После написания Глав 9-10 появилась необходимость и возможность пересмотреть и добавить материалы Главы 4 посвященные молниям. Новыми являются два фактора. Во- первых, в Главах 9-10 появилось аналитическое описание и определение независимых от величины электрического заряда сил, действующих в направлении от разряда (как источника мультичастотного излучения) за его пределами с торца вдоль его оси на частицы, пропорционально их массе. Во-вторых, обосновано и описано формулами притяжение или отталкивание между частицами, возникающее в окружающем разряд пространстве под воздействием внешнего для частиц облучения от разряда, также не зависящее от электрического заряда частиц, пропорциональное произведению их масс и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними, причем независимо от ориентации по отношению к разряду (Часть 9).
Чтобы рассмотреть жизнь молнии надо рассмотреть следующие этапы ее истории:
- Подготовка среды и возникновение точечного запального разряда.
- Объемная ионизация и распространение разряда вдоль собственной оси
- Источники энергии разряда молнии
- Рост и ограничение роста разряда перпендикулярно его оси
- Ветвления и изменение направлений разряда
- Потери энергии средой во время разряда и после его гашения
- Эффекты разряда.
Объем задачи большой и, видимо, к ней еще придется возвращаться.
Предпосылки.
Более чем сто часов, проведенных в поисках по Интернету ответов на многие из вопросов о молниях удовлетворения практически не принесли. Формат блога, отличающийся от формата научной статьи, позволяет не приводить результаты проделанного обзора.
Известно, что в воздухе искровой разряд возникает между электродами при перепаде постоянного напряжения порядка 20 кВ на сантиметр. Обратим внимание, что разряд типа, например, стримера, возникший под воздействием переменного поля и высокого напряжения, не тухнет и не загорается с частотой вызвавшего его поля и напряжения. Такой разряд горит постоянно, потрескивая со звуковой частотой и излучая электромагнитные колебания в очень широком диапазоне частот, который совершенно не однозначно зависит от частоты вызвавшего разряд поля и напряжения. Кроме того, как уже писалось в Части 4, трудно предполагать при появлении в атмосфере горизонтальных молний длиной в несколько километров существование исходного перепада напряжений по 20 кВ на сантиметр. Тогда бы чуть при меньших напряжениях (до разряда), скажем 10 кВ на сантиметр, на тех же высотах, например в горах, приходилось бы 250 килоВольт между ушами человека в такой насыщенной энергией атмосфере и в таком же облаке, а также 50 МегаВольт между концами крыльев самолета. И это при огромной потенциальной мощности источника и низком внутреннем сопротивлении, характеризующих разряды молний в атмосфере. Конечно, такого не бывает. Оказывается, что современные представления о природе эффекта молнии не очень далеко ушли от Франклина и Ломоносова, считавших молнию уже не наказанием божьим, а постоянным током в атмосфере под действием гигантских перепадов электропотенциалов. Если гениальный Тесла что-то и знал, пишут, что он даже дружил, разговаривал с молниями, а полученные им же шаровые молнии брал в руки, клал в коробки из-под шляп и вынимал обратно, эти знания он унес с собой. Теория продолжала развиваться весь двадцатый век, появлялись интересные теории вроде S-теоремы Климонтовича, утверждающей, что турбулентное движение есть не хаотическое, а более организованное, чем ламинарное, с пониженной энтропией и повышенной информативностью, что дало фантастам основу для предсказаний жизни внутри молний, что-то читал такое в детстве. Кстати, из прочитанного в детстве, как раз с моего прочтения романа Даниила Гранина «Иду на грозу» о советских ученых и возникла детская мечта «раздолбать» тему про природу грозы.
И электродинамика, и газодинамика молнии, и пересечение этих наук продолжают развиваться и сейчас различными научными учреждениями и школами. Состязаться мне с ними не по силам, поэтому пойдем другим путем. Мы можем, используя простейшие интегральные параметры, как это делал Тесла, представляя энергию как переливающийся поток жидкости, попытаться получить решение простыми методами (что, в принципе мы уже и делали в Частях 9-10) не привлекая, к тому же, понятия Эфира, физического вакуума и других подобных спорных моделей.
1. Подготовка среды и возникновение точечного запального разряда.
