Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Б. Франклин. О молнии и способе (теперь применяемом в Америке) защиты от неё зданий и людей. Сентябрь 1767

http://msa.maryland.gov/msa/stagser/s1259/131/941/images/d013233a.gif

Самый значительный громоотвод, установленный при жизни Б. Франклина в соответствии с его рекомендациями на здании Законодательного собрания штата Мэриленд, построенном в 1772–1779 гг. Высота громоотвода 28 футов, сечение 2½ квадратных дюйма, выполнен из кованого железа и окрашен. Рисунок Ч.-У. Пила, 1788

…Железный прут, будучи размещённым с наружной стороны здания от наиболее высокой его точки, продолжаясь вниз до влажной земли по любому направлению: прямо или изогнуто, следуя форме крыши или других частей здания, воспримет молнию своим верхним концом (притянув её так, чтобы не допустить удара в любую другую часть здания, и обеспечив ей хорошее сообщение с землёй), предотвратит разрушение молнией какой-либо части здания. … Пруток можно прикрепить к стене, к печной трубе и т.д. железными скобами. Молния не уйдёт из прутка (хороший проводник), чтобы перейти в стену (плохой[3] проводник) через эти скобы…

…мы поднимаем пруток так, чтобы его верхний конец на шесть или восемь футов возвышался над самой высокой точкой здания, постепенно сужая его до тонкого острия, которое золотят, чтобы предотвратить ржавление. Заострённый таким образом пруток либо предотвращает удар молнии из облака, либо, если удар произошёл, отводит его в землю безопасно для здания. Нижний конец прутка следует заглублять в землю настолько, чтобы достичь влажного грунта, возможно на глубину два или три фута. А если пруток изогнуть так, чтобы он отходил под землёй в горизонтальном направлении на расстояние в шесть–восемь футов наружу от стены и затем снова изгибался вниз на три или четыре фута, то он предохранит от повреждения любой из камней фундамента [5, 6].

▼<Верные опыты и неверные выводы>

Филиппов Н.П.

О громовых и градовых отводах и устройстве соломенных громоотводов. 1834 г.

Благодетельное действие громовых отводов известно каждому, но, к сожалению, доселе вооружаются ими только немногие публичные здания; ещё реже видим их в домах, принадлежащих частным людям из образованнейшего и богатейшего класса. Этим ограничивается только польза франклинова изобретения. Для общей безопасности следовало бы непременно каждое отдельное жилое строение: амбар, закром, сарай, скотный двор, мельницу и прочее защитить от молнии, и тем самым обеспечить имущество и жизнь каждого беднейшего поселянина…

Амьенский физик Лапостоль, желая найти дешёвое вещество, которое проводило бы электричество также хорошо, как и железо, … после тщательных изысканий открыл почти случайно, что обыкновенная солома соединяет в себе все желаемые свойства. … Он уже в 1820 г. издал рассуждение о громовых отводах.

… Опыты сии были отчасти повторены в кабинете физико-механика Роспини покойным профессором Афанасием Ивановичем Стойковичем. … Ныне я вновь повторил их в кабинете здешнего университета вместе с адъюнкт-профессором Алексеем Никитичем Андреевским….

Первый опыт. При проведении электрической машины в движение, электрометр немедленно показал, что кондуктор сильно наэлектризован, в чём также удостоверились, извлекая из него сильные искры. За сим каждый из нас брал по небольшому пучку соломы и попеременно прикасался к кондуктору, не чувствуя ни малейшего сотрясения, хотя от сего кондуктор очень сильно разряжался. Когда же во время действия машины мы прикасались к ней соломенными пучками, тогда невозможно было скопить на кондукторе ни сколько электричества, оно постепенно проходило по нашему телу и изливалось в землю. Но едва удаляли от него солому, он тот час же заряжался и снова лишался своего электричества от прикосновения соломы без всякой искры и звука….

Итак, после всех вышеприведённых опытов не остаётся, кажется, ни одного сомнения, что при устроении громовых отводов солома не только с выгодою может заменять железо, но даже преимущественно перед всеми металлами должна быть употребляема в дело не одними недостаточными, но и самыми богатыми людьми [9].

Вопросы и задания

1. В сборнике вопросов и ответов О. Уле «Почему и потому» [10], вышедшем первым изданием в далёкие 60-е гг. XIX столетия[4], в частности. написано: «Громоотвод изобрёл знаменитый американец Франклин, доказавший первым электрический характер грозы с помощью бумажного змéя в июне 1752 г.» Какие неточности вы видите в этой фразе? (Из задачи № 427.)

