Исследовательская работа на тему Что такое молния

«Что такое молния?»
Савченко Артем ГаджаровичРоссия, Забайкальский край, г. Чита
МБОУ «СОШ №9»
7Д класс
Руководитель: Федотова Т. В., учитель физики
Содержание (план) работы:
Введение………………………………………………………………………………...2
Глава 1.Что такое молния?..............................................................................................3
Как образуется молния?....................................................................................3
Мифы и факты о молниях……………………………………………………3
Глава 2. Виды молний………………………………………………………………….5
2.1. Естественные молнии……………………………………………………….....5
2.2. Искусственные молнии………………………………………………………..5
Глава 3. Молнии и примеры их воздействия………………………………................7
Глава 4. Практическая часть «Молния из гвоздей и проводов»………….………....8
Заключение……………………………………………………………………………...10
Список литературы и источников………………………………………………….....11
Приложение 1…………………………………………………………………………...12
Приложение 2…………………………………………………………………………...13
Приложение 3…………………………………………………………………………...17
Введение
В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах: Венере, Юпитере, Сатурне, Уране. Многие до сих пор не знают, как образуются молнии, да и «Что такое молния?» не всем известно. «В чём заключается полезность молнии?», «Какие бывают виды молний?», «Как человек, совершая какую-либо деятельность, может вызвать молнии?» - вот одни из самых задаваемых вопросов. Поэтому я решил рассмотреть данные вопросы в своей работе.[1]
Цель работы: выяснить, что такое молния и как она образуется.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд задач:
Узнать, что такое молния.
Рассмотреть виды молний.
Рассмотреть существующие мифы и факты о молниях.
Получить экспериментально молнию.
Обобщить полученный результат.
Методы исследования: изучение и анализ литературы и Интернет ресурсов по данной теме, наблюдение, фотографирование, эксперимент, анализ результатов.
Глава 1.Что такое молния?
Молния - это мощный электрический разряд (см. Приложение 1, рис. I). Она возникает при сильной электризации туч или земли. Поэтому разряды молнии могут происходить или внутри облака, или между соседними наэлектризованными облаками, или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей.[1]
1.1. Как образуется молния?
Грозовые облака представляют собой большой объем водяного пара. Причем часть объема представлена льдинками. Воздушные потоки, поднимающиеся от земли, создают в облаке эффект конвекции, поэтому частицы пребывают в движении, сталкиваясь постоянно друг с другом. При этом крупные ледяные частицы получают отрицательный заряд, а мелкие – положительный. Через некоторое время грозовая туча, являясь единым объектом, заряжается сверху положительно, а снизу – отрицательно. Напряженность электрического поля при этом достигает миллиона В/м. И вот, когда заряженные таким образом облака приближаются, между ними проскакивают некоторое ионы и электроны, создающие плазменный светящийся канал. Этот канал открывает путь для остальных частиц. Именно так и происходит разряд молнии (см. Приложение 1, рис. II).[1]
1.2. Мифы и факты о молниях
1. Во время грозы, молния может попасть несколько раз в одно и то же место.
2. В мире каждую минуту сверкает 6000 молний.
3. Типичная молния длится около четверти секунды и состоит из 3-4 разрядов.
5. С помощью спутников было зафиксировано, что среднее количество молний в секунду составляет от 40 до 50 штук. И лишь ¼ из них ударяет о Землю.
6. Средняя молния имеет длину 9,5 км.
7. Температура молнии может достигать 27 771 градусов по Цельсию. Это почти в 54 раз горячее, чем поверхность Солнца!
8. В самолеты молния попадает в среднем один раз на каждые 5-10 лётных часов.
9. Вероятность увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет 1/10000
10. Ударяя я в песчаную почву, молния способствует образованию стекла. После грозы в песке можно найти полоски стекла.
11.Свет распространяется быстрее звука, поэтому, сначала мы видим вспышку света, а потом раскат грома. Чтобы определить расстояние до грозы, необходимо знать скорость звука: он движется со скоростью в 1 км за 3 секунды.
12. Молния убивает больше людей каждый год, чем торнадо или ураганы. Только от наводнений умирает намного больше людей, чем от молний.
13. В американский Эмпайр – Стейт - Билдинг молния ударяет в среднем 23 раза в год.14. Молнии наблюдаются также на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.15. Вероятность быть убитым молнией составляет 1 к 2000000. Такие же шансы у каждого из нас умереть от падения с кровати.
16. Частокол молниеотводов не смущает молнию. Когда традиционный путь сверху перекрыт, она прорывается к объекту снизу, прокладывая обходной канал к земле.[2] 17. Многие поколения японских фермеров, выращивающих грибы, замечали увеличение их роста в том месте, куда попала молния. В 2010 году учёные Иватского университета опубликовали результаты исследований, в ходе которых подвергали грибы воздействию искусственно созданных молний. Оказалось, что электрические разряды от 50 до 100 тысяч вольт действительно увеличивают продуктивность для 8 из 10 исследованных видов, причём в некоторых случаях более чем в два раза. Чёткого объяснения природы данного феномена нет, однако есть предположение, что грибы реагируют на молнию как большую опасность для выживания и поэтому ускоряют свой рост.[3]