Легко предположить, что в наэлектризованном в результате трения между облаками или их частями воздухе в некотором объеме атмосферы образуются небольшой перепад электрического потенциала в единицы или десятки киловольт. Такой перепад нам демонстрируют от трения в школе с эбонитовой палочкой и электроскопом или на электрофорной машине. Для последующего рассмотрения размер напряжения не важен, поскольку любой перепад напряжений способен вызвать точечную запальную искру молнии. Каждая электрическая искра есть источник мультичастотного излучения, влияющего на свойства окружающего пространства.
2. Объемная ионизация и распространение разряда вдоль собственной оси.
При рассмотрении причин возникновения и развития разряда молнии традиционно рассматривается следующий перечень электрических процессов: диффузия заряженных частиц; обычные ударная и ассоциативная ионизация молекул электронами; кроме ионизации молекул электронами возможные фотоионизация, термоионизация под воздействием темперетуры и автоионизация под воздействием электрического поля. Конечно, все эти процессы действуют в совокупности, но в разных масштабах и выполняют разные функции. Все процессы должны быть представлены в балансе энергий разряда. Естественно, когда баланс энергии положителен (среду в этом случае как и в предыдущих частях будем называть размножающей), разряд разгорается.
Отметим, что среди перечисленных нет процессов, способных эффективно «толкать» разряд от запального в открытое пространство (стример). Про невозможность ионизации «длинными» электронами – ниже. Традиционно считают, что основную роль в развитии пучка молнии выполняют электроны, недооценивая силы, направленные вдоль канала на тяжелые по сравнению с электронами ионы и нагретые нейтральные частицы газа. Обычно взаимодействие между частицами учитывают через электромагнитные процессы, опираясь на уравнения Максвелла, описывающие поведение электромагнитного поля и его взаимодействие с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца эти уравнения образуют, как известно, полную систему уравнений классической электродинамики. Мы пойдем другим более простым путем.
Итак. Отсортируем логически составляющие электрического процесса по важности для исследуемого линейного развития разряда от электрода в открытое пространство.
Термоионизация . Если нагрев осуществляется излучением от других частиц и протекающим током (других сил мы пока не видим), а теплосъем - теплопроводностью и излучением, которое при низких температурах (порядка 1000К) градусов обычного разряда мало, процесс следует признать медленным, чтобы являться причиной распространения молний в атмосфере.
Ионизация электронами от разряда и фотоионизация – процессы имеющие симметричную геометрию относительно разряда- не подходят по геометрии в качестве причин распространения молнии в атмосфере, потому как разряд распространяется не перпендикулярно к самому себе, а вдоль. (Однако, как показано ниже, могут играть существенную роль в формировании мощности или толщины канала разряда). Итак, соредоточимся на двух оставшихся: диффузия частиц с торца разряда и автоионизации.
Считается, что электронная автоионизация начинает играть заметную роль в появлении электронов в полях более 10 МВ/см. Не будем спорить. И, заметив, что таких полей у нас нет и быть в воздухе не может, сосредоточимся на диффузии ионов. Поскольку кроме электрических сил, действующих на заряды, других сил обычно не рассматривается, поэтому диффузией ионов в дуге по сравнению с элекронными процессами обычно пренебрегают ввиду их меньшей подвижности и соответственно пропорционально меньшему вкладу в силу тока. При этом если диффузия ионов под действием постоянного и низкочастотного электрического поля (за полупериод ион сдвигается заметно) рассматривается, то в высокочастотном электрическом поле ион считается неподвижным. Более того, как правило, считается, что в связи с тем, что свободный пробег ионов в воздухе очень мал из-за быстрой рекомбинации и потери энергии в соударениях с неподвижными нейтралами, тяжелые частицы (ионы и нейтральные атомы) за пределами разрядника по оси разряда не играют роли в развитии разряда. Считается также, что кроме поляризации нет мощных причин для сил, действующих на тяжелые (особенно на нейтральные) частицы в направлении от разряда вдоль его оси. Рассматриваемая же поляризация приводит, напротив, к движению ионов в сторону разрядника с любой стороны, поскольку на ближайшем расстоянии образуются разноименные заряды, а разноименные заряды притягиваются.
При таком подходе невозможно объяснить развитие разряда от электрода в открытое пространство и лидер-процессы в дуговом разряде при реальных напряженностях поля, потому как вероятность электрону получить изначально откуда-то энергию, достаточную для многоступенчатой ионизации на расстоянии от одного электрода до другого, практически нулевая. Особенно если длина разряда в небе измеряется километрами. Есть и другие не очень логичные и убедительные теории развития разряда-лидера в дуговом разряде и молний небесных.