Краткий ответ. Легендарный опыт со змеем из шёлковой материи был одним из шагов (экспериментальных и теоретических), предпринятых Франклином при исследовании природы молнии и создании громоотвода.

Комментарий для учителя. Всей подборкой выдержек из статей и писем Франклина мы стремились показать, что изобретение не есть одномоментный акт. При этом нужно иметь в виду, что из 40-летней деятельности Франклина по исследованию электричества мы выбрали фрагментыи дали им название. Не стоит абсолютизировать предложенную «схему познания», она, как и любая схема, отражает как логику самой научной работы, так и логику, того, кто её схематизирует. Единственное, что хотелось бы подчеркнуть, что показанная реальная цепочка длиннее «школьной» схемы (наблюдение → гипотеза → проверочный эксперимент → теория → следствия).

2. В сборнике О. Улле [10] есть такой вопрос:

№ 425. Почему более нельзя извлекать искр из кондуктора, если снабдить его металлическим наконечником?

Потому, что все части одного и того же электричества стремятся в противоположные стороны по закону взаимного отталкивания, поэтому всё перешедшее в кондукторы электричество собирается в наконечнике и проникает в окружающий его воздух, не представляющий большого сопротивления. Можно ощущать это истечение электричества, держа руку над наконечником; оно производит, отталкивая воздух, так называемый электрический ветер. В темноте это истечение мы видим в виде пучка лучей…

Укажите, какие опыты и наблюдения из приведённых принадлежат Б. Франклину. Разберите современное объяснение «электронного ветра», возникающего у заряженного острия (используйте представления о поверхностной плотности зарядов, коронном разряде. См., например, Г.С. Ландсберг «Элементарная физика». – Т.II). Когда в тексте ответа («Потому») говорится о сопротивлении, какое сопротивление имеется в виду?

Краткий ответ. Заряженный проводник является эквипотенциальной поверхностью, можно показать (см, например, «Физика 10–11. Электродинамика». Под ред. Г.Я. Мякишева), что поверхностная плотность зарядов на острие наибольшая, а значит – и напряжённость поля вблизи острия. Это приводит к ионизации молекул газа, в результате которой с острия заряд «уносится» ионами; при этом возникает эффект отдачи («подлетающие» нейтральные молекулы движутся с меньшими скоростями, чем отлетающие ионы).

3. Почему иногда во время грозы верхушки мачт кораблей, шпили высоких башен светятся [10]?

Писатель Б. Житков описывает такой случай: «Однажды в начале лета я ехал верхом поймой реки. Небо было одето тучами, собиралась гроза. И вдруг я увидел, что кончики ушей лошади начали светиться. Сейчас же над ними образовались будто пучки голубоватого огня с неясными очертаниями. Огоньки эти точно струились. Затем струи света побежали по гриве лошади и по её голове. Я взял в руку ухо лошади; огонёк точно проскочил сквозь мою руку и появился над ней. Повернув голову влево, я увидел пламя над своим плечом. Вероятно, светился и казался горящим и мой белый картуз. Все это явление продолжалось не более минуты. Хлынул дождик, и удивительные огни исчезли». Объясните описанное здесь явление природы[5] [11].

Краткий ответ. Это также пример коронного разряда, который в случае с мачтами носит название огней Св. Эльма.

4. Во время полёта корпус самолёта может наэлектризоваться до пятисот киловольт, что приводит к коронному разряду с выступающих частей самолёта и созданию помех в радиосвязи. Чтобы избежать радиопомех, в отдельных местах располагают стальные иглы. Почему радиопомехи уменьшаются [12]?

Краткий ответ. Ещё Франклин отмечал, что кондуктор электростатической машины нельзя зарядить, потому что «заряд стекает» с острия; реализуется тихий разряд при более низком потенциале, «мощность» помех при таком разряде – меньше.

5. Почему гипотеза о возможности создания «соломенных громоотводов» оказалась ложной, ведь она подтверждалась опытами (во фрагменте приведён один из пяти–шести опытов, проводившихся несколькими исследователями)?

