Kvant. Гроза
Кикоин А. К. Гроза и грозоотвод //Квант. — 1991. — № 1. — С. 35-37.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Гроза — очень часто наблюдаемое атмосферное явление. Каждую секунду на земном шаре происходят около сотни гроз. Есть даже такие места (центральная Америка, Индонезия), где грозы происходят так регулярно, что люди договариваются о свидании примерно такими словами: «встретимся в среду после грозы».
Гроза и неразлучные с ней молния и громовые раскаты — не только эффектное, но и устрашающее явление. И небезопасное. Недаром одного корня с этим словом слова «грозить», «угроза», «грозный» и т. п. С грозой и в самом деле связаны немалые опасности — для людей и для лесов, для электрических устройств и средств связи. Отсюда — необходимость в средствах защиты от грозы.
Но что же такое гроза?
Гроза — это грандиозный искровой разряд в атмосферном воздухе, который возникает между электрически заряженными облаками или между заряженным облаком и землей. Длина канала, по которому прокладывает себе путь разряд, может достигать многих километров. Сила тока в нем — сотни тысяч ампер. Температура газа в грозовом канале — многие тысячи градусов. Соответственно очень высоко и давление газа в нем. Чтобы такой разряд мог произойти, необходимо электрическое напряжение (например, между облаком и землей) — до миллиарда вольт, а напряженность электрического поля — до миллиона вольт на метр.
Если на пути грозового разряда встречается препятствие — дерево, здание и т. п., то высокое давление может привести к механическому разрушению, а высокая температура — к пожару. Возможно, что первый огонь, с которым познакомился человек, и был огонь, вызванный грозой, зажегшей дерево. Не случайно ведь в мифе о Прометее говорится о похищении огня с неба.
Как же бороться с этой опасностью? Как ее устранить?
Впервые идею защиты от грозы предложил американский физик Бенджамин Франклин еще в середине XVIII века. Им же была установлена и электрическая природа молнии. Идея защиты, используемая и в наше время, основана на свойствах проводящего острия.
Проводник с острием
Известно, что электрические заряды на проводнике располагаются на его поверхности. Если проводник имеет форму сферы или шара, заряд распределяется по его поверхности равномерно — на каждую единицу площади поверхности приходится одинаковый заряд.
Как говорят, поверхностная плотность заряда всюду одинакова. Это связано с тем, что у сферы одинакова кривизна во всех точках поверхности, т. е. одинакова величина, характеризующая отклонение кривой поверхности от плоской.
На поверхности произвольной формы кривизна в разных местах может быть различной. Ясно, что в этом случае электрический заряд распределяется по поверхности неравномерно — ведь заряды всегда располагаются так, чтобы внутри проводника напряженность электрического поля равнялась нулю. Для этого в тех местах, где «меньше места», заряды должны располагаться с большей поверхностной плотностью. Вот почему напряженность поля вокруг проводника особенно велика около тех участков его поверхности, где большая кривизна поверхности.
Острие на поверхности — это место наибольшей кривизны. Соответственно здесь наибольшая поверхностная плотность зарядов, а около острия — особенно сильное электростатическое поле. Это и используется в грозозащитном устройстве — грозоотводе.
Грозоотвод
Он представляет собой металлический стержень, один конец которого приведен в хороший контакт с землей (надежно заземлен), а другой, снабженный заостренным штырем, возвышается над защищаемым сооружением. Стержень вместе с землей — это гигантский проводник, а штырь грозоотвода — острие на нем.
Как же действует это простое устройство?
Предположим, что вблизи грозоотвода оказалось грозовое облако. Пусть, например, заряд на нем положительный. Тогда электростатическое поле облака вызовет разделение зарядов на проводнике, состоящем из земли и грозоотвода, так, что на грозоотводе появится отрицательный заряд. Причем, поскольку на штыре будет очень большая поверхностная плотность заряда, вокруг него возникает очень сильное электростатическое поле.
В атмосферном воздухе всегда есть небольшое число (порядка нескольких сотен в одном кубическом сантиметре) положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов и свободных электронов. Обычно они не мешают воздуху быть отличным изолятором. Но в сильном поле — около штыря грозоотвода — ионы и электроны приобретают такие большие скорости, что, сталкиваясь с нейтральными молекулами воздуха, они ионизируют их. Получившиеся новые электроны и ионы тоже ускоряются и в свою очередь создают все больше и больше пар заряженных частиц, число их растет, как снежный ком. Воздух становится в какой-то мере проводящим.
В настоящем проводнике электростатическое поле, как известно, отсутствует. В воздухе же вокруг грозоотвода оно, во всяком случае, ослабляется, и искровой разряд становится менее вероятным. Можно сказать и так, что отрицательные частицы движутся к положительно заряженному облаку и, по крайней мере частично, нейтрализуют его. Если же разряд все-таки происходит, то стержень грозоотвода будет служить безопасной для окружающих объектов «дорожкой» для разряда.
Молния и гром
Итак, грозовой разряд представляет собой гигантский электрический разряд в газе. Но электрический ток, как известно, не виден и не слышен. Как же объяснить такие впечатляющие грозовые явления, как вспышки молнии и раскаты грома?
Начнем по порядку. Оказывается, образующиеся в канале разряда (его ширина достигает нескольких сантиметров) ионы и электроны, притягиваясь друг к другу, воссоединяются и образуют нейтральные молекулы воздуха. Такой процесс называется рекомбинацией. При этой- то рекомбинации и выделяется свет (происходит вспышка молнии).
Гром же возникает вот почему. При разряде давление газа в грозовом канале становится очень высоким. Быстрое понижение его сопровождается образованием мощной ударной звуковой волны, которую мы и называем громом. Раскаты грома объясняются многократными отражениями звука от облаков и других объектов.
Таким образом, молния и гром — это как бы последствия грозового разряда. Опасности же, о которых мы говорили, связаны с самим разрядом, который не виден и не слышен. Заметим, кстати, что весь процесс разряда, на описание которого мы потратили так много слов и времени, происходит практически мгновенно — в тысячные доли секунды.
Громоотвод? Молниеотвод? Грозоотвод?
Мы назвали грозозащитное устройство грозоотводом. Но очень долго его называли громоотводом. Затем его стали называть молниеотводом, часто так его называют и теперь. Однако из того, что мы рассказали, следует, что ни грома, ни молнии «отвести» нельзя — они лишь неизбежные следствия грозового разряда. Задача же грозозащиты — отвести грозу, вот почему слово «грозоотвод», с нашей точки зрения, точнее всего отражает свое назначение.