Как сказано выше, мы не предполагаем ГигаВольтных напряжений в низких слоях атмосферы, и предполагаем напряжения не более единиц киловольт, которые реально могут быть получены в атмосфере в результате трения.
Отличительной чертой нашей теории является то, что у нас есть кинетическая энергия и соответствующая ей сила, прикладываемая к ионам и заряженным частицам, действующая вдоль оси разряда за его геометрические пределы исключительно в одну из сторон, где бы вдоль разряда не находился ион или нейтральная частица. Эффект наблюдается даже если разряд осуществляется от полностью симметричного источника переменного мультичастотного поля. Направление зависит от сочетания частотного спектра и свойств материала иона или нейтральной частицы. Это показано в Частях 9-10. И об этом еще ниже.
Эта энергия по оценкам (см.ниже) оказывает очень существенное воздействие на энергетический баланс разряда, вызывая направленную и термоэмисию, и косвенно автоэмиссию нейтральных по заряду частиц находящихся в торце разряда, вблизи от него за его пределами.
Именно эти две большие по сравнению с другими (оценочные расчеты проводились мной) составляющие баланса энергии канала начинают играть важнейшую роль в распространении разряда с торца в свободное пространство.
Атмосферные молнии связаны с высокочастотными процессами, об этом свидетельствует их поверхностное действие на проводники. Поэтому можно ограничиться вариантами, рассмотренными в части 9, где поглощение и отражение - поверхностные эффекты. (Хотя этого упрощения можно не делать и еще раз вывести формулу как в Части 10 только для произвольного (не на оси) расположения источника, как это сделано в Части 9).
Поскольку нам интересен процесс зарождения стримера и его самораспространение вдоль его же оси, вернемся к варианту, рассмотренному в конце Части 9, когда источник расположен на одной оси с частицами. При рассмотрении в формуле компоненты, взятые из уравнений (18) и (19) в уравнении (29) - нумерация формул из Части 9 - дают баланс энергий, соответствующий силам вдоль оси и действующим непосредственно от внешнего источника на частицу. Похожий член мы исключили в уравнении (24) в Части 10 из дальнейшего рассмотрения, т.к. нас интересовало взаимодействие частиц только между собой. Вот этот исключенный член уравнения и является энергетическим воздействием линейного разряда на нейтральные частицы и ионы (независимо от их электрического заряда). При этом направление действующей силы - в направлении "от разряда" с одного его конца и "к разряду" с другого его конца. Эффект постоянства направления сохраняется и вблизи разряда от переменного тока между электродами разрядника. Порассуждаем и объяснимся.
Рассмотрим линейный разряд и влияние его на нейтральную частицу или ион (влияние неэлектрическое как в Частях 9-10 ), расположенные возле одного конца разряда и возле другого конца разряда. В соответствии с рассмотренной в Частях 9-10 теорией в выборе направления движения частицы (знаки ± перед корнем) в поле разряда роль играют свойства среды и свойства разряда (частотно-фазовый состав). Но где бы не находились ион или нейтральная частица - в начале или конце разряда и свойства среды, и частотные свойства разряда для него одинаковы. Следовательно сила, приложенная к нему, где бы он не находился, в начале или конце разряда, будет направлена в одну и ту же сторону. Таким образом, и ион и разогретый разрядом нейтральный атом будут двигаться вдоль разряда под воздействием высокочастотного электрического поля, создавая на направленном в пространство конце разряда ионный и горячий нейтральный ветер, способствующий распространению дуги в открытом пространстве за пределы имеющегося разряда вдоль его оси.
Может быть этот эффект объясняет существенно разный износ электродов моего высоковольтного разрядника катушки Теслы (разряд на переменном токе). И (скорее всего) имеено этот эффект соответствует плато в правой (генерирующей) стороне графика, приведенного в Части 1, для чисто электрического случая.
Итак, из уравнения (31) Части 9 при Кк1=(1-Ки1) взятом из (13) Части 9 получим:
Δ Ек = (1-Ки1)S1*W ≡ m1ΔV12/2 = S1*W - Ки1S1*W, (1)
откуда
ΔV1=+/- sqrt [2(1-Ки1)S1*W / m1], (2)
где: W- плотность потока энергии источника; S1- эффективная площадь поперечного экваториального сечения эквивалентной шарообразной частицы, Ки- коэффициент излучения частицы равный отношению излучаемой и поглощаемой энергии , m1-масса частицы, ΔV1- приращение скорости частицы под действием энергии ΔЕк, ( индекс к - кинетическая). Очевидно при этом, что градиент плотности потока энергии симметричен относительно оси разряда и убывает во-первых: пропорционально квадрату расстояния до него и, во-вторых, в связи с поглощением в среде по (1-2) из Части 1
10.