Краткий ответ. При разряде молнии через громоотвод в землю проходит за очень краткое время (от долей до сотни миллисекунд) электрический заряд значительной величины, несравненно больший, чем тот, который накапливается на кондукторе электростатической машины трения. Можно предположить, что в случае, когда в руках экспериментатора был пук соломы, незначительный заряд медленно стекал по соломе на экспериментатора, который играл роль «земли». Соломенный громоотвод принципиально ничем не отличается от деревянного шеста; попадание молнии в живое дерево приводит к его расщеплению и воспламенению в зависимости от силы молнии и того, насколько корневая система дерева доходит до водоносного слоя.

Комментарий для учителя. «Медленно» – значит подобно тому, как постепенно разряжается кондуктор электрофорной машины через деревянный проводник, слегка зачернённый графитом простого карандаша. Этот классный опыт, используемый для демонстрации равномерного падения потенциала, можно напомнить ученикам для объяснения «феномена» соломенного громоотвода. Также ученикам можно пояснить: чтобы эксперимент ответил на вопрос о справедливости или несправедливости гипотезы, нужно правильно задать вопрос Природе и проанализировать ответ, который даёт опыт. Опыт с пучком соломы был верен, но он не отвечал на вопрос о возможности использовать её в качестве проводника; опыт был неправильно истолкован, а, самое главное, и 80 лет спустя после разработки Франклином теории громоотвода не все учёные мужи поняли принцип его действия.

6. Задача. В одном из номеров прежних лет (см. «Физика» ПС, № 38/2002) вниманию читателей была предложена следующая задача из сборника А.В. Цингера [13] и дано решение.

Цингер № 1237. Железный провод, соединяющий остриё громоотвода с землёй, предлагается делать сечением в 1 см². Во время разряда по этому проводу может проходить ток силою до 100 000 А, длящийся около 0,01 с. На сколько градусов может при этом нагреться провод. Теплоёмкость принять равной 586 Дж/(кг × °С).

Дано	Перевод единиц	Решение
S = 1 см²_, I = 10⁵ А, t = 10^-2 с, r = 12 10^-6 Ом × см²/см, D = 7,8 г/см³, с = 586 Дж/кг × °С.	0,586 Дж/г ⁰С	1. Процесс происходит за малое время. Можно пренебречь теплоотдачей в окружающую среду (процесс адиабатический). 2. Количество теплоты, выделяющееся по закону Джоуля–Ленца: Q = I ² × R × t идёт на нагревание проводника. 3. Закон сохранения энергии: с× m× D t = I ² × R × t. 4. Формула расчёта сопротивления: R = r × l / S. 5. Масса цилиндрического проводника: m = D × l × S. 6. Расчётная формула: D t = (I ² × r × t)/(с× D × S ²).
Найти: D t
Справочные данные: температура воспламенения дерева ~ 300 °С
Проверка размерности [D t ] = (А × А × Ом × см × с) /{(Дж/г × °С) × (г/см³) × см⁴} = = (В × А × с × см × °С)/(Дж × см) = °С	Расчёт D t = (10¹⁰ × 12 × 10^-6 × 10^-2) / (0,586 × 7,8 × 1) = = 12100 / 4,571 = 263 °С.
Ответ: Dt = 263 °С.

Физические характеристики железа
Т _пл = 1812 К = 1539 °С, λ = 241,7 кДж/кг. Т _кип = 3134 К = 2861 °С, L = 6088 кДж/кг,	http://ru.wыликikipedia.org/wiki/Железо
с _ж = 840 Дж/кг × К, D _тв = 7,80 г/см³ t = 20 °C, D _тв = 7,45 г/см³, при t = 1539 °C, D _ж = 6,85 г/ см³, при t = 1539 °C, D _ж = 6,80 г/ см³, при t = 1550 °C, D _ж = 6,70 г/ см³, при t = 1650 °C.	http://steeltimes.ru/books/theory/tomp/13/13.php
Удельное сопротивление твёрдого железа: (ρ_тв= 9,71 + 6,3 × 10^-2(Т – 293); [ρ] = мкОм × см, [T] = К (http://fizportal.ru/table/13)	Стилизованный вид апериодического импульса тока и его составляющие I = I ₀[exp (- at) – exp(- bt)] [15]
Удельное сопротивление жидкого железа: (ρ_ж= 133,59 + 3,7 × 10^-2(Т – 1812); [ρ] = мкОм×см, [T] = К http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/popu/2003_1/6/6-2.pdf

Используем ответ и решение данной задачи для оценки правдоподобности случая в Ньюбери 260 лет назад, когда молния попала в башню с часами, полностью испарив металлическую проволоку не толще вязальной спицы. Спица для вязания толстых свитеров имеет диаметр около 4,5 мм (1/6′′). Прикинем подъём температуры при попадании молнии в такую проволоку. Площадь сечения спицы ≈ 0,16 см², значит, температура могла бы возрасти без малого в 40 раз, достигнув более 10 000 °С, что выше температуры плавления 1539 °С и кипения железа 2861 °С. Но это значит, что при расчёте необходимо учесть не только нагревание твёрдого железа, но и его плавление, а такженагревание расплавленного железа и его кипение.

