«Исследование линейной молнии и сборка и испытание молниеотвода»

Оглавление

1	Введение	3
2	Теоретическая часть	4
2.1 История изучения молнии 2.2 Что такое молния 2.3 Устройство и принцип действия молниеотвода 2.4 Правила поведения человека во время грозы Выводы из теоретической части	4 5 6 7 7
3	Практическая часть	8
3.1 Эксперимент «Молния» 3.2 Эксперимент «Молниеотвод» 3.3 Исследование зависимости напряжения зажигания искрового разряда от расстояния между электродами электрофорной машины Выводы из практической части	8 9 9 10
4	Заключение	11
5	Список источников информации	11

Введение

Тема «Исследование линейной молнии и сборка и испытание  молниеотвода». Наша работа направлена на решение конкретной проблемы с помощью физики как науки.

Проблема. Молния представляет собой одно из самых захватывающих и удивительных зрелищ. При этом она является одним из самых грозных и непредсказуемых природных явлений. Однако, если сидя ждать грозы, изучение затянется на целую вечность. Поэтому мы решили создать модель молнии в своей лаборатории и получить искры до нескольких сантиметров в длину, которые по всему своему виду походили бы на линейную молнию. В ходе экспериментов мы планируем создать надежную систему молниеотвода и сформулировать правила безопасного поведения во время грозы.

Объектом нашего исследования будет молния, то есть линейный газовый разряд.

Предметом исследования – особенности процесса формирования линейного газового разряда и способы отведения разряда с помощью системы заземления.

Цель работы: создать эффективную систему молниезащиты, выработать правила безопасного поведения человека во время грозы.

Задачи:

1. Получить линейный газовый разряд с помощью электрофорной машины в лабораторных условиях.

2. Изучить принцип действия молниеотвода.

3. Сконструировать и опробовать систему молниезащиты игрушечного домика.

4. Определить правила техники безопасности при грозе.

Теоретическая часть История изучения молнии

Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследовавшие природу молнии.

Раньше считали, что грозой на небе руководит Илья – пророк, и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью – пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Бенджамин Франклин для этого во время грозы запускал воздушного змея с проволокой и связкой ключей на конце. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие по проволоке, и первым доказал, что молния – это электрический разряд. Ясно, что Франклин сильно рисковал, так как молния могла ударить в змея, и электрический ток прошел бы через тело экспериментатора.

В то же время природу атмосферного электричества изучал русский ученый . Ломоносов построил «громовую машину», представлявшую собой конденсатор, который заряжался атмосферным электричеством через провод, конец которого был поднят над землей на высоком шесте. Конденсатор находился в кабинете Ломоносова. Во время грозы можно было извлекать искры из конденсатора, когда к нему приближались руками. Эти опыты, как и опыты Франклина, были чрезвычайно опасными. Во время таких опытов в 1753 году на глазах у Ломоносова погиб работавший вместе с ним его друг, немецкий ученый Георг Рихман.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию – запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух, создавая проводящий канал между тучей и землей. Кроме того, сегодня стало возможным управление молниевыми каналами с помощью мощных лазеров, которые способны организовывать протяженные каналы, подобные тем, что возникают при ударе молнии.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень. Он возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям. Весть о громоотводе Франклина разнеслась по всей Европе, и его избрали во все академии, включая Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко может укротить главное оружие «божьего гнева», казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. В 1780 году в небольшом городке на север Франции, где горожане требовали снести железную мачту громоотвода, дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо – доказывал молодой адвокат и выиграл процесс. Его звали Максимилиан Робеспьер. А портрет изобретателя громоотвода украшает известную всем стодолларовую купюру.

Что такое молния

Молния – это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом. Движение облаков в атмосфере может образовывать на облаке громадный статический заряд. Это возрастание заряда может быть столь велико, что напряжение между облаком и землей становится достаточным для преодоления изолирующих свойств воздуха. Когда это происходит, то воздух становится проводящим, и заряд течет к земле в виде вспышки молнии, ударяя в ближайшие или наиболее высокие здания, т. е. заряд выбирает кратчайший путь к земле. Молния возникает либо между двумя облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 ампер, напряжение между облаком и земле – 1 миллиард Вольт.

Весь процесс образования молнии начинается с образования облаков. Вода, испаряясь с теплой поверхности океана, поднимается вверх. Достигая более холодных областей, вода конденсируется в небольшие капли, образуя тем самым облака. Чем больше воды испарилось, тем более густыми и объемными становятся облака, превращаясь в тучи.

Туча содержит миллионы капель воды и крупинок снега. Однако, находятся они не в спокойном подвешенном состоянии, а в непрерывном движении: теплые частицы поднимаются к верху облака, охлажденные опускаются к низу. Соударяясь, частицы приобретают электрический заряд, который впоследствии играет важную роль в образовании молнии.