W = Wo e − μx (3)
Где: Wo - начальная плотность потока энергии;
W – плотность потока энергии после прохождения слоя вещества толщиной х;
μ - коэффициент поглощения, зависящий от свойств вещества и энергии гамма-квантов.
При разгоне близлежащих к разряду нейтральных частиц и ионов за счет энергии (1) показатель экспоненты в (3) приближается к нулю и экспонента стремится к единице. Что ограничивает близкодействие при развитии разряда. Однако приведенная формула (3) играет одно из решающих значений вместе с законом Ламберта для ограничения диаметра канала вместе с убылью W с расстоянием от оси.
Про значение двух знаков у корня квадратного соответствующим двум возможным направлениям разгона вдоль оси разряда, и о том, что в любом случае из двух будет только какое-то одно, мы только что рассуждали и пришли к заключению.
Рассмотрим коэффициенты в формуле (1) , введенные в Частях 9-10 для упрощения выражений:
Ки1 - есть отношение энергии излученной к падающей на S1 (падающая, при рассмотрении площади S1 вместо S равна поглощенной)
S1 - по определению есть отношение реальной площади экваториального сечения частицы (перпендикулярного потоку энергии) деленной на отношение поглощенной энергии к падающей энергии не на S1 а на реальную S. То есть, практически: реальная площадь, деленная на степень черноты.
S1=S/ε (4)
Для определения смысла и величины коэффициента излучения Ки1 мы можем воспользоваться законом Кирхгофа. Вообще, закон Кирхгофа справедлив только для случаев теплового равновесия. Однако, его часто применяют и для неравновесных систем, когда излучение не находится в равновесии с веществом и его распределение по частотам существенно отличается от планковского. При этом часто (но не всегда) предположение о термодинамическом равновесии между частицами излучающего вещества оказывается хорошим приближением. ( Взято из Викепедии)
Напомним, что вышеприведенные формулы в Частях 9-10 получены из предположения, что температура тел не изменяется, а вся поглощенная энергия идет на увеличение кинетической и излучение. В данном случае мы считаем энергопоток и предполагаем, что процессы массопереноса будут намного быстрее чем процессы передачи тепла, поэтому с определенной погрешностью можно через четвертую степень посчитать тепловой поток, а потом считать, что весь поток передается кинетическую энергию. Прием, конечно, очень искусственный и годен только для оценочных расчетов величины порядка эффекта, что мы и делаем.
Закон Кирхгофа гласит: Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности (А) одинаково для всех (серых) тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от температуры и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними и устанавливается законом Кирхгофа:
Е = Еs*А или Е /А = Еs = Еs/Аs = Сs*(Т/100)4 (5)
Заметим, что коэффициент Ки1 и был введен как отношение «лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности» - отсюда: его смысл и величина соответствуют безразмерной величине, численно равной «лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре» в выбранной системе единиц:
Т.е. Ки1≡ Еs (6)
Таким образом, для определения значения Ки1 требуется знание эквивалентной температуры.
Для получения значения эквивалентной температуры абсолютно черного тела в этих условиях воспользуемся законом Стефана-Больцмана, представляющего зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона: Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:
P = SεσT4, (7)
где ε - степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1). Как известно, при помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определелить как
ϭ= 2π5k4 /(15c2h3) (8)
где h — постоянная Планка, k — поcтоянная Больцмана, c — скорость света. Численное значение ϭ= 5,67*10-8 Дж · с-1 · м-2 · К-4, изменяется и уточняется в третьем знаке современными специалистами.
Интересно было бы рассмотреть сопутствующий вопрос, который пока отложим на будущее: закон говорит только об общей излучаемой энергии. Распределение энергии по спектру излучения описывается формулой Планка, в соответствии с которой в спектре имеется единственный максимум, который смещается в короткую сторону и положение которого определяется законом Вина. Это к вопросу искажения отраженного спектра средой при мультичастотном облучении (вопрос в Частях 1,3 - есть факт, но нет теории).