Оценим силу тока молнии, достаточной, чтобы испарить железо. Запишем уравнение теплового баланса:

с _тв × m × D t _тв + λ m + с _ж × m × D t _ж + Lm = I ² × R × t → (с _тв × D t _тв + λ + с _ж × D t _ж + L) × D× l×S =

= I ² × (r × l / S) × t → t I ² = [ DS ²/r] × (с _тв × D t _тв + λ + с _ж × D t _ж + L).

Получив эту формулу вместе с учениками, нужно остановиться и показать те препятствия («преодолимые» и «непреодолимые»), которые она таит. Преодолимые таковы: необходимо знать значения температур плавлений и кипения железа (по поводу последней нет в литературе единого мнения), значения удельных теплот плавления и кипения, а также удельную теплоёмкость жидкого железа, то есть все значения величин, стоящих в формуле в круглых скобках. Значения в квадратных скобках таят в себе бóльшую неопределённость. Так, плотность железа при увеличении температуры до точки кипения уменьшается, как можно оценить, с 7,8 г/см³ до 5,5 г/см³ (последнее значение получено исходя из того, что плотность жидкого железа уменьшается на 0,1 г/см³ при повышении температуры на 100 °С), а удельное сопротивление растёт с 9,7 до 182 мкОм × см, то есть почти в 19 раз, причём и плотность, и сопротивление меняются плавно лишь в пределах одной фазы, а при плавлении – скачком. По какому железу – твёрдому или расплавленному – течёт ток в течение времени t? И тут следует сказать, что никакого постоянного тока молнии, характеризуемого величиной I, не существует. Во времена Франклина не было самого понятия «сила тока», а двести лет спустя учёные пришли к пониманию, что разряд молнии носит импульсный характер, представляя собой последовательность лидеров и возвратных ударов [14]. Для более точного расчёта нагрева громоотвода в работе 1943 г. И.С. Стекольников аппроксимировал одиночный импульс тока разряда молнии в виде двух экспонент [15], которые поддаются интегрированию. Такой приём для учеников сложен, желающие могут ознакомиться с книгой на сайте http://books.e-heritage.ru/book/10077492. Подчеркнув сложности реального расчёта, включая неопределённость во времени, можно сказать, что используя для [ DS ²/r] значения для твёрдого железа, мы можем ошибиться в оценке значения тока в пределах одного порядка характерной его величины. В расчётах используем величину удельной теплоёмкости, рекомендованную Стекольниковым: с _тв = 167 кал/(кг × °С) = 700 Дж/(кг × К).

I = √{[ DS ²/rt] × (с _тв × D t _тв + λ + с _ж × D t _ж + L)} ≈ 130 кА.

Таким образом, молния длительностью импульса 0,01 с и силой тока от десятков до сотни килоампер могла бы испарить железный проводник полностью, но судя по данным [14] это довольно редкие молнии. И.С. Стекольников на основе расчёта теплового действия разряда молнии даёт формулу для максимального значения тока в импульсе, необходимого для плавления железного проводника: I _m = kS /√t, а также приводит сравнение эксперимента и теории [14].

Нагрев проводника:	до каления, эксперимент	до плавления	до испарения, эксперимент
теория	эксперимент
k, кА × мкс/мм²

При S = 16 мм² и t ≈ 10 000 мкс имеем максимальную силу тока, характеризующую одиночный импульс большой длительности, способный испарить железный проводник, I _m ≈
≈ 70 кА. Полученное значение согласуется с нашей грубой оценкой (действительно, заложив в формулу заведомо низкое значение удельного сопротивления, мы пришли к завышенному результату). Очевидно, что к подобному эффекту (испарению материала проводника) может приводить разряд молнии, состоящий из ряда последовательных импульсов меньшей длительности и амплитуды.

