Шаровая блискавка

Костянтин Резу

Почнемо з деяких припущень. По-перше, кульова блискавка (ШМ) існує без підведення енергії ззовні, тобто енергія необхідна тільки в початковий момент. Після освіти (наприклад, в результаті електричного розряду) ШМ існує без поглинання додаткової енергії. По-друге, ШМ складається з плазми, тобто з

Як же відбувається утворення ШМ. Припустимо, що за рахунок підведення великої кількості енергії (наприклад, при потужному електричному розряді), у певному обсязі утворилася плазма (рис.1а .).

Рис. 1. Послідовність формування ШМ

При одній і тій ж енергії, швидкості руху електронів набагато більше, швидкості ядер. Електрони першими покидають об'єм плазми, іонізіруя на своєму шляху деякий обсяг навколишнього повітря. У результаті на цьому етапі утворюється внутрішня, позитивно заряджена область, що складається з ядер і навколишній цю область, іонізований газ (рис.1б). Вільні електрони іонізованого газу прискорюються всередину позитивно зарядженої області, досягаючи в її центрі максимальної енергії. У підсумку отримуємо картину, що зображена на ріс.1в. За рахунок розльоту ядер, в центрі утворюється область з дуже малою концентрацією ядер. Будемо вважати, що в цій області знаходяться тільки електрони. При такому розподіл заряду маємо: центральний негативний заряд уповільнює електрони, які рухаються з області іонізованого газу, і тому максимум енергії електронів буде перебувати не в центрі ШМ а на сфері, позначеної на ріс.1в пунктирною лінією. Цей же центральний заряд уповільнює ядра, розлітаються від центру ШМ. Атоми повітря не можуть перешкодити цим процесам тому їх швидкості набагато менше швидкостей вище розглянутих частинок, і процес формування ШМ встигає закінчитися, перш ніж атоми повітря пройдуть будь-яке значуще відстань. Надалі відбувається збільшення негативного заряду в центрі, який вже здатне уповільнити і прискорити при рух до центру позитивні ядра. Через деякий час наступає рівноважний стан, який і розглянемо. Приймемо таку модель ШМ.

Рис. 2. Розріз кульової блискавки

На рис.2 представлений розріз ШМ. Рух ядер і електронів, що становлять ШМ - це коливальні рухи під дією електричного поля. Всі ядра, тобто практично вся маса ШМ, знаходяться всередині коричневою сфери з точками В1 і В. В обсязі, обмеженому червоною і коричневою лініями енергія ядер дорівнює нулю. При рух до центру ШМ ядра прискорюються, здобуваючи в центрі максимальну енергію. Рухаючись від центру вони сповільнюються до нульової енергії в проміжку між точками А і В. Такий рух позитивно заряджених ядер обумовлено центральним негативним зарядом. Тепер розглянемо рух електронів. Вони мають максимальну енергію на сфері з точкою В, а нульову енергію в центрі ШМ між синій і блакитний лініями (лінії з точками С і D), тобто електрони прискорюються від точки D до точки В, після чого сповільнюються при русі до центру ШМ. Після цього знову розганяють до точки В і сповільнюються при русі до точки D. Розглянемо розподіл заряду по радіусу ШМ. Такий розподіл представлено на рис.3.

Рис. 3. Розподіл заряду по радіусу ШМ

Яким чином виходить такий розподіл заряду? Частки в різних точках по радіусу ШМ мають різні енергії, а значить і різні швидкості. Чим більша швидкість частинки в якійсь області, тим менше час її перебування в цій області і менший заряд зосереджується в даному обсязі. І навпаки, чим менше енергія частинок в якомусь обсязі, тим більший заряд зосереджений в цьому місці. Енергія електронів мінімальна в центрі ШМ і в інтервалі між точками C і D, а енергія ядер в інтервалі між точками A і B. Це означає, що в цих місцях зосереджені негативний і позитивний заряди. Це показано на рис.3. Позитивний заряд в області точки Е зумовлений іншими причинами, які розглядаються нижче. Ці заряди створюють всередині ШМ електричне поле. Розподіл потенціалу і напруженість цього поля представлені на рис.4 і рис.5.

Рис. 4. Розподіл потенціалу електричного поля f по радіусу кульової блискавки

Рис. 5. Розподіл напруженості електричного поля по радіусу кульової блискавки

З усіх вищенаведених графіків, можна зробити деякі висновки. У центрі зосереджений негативний заряд, який хоч і менше, приблизно в два рази, позитивного заряду з максимумом на сфері з точкою А, тим не менш створює зростання потенціалу електричного поля від центру ШМ до точки В, і якщо максимальна енергія ядра поділена на заряд ядра менше різниці потенціалів між точками Про і В, то таке ядро не може проникнути за точку В і покинути межі ШМ.

Для ілюстрації цього твердження, розглянемо задачу. Маємо центральний негативний заряд в точці О і розподілений по сфері з центром в точці Про позитивний заряд в два рази більший за розміром. У результаті на пробний, позитивний заряд, поміщений на поверхню сфери, буде діяти результуюча кулонівських сила, спрямована до центру сфери, тобто вплив центрального негативного заряду буде більше, ніж вплив позитивного заряду, розподіленого по сфері. Таким чином, центральний заряд утримує біля себе позитивно заряджені ядра. З іншого боку, сумарний заряд всередині сфери з точкою В буде позитивним. І вже цей позитивний заряд не дає електронам (тому що вони заряджені негативно) вилетіти далі точки Е і покинути межі ШМ.

Тепер розглянемо питання, як частки ШМ взаємодіють з навколишнім її атомами повітря. На периферії ШМ знаходяться тільки електрони і чим ближче вони до кордону, тим менше їх енергія. Основне взаємодію з атомами газу відбувається в тій області, де енергія електронів близька до теплової енергії. Процес взаємодії атомів повітря з електронами ШМ схематично показаний на рис.6.

Рис. 6. Взаємодія електронів ШМ з атомами повітря

Атоми повітря взаємодіють із зустрічним потоком електронів. У блакитній області (рис.6) енергія електронів приблизно дорівнює теплової та взаємодію з атомами буде пружним, тому що енергії електрона не вистачає на порушення електронних оболонок, а тим більше на іонізацію атома. У той же час її вистачає для повідомлення атому імпульсу зворотного напрямку. Тут необхідно відзначити, що зміна напрямку руху частинок в центральному потенційне поле не Існує ймовірність того, що атом пройде цю область, потрапивши в помаранчеву ділянку з більш високою енергією електронів (ця імовірність залежить від щільності потоку електронів). У цьому випадку атом іонізується, електрон переходить до складу ШМ, а іон виштовхується електричним полем за її межі. У підсумку отримуємо, що всередині сфери з точкою D (рис.2) ШМ заряджена негативно. Іони будуть накопичуватися на сфері з точкою Е (рис.2). Це та точка, де закінчується вплив позитивно зарядженого обсягу всередині сфери з точкою В (рис.2) і позначається загальний негативний заряд ШМ, тобто ці іони можна вважати частиною ШМ. З урахуванням цього позитивного заряду ШМ буде електрично нейтральною.

У результаті такої взаємодії електрони втрачають невелику частину енергії, тому що це взаємодія відбувається в області низьких енергій електронів. З іншого боку, втрата електронами енергії, зменшує радіус ШМ. Це призводить до зменшення поверхні ШМ і до збільшення щільності потоку електронів через неї, що в свою чергу, зменшує ймовірність проникнення атомів повітря в область електронів з високою енергією. Таким чином, ШМ весь час намагається прийти в рівноважний стан.

Тепер розглянемо, як ця модель узгоджується з описаним спостерігачами, поведінкою ШМ в природних умовах.

Савчин ШМ, запах озону легко пояснити проникненням атомів і молекул повітря в область великих енергій електронів. Внаслідок цього, відбувається іонізація або збудження електронних оболонок атомів, руйнування хімічних зв'язків.

Якщо створилися умови і ШМ втратила стійкість (наприклад, зіткнення з твердим предметом), то відбувається миттєвий викид енергії, сконцентрованої в ШМ. Це можна розцінити, як вибух. Якщо ж ШМ втратить всю енергію поступово, то це буде виглядати як ніби вона «розтанула» в повітрі.

Рис. 7. Взаємодія ШМ з твердими об'єктами

Розглянемо рис.7, на якому показано взаємодію ШМ з твердими об'єктами. Якщо при цій взаємодії ШМ не втратила стійкість, то та частина твердого предмета (на рис.7 позначена жирною лінією), яка потрапила в область високих енергій електронів, буде іонізована. При цьому ШМ частково буде втрачати енергію. Так, пролетівши вздовж дерева, ШМ може залишити на ньому опіки. Тонкі предмети (листя, ганчірку, намет) вона може пропалити наскрізь.

Так як по радіусу ШМ заряди розподілені нерівномірно, то на її рух у просторі може впливати зовнішнє електричне поле (рис.8). Різна щільність ліній напруженості електричного поля створює силу, що діє на ШМ.

Рис. 8. Вплив зовнішнього електричного поля ШМ на її рух у просторі

Наприкінці зупинимося на деяких моментах. Запропонована модель ШМ заснована тільки на кулонівському взаємодії заряджених часток. Спочатку розділені заряди формують таку коливальну систему, де кожна заряджена частка рухається під дією електричного поля, а сукупність всіх частинок створює це поле. При взаємодії часток з атомами повітря не відбувається значної втрати енергії, тому що ця взаємодія відбувається в області малих енергії електронів. У центрі ШМ ядра мають максимальну енергію і, можливо, вона більше порогової енергії термоядерних реакцій. Це означає, що якщо створити ШМ з термоядерних матеріалів (T, D або He3), то можливе одержання енергії.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/