Природа молнии (грозозащита)

Интересные факты о молниях

1. В верованиях множества народов молния олицетворяет собой кару богов, которые таким способом решили наказать человека за его грехи.
2. Если прочесть интересные факты о молнии, то было зарегистрировано много случаев, когда молния «атаковала» даже самолеты.
3. На сегодня есть много стран, где построены электростанции, что накапливают энергию с помощью молний.
4. Если верить статистике, то вероятность смертельного исхода из-за молнии и из-за падения с постели приравниваются.
5. Интересным считается и факт о том, что американец Рой Салливан был поражен молнией 7 раз. При этом мужчина остался жив.
6. Разряд молнии почти всегда состоит из 3 или более повторных разрядов – импульсов, которые следуют по одному и тому же пути. Интервалы между такими последовательными импульсами предельно короткие.

Мне нравитсяНе нравится1

«Гармонии морей» – самый большой корабль в мире в пять раз тяжелее «Титаника»

Водоросли, живущие в необычных условиях, интересные факты

Интересные факты о кроссовках: чего вы не знали

Джозеф Пристли придумал газировку, изучая брожение пивного сусла

Газеты, история происхождения, о ком и о чем печатают в газетах, интересные факты

Интересные факты о помидорах, виды, состав, свойства, применение, как выбирать и хранить

Кубик Рубика придумал архитектор в 1974 году

Интересные факты о каменном угле, характеристика, виды, добыча, применение

Лавины электронов. Образование стримеров.

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то Движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов (рис. 7). Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны — к положительному. Рис. 7. Схема образования лавины электронов (а) и распределение в ней заряженных частиц (б) Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.
После того, как электроны уйдут на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуются вторичные электроны (рис. 8,а), которые дают начало новым вторичным лавинам (рис. 8,6). Возникшие вторичные лавины направляются к области положительного заряда у анода. Электроны вторичных лавин проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой*. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин (рис. 8,е, г), развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию (рис. 8,(3), которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала.

Рис. 8. Возникновение и развитие анодного стримера в малом промежутке с равномерным полем: а — начальная лавина пересекла промежуток: электроны лавины поглощены анодом; головка лавины интенсивно испускает фотоны; б— фотоионизация вызвала вторичные лавины; электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины; началось образование плазменного канала — стримера; в, г — на конце плазменного канала (со стороны катода) резко увеличивается напряженность поля, что приводит к интенсивной фотоионизации и возникновению новых лавин; плазменный канал быстро прорастает к катоду (положительный стример); д — стример достиг катода; разряд переходит в искровую стадию

Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную. По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.
Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2—3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков. В электроустановках в большинстве случаев электрические поля являются резконеоднородными. В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, концентрируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности.

Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

Виды молнии

Молнии делятся на множество видов. Основным критерием является характер образования разряда, ведь молнии могут возникать на разной высоте. Также они могут иметь разную форму, длину и прочие параметры.

Линейная (туча-земля)

Часто встречающийся вид, возникающий из-за разных зарядов верхней и нижней частей облака. Появляется и развивается линейная молния по принципу, описанному ранее – в результате активной ионизации воздуха. От основного канала-лидера ступенчато расходятся вспышки в разные стороны, на финальной стадии достигающие земли.

Земля-облако

Объекты, расположенные на большой высоте, часто приманивают молнию, накапливая электростатический заряд. Разряды «земля-облако» возникают как следствие пробивания слоя атмосферы между нижней частью грозовой тучи и заряженной верхушкой.

Облако-облако

Большинство молний возникают именно среди облаков. Вспышки образуются в результате того, что разные части туч имеют разные заряды. Поэтому облака, расположенные поблизости, пробивают друг друга электрическими разрядами.

Интересный факт: в Венесуэле есть уникальное место, где река Кататумбо впадает в Озеро Маракайбо. Здесь круглый год появляется множество молний (обычно ночью), которые вспыхивают непрерывно длительное время. Частота разрядов – 250 на квадратный километр за год. Наибольший пик – май и октябрь.