Частицы только что поступившие в облако оставляют свои электроны на нижней его части. Поэтому внизу образуется отрицательный заряд. Получив положительный заряд из-за отрыва электронов, частицы продолжают подниматься вверх, создавая на верхней границе облака положительный заряд. Все это приводит к возникновению электрического поля. Заряд тучи может стать настолько сильным, что электроны на поверхности земли уходят глубже в почву, образуя на ее поверхности положительный заряд. К этому моменту все готово для появления молнии. Но еще нужен путь между землей и облаком.

Когда поле становится очень сильным, создаются условия для пробоя диэлектрика – воздуха. Как правило, возникает не единственный путь. Воздух неоднороден по своей структуре и составу. В нем могут содержаться примеси, и он может иметь разную температуру в различных областях. Эти факторы влияют на сопротивление воздуха. Поэтому возникают сразу несколько искривленных каналов.

Когда электрический ток начинает течь по каналам, воздух вокруг них разогревается до огромной температуры, которая может превышать температуру на поверхности Солнца. Возникает яркая вспышка. Воздух при нагревании быстро расширяется, поэтому вспышка сопровождается громом, разносящимся на десятки километров вокруг.

Устройство и принцип действия молниеотвода

Как защититься от молнии?

В 1753г. Бенджамин Франклин изобретает молниеотвод. Он первым продемонстрировал электрическую природу молнии с помощью своего знаменитого “эксперимента с воздушным змеем”. Примерно в то же самое время во Франции Далибар подтвердил эту теорию своим экспериментом с металлическим стержнем, электризовавшимся во время грозы.

Конструктивно молниеотвод устроен довольно просто:

Молниеотвод:

- молниеприемник - устройство, перехватывающее разряд молнии (громоотвод).

- тоководы (спуски) - это часть системы молниезащиты, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

- заземлитель - металлический проводник,  заглубленный в почву, обеспечивающий растекание тока молнии в землю.

Т. е. самый простой вариант молниезащиты – это укрепленный на крыше металлический штырь, соединенный тоководом с заземляющим устройством. Но просто штырь на крыше – это неэстетично, хотя дешево, надежно и практично. Но, главное, не очень эффективно.

При всей внешней простоте этого устройства необходимо, чтобы все комплектующие были правильно подобраны и соответствовали тем нагрузкам, которые, может быть, придется выдержать системе.

Правила поведения человека во время грозы

Несмотря на то, что молния – это очень красивое зрелище, она также обладает и огромной разрушительной силой. Тысячи людей каждый год погибают от ударов молнии. Это возникает из-за того, что молния выбирает путь наименьшего сопротивления во время своего путешествия к земле. Если вокруг человека не окажется более удачного пути, то молния может пройти по телу, так как оно обладает гораздо меньшим сопротивлением, чем окружающий воздух.

Поэтому необходимо соблюдать ряд мер предосторожности во время грозы:

- нельзя находиться на открытом месте или под деревьями и столбами;

- если гроза застала вас в открытом поле, нужно стараться держаться как можно ближе к земле;

- не подходите к реке, озеру или другим водоемам;

- снимите с себя все металлические украшения (цепочки, кольца, серьги);

- не приближайтесь к линиям электропередач или высоким деревьям;

- не стойте рядом с металлической оградой, стальными трубами, рельсами, а также вблизи других проводников электричества;

- нежелательно пользоваться проводным телефоном (как впрочем, и мобильным) даже внутри помещений, так как телефонные провода часто попадают под действие электрического удара. По этой же причине следует держаться подальше от водопровода и газовых труб.

Выводы из теоретической части.

Исследованием природы молнии занимались многие знаменитые ученые, такие как Бенджамин Франклин, Михаил Васильевич Ломоносов, Георг Рихман., при этом они подвергали свою жизнь серьезной опасности. В конце 20 века ученые научились искусственно вызывать разряды молнии, не рискуя при этом попасть под ее удар. Процесс формирования молнии начинается с образования облаков и связан с электризацией трением. Наличие заряженных частиц в туче приводит к появлению электрического поля и перераспределению зарядов в земле. Если поле становится слишком сильным, то происходит пробой диэлектрика – воздуха, и мы наблюдаем молнию. Самый простой вариант молниезащиты – это укрепленный на крыше металлический штырь, соединенный тоководом с заземляющим устройством. Чтобы во время грозы не попасть под удар молнии, необходимо соблюдать меры предосторожности.

Практическая часть Эксперимент «Молния»

Молния представляет собой одно из самых захватывающих и удивительных зрелищ. При этом она является одним из самых грозных и непредсказуемых природных явлений. Однако, если сидя ждать грозы, изучение затянется на целую вечность. Поэтому мы решили создать модель молнии в своей лаборатории и получили искры до нескольких сантиметров в длину, которые по всему своему виду походили на линейную молнию. Такая молния неопасна, но даже она способна зажечь ватку, смоченную спиртом, а значит вызвать пожар.

