Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте II Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/2017/11/27732.
М. Горький рассказывает в своих воспоминаниях: «Я видел, как А. Чехов, сидя в саду у себя, ловил шляпой солнечный луч и пытался – совершенно безуспешно – надеть его на голову вместе со шляпой». Чехова не требовалось убеждать, что солнечный луч поймать нельзя, добавляет С.И. Вавилов. Эта мысль представляется абсолютно очевидной, поскольку мы не видим вокруг себя примеров хранения световой энергии.
Свет представляет собой электромагнитное излучение. Постоянные магниты дают нам пример сколь угодно долгого хранения магнитного поля. Конденсаторы представляют собой великолепные емкости для электрического поля. А вот хранение электромагнитного поля, когда магнитное и электрическое поля существуют лишь при непрерывном взаимном превращении друг в друга, мы считаем невозможным. И, тем не менее, в природе существуют ловушки для электромагнитного излучения. Так, например, волновод земля – ионосфера может при определенных условиях «захватить» радиоволны так, что радиолуч будет распространяться по кругу, не приближаясь к земле и не удаляясь от нее. Известно явление накопления света в оптическом волокне, свернутом в петлю. Осмысливание результатов многолетних лабораторных экспериментов по созданию и исследованию лабораторных аналогов природной шаровой молнии приводит к мысли о том, что световая энергия может накапливаться и в природной шаровой молнии.
Разгадка природы шаровой молнии давно занимает умы не только физиков-профессионалов, но и широкого круга людей, интересующихся естествознанием. Предложено большое количество всевозможных попыток создать ее искусственно.
Новый результат в науке, в том числе и новая модель явления, должны обладать предсказательностью, обеспечивать воспроизводимость этого явления в различных лабораториях и намечать пути к использованию полученных результатов на практике. Этим условиям не удовлетворяют в полной мере существующие модели шаровой молнии. Более того, на сегодняшний день мы даже не можем дать надежного описания тому, что называется шаровой молнией. Б.М. Смирнов в книге: «Проблема шаровой молнии» дает такое ее определение: «Светящееся образование в воздухе, наблюдаемое в течение нескольких секунд и долее. Это образование чаще всего имеет сферическую форму, не прикреплено к стенкам и не меняет своих размеров за время своего существования». Ясно, что такое определение дает лишь зрительный образ, не привязанный ни к каким физическим величинам и не вскрывает ее природу.
Российская наука переживает в настоящее время очень трудный период. Можно, например, считать, что сейчас трата времени и сил на разгадку природы шаровой молнии – не нужная забава. Однако познание окружающего мира – непреодолимая потребность человечества. Г.И. Бабат проводил эксперименты по созданию искусственной шаровой молнии под вой сирен воздушных тревог в 1942 г. В осажденном Ленинграде. Н.И. Кибальчич в камере смертников за несколько дней до казни разработал оригинальный проект реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека. Их труды не пропали зря. Несомненно, наступит время, когда искусственная шаровая молния будет работать на пользу человеку.
Объект исследования – процесс возникновения шаровой молнии как физического явления.
Предмет исследования – способ передачи энергии на расстояние путем использования шаровой молнии.
Цель исследования – обосновать перспективу использования шаровой молнии в качестве источника электрической энергии.
Задачи исследования:
Изучить литературу по данной проблеме.
В понятие «шаровая молния» отметить ее свойства и поведение в различных ситуациях. Рассмотреть возможность создания шаровой молнии в искусственных условиях.
Оценить реальность использования искусственной шаровой молнии на практике.
Практическая часть
Для того, чтобы убедиться в том, что использование энергии шаровой молнии в практических целях действительно выгодно нам нужно:
– Оценить энергию шаровой молнии.
– Рассчитать мощность исследуемого объекта.
– Определить, число шаровых молний, потребуется, необходимых для обеспечения промышленного города.
Оценить количество энергии в шаровой молнии можно по тем последствиям, которые она оставляет после своего исчезновения. Воспользуемся сообщением одного из наблюдателей: «Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм».
Значит, молния испарила около 0,45 г железа (v = 56 мм3, p = 7,9*103 кг/м3). Для этого требуется энергия, равная 4 кДж.
Естественно, что не вся энергия шаровой молнии была израсходована на испарение небольшого участка батареи, так что полученный результат можно рассматривать всего лишь как оценку нижней границы энергии молнии: эта энергия оказывается не меньше нескольких килоджоулей.
Вот еще одно из наблюдений шаровой молнии: «Молния диаметром 30 см взорвалась около водопроводного крана. Этот кран представлял собой трубу диаметром 3 см и высотой 80 см. После взрыва труба оказалась скрученной и была покрыта окалиной, хотя и не накалилась докрасна». Чтобы скрутить железную трубу, надо разогреть некоторый ее участок до достаточно высокой температуры. В то же время, как указывает наблюдатель, труба не накалилась докрасна.
Поэтому можно предположить, что молния нагрела участок трубы, скажем, на 600 К. Длину этого участка будем полагать приблизительно равной диаметру трубы.
Решим в связи с этим следующую задачу. Сколько энергии требуется для нагревания на ?T = 600 К участка железной трубы длиной l = 5 см? Наружный радиус трубы R = 1,5 см, внутренний r = 1,2 см. удельная теплоемкость железа c = 0,71 Дж/(г*К), плотность железа ρ = 7,8 г/см3.
