Текст книги "Удивительная физика"

Таинственные проявления атмосферного электричества

Проделки молний настолько разнообразны и противоречивы, что поневоле начинаешь думать о каком-то особом их происхождении. Вот что писал о молнии Фламмарион в своей знаменитой книге «Атмосфера».

«Она кажется каким-то особым существом, чем-то средним между бессознательными силами природы и сознательной душою человека, это – какой-то дух, тонкий, причудливый, хитрый и тупой в то же время, ясновидящий или слепой, обладающий волей или подневольный, переходящий из одной крайности в другую, страшный и непонятный. С ним не сговоришься, его не поймаешь. Он действует – и только. Действия его, без сомнения, так же, как и наши, только кажутся капризными, а на самом деле подчинены каким-либо неизменным законам. Но до сих пор мы не могли уловить этих законов. Здесь он наповал убивает и сжигает человека, не только пощадив, но даже не коснувшись его одежды, которая остается нетронутой. Там он раздевает человека догола, не причинив ему ни малейшего вреда, ни одной царапины. В другом месте он ворует монеты, не повредив ни кошелька, ни кармана. То он срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стены; то разувает путника и отбрасывает его обувь на десять метров расстояния; то, наконец, в одном селении пробуравливает в центре стопу тарелок и притом попеременно, через две штуки… Какой тут можно установить порядок?»

Приведем некоторые особо красноречивые факты.

Рис. 303. Жнецы, убитые ударом молнии

27 июля 1691 г. молния убила жнецов, мирно завтракавших под дубом. Это произошло так быстро, что несчастные даже не изменили своих поз, выражений лиц. Окаменелые жнецы как бы продолжали завтракать. К ним подходили люди и заговаривали… (рис. 303). Таких случаев было немало. При попытке притронуться к убитым они обычно рассыпались в прах.

29 июня 1869 г. в городе Ариеж молния ударяет в местного мэра, которого не убивает, но раздевает донага и разбрасывает всю его изорванную одежду вокруг.

Одну женщину молния ударила тогда, когда она почему-то переодевалась в мужской костюм. Одежда была разорвана на ленточки и разбросана далеко вокруг.

Были случаи и противоположные, когда после удара молнии руки были сожжены до костей, а перчатки оставались целы. Иногда молния сбривала или уничтожала волосы пострадавших. По данным Фламмариона, у доктора Готье Клобри молния не только сбрила бороду, но и уничтожила ее навсегда, а голова пострадавшего (который все-таки остался жив!) была «раздута» до 1,5 м!

8 июля 1839 г. молния, убив стоящих под дубом каменщиков, отбросила одного из них на 23 м в сторону! В дубы молнии ударяют особенно часто. Не стойте во время грозы под деревьями, особенно под дубами!

Иногда молнии оставляют на теле жертвы отпечатки находящихся вблизи предметов. В марте 1867 г. молния ударила в дерево, под которым спрятались трое детей. Дети остались живы, но на теле одного из них появилось точное, до мельчайших подробностей изображение дерева!

А вот вообще курьезный случай. Летом 1865 г. в окрестностях Вены у доктора Дрендингера украли кошелек, причем кошелек был с вензелем доктора – DD. Так молния не только настигла вора и ударила в него, но и выгравировала вензель доктора на его бедре. Помочь пострадавшему позвали этого же доктора, который и опознал свой вензель!

Рис. 304. Молния раскалывает корабль «Моисей» надвое

И наряду с этими «ювелирными» работами молнии совершают поистине чудовищные разрушения – превращают в развалины дома, вырывают с корнем деревья, раскалывают надвое корабли. На рис. 304 изображен корабль «Моисей», расколотый надвое ударом молнии 3 августа 1852 г. близ Мальты. Погибли все пассажиры, кроме капитана, который спасся, проплавав 17 часов на доске. Что же такое молния? В грозовом облаке вода находится в виде кристаллов льда. Эти кристаллики трутся друг о друга, генерируя статическое электричество. При этом потенциал возникшего электрического заряда оценивается в среднем примерно в 5 · 107 В, а сила тока – около 200 000 А. Эту силу тока, кстати, определяют по степени намагниченности стальных стержней громоотводов при ударе молний. Известно, что мощность в ваттах есть произведение потенциала в вольтах на силу тока в амперах, причем средняя мощность вдвое меньше максимальной. Получаем 5 · 109 кВт. Если принимать во внимание максимальные показатели – длина молнии свыше 50 км, напряжение в 1 · 109 В, а силу тока в 500 000 А, то мощность уже будет 2,5 · 1011 кВт. Эта мощность соизмерима с мощностью мировой энергетики. Но много ли энергии содержится в молнии?

Чтобы ответить, нужно знать время жизни молнии. Вы заметили, что во время вспышки молнии все движущиеся предметы – и автомобили, и пешеходы кажутся неподвижными? Это потому, что искровой разряд, которым является молния, протекает крайне быстро, в среднем около 0,001 секунды. Помножим на это время мощность молнии и получим ее энергию. Она будет для средней молнии равна 1 400 кВт·ч. Это примерно годовой расход электроэнергии для средней квартиры. Ну а молния-рекордсмен потянет на 70 000 кВт·ч. Много это или мало, решайте сами.

Наряду с таким грозным проявлением атмосферного электричества, как молния, существует и более «мирный» и спокойный способ электрического атмосферного разряда – огни святого Эльма. Эти огни были так названы потому, что в Средние века их часто видели на шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции.

Эти огни – медленный, коронный электрический разряд на высоко поднятых металлических остриях – громоотводах, шпилях, мачтах и т. д. Чаще всего такой разряд происходит во время гроз, когда эти предметы оказываются под высоким электрическим потенциалом.

В древности считалось, что огни святого Эльма нисходят с неба и садятся на мачты кораблей, если за участь моряков вступаются божества Кастор и Поллукс. Так в Древнем Риме и назывались эти огни, если появлялись парами, – огни Кастора и Поллукса. Если же огонь появлялся в единственном числе, то он предвещал несчастье и тогда назывался Елениным огнем. Позже, с ликвидацией язычества, этот огонь, уже святого Эльма, стал считаться благоприятным признаком, даже если был и один.

Огни святого Эльма можно получить в домашней обстановке, если наэлектризовать, например, лист оргстекла (плексигласа), натерев его сухой шерстяной тряпкой, и приблизить к нему полураскрытые ножницы остриями вперед. Если проводить этот опыт в темноте, то на остриях ножниц появятся дрожащие лиловые пучки светящихся нитей. Нити эти будут издавать легкое шипение. Если сделать вертушку из заостренной проволоки и наэлектризовать ее, то она завертится, а на остриях вертушки появятся миниатюрные огни святого Эльма. Для возникновения этих огней нужен потенциал не ниже 30 000 В.

Рис. 305. Огни св. Эльма на шпиле собора Парижской Богоматери

Огни святого Эльма посещали в путешествиях и Колумба, и Магеллана, не говоря уже о Юлии Цезаре. «В одну из ночей, – писал Цезарь, – железные острия копий пятого легиона казались огненными». Римский философ Луций Анней Сенека 2 тысячи лет назад описал, как во время грозы «сошедшие с неба звезды, словно птицы, садились на мачты кораблей», к радости моряков.

Во Франции особенно часто огни святого Эльма «любят» посещать шпиль собора Парижской Богоматери (рис. 305). Иногда эти огни могут и «пошутить». Например, в 1769 г. во время грозы, когда на кресте колокольни показались огоньки, два соседа прибежали на колокольню, чтобы потушить, как они считали, пожар. Но огни святого Эльма перекинулись на головы добровольных пожарных и прогнали их домой. Хорошо, что эти огни совершенно холодные, они не могут даже поджечь спички.

Иногда огонь святого Эльма охватывает все тело человека, тогда ощущается сильное жжение. Один из туристов, который 22 июня 1867 г. поднялся на высоту 3 200 м в Альпах, вдруг ощутил такое жжение, «как будто пчелы забрались под одежду». Он последовательно сбросил плащ, сюртук, рубашку. Все тело, особенно концы пальцев, уши и другие отстоящие от его тела части излучали сияние, туристические палки в руках вибрировали и тоже светились. Турист бросился бежать вниз и огни святого Эльма постепенно покинули его.

Иногда огни святого Эльма путают с блуждающими огнями, которые возникают на «страшных» местах – кладбищах, болотах, бойнях и т. д. Природа этих блуждающих огней совершенно другая – это фосфористый водород, выделяющийся при гниении органических веществ, самопроизвольно загорается и горит «холодным» светом.

Когда утонувшая в крови Парижская коммуна зарыла в одну общую яму тысячи расстрелянных трупов, то весь запад Парижа превратился в огромное кладбище. И по ночам над оврагами блуждали и горели огоньки, словно души загубленных людей. «Вот все, что осталось от дела, по самому существу своему зловредного», – так заключает рассказ о блуждающих огнях Фламмарион.

Шаровая молния – что это?

Шаровая молния (рис. 306) – это таинственное и непонятное явление, природа которого неясна до сих пор. Редкое явление, с которым человечество знакомо тысячи лет, до сих пор не разгадано наукой. Но шаровая молния – именно такое явление. Ведет она себя совершенно непредсказуемо. То она свободно проходит сквозь стекла, то гуляет по воздуху, как по ветру, так и против него, то «вдувается» в комнату через штепсельную розетку.

Рис. 306. Шаровая молния

Иногда шаровая молния ведет себя шаловливо. Вот что пишет об этом Фламмарион. 29 августа 1791 г. недалеко от города Павии к молодой крестьянской девушке подкатил огненный шар, величиной с «два кулака», проскочил к ней, простите, под юбку, покрутился там немного и вышел из-под корсажа, не теряя круглой формы. В момент нахождения шара под юбкой последняя расширилась как открытый зонтик. Девушка осталась цела и невредима, но нижняя рубашка ее была изорвана в клочья.

Рассказывать о всех проделках шаровых молний не хватит ни времени, ни места. В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, отличающихся друг от друга. Часто эта молния залетала в дома (рис. 307). Однако особенно примечателен «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.

Рис. 307. Шаровая молния в крестьянском доме (со старинного рисунка)

Шаровая молния размером с большой апельсин (диаметром 10—15 см) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было опустить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.

В бочонке помещалось около 16 л воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч.

В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 л и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см3, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5 – 50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 МДж/кг на 1 кг массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!

«Опыт с бочонком» не был уникальным. Во все последующие времена всегда попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой вызывало вскипание их содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран ученым, а не простым обывателем.

Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 МДж/кг, так как плотность напалма больше, чем шаровой молнии, но и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Внимание привлекают две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в XIX в. знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.

К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение этих соединений по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.

Известный физик Я. И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.

Недавно открытое учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждает, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование (ХЛО), которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Так или иначе, но эта первая гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, кажется реальнее остальных. Она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.

Противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П. Л. Капица. Прежде всего, он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П. Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

При этом П. Л. Капица ссылается на высвечивание сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 м высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 см (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого, П. Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной 35—70 см. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35—70 см, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками пока не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком». Вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного ее нагрева.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие силовые трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния нырнула в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же разреженного воздуха по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик.

Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как накопителя выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так, например, 1 л легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.

Загадка шаровой молнии останется неразгаданной, пока не удастся получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии!

Как накопить электроны?

Знаменитый физик и политический деятель США Бенджамин Франклин считал, что при электризации некая жидкость – «флюид» перетекает из одного тела в другое. Потом уже, в конце XIX в., ученые, главным образом английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940), обнаружили, что никакой жидкости тут нет, а есть частички, заряженные электрическим зарядом, и мельчайшая из них была названа в честь янтаря электроном. Заряда меньше, чем у электрона, оказывается, быть не может, а почему – этого пока точно никто не знает; может быть, это установит и подарит свое открытие человечеству один из читателей этой книги.

Считается, что электрон – носитель отрицательного заряда электричества. Если у атома вещества отнять электроны, то атом этот зарядится положительно; если передать лишние – то отрицательно. При трении янтаря о шерсть, например, электроны переходят от шерсти на янтарь, он заряжается отрицательно, а шерсть – положительно; при натирании шелком стекла происходит обратное: стекло заряжается положительно, а шелк – отрицательно. Мало-помалу процесс натирания механизировался, и ученые создали электрические машины. Сейчас почти в каждой школе есть такая электрическая, или, правильнее, электрофорная, машина со стеклянным диском (рис. 308, а), а раньше предпочитали натирать диски из более экзотических материалов. Английский физик Ф. Хоксби (1666—1713) построил электрофорную машину в виде стеклянного вакуумированного шара, который начинал светиться, если его натирать (рис. 308, б).

Рис. 308. Электрофорная машина (а) и «светящийся шар» Ф. Хоксби (б)

Известный своими опытами с магдебургскими полушариями бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике строил электрические машины из больших вращающихся серных шаров, придерживаемых для натирания руками или специальными подушечками, шелковыми или кожаными. Между наэлектризованными шарами удавалось получить достаточно крупные, но пока еще безобидные искры.

Но когда в лаборатории голландского города Лейдена попробовали электризовать воду в стеклянной колбе, получив таким образом первый в истории конденсатор, то искра оказалась такой мощной, что экспериментатор – студент по имени Канеус – чуть не был убит ею. Впоследствии ученые фон Клейст и Мушенбрук придали современный вид конденсатору, выполнив колбу с обкладками из фольги изнутри и снаружи. Так была открыта знаменитая лейденская банка (рис. 309), таинственные опыты с которой быстро завоевали популярность в научных и даже аристократических кругах.

Рис. 309. Лейденская банка

Француз Жан Нолле в присутствии короля Людовика XV продемонстрировал забавный эксперимент. Двести придворных короля согласились пропустить через себя заряд лейденской банки. И длинная цепь из взявшися за руки блестящих кавалеров и дам с визгом подскочила вверх. Когда же смех и восторги по поводу опыта затихли, Нолле продемонстрировал и убийственную силу электричества. Тот же электрический заряд был пущен через тело воробья, а затем мыши – они были мгновенно убиты искрой!

Опыты эти по праву считались опасными для жизни (рис. 310). «Это страшные опыты, и я никому не рекомендую их повторять», – писал один из первых экспериментаторов с лейденской банкой. Заметим, что эти слова не мешало бы помнить и нам, людям XXI в., часто пренебрегающим опасностью электрического тока, ставшего таким привычным.

Рис. 310. Первые опыты на электрофорных машинах

Даже монахи, и те проводили опыты с лейденской банкой. Известен грандиозный опыт, когда 700 монахов из Парижа, взявшись цепочкой за руки, провели эксперимент Канеуса, пропустив через себя ток от лейденской банки. Электрический разряд был настолько силен, что все 700 человек, сведенные судорогой, разом вскрикнули.

Сейчас мало кто пользуется лейденскими банками, они сохранились разве только на школьных электрофорных машинах. Современные емкие конденсаторы, способные накопить большое количество электронов, делают из алюминиевой фольги, покрытой очень тонкой пленкой оксида алюминия. Эта пленка, как стекло в лейденской банке, разделяет электроды – алюминиевую пленку и специальный электролит (жидкость). Чем тоньше пленка, тем емче конденсатор, но тем скорее она может быть пробита искрой.

Вот такие электролитические конденсаторы (рис. 311), настоящие «банки» для электронов, находятся во многих электронных приборах, например телевизорах. Иногда они пробиваются искрой, и тогда весь их заряд мгновенно переходит в тепло. Конденсатор со страшным грохотом взрывается; кто слышал такой взрыв конденсатора в телевизоре во время передач типа «Байки из склепа» и не стал после этого заикой, тот настоящий герой!

Рис. 311. Электролитический конденсатор

Бывают и конденсаторы-гиганты, как, например, изображенный на рис. 312. Но в современных молекулярных конденсаторах повышают не размер, а электрическую емкость, что выгоднее. На таких конденсаторах, как накопители энергии, электромобиль может проехать сотни метров. Но все равно конденсатор принципиально не может накопить больших количеств энергии. Лучшие конденсаторы в сотни раз менее энергоемки, чем, например, маховики или электрические аккумуляторы.

Рис. 312. Конденсатор-гигант