Таким образом, найдем величину S1, затем, зная степень черноты и размеры иона воздуха исходя из подводимой энергии по формуле (2) определяем температуру абсолютно черного тела и величину Ки из (6) , (5) и закона излучения Планка для фиксированной температуры и частоты. Получим, таким образом, все необходимые параметры для определения прироста скорости одного иона. Чтобы найти поток ионов отметим, что сила подобная приложенной к рассмотренному иону носит неэлектрический характер и действует на каждый ион и нейтральную частицу на оси разряда в разряде и за его пределами с торца. Т.е. используя число Авогадро можно получить интегральную величину давления ионно-молекулярного ветра. Мы эту работу здесь делать не будем, в силу ограниченности объемов страницы блога, но приведем таблицу проделанных оценочных расчетов температуры молекулы воды, изначально имеющей нулевой заряд и расположенной в торце разряда-стримера от 40-ваттной катушки Теслы, описанной в Части 2 на разных расстояниях h.
Таблица 1
Оценка приращения энергии и эквивалентной температуры молекулы воды находящейся вблизи торца разряда вне его объема под действием создаваемого разрядом высокочастотного поля (вектор скорости от приращения энергии направлен вдоль оси разряда и не меняет направления с частотой облучения) | |||||
Пусть молекула воды находится на расстоянии h м от конца разряда,h | 1,00E-02 | 1,00E-03 | 1,00E-04 | 1,00E-05 | 1,00E-06 |
Тогда площадь описанной окружности с таким радиусом и с центром в конце разряда S0 , м2 | 0,001256 | 1,26E-05 | 1,26E-07 | 1,26E-09 | 1,26E-11 |
Если мощность разряда Q=40 Вт длина L=0,05м, будем считать, что в торцевой зоне поле действующее на частицу создает длина, равная расстоянию от частицы до торца разряда, Тогда эквивалентная мощность точечного источника можно оценить как N=Q/L*h Вт | 8,00E+00 | 8,00E-01 | 8,00E-02 | 8,00E-03 | 8,00E-04 |
Пусть размер молекулы воды 1А=10-10м | 1E-10 | 1E-10 | 1E-10 | 1E-10 | 1E-10 |
Степень черноты ε | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
Тогда Эквивалалентная площадь S1,м2 | 1,57E-21 | 1,57E-21 | 1,57E-21 | 1,57E-21 | 1,57E-21 |
На молекулу приходится мощность N/S0*S1, Вт | 1E-17 | 1E-16 | 1E-15 | 1E-14 | 1E-13 |
Масса молекулы 18*1,66*10-27кг | 2,99E-26 | 2,99E-26 | 2,99E-26 | 2,99E-26 | 2,99E-26 |
при σ=5,67*10-8 Дж • с-1 • м-2 • К-4. | 5,67E-08 | 5,67E-08 | 5,67E-08 | 5,67E-08 | 5,67E-08 |
Найдем температуру частицы из (7) T=sqrt(sqrt(P/(Sεσ))) Подкоренное выражение | 5,62E+11 | 5,62E+12 | 5,62E+13 | 5,62E+14 | 5,62E+15 |
Корень четвертой степени, эквивалентная температура, градусов Кельвина | 866 | 1539 | 2738 | 4868 | 8657 |
Таким образом, энергия, описанная уравнением (1) и передаваемая каждой единице массы, принципиально:
- может нагреть частицу и газ в рассмотренной зоне до солнечных 6000К,
- ее принципиально достаточно, чтобы разогнать струю (теперь уже ионизированного под действием термоэмиссии при высоких температурах) газа до огромных космических скоростей на малых расстояниях в осевом направлении от разряда. (Желающие посчитают, все данные в таблице).
Конечно, наша модель слишком упрощена и с удалением от торца разряда ускоряющая сила быстро падает, но такой струи ионизированного газа явно достаточно для дальнейшего распространения проводящей ионизированной среды и распространения разряда-лидера в стримере. Поэтому же время зажигания молнии во всю длину в пол-неба составляет вполне улавливаемые глазом доли секунды, а развитие стримера-лидера при дуговом разряде снимают быстродействующими кинокамерами.
3.Источники энергии разряда молнии.
После возникновения разряда начинают конкурировать два процесса:
- процесс пассивного рассеяния энергии по каналу разряда и за его пределами, в частности ветвление канала, и
- процесс активного рассеяния энергии, превращающего среду в размножающую, (по теореме Мендельбаума)
Процесс активного рассеяния может быть рассмотрен в виде облучения частиц вокруг канала мультичастотной энергией канала с последующими эффектами как в Части 9. При облучении частиц произвольно расположенным источником в окружающем канал пространстве появляются силы между частицами со всех сторон канала, которые или «сжимаются в кольцо» по направлению к оси или «разжимаются кольцом» в обратном направлении, создавая перепад давления:
а) при притяжении (сжимании колец) увеличивается масса ионизированного напичканного статическим электричеством газа в канале, увеличивая давление в нем, сокращая длину свободного пробега, т.е. скорость распространения, но одновременно увеличивая и разгоняемую массу газа в канале, снижая при этом его электрическое сопротивление;
б) при отталкивании создается разряжение внутри канала, увеличивая расстояние свободного пробега частиц при одновременном сокращении массы газа и, соответственно числа разгоняемых частиц.