Найдем массу трубы:
m = ρ(πR2-πr2)l,
где (πR2-πr2)l – объем трубы
Используя числовые значения величин, получаем m = 100 г. Отсюда находим искомую энергию:
W = cmΔT = 4,2*104 Дж = 42 кДж.
Энергия шаровой молнии может принимать значения от нескольких килоджоулей до нескольких тысяч килоджоулей. Чтобы убедиться в этом решим следующую задачу, основанную на событии, произошедшем в Закарпатье, близ города Перечина:
В августе 1962 года, около 11-12 часов вечера в корыто с водой для скота упала шаровая молния размером с теннисный мяч: она светилась цветами радуги в течение около 10 секунд. Вода из корыта полностью выкипела, на дне лежали сварившиеся лягушки. Размер корыта 0,3*2,5 метра. Глубина слоя воды – 15 см.
Масса воды равна: ρ*V. V = 11,3*10-2 м3.
Плотность воды – 1*103 кг/м3.
Отсюда получаем массу воды, равную 113 кг/м3.
Найдем энергию, которая потребовалась для того, чтобы вода выкипела:
W = cmΔT + Lm
Удельная теплоемкость воды – 4200 Дж/кг*К. Температура кипения воды – 100 °С, а температуру воды изначально возьмем примерно равную 18 °С.
W = 299*103 кДж ≈ 300*103 кДж
В условии задачи дано время существования молнии в корыте. В связи с этим найдем мощность молнии:
P = W/Δt. P = 30*103 кВт.
Мощность шаровой молнии может быть поистине огромной. Интересно, сколько молний потребуется, чтобы обеспечить промышленный город электроэнергией. Возьмем, например, город Миллерово и решим следующую задачу:
Рассчитаем, сколько молний потребуется, чтобы обеспечивать Миллерово электроэнергией в сутки. Если в среднем город в течение суток потребляет 800*103кВт электроэнергии. Мощность шаровой молнии составляет 30*103 кВт.
N = 800*103/30*103 кВт = 27.
Получив данный результат, можно утверждать, что использование энергии шаровой молнии является вполне реальным и выгодным. Также нужно учесть, что шаровая молния является более безопасной и экологически чистой, чем атомные электростанции.
Создать шаровую молнию в домашних условиях для меня не составило большого труда. Достаем из шкафа с посудой большой жаропрочный стакан или банку (внутри него будет бушевать плазма). Берём спичку, крепим ее на парафин (тут будет зарождаться шаровая молния). Помещаем все в центр микроволновки (это будут ножки для стакана). Ну а теперь самое интересное: поджигаем зубочистку (я поджигал её примерно посередине), ставим в центр микроволновки и накрываем стаканом. Стакан должен встать на подложку (должен быть просвет между подносом и стаканом, чтобы воздух проходил). Быстро включаем микроволновку на полную мощность (спичка должна гореть в момент включения, я ставила 900 ватт и 20 секунд). Через несколько секунд в стакане начнут мерцать всполохи света, и после яркой вспышки со звуком «бззззззззззззззз» в верхней части стакана на некоторое время появится плазменное образование. Как я понимаю, идея опыта в том, что обгорающая спичка начинает играть роль антенны (точнее, уголь на зубочистке). Так что область горения должна быть несколько сантиметров. В принципе, наверное, спичку можно заменить длинным грифелем от карандаша.
В процессе «бззззззз» образуются ядовитые газы – озон и оксиды азота, соответственно вызывать плазмоиды нужно в хорошо проветриваемом помещении. Также, думаю, не будет лишним поставить стакан воды в микроволновку. Ну и последнее: не включайте печку дольше 10-15 секунд, так как стакан сильно нагревается. Чуть не забыла: так как всё связанное с плазмоидами и шаровыми молниями науке еще не очень понятно, в процессе проведения опыта у вас есть шанс приобщиться к чему-то загадочному и таинственному.
Заключение
В ходе данной работы мною были исследованы свойства шаровой молнии, ее поведение. На основе рассказов очевидцев, представленных в видеофрагментах и прочитанных статьях была рассчитана ее энергия и мощность. По полученным результатам можно смело говорить об использовании шаровой молнии. Прежде всего, это касается дешевой электроэнергии. Но главная проблема состоит в том, что мы не умеем удерживать шаровую молнию длительное время. Нам следует продолжать исследования по данной теме.
Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца не понято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, тем более как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активно изучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочное атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физических концепций.
Основной камень преткновения в этих исследованиях — отсутствие надёжной методики воспроизводимого получения шаровой молнии в управляемых, лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена. Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишь отдалённо схожее с шаровой молнией. И, изучая это «нечто», экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое явление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы о сущности шаровой молнии.
Что может дать человеку изучение природы шаровой молнии? В настоящее время эти исследования носят фундаментальный характер, то есть пока не разрабатываются способы использования шаровой молнии в практических целях. Однако результаты именно фундаментальных исследований приводит к появлению принципиально новых видов технических устройств, радикальному изменению технологий, появлению новых видов научных знаний.
Однако уже сейчас можно обозначить достаточно весомую перспективу. Это, например, сверхмощное оптическое воздействие на протяженные объекты (в отличие от тонкого лазерного луча).
Это беззеркальные накопители энергии для сверхмощных лазеров на основе закольцовки лучей за счет рефракции.
Это, наконец, новые перспективы в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Библиографическая ссылка
Продан Ю.Ю. НЕСТАНДАРТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ // Международный школьный научный вестник. – 2016. – № 3. ;URL: https://school-herald.ru/ru/article/view?id=80 (дата обращения: 24.04.2024).