Горизонтальная

Похожа на «облако-земля», но не достигает земной поверхности. Вспышки распространяются в разные стороны. Такая молния считается чрезвычайно мощной. Для ее образования достаточно одной грозовой тучи на чистом небе.

Ленточная

Интересную форму приобретает молния, в которой несколько одинаковых каналов устремляются вниз параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Вероятно, причина кроется в сильном ветре, расширяющем данные каналы.

Четочная (пунктирная)

Редкий вид молнии, природа которого мало изучена. Разряд идет не сплошной линией, а с частыми мелкими промежутками – пунктирами. Возможно, некоторые участки молнии быстро остывают, придавая ей такую форму. Вспышка длится пару секунд, а сама молния бьет волной и только одним следом.

Шторовая

Возникает над облаками, а не внутри или под ними, как предыдущие виды. Как именно образуется, неизвестно. Внешне это широкая светящаяся полоса, состоящая из большого количества разрядов. При этом можно услышать негромкий гул. Впервые такую молнию удалось запечатлеть лишь в 1994 году.

Спрайт

Если обычная молния возникает на высоте около 16 км, то спрайты появляются гораздо выше – 50-130 км. Они представляют собой электрические разряды холодной плазмы, бьющие из облаков вверх.

Рассмотреть их проблематично, но образуются спрайты группами при каждой сильной грозе через несколько секунд после мощной молнии. Средняя длина вспышек – 60 км, диаметр – до 100 км, длительность – до 100 миллисекунд.

Эльф

Масштабные конусообразные вспышки со слабым красным светом (диаметр примерно 400 км). Образуются в верхних слоях грозовых туч. В высоту достигают 100 км, а длятся около 3 миллисекунд.

Джет

Молнии трубчато-конусной формы с синим свечением. В высоту достигают нижних слоев ионосферы (от 40 до 70 км). По продолжительности немного обгоняют эльфов.

Вулканическая

Возникает при извержении вулкана. Вероятно, из-за того, что пепел и магма при выбросе несут электрический заряд. Кроме того, эти частицы постоянно сталкиваются, чем и вызывают разряды.

Огни Святого Эльма

Фактически это не молния, а разряды, которые возникают на заостренных концах возвышающихся объектов. Сюда относятся вершины скал, деревья, мачты судов, башни и т.п. Образуются они из-за высокой напряженности электрического поля. Чаще всего это происходит во время грозы или метели зимой.

Шаровая

Молния в виде сгустка плазмы шарообразной формы, плавающего прямо в воздухе. Как и почему образуется такой разряд, учеными до сих пор не установлено. Можно наверняка утверждать лишь то, что такая молния ведет себе непредсказуемо. Многие до сих пор сомневаются в ее существовании.

Понятие электротравмы

Виды поражения электрическим током

Патофизиологическим результатом разнообразных воздействий электротоков различной силы на человека является поражение электрическим током, трактуемое ГОСТ Р МЭК 61140-2000 «Защита от поражения электрическим током. Общие положения по безопасности…» как «…физиологическое воздействие проходящего через тело человека электрического тока» (п.3.1). Весь комплекс изменений анатомических соотношений в организме, нарушений функций систем, органов и тканей, сопровождающийся соответствующей реакцией организма на действие протекающего через него тока принято называть электротравмой. В обиходной речи электротравмой называют повреждения электрическим током, фиксируемые визуально (ожог) или по ответной реакции организма следующего вида:

• ощущение механического толчка или удара, когда происходит поражение током;
• мышечные судороги с болевым эффектом;
• фибрилляция сердца, выражающаяся в нарушении работы сердечной мышцы, вплоть до остановки сердца и клинической смерти.

