загрузка...
 
Опыты
Повернутись до змісту

Опыты

Пусть я не могу, подобно иным, цитировать разных авторов, но зато я могу сослаться па нечто более важное и достойное: на опыт, на учителя их учителей.

Леонардо да Винчи

Мысль об искусственном воспроизведении шаровой молнии в лаборатории родилась одновременно с первыми научными публикациями наблюдений явления. Собственно говоря, о воспроизведении не могло быть и речи при тогдашнем состоянии электротехники сильных токов: речь могла идти только о простейшем моделировании.

Франклин, извлекая искры из ключа, соединенного с бечевой воздушного змея, высказал гениальную догадку о тождественности искры и молнии. Эта идея сразу нашла широкое научпое признание; чем далее, тем более глубоко и полно она обосновывалась. Так длинная искра стала простой моделью линейной молнии задолго до того, как стало возможным воспроизводить молнии в лабораториях высоких напряжений. Слабые искры раскрыли многие секреты своего могучего подобия.

Первоначальной задачей экспериментаторов было получение внешне похожего явления. Для этого, казалось, следовало моделировать п внешние условия возникновения и существования шаровых молнии. Так определился путь этих опытов. Пример Франклина ободрял и вселял надежду на успех.

Французский физик Гастон Плантэ был одним из первых ученых, проделавших в середине XIX века серию опытов по получению шаровой молнии. Оп использовал токи большой силы и напряжения от аккумуляторной батареи из 800, 1000 и 2000 элементов (напряжения достигали 2000—4000 вольт).

Платиновые проволоки — электроды опускались в сосуд с водным раствором поваренной солп. Когда Плаитэ приподнимал один из электродов таким образом, что тот едва касался поверхности раствора, возникал длительный разряд, причем пары воды на конце электрода образовывали светящийся и жужжащий шарик.

В другом опыте высокое напряжение подавалось на два листа смоченного раствором поваренной соли картона (конденсатор). Длительный пробой пластин такого конденсатора образует огненный шар, который хаотически движется между листами картона, потрескивает и даже якобы «вращается».

Эти (п некоторые сходные с ними) опыты Плантэ интересны тем, что далн экспериментатору возможность составить довольно логичную, последовательную и полную картину естественного существования шаровой молнии: она представляет собой медленный и частичный разряд электричества облака, коль скоро электричества в облаке избыток, а влажная атмосфера облака и земля представляют собой электроды. Движение шаровой молнии объяснено как движение в неоднородном электрическом поле между землей и облаками.

Вскоре, однако, обнаружились серьезные (вполне очевидные современному читателю) несоответствия между наблюдаемыми свойствами шаровой молнии и качествами «огненных шариков» Плантэ, и опыты его были оставлены научным архивам.

Но этим же путем вновь и вновь шли другие последователи. Как это часто бывало, многим казалось, что стоит немного изменить те или иные условия опыта (напряжение, электроды, растворы) и успех придет.

Русский физик II. А. Гезехус ставил опыты при напряжении 10—14 тыс. вольт. Медная пластинка (анод) располагалась на расстоянии 2—4 см от воды, служившей катодом. С медной пластинки начинался разряд, окруженный светлой оболочкой, цвет которой менялся от красновато-желтого до синевато-белого, а форма разряда изменялась от конусообразной до правильно шаровой. Разряд сопровождался свистящим звуком, был подвижен, распадался с хлопком и снова возникал под действием высокого напряжения. Собирая газы, остающиеся после окончания разряда, Гезехус пришел к выводу, что «шаровидная и пламепеобразная молния есть продукт горения азота воздуха под действием сильных колебательных разрядов электричества». Вывод поспешный и неубедительный. Разряды Гезехуса не охватывали и не объясняли и трети известных нам свойств явления.

Немецкий физик-метеоролог М. Теплер отказался от воды в качестве одного из электродов. Источником электричества он взял 60-иластинчатую индукционную машину постоянного тока, электродами — пластину и шарик малого диаметра. Целью его было получить газовый разряд в межэлектродном промежутке при некоторой малой емкости между ними с тем, чтобы разряд прерывно, скачками, прошел все стадии — темное течение электричества, тлеющий разряд, кистевой разряд, кистевая дуга, огневая дуга.

