Эволюция линейной молнии в процессе искрового разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 537.611.2

Эволюция линейной молнии в процессе искрового разряда.

И.А. Тихонов

ОАО Омский НИИ Приборостроения, г. Омск

В статье рассмотрена структура молнии в процессе искрового разряда. Рассмотрен характер распространения заряженных частиц в канале молнии на основании полученных экспериментальных данных.

Ключевые слова: молния, разряд, стример, спираль.

I.A. Tikhonov

Evolution of the linear lightning in the course of the electric spark

The lightning structure in the course of the electric spark is considered. Nature of distribution of the charged particles in the channel of a lightning on the basis of the received experimental data is established.

Keywords: lightning, spark, streamer, spiral

Механизм развития разряда молнии достаточно детально представлен в литературе [1,2]. Общепринятый механизм описан, например, в работе [2]. Автор рассматривает развитие разряда в так называемой лидерной форме, представляющей собой последовательный ряд возникающих каналов-стримеров, сдвинутых один по отношению к другому в пространстве и во времени. Поток электронов, перемещающихся вдоль последовательно развивающихся стримеров, разогревает канал лидера до нескольких тысяч градусов, благодаря чему электроны в виде искрового разряда преодолевают гигантские расстояния. Далее указывается, что перемещение электронов вдоль стримеров приводит к образованию объёмного заряда вокруг разогретого искрового канала, полярность которого соответствует знаку заряда грозового облака.

Однако в этой общепринятой модели развития разряда молнии не совсем понятен характер распространения электронов внутри канала. В некоторых источниках искровой разряд молнии представляет собой плотный поток плазмы заряженных частиц, сжатых мощным магнитным полем в очень узком канале диаметром около сантиметра. Предполагается, что магнитное поле образуется благодаря самому потоку заряженных частиц и имеет поперечную коаксиальную форму сходящихся к центру канала окружностей. Непонятно, как заряженным частицам с низкой начальной скоростью удаётся в процессе разряда создавать магнитное поле, удерживающее достаточно плотную плазму в очень малом объёме пространства. В настоящей статье предпринята попытка осмысления этого процесса.

Электрон в постоянном магнитном поле движется по спирали [3]:

молния искровой заряженный частица

M=eB/w (1)

где M - масса электрона,

e - заряд электрона,

B - индукция магнитного поля,

w -угловая частота спирали.

При этом, угловая частота определяется по формуле:

w=2рf (2)

где f-циклотронная частота. Например, для электронов земной ионосферы, находящихся в магнитном поле Земли, согласно формулам (1) и (2), циклотронная частота f=1,4x106Гц [3]. С другой стороны, циклотронная частота определяется как число оборотов электронов вокруг оси распространения за секунду, то есть:

f=хs/л (3)

где хs - скорость линейного распространения электронов, л - шаг спирали.

Кроме того, из литературы известны параметры линейной молнии и магнитного поля Земли:

Диаметр канала ствола молнии - 10-45 см,

Скорость линейного распространения молнии - 150 км/с,

Сила тока в канале - 200 кА,

Длительность молнии - до 0,5 с,

Индукция магнитного поля Земли - 5х10-5 Тл.

Фотография линейной молнии, небольшой участок которой изображён на рисунке, была сделана в июле поздним вечером обычным зеркальным фотоаппаратом, (рис. 1).

Снимок представляет собой многократно увеличенный участок молнии, составляющий ~1-2% от общей длины молнии, попавшей в кадр фотоплёнки. Это, безусловно, отразилось на резкости и контрастности изображения, однако, позволило увидеть детали, недоступные при меньшем увеличении.

На негативе показаны три момента жизни молнии. В центре снимка зафиксирована начальная стадия жизни молнии - яркий однородный шнур. Плотность заряженных частиц настолько высока, что различить характер движения этих частиц практически невозможно. Внизу показана последняя стадия жизни молнии - остатки канала, растворяющиеся в атмосфере. В верхней части фотографии показана промежуточная стадия развития линейной молнии, на которой отчётливо видна спираль некоторых частиц. Принимая диаметр канала молнии ~0,2м, можно по фотографии определить шаг спирали л~0,1м. Затем, используя вышеуказанные параметры линейной молнии и магнитного поля Земли, по формуле (3) можно определить циклотронную частоту f=1,5х106 об/сек, что достаточно точно совпадает с результатом, вычисленным по формулам (1) и (2) для электронной спирали. Соответствующая масса частицы, вычисленная по формуле (1), равна 8,5х10-31 кг, что с большой точностью соответствует массе электрона (9,1х10-31 кг). Следовательно, согласно теории [2], в данном случае наблюдался искровой разряд электронов в системе положительно заряженных стримеров.