Глава 2. Виды молний
2.1. Естественные молнии
В 1989 году был обнаружен особый вид молний - эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере - джеты.[4]
Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (см. Приложение 2, рис. III).
Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов (см. Приложение 2, рис. IV)
Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало (см. Приложение 2, рис. V)
Шаровая молния - это весьма редкое явление в атмосфере. Шаровая молния чаще всего появляется вместе с обычными молниями в штормовую или грозовую погоду. Иногда она спускается с облаков, рождается с обычной молнией и намного реже – выходит из какого-нибудь предмета (столб, дерево) или появляется неожиданно в воздухе. Ее форма чаще всего шарообразная, но может быть также овальной, грушевидной и даже напоминать медузу (см. Приложение 2, рис. VI)[5]
.
2.2. Искусственные молнии
При мощных наземных ядерных взрывах недалеко от эпицентра под действием электромагнитного импульса могут появиться молнии. Только в отличие от грозовых разрядов эти молнии начинаются от земли и уходят вверх.[6]
Студенты университета Флориды провели эксперимент по вызову молнии. Они выпустили ракету с медной проволокой в облака, вызвав разряд (см. Приложение 2, рис. VII)
Трансформатор Тесла, резонанс-трансформатор, известный как катушка Тесла, устройство, предназначенное для создания очень высоких напряжений, в несколько миллионов вольт на высокой частоте, разработана Николой Тесла (см. Приложение 2, рис. VIII)
Мощный лазер поможет вызвать грозовой разряд. Группа немецких и французских учёных проводит эксперимент: они пытаются с помощью высокоэнергетического лазера вызвать разряд молнии в грозовых облаках.Для этого они применили новый мобильный лазер, называемый "Терамобиль" (см. Приложение 2, рис. IX). Эксперимент проводится во время грозовой погоды на вершине пика Саут-Бэлди в штате Нью-Мексико. Специалисты обстреливают облака частыми импульсами пятитераваттного лазера. Его лучи создают так называемые "жилы" - каналы ионизированных молекул, которые передают электричество в облаках. "Жилы", созданные лазером, быстро ичезают и не могут вызвать разряд молнии. Исследователи, однако зарегистрировали повышение активности в облаках.
Глава 3. Молнии и примеры их воздействия
Удар Молнии всегда направлен в то тело, которое представляет меньше сопротивления, - в металлические предметы, во влажную почву и т. д.
Удар в сухую почву указывает на близость к поверхности ее почвенной воды.
Более частым ударам подвержена глинистая и песчаная почва; более редким — известковая.
Проходя через тела, Молния нагревает их тем больше, чем больше их сопротивление.
Тонкие проволоки плавятся и улетучиваются, легковоспламенимые тела загораются, жидкости испаряются; сухие деревья зажигаются, свежие расщепляются, при чем она сдирает с них кожу.
Иногда Молния поражает людей и животных вследствие так называемого возвратного удара: в теле под влиянием наэлектризованного облака индуктируется электричество противоположного знака, а электричество того же знака уходит в землю; когда облако разряжается действием другого облака или ударом в землю где-нибудь в стороне, накопившееся в теле электричество моментально уходит в землю, что производит механическое и химическое действие, которое часто ведет за собою смерть без всякого наружного следа.
А бывает действие Молнии очень странны, например сплавление монет в кошелке, который остается неповрежденным, или перенос металлических паров с одного предмета на другой, где они дают отпечаток первого. [7]
Глава 4. Практическая часть «Молния из гвоздей и проводов»
Цель: получить молнию, используя электрофорную машину, гвозди и провода.
Оборудование: школьная электрофорная машина, два железных гвоздя, два провода.
Ход работы:
Узнаю устройство и принцип работы электрофорной машины (см. Приложение 3, рис. X).
Электрофорная машиина - электростатический генератор, электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработана между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхёстом (1832–1903). При этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт.[8]
Машина состоит из двух соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие секторы (см. Приложение 3, рис. XI). Диски приводятся во встречное вращение с равной скоростью. Предположим, что сектор A1 вначале несёт небольшой избыточный положительный заряд, а сектор B1 - отрицательный. Когда A1 движется влево, а B1 - вправо, их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения.