Кистевая дуга и является, но Теилеру, тем разрядом, который максимально похож на шаровую молнию. Кистевая дуга — слоистый разряд, в воздухе слон обращают к катоду шаровую (закругленную), а к аноду заостренную стороны. Светящаяся часть разряда имеет высокую температуру, а цвет меняется в зависимости от силы тока от фиолетово-розового до желто-розового. Слои кистевой дуги перемещаются с легким шипением, создавая иллюзию вращения дуги, причем скорость их движения зависит от величины сопротивления в цепи [19, 29, 31].

Теплер рассматривал всякую молнию как замедленный разряд, который получается при нейтрализации электричества между хорошим проводником — землей II плохим полупроводником — облаком. В этом случае должны быть н кистевые дуги больших масштабов и длительности, т. е. шаровые молнии. (Заметим, что лппейная молния развивается не «по Теплеру>>.)

И снова капризное явление не захотело уложиться в остроумную и физически правдоподобную схему экспериментатора. Необходимо упомянуть опыт английских экспериментаторов Кэвуда н Патерсона, которые добивались сходства разряда с шаровой молнией, электризуя аэрозоли *.

Аэрозоли испарялись с металлической щетки в стеклянном сосуде объемом около 4 куб. метров. После того как производился униполярный разряд большой мощио-

: Аэрозоли— системы и;! множества частиц размером от 10 7 до 10-5 ем. взвешенных в газе (воздухе п др.). Основные типы— дым и туман.

Рис. 8, Принципиальная схема опытов II. С. Стекольникова и В. Д. Пономаренко

 

сти, воздух в сосуде завихрялся электрическим вентилятором. Затем диоиерсия прекращалась, спустя минуту выключался и вентилятор.

Большие частицы мгновенно собираются около центра сосуда и образуют свободный, почти сферический пучок диаметром приблизительно 20 см. Частицы, составляющие сферу, сильно заряжены, причем отрицательные группируются в центре, а положительные располагаются во внешних слоях (к стенкам сосуда опп не приближаются, ибо сосуд также заряжен положительпо). Вместе с тем взаимное отталкивание одноименных частиц не позволяет им сблизиться вплотную, а вращательное движение частиц разной массы обеспечивает длительное существование сферы. Шар быстро притягивается или отталкивается от заряженных предметов в зависимости от знака их заряда. С течением времени сфера распадается вследствие коагуляции (т. е. сгущения, укрупнения) разноименно заряженных частиц.

Как пн далека сфера Кэвуда и Патерсона от реальной шаровой молпип, некоторые черты явления (а пменпо — вихревое движение разноименно заряженных частиц) в этом опыте воспроизведены с подкупающей убедительностью [19, 33].

Своеобразным итогом этого направления экспериментов но воспроизведению шаровой молнии были опыты И. С. Стекольникова и В. Д. Пономаренко в Энергетическом институте Академии наук СССР, в которых «удалось эффективно демонстрировать явления, подобные тем, которые иногда могут быть приняты за шаровые молнии».


Рис. 9. «Огненные шарики» (шаровые молнии?) между пластинами конденсатора

Принцип первого опыта состоял в возможно более полном воспроизведении естественных условий появления разряда. Сосуд с водой А размещался над металлическим резервуаром В. Вода из сосуда А стекала в сосуд В в виде капель, имитирующих дождь. При приложении достаточно высокого напряжения к сосуду А заряды при помощи падающих капель воды переносились на резервуар В; по мере накопления их — между плоскостью резервуара В н землей проскакивала видимая искра, а так как эти плоскости однородны и параллельны, то разряд мог происходить в любом месте плоскости или перемещаться по плоскостям. Если мысленно заменить сосуд А грозовой тучей, а В — металлической крышей какого-либо сооружения, то появляется возможность представить подобные разряды в том или ином месте помещения. Такие явления безусловно могли бы восприниматься наблюдателями, как «шаровые молнии».

Второй опыт схож с опытом Плаитэ.

Между двумя металлическими плоскостями создавалось сильное электрическое поле. При введении в пространство между пластинами дробленой водяной струи часть ее распадается на шарики бледно-розового цвета, которые плавно и довольно медленно перемещаются в пространстве, описывая прихотливые траектории. По истечении некоторого времени (до трех секунд) эти шари-

Подпись: 33Р. Л. Леонов

Рис. 10. Схема установка лаборатории «Бендикс». В фокусе параболического отражателя — «комок плазмы».

 

ки падают па один из электродов, небольшая же часть их иногда совсем уходит за пределы межэлектродной области, исчезая, как бы растворяясь, в воздухе. .

