Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

ОТВЕТ •Основная цель молниеотвода — обеспечить ионизацию воздуха, плавное стекание заряда и недопущение удара молнии. Если удар молнии все же произошел, молниеотвод обеспечивает току короткий и простой путь до земли. Для этого нужно, чтобы он не закончился в верхнем, сухом слое земли, а достал до более глубокого, влажного и лучше проводящего ток. (Разработаны специальные правила устройства молниеотводов; в землю он должен заглубляться на 2–2,5 м.) Молниеотвод не действует, когда ступенчатый лидер возникает где-то у основания облака, фактически он не действует до тех пор, пока ступенчатый лидер не подойдет близко к земле, лишь тогда от молниеотвода вверх навстречу лидеру отправляется восходящий стример (вдоль которого происходит ионизация). Их встреча замыкает путь, вдоль которого происходит ионизация, и, соответственно, между землей и основанием тучи перетекает заряд. Можно надеяться, что в этом случае возникающий при разряде ток не проникнет внутрь здания или в его стены, где он мог бы убить находящихся там людей или вызвать пожар.

Чтобы молниеотвод сработал, он должен возвышаться над самой высокой точкой здания. Как правило, молниеотвод обеспечивает защиту в пространстве, ограниченном поверхностью перевернутого конуса с вершиной на кончике молниеотвода и углом при вершине около 90° (существуют правила по расчету этого угла в зависимости от высоты молниеотвода и надежности защиты). Любой ступенчатый лидер, попадающий в этот воображаемый конус, предположительно ударит в молниеотвод, а не в здание.

В прошлом считалось, что для притягивания молнии верхний кончик молниеотвода нужно заострить. Это обосновывали тем, что на остром конце создается б о льшая напряженность электрического поля, чем на тупом конце. Поскольку сильное электрическое поле может увеличить шансы восходящего стримера подняться и встретиться со ступенчатым лидером, можно сделать вывод, что острый конец предпочтительнее. Однако существует и противоположное мнение: острый конец увеличивает ионизацию молекул воздуха вокруг молниеотвода, что уменьшает шансы возникновения восходящего стримера.

Эксперименты с молниеотводами трудно проводить, поскольку лабораторные условия никогда в точности не воспроизводят естественные условия, а в природе они зависят от случайного удара молнии. Однако эксперименты показывают, что молния чаще ударяет в молниеотводы со слегка затупленными концами, чем в остроконечные, — по-видимому, именно из-за высокой ионизации и стекания заряда с острия.

Если вы, работая на компьютере, начнете снимать свитер, компьютер может выйти из строя. Если ребенок на детской площадке съедет с пластиковой горки и потом прикоснется к кому-нибудь, он может получить чувствительный удар током. Если хирург, приступая к операции, не наденет правильную обувь, пациент от его прикосновения может пострадать. В чем опасность таких ситуаций и почему она уменьшается при высокой влажности воздуха?

ОТВЕТ •Когда в соприкосновение входят различные материалы, заряд с одной поверхности может перейти на другую, и тогда первая поверхность окажется заряженной одним зарядом, а вторая — противоположным. Если поверхности потрутся друг о друга, они соприкоснутся во многих точках, и большое количество зарядов перейдет с одной поверхности на другую. Из-за трения на соприкасающихся поверхностях может возникать механическое повреждение, и это тоже увеличит количество зарядов, перешедших с одной поверхности на другую.

Этот перенос зарядов называется электризацией трением , или контактной электризацией, а образование зарядов — трибоэлектричеством . Если воздух влажный, поверхность быстро становится электронейтральной из-за осаждаемой на ней влаги из воздуха. Но если воздух сухой, поверхности могут оказаться настолько сильно заряженными, что между ними будут проскакивать искры даже через воздух. Часто искры возникают между заряженной поверхностью и проводником, например другим человеком или металлическим предметом. Если вы в сухую погоду пройдете по ковру (не всякому) и, скажем, отрицательно зарядитесь, искра может проскочить между вашими пальцами и металлической ручкой двери или чем-то подсоединенным к земле, например водопроводным краном или клавиатурой компьютера.

Если вы коснулись этого предмета большим участком своего тела, например тыльной стороной ладони или предплечьем, электроны будут перетекать через большую площадь контакта и вы можете этого перехода и не заметить. Однако если вы поднесете к проводнику палец, вы очень даже заметите этот переход электронов. Поскольку палец — заостренный объект, избыток электронов на нем может создать сильное электрическое поле между ним и проводником. Это поле может быть настолько большим, что вырвет электроны из молекул воздуха, находящегося между пальцем и проводником, и тогда между ними образуется проводящая цепь. Тогда избыточные электроны из тела смогут легко пройти по этой проводящей цепи через палец в виде искры и ее можно будет увидеть, услышать и почувствовать. Если хотите избежать искрения, используйте для контакта с объектом не палец, а участки тела большой площади, а лучше — прикасайтесь к нему металлическим предметом (монеткой, ключом), чтобы искра шла от ключа. Если захотите пошутить и, предварительно зарядившись, исподтишка прикоснетесь к мочке уха друга, между вами проскочит искра. Пошутить так — верный способ потерять друга.

Некоторые виды тканей при соприкосновении с кожей или одеждой из другого материала вызывают перенос заряда. Известно, что чаще всего искрят свитера, если их снимают в сухую погоду. Ребенок, съехавший с пластиковой горки, может получить такой сильный заряд, что его потенциал в конце спуска может достичь 10 000 В. Если ребенок притронется к другому предмету, особенно если это заземленный проводник, между ребенком и проводником может проскочить очень болезненная для него искра.

Образование искры может представлять очень серьезную опасность в хирургии. Если в операционной имеются легко воспламеняющиеся пары, искра может поджечь их. Применение широко использовавшихся раньше воспламеняющихся анестетиков было прекращено в 1950-е годы, так что опасность пожара уменьшилась. Искра, проскочившая между двумя поверхностями, может причинить серьезный вред пациенту, если одна из этих поверхностей находится внутри его тела. Обычно кожа человека имеет большое сопротивление и таким образом предохраняет сердце. Но если ток направится непосредственно в проводящую жидкость внутри тела, он может оказаться достаточно большим и нарушить нормальный ритм работы сердца. Возможность такого микрошока известна хирургам, поэтому они надевают специальную одежду, уменьшающую риск появления искры, а их обувь делается слегка проводящей, чтобы заряды могли стекать на пол сразу, как только появятся на одежде. Пол в операционных тоже делается частично проводящим, чтобы заряд мог уйти с него через заземление в землю.