Выражение силы Лоренца, действующей на движущуюся в электромагнитном поле заряженную частицу, в векторной форме имеет вид [3]:

, (4)

где Е - напряжённость электрического поля,

B - магнитная индукция,

х - скорость частицы,

q- заряд частицы.

Если считать магнитное поле Земли постоянным и однородным для относительно компактной среды распространения молнии, то канал линейной молнии, вероятно, искривляется под действием электрического поля, непрерывно меняющегося в зависимости от заряда близлежащих облаков. Магнитное поле Земли заставляет электроны, летящие под углом б к силовым линиям поля, двигаться внутри канала по спирали радиуса R:

,

и двигаться вдоль силовых линий магнитного поля Земли со скоростью хs, где , [3]. Таким образом, при вхождении электронов в поле Земли под углом б близким к 90о, спираль имеет максимальный радиус и минимальную скорость линейного перемещения вдоль канала стримера. Дальнейшее распространение спирали вдоль каналов последовательно идущих стримеров незначительно зависит от магнитного поля Земли, ибо благодаря явлению самоиндукции, процесс распространения спирали продолжается автоматически. Спираль электронов аналогична цилиндрической катушке длиной l и с количеством витков N, по которым протекает ток IL. В окрестностях любой цилиндрической катушки, благодаря явлению электромагнетизма, всегда существует магнитное поле [4]. В данном случае, катушка практически бесконечна, и магнитное поле в основном сосредоточено внутри неё и по правилу буравчика направлено по направлению линейного распространения молнии. Индукция магнитного поля внутри спирали определяется как:

BL = мo HL,

где мo=1.257x10-6 Вс/(Ам) - магнитная постоянная, HL=ILN/l - напряжённость магнитного поля [4]. Используя из фотографических данных величину шага спирали л=0.1м можно записать HL=IL/л. Таким образом, для тока в спирали IL~106А, находим HL~107 А/м, BL~12Тл, что в двести тысяч раз больше параметров магнитного поля Земли. Явление самоиндукции выражается в скачкообразном увеличении магнитного поля внутри спирали, которое индуцирует напряжение в самой спирали, создающей это магнитное поле. Напряжение противоположно порождающему его изменению тока. В результате, самоиндукция препятствует скачкообразному изменению тока, обуславливает медленное нарастание тока при замыкании цепи [4], то есть, при искровом разряде. Процесс формирования и распространения спирали, таким образом, стабилизируется.

В результате выполненной работы рассмотрена эволюция линейной молнии в процессе её распространения в атмосфере Земли. В виде гипотезы предложена модель распространения заряженных частиц внутри канала линейной молнии, согласно которой искровой разряд линейной молнии, протекающий в последовательном ряде положительно заряженных стримеров, представляет собой лавину электронов, движущихся по спирали, образованной в магнитном поле Земли и распространяющейся благодаря явлениям электромагнетизма и самоиндукции.

Рис. 1. Эволюция линейной молнии

Список литературы

1. Викизнание: свободная энциклопедия [Электронный ресурс] http://wikiznanie.ru (дата обращения: 22.10.2012)

2. Александров Г.Н. Главная стадия разряда молнии: механизм и выходные характеристики./Журнал теоретической физики. - 2006. том 76. - вып. 12. - с.101-105.

3. Можаев В. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. / Журнал «Квант», 1979, №.4, с.40-43.

4. Кухлинг Х. /Справочник по физике, М, 1983, с.345.

5. Тихонов Игорь Анатольевич. Ведущий инженер-конструктор, ОАО Омский НИИ Приборостроения, служебный телефон.51-49-52, мобильный телефон 8-9514286254, 644009, г. Омск, ул. Масленникова, 231.

6. Galinast (galinast@thd.pnpi.spb.ru)

7. Ссылка: [1] И.А. Тихонов, Эволюция линейной молнии в процессе искрового разряда, Омский научный вестник, Серия Приборы, машины и технологии, №3(123), 2013 г, сс.27-28.

Размещено на Allbest.ru