Когда A1 достигает положения напротив сектора B2 пластины B, который в этот момент контактирует со щёткой Y, он будет под высоким положительным потенциалом и, таким образом, вызовет разделение заряда в проводнике, соединяющем Y и Y1, перенеся большой отрицательный заряд на B2 и большой положительный заряд на удалённый сектор, которого в этот момент касается щётка Y1.Двигаясь дальше, A1 касается щётки Z и частично разряжается во внешнюю цепь (нагрузкой может быть, например, лейденская банка). При последующем вращении дисков, А1 касается щётки X, которая связана проводником со щёткой X1, и снова получает заряд, на этот раз отрицательный, который отталкивается отрицательно заряженным сектором B2 (находящимся в этот момент напротив сектора на диске А, контактирующего со щёткой X1). Таким образом, положительный заряд переносится справа налево верхней частью диска А, а отрицательный слева направо его нижней частью.
Таким образом, электрофорная машина – это устройство, с помощью которого получаем разделение по знаку электрических зарядов на разрядниках. При сближение, которых возникает электрический разряд, т. е. молния. (см. Приложение 3, рис. XII) Внимание!!! Устройство вырабатывает высокое напряжение!
Соблюдайте технику безопасности.
Не прикасайтесь к металлическим частям машины.
Выдвигаю гипотезу 1: если между разрядниками электрофорной машины поместить диэлектрик – кусок оргстекла из – под компакт диска, то молния наблюдаться не будет.
Действие: помещаю кусок оргстекла между разрядниками электрофорной машины. Вращаю рукоятку электрофорной машины.
Наблюдаю: канал разряда поверх краев оргстекла (см. Приложение 3, рис. XIII).
Таким образом, моя гипотеза не подтвердилось. Молния будет возникать даже тогда когда между разрядниками электрофорной машины поместить диэлектрик - оргстекло.
Выдвигаю гипотезу 2: если разрядники электрофорной машины соединить при помощи проводов с железными гвоздями, будет ли наблюдаться разряд между гвоздями.
Действие: соединяю два провода с разрядниками элетрофорной машины и к ним подсоединяю железные гвозди. Вращаю рукоятку электрофорной машины (см. Приложение 3, рис. XIV).
Наблюдаю: при большом расстоянии между гвоздями, разряда не происходит; при сближении гвоздей, между ними проскальзывает небольшие разряды (см. Приложение 3, рис. XV, XVI).
Таким образом, я подтвердил гипотезу о том, что молнию можно получить при помощи проводов и железных гвоздей. Молния – это электрическая дуга между двумя электрическими проводниками. Проводниками в моем случае были провода и гвозди.
Заключение
Изучая по данной теме материалы из различных источников, я узнал, что такое молния, что бывают естественные и искусственные молнии. Узнал интересные мифы и факты о молниях. Познакомился с устройством и принципом работы электрофорной машины. Выяснил, что молнию можно наблюдать не только в естественных условиях, но и, в искусственных, как это наблюдал я в практической части данной работы. Проводя эксперименты, я, проверял две гипотезы, одна из которых, не подтвердилась. Выяснил, что когда два проводника, обладающие разным электрическим зарядом, оказываются на расстоянии меньшем, чем способен удержать электрический разряд, разделяющий их диэлектрик (в данном случае воздух), между ними происходит электрический разряд (электрическая дуга).
Те задачи, которые я ставил для себя, приступая к этой работе, я выполнил.
Но я буду продолжать исследования по данной теме, а именно мне интересно определить, как связана скорость вращения дисков электрофорной машины с длиной и частотой возникающих молний.
Список литературы:
Статья "Молния" из Энциклопедического словаря Ф.А. Брокгауза и Ефрона И. А. (1896 г., том XIX).
Статья «Молния» из газеты «Экспресс газета» № 32(445).
http://globalscience.ru/article/read/18118/ - Мифы и факты о молнии.
http://terramia.ru/prirodnye-yavleniya/molniya-foto-i-interesnye-fakty/ - Молния – фото и интересные факты
http://www.wolfnight.ru/forum/forum_theme.php?theme=649&page=1 – Шаровая молния.
http://spacechasm.clan.su/publ/3-1-0-26 - «Узнай правду, поверь в невероятное».
http://www.nkj.ru/archive/articles/9014/ - Наука и жизнь, Молния: больше вопросов, чем ответов.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0 –Электрофорная машина. Википедия. Свободная энциклопедия
Приложение 1

Рис. I- Молния

Рис. II- Образование молнии
Приложение 2

Рис. III -Молния «Эльф» (Сверху)

Рис. IV - Молнии «Джеты»

Рис. V – Молния «Спрайт»

Рис. VI – Шаровая молния
)
Рис. VII – Эксперимент по вызову молнии во Флориде

Рис. VIII- «Катушка Тесла»

Рис. IX– Разряд, вызванный мощным лазером
Приложение 3

Рис. X – Электрофорная машина

Рис. XI – Схема и принцип работы

Рис. XII – Молния, полученная при помощи электрофорной машины

Рис. XIII – Молния, полученная поверх краёв оргстекла

Рис. XIV – Сборка новой установки

Рис. XV – Расстояние между гвоздями недостаточно для возникновения разряда

Рис. XVI - При уменьшении расстояния между гвоздями возникает молния