Обратите внимание! Вероятность поражающего травмирования электротоком относится к категории неявных опасностей, поскольку отсутствуют внешние атрибуты и признаки реальной грозящей опасности, чтобы люди могли бы заблаговременно их обнаружить при помощи органов чувств (например, по аналогии «горячий-холодный» или «тупой-острый» предмет). Степень тяжести поражения от удара электрическим током, в зависимости от реакции организма, подразделяется следующим образом:

Степень тяжести поражения от удара электрическим током, в зависимости от реакции организма, подразделяется следующим образом:

1. Первая степень – мышечные судороги, повышается артериальное давление, сильное головокружение, но без потери сознания;
2. Вторая степень – мышечные судороги и потеря сознания, которое быстро возвращается, но надолго сохраняется состояние испуга. Иногда наблюдается частичный паралич;
3. Третья степень – судороги групп мышц, приводящие к разрывам мягких тканей и вывихам суставов. Нарушаются сердечная деятельность и дыхание, происходит потеря сознания. Из-за спазма голосовых связок пострадавший не в состоянии кричать, чтобы позвать на помощь;
4. Четвертая степень – паралич дыхательной системы, фибрилляция сердечной мышцы. Клиническая смерть.

Важно! Клинической смертью называют переходный период, наступающий с момента остановки дыхания и работы сердца. У пострадавшего от удара током отсутствуют признаки жизни, его сердце не работает, дыхание отсутствует

Однако при поражении током в период клинической смерти жизненные функции органов сразу не угасают, что дает шанс на сохранение жизни человеку, если вовремя оказать ему соответствующую помощь – искусственное дыхание и массаж сердца.

Способы защиты от статики на производстве

Дифференциальная защита

Против вредного и опасного проявления накопленного статического электротока в производственных условиях разрабатывается и применяется комплекс защитных мероприятий. В их основе лежат следующие методы:

• повышение проводящих свойств материалов и окружающей рабочей среды, что приводит к рассеиванию в пространстве периодически появляющихся электрозарядов статики;
• снижение скоростей обработки и перемещения материалов, что значительно уменьшает возможности генерирования статических электрозарядов;
• полномасштабное применение грамотно устроенного заземления, что помогает исключить накопление опасных потенциалов;
• повышение устойчивости самих машин и механизмов к действию статистических разрядов;
• недопущение проникновения электрического тока в рабочую зону.

Все способы, применяемые для предотвращения статических электрических разрядов, разделяют на конструкционные, технологические, химические, физические и механические. Три последних направлены главным образом на снижение активности генерирования электрозарядов и быстрейшему их уходу в почву. В то же время первые из перечисленных методов с заземлением не связаны.

В качестве высоконадежного средства защиты от статического электричества выступает так называемая клетка Фарадея. Она выполняется в виде мелкоячеистой сетки, ограждающей машины по всей площади, у нее имеется подключение к контуру заземления.

Клетка Фарадея – надежное приспособление для защиты от электрических разрядов

Благодаря такой конструкции, поля электричества не проникают внутрь клетки Фарадея, а на магнитное поле она никак не влияет. Электрические кабели, покрытые предварительно экраном из металлического листа, защищаются по таким же принципам.

Электростатический заряд можно оптимально уменьшить посредством возрастания токопроводимости промышленных материалов и проведением коронирования (т.е. создания на поверхности материалов воздушной плазмы коронным разрядом комнатной температуры). Достигается это с помощью специального подбора материалов, имеющих повышенную объемную проводимость, наращиванием рабочих площадей и повышением ионизации воздуха вокруг защищаемых механизмов. Специальные агрегаты – ионизаторы, генерируют положительно и отрицательно заряженные ионы, которые притягиваются к противоположно заряженным диэлектрикам и нейтрализуют их заряды.

Важно! Для веществ с высоким электросопротивлением такие способы защиты от статики не подходят. Обязательным в перечне мероприятий по защите от статического электричества является заземление

В состав заземляющего устройства входит заземлитель (проводящий элемент) и проводник заземления между заземляющей точкой на почве и заземлителем. Достаточным заземление против электростатики считается при сопротивлении в любой точке оборудования не выше 1 мегаОм. Для оборудования часто используются проводящие пленки, покрывающие рабочую поверхность

Обязательным в перечне мероприятий по защите от статического электричества является заземление. В состав заземляющего устройства входит заземлитель (проводящий элемент) и проводник заземления между заземляющей точкой на почве и заземлителем. Достаточным заземление против электростатики считается при сопротивлении в любой точке оборудования не выше 1 мегаОм. Для оборудования часто используются проводящие пленки, покрывающие рабочую поверхность.