Для опыта мы наклеили на стекло кусочки фольги шириной от 0,5 см до 1 см с промежутками между ними. Отдельные участки соединили между собой проволочками. К началу и концу цепочки подвели проводники от полюсов электрофорной машины. В темноте наблюдается красивое свечение. Оно объясняется возникновением искровых разрядов в промежутках между кусочками фольги под действием высокого напряжения, которое подводится от электрофорной машины. Мы смогли получить до 8 одновременных разрядов в искровых промежутках.

Эксперимент «Молниеотвод»

Из листов бумаги для рисования мы склеили макет дома. На боковых стенках сделали вырезы для окон. Дом установили на металлическом листе. Внутри дома установили проволочку, на верхнем конце которой укреплена ватка, смоченная ацетоном. Через крышу дома пропустили вторую проволоку, нижний конец которой касается металлического листа, а верхний выступает над крышей на 5 см. Эта проволочка служит молниеотводом. Металлический лист с домом разместили на диэлектрическом основании. Лист соединили с одним из полюсов электрофорной машины, которую затем зарядили.

Разрядник поднесли одновременно к концу молниеотвода на расстояние 2-3 см и другому полюсу машины. Между молниеотводом и разрядником наблюдается электрический разряд. При наличии молниеотвода дом остался невредимым. Затем мы убрали проволочку, играющую роль молниеотвода. Снова создали электрический разряд через дом, и он вспыхнул.

Исследование зависимости напряжения зажигания искрового разряда от расстояния между электродами электрофорной машины

Если это не может быть выражено в цифрах,

это - не наука, это - мнение.

Закон Мерфи

Неоднократные попытки непосредственного измерения напряжения в электрофорной машине не дали положительного результата. Это объясняется тем, что как только мы нагружаем машину внутренним сопротивлением измерительного прибора (в данном случае вольтметра), сразу исчезает заряд и не вырабатывается высокое напряжение, необходимое для зажигания искрового разряда.

Поэтому напряжение мы определяли косвенно. Данные паспорта электрофорной машины:

- ток электростатической машины 10 микроампер

- электроемкость конденсатора (лейденских банок) 10 пикоФарад.

Заряд, накопленный электростатической машиной, определяется по формуле:

Напряжение зажигания искрового разряда:

Таким образом, мы измеряем две величины – расстояние между электродами и время зарядки машины до момента возникновения разряда – и рассчитываем напряжение.

Расстояние между электродами, мм	5	10	15	18	21	23	25
Время зарядки, сек	2	3	4	5	6	7	8
Напряжение зажигания разряда, МВ	2	3	4	5	6	7	8

Выводы из практической части

Возможно создать линейную молнию в своей лаборатории и получить искры до нескольких сантиметров в длину. Такая молния неопасна, но даже она способна зажечь ватку, смоченную спиртом, а значит вызвать пожар. Наличие простейшего молниеотвода предохраняет дом от возгорания при попадании в него молнии. Заряд стекает по молниеотводу в заземлитель. Напряжение зажигания искрового разряда увеличивается при увеличении расстояния между электродами электрофорной машины.

4. Заключение

Молния представляет собой одно из самых захватывающих и удивительных зрелищ. При этом она является одним из самых грозных и непредсказуемых природных явлений. С помощью электрофорной машины мы получили искры до нескольких сантиметров в длину, которые по всему своему виду походили на линейную молнию.

Молниеотвод (в быту он чаще называется громоотводом) - устройство для защиты сооружений от ударов молнии.

Простейший громоотвод состоит из металлического наконечника, заземляющего проводника и надежного заземления. Основное назначение молниеотводов разных видов – это не  принимать удар молнии на себя, а предотвращать его появление. Это достигается тем,  что на острие молниеотвода скапливается заряд, который уходит затем в воздух. Электрическое поле в результате этого ослабевает, поэтому  уменьшается вероятность удара молнии.

Гроза относится к быстротекущим, бурным и чрезвычайно опасным атмосферным явлениям природы. Предотвратить ее развитие невозможно. Для уменьшения случаев поражения человека молнией необходимо знать и соблюдать основные правила и требования безопасности в зависимости от конкретных условий.

Лучше всего наслаждаться видом разбушевавшейся стихии в сухом теплом помещении. Ведь никакие рукотворные объекты и зрелища не смогут сравниться с красотой молнии.

Список источников информации

Г. Роуэлл, С. Герберт «Физика», перевод с английского, М: «Просвещение», 1993

«Занимательные опыты по физике», М: «Просвещение», 1977

«Физика 8 класс», М: «Дрофа», 2009

, «Физика 10 класс», М: «Просвещение», 1998

http://ru. wikipedia. org/wiki/%CC%EE%EB%ED%E8%FF