Иными по своим методам были сравнительно недавние опыты американцев из Исследовательской лаборатории корпорации «Бендикс». Для получения модели был применен авиационный радиолокатор с пиковой мощностью в 21 киловатт и средней мощностью 50 ватт. Ультракоротковолновое излучение радиолокатора фокусировалось параболоидом в отдельную сферу, где возникал свободно плавающий рыхлый комок плазмы [35].

Дональд Ритчи, составитель книги «Шаровая молния», скептически и совершенно справедливо заметил, что «это похоже на шаровую молнию, как, впрочем, и на все, что угодно, другое».

Недолговечную сенсацию вызвали работы В. X. Бостика над получением плазменных сгустков при помощи двуэлектродной титановой плазмопушки. Сгустки представляли собой скрученные в сферу плазменные шнуры, которые получались в вакууме и двигались со скоростью около 200 км/сек. Плазменная пушка представляет собой устройство для получения струй высокотемпературной плазмы и впрыскивания илазмы в магнитные ловушки, с тем чтобы конфигурацией мощных магнитных полей можно было удержать плазму, обеспечить ее устойчивость и осуществить в ней ядерные процессы (наиболее важной проблемой является осуществление термоядерных реакций в высокотемпературной плазме). К шаровой молнии опыты Бостика не имеют никакого отношения ни по условиям экспериментов, пи по характеру полученных объектов. Предположение, что реальная шаровая молния есть свившаяся в шар линейная молния, просто не имеет ни малейшего соответствия действительным процессам при линейном разряде.

Подобные же образования плазменных сгустков получались при размыкании контактов реле обратного тока, снабженного искрогасителыюй катушкой, когда через цепь проходил ток порядка 100 тыс. ампер. Сгустки (их назвали плазмоидами) имели диаметр 10—15 см и существовали около секунды. Некоторые исследователи сочли плазмоиды достаточно полной моделью реальной шаровой молнии [33, 42].

В описаниях всех опытов по получению модели шаровой молнии постоянно употреблялись слова «подобно >>, «похожая», «кажущиеся» и т. д. Это не случайно. Сотни раз варьировались те пли иные условия опытов, многократно предпринимались попытки уподобить полученные результаты реальной шаровой молнии, но всякий раз данные наблюдений оказывались значительно многобразнее, шире схематичных построений экспериментов. Сопоставление свойств лабораторных «огненных шаров» с характеристиками природного явления изобиловало столькими «но», что уподобление оказывалось невозможным. Опыты пролили мало света на тайны шаровой молнии.

Отсутствие четких теоретических предпосылок превратило эти опыты в поиски «философского камня», «перпетуум мобиле» и другие печально известные в истории пауки могилышкп творческих сил человека. Но опыты алхимиков и создателей «вечного двигателя» не прошли вовсе бесследно, они принесли доставшиеся ценой горьких разочарований некоторые иозиания в химии и механике. Были ли опыты, которые хоть немного приблизили нас к разгадке тайны шаровой молнии? Такие опыты были.

...Октябрь 1941 гола. Война. Ленинград, охваченный кольцом вражеских войск. В лаборатории токов высокой частоты на Электротехническом заводе по вечерам собираются четверо: профессор Георгий Ильич Бабат, инженер и два дипломанта Ленинградского политехникума. В эти вечерние часы, когда заканчивался трудный день и город тревожно замирал в ожидании воздушных налетов, в лаборатории Бабата происходили необычайные вещи, все значение которых стало понятно лишь спустя годы.

Подпись: 
Рис. 11. Я-разряд, или «шаровая молния Бабата». В левом верхнем углу — схема полигонального индуктора токов высокой частоты
«Посреди комнаты на большом канцелярском столе распустился странный цветок, лепестки у пего из меди. Они тесно прижаты друг к другу. Вместо пестика — пятилитровый стеклянный баллон, а стебель — медная трубка толщиной в руку, которая входит в большой, окованный цинком, ящик.

У цветка стояли четверо.

Включайте высокую частоту,— произносит один. Второй повернул маховичок на станке агрегата. Сразу же внутри стеклянного баллона возникло багрово-огненное кольцо.

Внимание, повышаем давление...

Поворот второго маховичка — ив баллон потекла воздушная струя. Шипение воздуха сливается со звуками марша, льющегося из черного диска громкоговорителя.