В рабочих помещениях настилаются антистатические полы, операторы должны работать в антистатической одежде и обуви (при этом сопротивление материала подошв не выше 100 ом).

Процесс грозового разряда

Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы напряженность поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на один сантиметр. Если такая напряженность получается внутри облака, то возникает внутриоблачный разрядили разряд на землю (нисходящая молния). Если напряженность поля сильно искажается у поверхности земли, например, высокими башнями, то возникает молния, развивающаяся от земли к облаку (восходящая молния). Так как молния может начаться у положительно или отрицательно заряженных центров грозовых ячеек или высоких предметов на поверхности земли, то возможны четыре типа молний, показанных на рис. 7.50. Если разветвления канала молнии направлены к земле, то имеет место разряд с облака на землю; обратное направление разветвлений свидетельствует о восходящей молнии. На равнинной местности чаще наблюдаются нисходящие молнии.

Рис. 7.50. Типы молний:
а — отрицательная нисходящая молния; б — положительная нисходящая молния; в — восходящая молния к отрицательно заряженному облаку; г — восходящая молния к положительно заряженному облаку

7.8.3.1. Нисходящие молнии. Рис. 7.51. Статическая картина молнии (а) и ее временная развертка (б):
1 — ступени развития молнии; 2 — главный разряд; 3 — встречный восходящий лидер

P и c. 7.52. Осциллограмма тока грозового разряда с отрицательно заряженного облака . До момента времени t=300 мкс зафиксировано 8 импульсов. После этого момента приведена осциллограмма постоянной составляющей тока Механизм грозового разряда можно пояснить на примере наиболее часто встречающейся нисходящей молнии. Из центра отрицательного заряда грозовой ячейки по направлению к земле начинает ступенчато прорастать канал с тонким высокопроводящим центром. Этот канал, напоминающий лидер, имеет среднюю скорость развития около 300 км/с. При приближении канала к земле напряженность поля повышается настолько, что с поверхности земли возникает такой же канал длиной примерно 10 м, встречающийся с каналом, развивающимся с облака. После этого наступает стадия главного разряда в виде высокоионизированного ярко светящегося канала, удлиняющегося в обратном направлении со скоростью примерно 50 000 км/с.   
Через этот канал отводится заряд из канала лидера и окружающего его чехла на землю в течение 10—100 мкс. Во время этой стадии через пораженный объект проходит очень большой по амплитуде кратковременный ток. На рис. 7.51 показано развитие грозового разряда во времени. Заряд и длительность отрицательной молнии обычно меньше, чем положительной. Особенностью нисходящих отрицательных молний являются многократные разряды (рис. 7.52). Они возникают потому, что спустя 10—100 мс по ионизированному пути первого разряда вновь развивается лидер по направлению к земле со значительно большей скоростью, равной примерно одной сотой доли скорости света, без заметных ступеней.
В результате через объект проходит новый импульс тока. Зарегистрировано в одной молнии до 40 подобных разрядов, следующих друг за другом. В отдельных случаях при отрицательных молниях после спада тока главного разряда наблюдается длительный непрерывный ток, свидетельствующий об отводе части заряда облака на землю через канал разряда. Изменение тока положительной молнии во времени показано на рис. 7.53.

Положительные молнии являются однократными, однако в большинстве случаев в течение разряда за 10—100 мс переносится значительный заряд.

Р и с. 7.54. Распределения вероятностей Р максимальных значений токов

7.8.3.2. Восходящие молнии.

При развитии молнии с облака на землю возникает заряженный лидерный канал с чехлом, в котором быстро протекает главный разряд. При восходящей молнии лидер развивается с высокого объекта к облаку и в течение десятых долей секунды через объект протекает сравнительно небольшой слабо меняющийся ток, равный нескольким сотням ампер. Развивающийся с земли лидер приводит к появлению встречного лидера с облака. Наблюдались также случаи, когда по пути, проложенном восходящим лидером, затем развивались повторные нисходящие разряды. Преимущественно восходящие молнии развиваются с очень высоких зданий и башен.

Разновидности молний

На Земле существует несколько разновидностей молний. 

1. Наземные (составляют всего около 25% от общего количества).
2. Внутриоблачные (самое распространенное явление).
3. Молнии, образующиеся в высших слоях атмосферы, которые можно увидеть только при помощи специальных приборов.
4. Вулканические.
5. Огни святого Эльма.
6. Шаровые.

К наземным относятся:

Линейная. Частый вид, образование которого мы как раз и приводили выше, описывая разряд между небом и землей. Молния представляет собой изогнутую линию с ответвлениями, один конец которой находится в небе, другой — на поверхности земли. 

Молния «земля-облако» образуется, когда разряд попадает в объект, расположенный на большой высоте. Высокие предметы накапливают электростатический заряд и тем самым приманивают молнии.

Ленточная. Интересный редкий вид молнии, который представляет собой ряд одинаковых каналов, находящихся на небольшом расстоянии и параллельных друг другу. Ученые считают, что причиной данного явления выступает сильный ветер, который значительно расширяет каналы.

Пунктирная или жемчужная. Очень редкий вид, который представляет собой не сплошной разряд, а линию, состоящую из частых промежутков, похожих на пунктиры. Ученые предполагают, что такой эффект возможен по причине быстрого остывания некоторых участков молнии. 

Шторовая. В отличие от других видов возникает над облаками. Внешне выглядит эффектно — как сеть разрядов. При ней можно слышать негромкий гул. Такую молнию впервые сфотографировали только в 1994 году.

Внутриоблачные или межоблачные электрические разряды бывают 2-х видов:

«Облако-облако». Самый распространенный вид молний, когда оба концы электрического разряда находятся в небе. Это происходит потому, что соседние облака имеют разные заряды и пробивают друга друга. Такой вид молнии не опасен для человека, так как не достигает поверхности земли.

Горизонтальная. Напоминает собой молнию «облако-земля», но при этом не достигает земли. Вспышки по небу распространяются в разные стороны, выглядит такой разряд очень эффектно и считается чрезвычайно мощным. 

Вспышки, которые образуются на высоте 40 км и выше от поверхности земли, делятся на:

Спрайты. Привычные нам электрические разряды образуются на высоте порядка 16 км. Спрайты же возникают гораздо выше, от 50 до 130 км над землей. Это вспышки холодной плазмы, которые бьют из облаков вверх. Они образуются группами при сильной грозе и появляются спустя несколько секунд после мощной молнии. Обладают следующими параметрами: средняя длина вспышки составляет 60 км, длительность — до 100 миллисекунд, диаметр — до 100 км.

Эльфы. Представляют собой масштабные разряды в виде конусов со слабым красным светом. Их диаметр около 400 км. Возникают в верхних частях грозовых облаков. Их высота составляет 100 км, длительность — 3 миллисекунды.

Джеты. Вспышки с синим свечением и трубчато-конусной формой. В высоту достигают 40-70 км. Длятся чуть дольше эльфов.

Необычными видами электрических разрядов считаются:

Вулканическая. Такой вид образуется при извержении вулкана. Связано это со столкновением электрических зарядов, которые несут в себе пепел и магма.

Огни Святого Эльма. Это разряды, возникающие на острых концах высоких объектов (вершины скал, мачты судов, деревья, башни и т.п.). Возникают по причине высокой напряженности электрического поля во время грозы летом или метели зимой.

Шаровая. Этот вид электрического разряда представляет собой шарообразный сгусток плазмы диаметром 10-20 см, который свободно перемещается по воздуху, имеет непредсказуемую траекторию движения и способен взрываться. С уверенностью можно говорить о том, что это самый интересный и малоизученный вид молний.