Причем, поскольку сила действующая на частицы пропорциональна массам частиц, основной электрический эффект дают ионы, а не электроны. Нейтральные частицы также притягиваются (отталкиваются) друг ко другу и при этом теряют часть своих электронов в плазме, становясь ионами внутри канала разряда. Электрические силы отталкивания между ионами при этом можно, видимо не учитывать поскольку свободные электроны в пространстве практически холодной плазмы также присутствуют, уравновешивая объемный заряд.
Отметим из возможных четыре источника энергии в канале молнии.
1). Ионы, втянутые в канал под действием сил межионного притяжения независимо от заряда, пропорционально произведению масс (Части 9-10) в присутствии свободных электронов, компенсирующих объемный заряд.
2). Эффект возникновения поддерживающих индукционных разрядов параллельно протекающему току в канале, который сопровождается переносом запасенной электростатической энергии в пространстве вокруг канала молнии в сам канал в виде ускоряющего тянущего поле.
3). Частотный сдвиг (в реакции на облучение окружающего разряд пространства) относительно фаз на разных частотах облучения, определяемый законом смещения Вина.
4). Торможение в разряде нагретых и ускоренных в поле разряда нейтральных частиц, втянутых в канал силами, рассмотренными в Главах 9-10.
С большой вероятностью все эти четыре источника входят в список эффектов, действие которых в совокупности на электрическом варианте рассмотрено в Частях 1,3 и которое позволило сформулировать суммарный эффект в виде Теоремы Мендельбаума. От энергии этих четырех источников разряд становится самодостаточным и начинает жить, распространяясь в атмосфере.
Кроме того, рост энергии по первому пункту зависит от протекающего по разрядному каналу тока и увеличивается с ростом этого тока из-за роста соответствующего потока излучаемой каналом энергии.
Отметим, что первый и второй источники исчезают при пространственном выходе разряда из зоны высокой ионизации или наэлектризованности. Если при этом баланс энергии канала становится отрицательным, его среда перестает быть размножающей и разряд в канале начинает слабеть, вплоть до полного гашения в какой-то точке. Естественно, вместе с выходом из энергонасыщенной зоны надо рассматривать в качестве эффектов, ослабляющих ток в разряде еще и омические потери на плазме и эффекты ветвлений.
4. Рост и ограничение роста разряда перпендикулярно его оси
Эффекты вызывающие распространение разряда вдоль его оси частично работают и под углами от 0 до 90 градусов Для таких углов существенны три эффекта:
1) Уменьшение притяжения не только частиц к разряду, но и между собой - нейтральных частиц и ионов под действием рассмотренных в Часть 9-10 эффектов (эффект вызывающий изменение давления в канале разряда). Сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояний, что практически ограничивает зону из которой разряд собирает частицы за время своей жизни. Зона, как отмесено выше, увеличивается по мере роста тока и уменьшается с уменьшением тока по длине разряда, поскольку уменьшается действующее поле.
2) Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 в направлении элемента dF2, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQn, на величину пространственного угла , составленного направлением излучения с нормалью d2Qn = dQn*dw*cosj. Имеется ввиду, что излучение с торца разряда, вызывающее его распространение в пространстве при отклонении направления от оси его распространения теряет силу в соответствии с приведенной формулой, что ограничивает соответствующие «размножающие» члены уравнения баланса энергии в канале разряда при отклонениях от оси.
3) поглощение в среде по формуле (3)
5. Ветвление и изменение направлений разряда
При нашем подходе ясно, что разряд может быть не только между электродами, но и от электродов в любую сторону, где выполняется условие размножающей среды. Если условия размножающей среды от внешнего источника поддерживаются постоянно, образуется стабильный разряд. Таким образом объясняется природа всех разновидностей разрядов в атмосфере.