Приведённый пример-задача преследует две цели: ■ кратко показать ученикам, что физика молнии крайне сложна, и теория этого вопроса ушла далеко от простых, понятных, наглядных, но недостаточных для понимания картины молниевого разряда представлений; ■ «уберечь» наиболее активных учеников от желания устроить громоотвод на даче из куска медной проволоки сечением в пару квадратных миллиметров, заземлив проводник на артезианскую скважину.

Литература

1. Cajori F. A history of Physics in Its Elementary Branches Including the Evolution of Physical Laboratories/ L.: MacMillan & Co. 1917.

2. Эйлер Л. Письма к немецкой принцессе о разных физических и философских материях. С.-Пб.: Наука. 2002.

3. Араго. Ф. Гром и молния С.-Пб.: Торг. дом. С. Струговщикова, Г. Похитонова, Н. Водова и К°, 1859

4. Franklin B. Experiments and Observations on Electricity made at Philadelphia in America by Benjamin Franklin and Communicated in several Letters to Mr. P. Collinson, of London F. R. S. London.: Printed and sold by E. Cave, at St. John. Gate. 1751. 4 + 86 pp. + 2.

5. Franklin B. Letters and Papers on Electricity /in The Works of Benjamin Franklin. Vol. V. Boston.: Whittemore, Niles and Hall. 1856. p. 180–516.

6. Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. Пер. В.А. Алексеева. М.: АН СССР. 1956. 272 с.

7. Abbe Nollet and W. Watson An Account of a Treatise, Presented to the Royal Society, Intituled, "Letters concerning Electricity; In Which the Latest Discoveries upon This Subject, and the Consequences Which May Be Deduced from Them, are Examined; By the Abbe Nollet, Member of the Royal Academy of Sciences of Paris, Fellow of the Royal Society, of the Institute of Bologna, &c." Extracted and Translated from the French, by Mr. William Watson, F.R.S. // Phil. Trans. 1753, 48, 201–216.

8. l’Abbé Nollet. Lettres sur l'électricité. Dans lesquelles on examine les dernieres découvertes qui ont été faites sur cette Matière les conséquences que l'on en peut tirer. Paris.: Chez HiPPOLYTE-Louis Guerîn,& Louis-Francois Delatour 5 rue S. Jacques, vis-à-vis les Mathurins, à S. Th. d'Aquin. 1753.

9. Филиппов Н.П. О громовых и градовых отводах и устройстве соломенных громоотводов.// Библиотека для чтения. Т. 5. Ч. IV. Промышленность и сельское хозяйство, 1834. (С. 1–19.)

10. Улле О. Почему и потому: Учебник физики в вопросах и ответах. М.: Либроком, 2012.

11. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике. М. Просвещение, 1972.

12. Аганов А.В. и др. Физика вокруг нас: Качественные задачи по физике. М.: Дом педагогики. 1998.

13. Цингер А.В. Задачи и вопросы по физике. М.-Л.: ГОНТИ, 1938.

14. Юман М.-А. Молния. М.: Мир, 1972.

15. Стекольников И.С. Физика молнии и грозозащита. М.-Л.: АН СССР, 1943.

[1] Мария Анджелла Ардингелли (1730–1825), итальянская поэтесса (Неаполь), математик, физик, переводчик, выполнила ряд научных экспериментов в развитие переведённых ею научных трудов; к моменту написания письма аббатом Нолле ей было 22 года.

[2] 1 парижский (королевский фут) = 12 дюймов = 0,324839385 м; 1 парижский дюйм = 12 линий = 2,706995 см. Читатель сам сможет оценить, что 2 линии = 4,5 мм.

[3] В XVIII – начале XIX вв. перевели бы дурной проводник.

[4] В 2012 г. Книжный дом «Либроком» её переиздал.

[5] Коронный разряд, о котором идёт речь, довольно легко получить с помощью катушки Румкорфа. Но это «лабораторный» способ; единственный раз, когда автор наблюдал подобное явление, вызванное грозовым облаком, было также в физическом кабинете. Готовя опыт с катушкой, я замкнул ключ, но искрового разряда между кондукторами не возникло (как известно, у старых катушек часто «барахлил» прерыватель), зато подводящие провода, подававшие напряжение с источника всего 12 В, по всей длине стали светится малиновым светом. Причиной такого редкого явления стало чёрное грозовое облако, нависшее над школой.

⇐ Предыдущая 1 23

Воспользуйтесь поиском по сайту: