Просто электричество

Человек за многие тысячелетия своей истории

проделал гигантский путь познания природы, и не последнее место в окружающих его чудесах играла «янтарная субстанция» – электричество, названное так в честь янтаря – электрона по-древнегречески. Эта окаменевшая смола, привозимая из Прибалтики по Янтарному пути, по Днепру и Бугу, поражала эллинов своей способностью притягивать мелкие частички, будучи потерта тканью или шерстью. Но должны были пройти тысячелетия, прежде чем выяснилось, что мельчайшие, еле заметные искорки от натертого янтаря ничем не отличаются по своей природе от колоссальных молниевых разрядов.

Сегодня даже малообразованного суеверного человека не пугают грозовые явления – электризация воздуха, молнии, раскаты грома, – ведь ему хотя бы понаслышке известна их природная причина. Однако и сейчас в природе электрических явлений встречаются загадочные, досконально не изученные процессы, такие как шаровая молния, молния красный призрак, молния голубая струя, призрачные спрайты, суть которых мы еще не знаем и для которых только строятся полные научные модели.

Удивительна история использования солнечного вещества на Земле, а именно так можно понимать электрическую сварку и разрезание дугой из высокотемпературной плазмы электрического разряда, открытой еще в XVIII веке русским академиком Петровым. Поражает воображение спектр применения электросварочных технологий, их влияние на развитие современной науки и техники – здесь и открытие академика Корнеева, и космические технологии, и строительство подводных городов.

Столетие назад было открыто явление сверхпроводимости, указывающее прямой путь избегания потерь при передаче электроэнергии. Путь этот непрост, ведь чтобы проводник полностью потерял свое электрическое сопротивление, его необходимо охладить до очень низких температур, а это само по себе является серьезной технической задачей. Тем не менее уже десятки лет сверхпроводники удачно используют в научных приборах и медицине.

До недавнего времени высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость сверхглубокого охлаждения сильно препятствовали их массовому применению. Ситуация существенно изменилась после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Это позволило приступить к созданию сверхпроводящих линий электропередач на основе сверхпроводников, погруженных в сравнительно дешевый жидкий азот. Уже созданы многокилометровые опытные линии, а через десятилетие прогнозируется широкое промышленное применение ВТСП-кабелей на тысячи километров линий электропередачи и сотни гигаватт передаваемой мощности.

Автор выражает глубокую признательность своим учителям и коллегам – Льву Самойловичу Палатнику, Игорю Ивановичу Фалько и Дмитрию Ивановичу Корнееву

Наводнения, землетрясения, извержения вулканов, пожары – эти стихийные бедствия сравнительно редки по сравнению с постоянными грозами. Именно поэтому с грозами связано больше всего мифов, легенд и поверий. В самом начале изустной истории человечества гроза воспринималась как ярость некоего фантастического существа, например, гигантской птицы, хлопающей громом крыльев и сверкающей молниями глаз. Затем пришла пора человекоподобных богов, и на небесах засверкали молниями Митра, Тор, Зевс, Юпитер с множеством других сверхъестественных существ. Так, у славян богом грома и молнии был Перун, как оплодотворяющее и карающее божество, приносящее весенние тепло, дождь и грозы, а после Крещения Руси роль небесного громовержца перешла к Илье-пророку.

Развитие науки привело к первым представлениям о сущности грозы. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит – в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихриванию их между облаками. В эпоху Средневековья представления о природе грозовых процессов не получили существенного развития.

Сегодня мы называем грозой процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов – молний, обычно сопровождаемых громом и связанных в большинстве случаев с укрупнением облаков и ливнеобразным выпадением осадков. Прохождение грозы над местностью, как правило, сопровождается довольно значительными изменениями метеорологических параметров приземного слоя воздуха. Это хорошо знакомые всем нам явления: падение температуры, повышение влажности воздуха, резкое изменение атмосферного давления, а также силы и направления ветра.

Ученые-метеорологи доказали, что грозовые процессы невозможны без разделения зарядов в облаке путем их переноса воздушными потоками – конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек.

Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной разрядами молний и выпадением осадков.

В последнее время исследования с помощью метеоспутников и прочих орбитальных космических аппаратов показали, что в облачной оболочке тропосферы действует своеобразный ледяной генератор. При этом подтвердилась гипотеза еще позапрошлого века о том, что электрические заряды накапливаются при соударениях кристаллов льда в виде снежинок или градин с более крупными образованиями льда в грозовых облаках. При этом мельчайшие кристаллы льда устремляются с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака и многократно соударяются с другими кристаллами. При этих столкновениях мелкие кристаллы льда теряют электроны и приобретают положительный заряд. В то же время более тяжелые частицы льда обретают отрицательный заряд и опускаются в нижнюю часть облака. Таким образом создается разделение зарядов с разностью потенциалов в миллионы вольт, которая и является причиной молний. При этом каждые десять тысяч тонн облачного льда приводят к молниеносному разряду атмосферного электричества.