Прокладывая для себя канал, разряд может встретить существенные неоднородности на своем пути по влажности, степени наэлектризованности, следы других разрядов и т.д. Кроме того, образование канала молнии является причиной газодинамического удара, вследствие которого образуются турбулентности. Все это является причиной возникновения альтернативных каналов молнии т.е. расщепления молнии на отдельные каналы с одновременным разделением и величины тока в канале молнии. Влияние турбулентностей можно было бы посчитать по известному Уравнению Навье-Стокса, но неопределенность в таких процессах критического числа Рейнольдса и изобилие в электрогазодинамике эмпирически и для совершенно других условиий полученных коэффициентов чрезвычайно усложняет задачу, а часто делает решение бессмысленным.
Если в двух направлениях возникают одинаковые условия распространения, разряд раздваивается
При таком подходе ясно, что в случае, если внешние условия однократно обеспечивают внутреннее отражение при выполнении условий размножающей среды (в первую очередь - давление газа), и если первоначальный разряд замыкается в кольцо, разряд превращается в самоподдерживающуюся шаровую молнию. Это условия возникновения и существования шаровой молнии.
6. Потери энергии средой во время разряда и после его гашения
Из проведенного нами анализа могут быть выделены следующие эффекты, вызывающие энергетическую убыль в среде или «разрядку» среды во время и после разряда молнии в ней.
1) Проходит рекомбинация зарядов внутри и вблизи канала - в зоне уплотнения, образующихся из нейтралов и зарядов, втянутых в канал из окружающего пространства под влиянием описанных в Главе 9-10 сил.
2) Выделение и конвективный унос джоулева тепла от протекающих к каналу разряда и по нему токов.
3) Снижение энергетических накоплений среды после индукционной передачи энергии в канал разряда.
4) После рассеяния зоны высокого давления ионизированного перегретого газа среда становится электропроводной и оставшийся заряд «стекает» внутри пространства в статическом режиме.
5) Потери на радиоизлучение вызванное мультичастотной реакцией на облучение среды мультичастотным облучением разряда, которое тоже являнется мощным источником излучения в широком диапазоне частот, в частности, вызывающем радиопомехи.
7. Эффекты разряда.
Эффектов от разряда можно наблюдать несколько. Отметим среди них следующие:
1) Механический. При попадании разряда даже с не очень сильной катушки Теслы в руку, чувствуется механический толчек. При попадании молнии в наличие механический удар, крушащий, например, деревья. Этот эффект в нашей теории объясняется давлением, создаваемым потоком тяжелых (по сравнению с электронами) нейтральных по заряду частиц и ионов. Эти частицы получаются в больших объемах и суммарных массах, ускоренных до больших скоростей под действием сил, анализ которых производился в Главах 9-10. Эффект часто используют при красивых демонстрациях действия катушек Теслы: загнутый электрод, на конце которого горит заряд, под действием неведомых и достаточно мощных сил вращается вокруг оси. Для разрядки «сильно теоретического текста без картинок» (это я цитирую одно полученное мной письмо), приведу фотографию такого вращающегося электрода, найденную поисковиком в Интернете по запросу «Тесла фото»
В отличае от варианта, когда мы рассматривали в Части 10 две частицы во внешнем поле,в нашем варианте генератор сам выступает в качестве одной из частиц и если разряд протянулся от генератора до одной из частиц, к электроду генератора тоже будет приложена механическая сила не связанная с магнитным полем Земли и другими внешними полями. Просто закон сохранения импульса.
2) В рассмотренной теории нет необходимости для ГигаВольтных пробойных напряжений в атмосфере, но теория не исключает перепадов напряжения по длине действующего разряда молнии. Поскольку холодная плазма в канале молнии обладает конечным омическим (близкий интегральный эквивалент процессам в плазме) сопротивлением, на котором должно падать какое-то напряжение. То есть, молния действует как источник тока, а не напряжения. Именно это напряжение и оказывает поражающее действие на человека при попадании в него молнии вместе с только что рассмотренным механическим воздействием. Конечно, не надо забывать и о других поражающих факторах. Это: воздействие высокой температуры; не только объемное, но и специфическое поверхностное действие, вызванное высокочастотными электрическими процессами, вызывающими также радиопомехи, а поскольку частоты в молнии распространяются очень высоко, может быть и рентгеновское и гамма – лучевое поражение.