Багровое кольцо в баллоне меняет свою форму. Оно стягивается в комок,— и вот среди медных лепестков парит огненный шар. Цвет его сначала фиолетовый, потом травянисто-зеленый и наконец становится ослепительно белым.

С поверхности тара вырываются языки пламени, подобные солнечным протуберанцам. Шипение прекратилось: давление воздуха в баллоне стало равно атмосферному.

 

Стоп! Записывайте,— проговорил первый.— Мощность двадцать киловатт, частота тока шестьдесят миллионов периодов в секунду. Теперь произведем замеры при другой мощности.

Он лезет на шкаф и начинает переключать проводники. Огненпый шар тухнет, и внутри баллона остается мутнозеленый светящийся туман.

Марш вдруг обрывается. Из репродуктора раздаются слова: «Слушайте сообщение штаба местной противовоздушной обороны города Ленинграда. Воздушная тревога! Воздушная тревога!» Воет сирена. Потом смолкает, и лишь торопливо стучит в рупоре метроном. Один из четырех натягивает кепку и бросается к двери:

Я на пожарный пост.

Остальные не трогаются с места.

Будем продолжать опыт,— говорит самый молодой из оставшихся.— Оборудование, которое мы построили,— единственное в мире. Сколько оно еще может просуществовать, неизвестно. Одно попадание бомбы в крышу —

и...— Он обвел глазами товарищей,— Одним словом, будем снимать показания давления и мощности.

Снова (вспыхивают среди медных лепестков алые языки пламени. Мерно рокочет насос, заглушая тревожный метроном. Опыт продолжается» '. Так описывал Бабат опыт по получению безэлектродного высокочастотного //-разряда — модели шаровой молнии.

Доктор технических наук Г. И. Бабат был страстным энтузиастом применения токов высокой частоты, которые к началу войны нашли довольно широкое использование в металлообработке, радиотехнологии и даже на транспортных безконтактных устройствах заводов («ВЧ-электро- кары»).

Наиболее перспективным и нужным направлением оказалась поверхностная индукционпая закалка стальных деталей вихревыми токами высокой частоты. В связи с нехваткой легированпых сталей в осажденном городе ученым и ипженерам Ленинграда специальным постановлением горкома партии рекомендовалось пайтн новые экономичные технологические процессы упрочения и закалки металлов для нужд обороны.

Испробовав несколько способов ионизации, Бабат нашел их громоздкими и энергоемкими (сам разряд при атмосферном давлении требует 30—50 киловатт) и пошел по пути предварительного понижения давления в сосуде до 0,1—5 мм рт. ст.

Для перехода от кольцевой к шарообразной форме Н-разряда в колбу впускается воздух. При этом «...можно наблюдать целую гамму световых переходов, представляющих редкостпое по красочности зрелище»,— пишет ученый, отмечая, что «порядок чередования цветов в II -разряде зависит не только от давления, но и от подводимой к разряду мощности».

При продувании воздуха шар колышется из сторопы в сторону, с поверхности его выделяются огпепные языки и протуберанцы. В шарообразной стадии Н-разряда можно различить ряд концентрических зон разной красочности и интенсивности свечения [3].

Интересно, что сам Г. И. Бабат не преследовал цели моделировать шаровую молнию. Его установка безэлектродных высокочастотных разрядов предназначалась для применения в газовой электрохимии, где весьма заманчиво осуществлять химические реакции, регулируя их ход и характер изменением частоты и мощности разряда без касания электродами. Но, как это часто бывает, именно к нему-то и пришел успех в получении искусственного подобия шаровой молнии.

Насколько //-разряд отвечает наблюдаемым свойствам реального явления? Вернемся к характеристикам шаровой молнии, приведенным в главе И. В глаза бросается прежде всего не достигнутая ни в одном опыте степень внешней схожести H-разряда и «огненного шара»: существование при нормальном давлеybb, форма, размеры, звучание, цветовая гамма, динамика — начало, протекание и исчезновение (без взрыва) разрядов, дымка после исчезновения и наконец электро- и гальваномагнитные действия; эти характеристики совпадают с удивительной полнотой. Но главным в сродстве шаровой молнии и II-разряда Бабата является близость их физических свойств: температуры, светимости, силы тока и внутренней энергии. Правда, физика шаровой молнии выяснена чрезвычайно приближенно, однако те средние количественные данные, которыми мы можем оперировать, позволяют нам сделать такое утверждение.

 



загрузка...