнике измеряется единицей, называемой ампером.

Через электрическую лампочку, горящую в комнате и имеющую среднюю яркость, протекает ток, измеряемый ¹/₃–¹/₂ ампера. В линиях передачи электрической энергии протекают токи, измеряемые сотнями и тысячами ампер, а в молнии ток доходит до 200 000 ампер!

7. Получение электричества через влияние

Теперь, когда мы знаем, что атомы каждого тела состоят из частиц, содержащих как положительное, так и отрицательное электричество, мы можем объяснить важное явление – получение электричества через влияние. Это поможет нам понять, как образуется молния.

Произведём следующий опыт. Поднесём к шарику электроскопа палочку, заряженную электричеством какого-нибудь рода, например – положительным, но не будем дотрагиваться палочкой до шарика, оставив между ними маленький просвет (рис. 7, слева). Листочки электроскопа разойдутся, хотя электричество с палочки на шарик не могло перейти: воздух не является проводником. Это произошло по следующей причине. Положительное электричество на палочке будет притягивать к себе отрицательное электричество, имеющееся на шарике, стержне и листочках электроскопа, и отталкивать от себя положительное электричество на этих же проводниках. Отрицательное электричество соберётся ближе к палочке – на поверхности шарика, а положительное – дальше, на листочках. А оба листочка, на которых оказалось электричество одного и того же рода (положительное), разойдутся.

Рис. 7. Получение электричества через влияние.

Но такое расположение обоих электричеств на электроскопе – непрочное. Стоит нам удалить палочку от шарика, и листочки снова спадут: оба рода электричества, притягиваясь друг к другу, опять равномерно распределятся во всех частях электроскопа, и он перестанет проявлять свои электрические свойства.

Потупим теперь так. Снова поднесём к шарику электроскопа палочку, заряженную положительным электричеством, оставив просвет. Листочки разойдутся. Затем, не унося палочки, дотронемся другой рукой до шарика. Угол между листочками немного уменьшится, но совсем листочки не спадут (рис. 7, посредине). Теперь унесём палочку и отнимем руку. Листочки останутся в прежнем положении – электроскоп будет заряжен (рис. 7, справа).

Почему это произошло? Откуда получилось электричество на электроскопе? Ведь мы заряженной палочкой к шарику не прикасались.

Когда мы дотронулись рукою до шарика электроскопа, то положительное электричество на нём, которое стремилось оттолкнуться от палочки, пошло по проводникам – нашей руке и нашему телу – и ушло в землю. А отрицательное электричество, притягиваемое палочкой, осталось на электроскопе и распределилось по всей его проводящей части, на шарике, стержне и листочках. На долю листочков досталось уже меньше электричества, и угол между ними уменьшился. Когда мы после этого унесли палочку, то ничего не изменилось, и электроскоп остался заряженным отрицательным электричеством.

Такой способ получения электричества называется получением электричества «через влияние». Здесь электричество не переходит от одного тела к другому, а получается от влияния тела, заряженного электричеством другого рода.

Мы увидим в следующей главе, что именно такое получение электричества через влияние и будет причиной молнии.

Рассказанных здесь сведений достаточно, чтобы понять, как образуется молния, какие действия она производит и как от неё защититься. Этому и посвящены следующие главы нашей книжки.

II. Образование молнии и грома

1. Происхождение грозовых туч

Туман, поднявшийся высоко над землёй, состоит из частичек воды и образует облака. Более крупные и тяжёлые облака называются тучами. Одни тучи являются простыми – они молнии и грома не вызывают. Другие же называются грозовыми, так как именно они создают грозу, образуют молнию и гром. От простых дождевых туч грозовые тучи отличаются тем, что они заряжены электричеством: одни – положительным, другие – отрицательным.

Как же образуются грозовые тучи?

Всякий знает, какой сильный ветер бывает во время грозы. Но ещё более сильные воздушные вихри образуются выше над землёй, где движению воздуха не мешают леса и горы. Этот ветер, главным образом, и образует положительное и отрицательное электричество в облаках. Чтобы понять это, рассмотрим, как распределено электричество в каждой водяной капле. Такая капля изображена в увеличенном виде на рис. 8. В центре её находится положительное электричество, а равное ему отрицательное электричество располагается на поверхности капли. Падающие капли дождя подхватываются ветром, попадают в воздушные потоки. Ветер, с силой ударяющий в каплю, разбивает её на части. При этом отколовшиеся наружные частицы капли оказываются заряженными отрицательным электричеством. Оставшаяся более крупная и тяжёлая часть капли заряжена положительным электричеством. Та часть тучи, в которой скапливаются тяжёлые частицы капель, заряжается положительным электричеством.

Рис. 8. Так распределено электричество в дождевой капле. Положительное электричество внутри капли изображено одним (большим) знаком «+».

Чем сильнее ветер, тем скорее туча заряжается электричеством. Ветер затрачивает определенную работу, которая уходит на то, чтобы разделить положительное и отрицательное электричества.

Дождь, выпадающий из тучи, уносит часть электричества тучи на землю и, таким образом, между тучей и землёй создаётся электрическое притяжение.

На рис. 9 показано распределение электричества в туче и на поверхности земли. Если туча заряжена отрицательным электричеством, то, стремясь притянуться к нему, положительное электричество земли будет распределяться на поверхности всех возвышенных предметов, проводящих электрический ток. Чем выше предмет, стоящий на земле, тем меньше расстояние между его верхом и низом тучи и тем меньше остающийся здесь слой воздуха, разделяющий разноимённые электричества. Очевидно, что в таких местах молнии легче пробиться к земле. Об этом мы расскажем ещё подробнее дальше.

Рис. 9. Распределение электричества в грозовой туче и наземных предметах.