3) Акустический эффект. При рассмотрении эффектов, влияющих на диаметр канала, мы описали (подобное рассмотренному в Частях 9-10) взаимодействие частиц между собой в поле мультичастотного разряда. В Части 10 показано, что энергия взаимодействия каждых двух частиц, вызванная разрядом (а не только внешняя традиционно гравитационная), пропорциональна произведению их масс независимо от заряда, обратно пропорциональна расстоянию между ними и вызывает движение по прямой соединяющей частицы, т.е. эффект имеет искусственную гравитационную основу. В результате газ в зоне разряда и вокруг него сжимается или расщиряется создавая залповую волу давления – звук молнии. Подчеркнем, что это НЕ взаимодействие каждой отдельной частицы с разрядом, приводящее ее в движение в перпендикулярном разряду направлении. Это другой эффект. Тем, что воздействие гравитации в нашей теории распространяется со световой скоростью (потому что вызывается электрическими полями), объясняется измеряемая в некоторых опытах (где-то видел давно) сверхзвуковая скорость распространения волны давления от возникновения разряда. На самом деле она не сверхзвуковая. Просто на самом деле звук идет не от канала разряда, а от объема, где существенна искусственная наведенная разрядом гравитация, приводящая в движение нейтральные по заряду частицы воздуха, а этот объем больше и ближе к измерителю.
Основные итоги и выводы
1. На основании ранее полученных в Частях 9-10 работы формул рассмотрен вариант поджига, жизни и гашения разряда в атмосфере.
2. Показана реальная возможность длинных (и километровых) молний при незначительных (единицы кВ) перепадах напряжений между концами разряда.
3. Показано, что статическое электричество в атмосфере не является причиной длинных разрядов, но участвует в их поджиге, вносит вклад в энергетический баланс и является одной из причин пространственного гашения при выходе разряда из зоны насыщенной электризации.
4. Рассмотрен работающий (по приведенным оценочным результатам расчетов) алгоритм самостоятельного развития разряда вдоль своей оси в свободное пространство (стример, лидер дугового разряда или атмосферная молния)
5. Рассмотрен баланс энергий разряда, из которого можно вывести условия возникновения и гашения молнии.
6. Рассмотрены источники энергии атмосферных разрядов.
7. Показано, что очень большое значение в развитии разряда в длину и в его энергетике играют силы притяжения между частицами, пропорциональные их массам и обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними, возникающие под действием мультичастотного облучения частиц разрядом (практически искусственная гравитация).
- Эти силы ускоряют ионы и нейтральные молекулы в канале разряда и в торце разряда за его пределами в одну сторону по оси разряда, что позволяет разряду развиваться в свободное пространство;
- Эти силы изменяют давление в канале разряда вследствие наведенного сильного (из-за малого расстояния) гравитационного (со знаком плюс или минус) взаимодействия окружающих разрядный канал молекул газа между собой (независимо от величины их электрического заряда). Результат приводят к изменению диаметра канала разряда и его энергетики.
8. Сформулировано условие возникновения и существования шаровой молнии.
9. Показано, что после возникновения разряда начинают конкурировать два процесса: процесс пассивного рассеяния энергии от объема канала разряда и за его пределами, в частности ветвление канала, и второй процесс - процесс активного рассеяния энергии (по теореме Мендельбаума), превращающего среду в размножающую. Размножающей (энергию) средой названа среда, когда возвращаемая в канал разряда часть энергии, истраченной разрядом на мультичастотное облучение внешней среды, сложенная с энергией реакции внешней среды на облучение, также поступающей в канал разряда, получается больше всей истраченной разрядом на облучение среды энергии.
10. Рассмотрены некоторые полученные из теории эффекты разряда, в частности:
- механический, демонстрированный еще Теслой (фотография в тексте), и разбивающий стволы деревьев при попадании в них молнии;
- электрический, связанный с возникновений разности напряжения по длине атмосферной молнии как источника тока (не причина возникновения, как традиционно принято считать, а следствие);
- акустический: звук разряда вызывается не столько нагревом и расширением газа в его канале, сколько перепадом давления от волны искусственной гравитации, изменяющей давление в разрядном канале и вокруг него (см. п.7).
Конечно, многое здесь надо уточнять, в чем-то здесь я может и ошибся. Надо усложнять модель: вводить зависимость от частот, вводить в модель теплотехнику, чтобы получать реальные температуры; найти условия, при которых вектор скорости в (2) меняет знак, соответственно изменяя знак приращения давления внутри разрядного канала; сделать пространственную модель с учетом времени процессов, обсчитывая которую на компьютере можно получить много новых интересных результатов. Но это работа уже для коллектива, а не одного любителя старых загадок.
Кому - как, а мне нравится то, что тут у меня получилось.
15 апреля 2010г.
15 апреля 2010г.
Сообщения
