Две с половиной тысячи лет тому назад греческий учёный Фалес из города Милета заметил, что если янтарь (жёлтую смолу, употреблявшуюся для украшения) натереть мехом, то он может притягивать лёгкие предметы — например, волокна или соломинки. По-гречески янтарь назывался электроном. От этого слова и получило своё название электричество.

Потом было обнаружено, что такие же свойства, как янтарь, приобретают и некоторые другие предметы, например, стекло, эбонит (вещество, из которого делают гребёнки, граммофонные пластинки и т. д.), если их натереть шерстью, шёлком или мехом. Тогда говорят, что эти предметы наэлектризованы.

Эбонитовую гребёнку можно наэлектризовать, расчёсывая ею волосы. Тот, кто видел, как в темноте расчёсывают чисто промытые и сухие волосы гребёнкой, замечал голубоватые искорки и слышал их треск.

Одна из первых машин, которую человек построил для получения электричества (это было в конце 17 века), состояла из стеклянного шара, вращающегося на железной оси. Когда натирали сукном вращающийся шар и затем дотрагивались до него рукою, то между шаром и рукой в темноте был виден свет и слышался треск. При быстром вращении шара наблюдались слабенькие искорки. Кажется сначала удивительным, что эти маленькие слабенькие искры и их лёгкий треск имеют такое же происхождение, что и громадная ослепительная молния и сопровождающий её гром. Но это именно так. Уже 200 лет тому назад учёные окончательно установили, что молния — это электрическая искра.

Впервые это доказал в 1752 году знаменитый американский учёный и общественный деятель Вениамин Франклин.

Летом 1752 года в американском городе Филадельфия можно было наблюдать странную картину. Забравшиеся под навес два взрослых человека (старшему на вид было лет 45, другой был совсем юноша) запускали шёлковый змей. Это были Франклин и его сын. К концу шнурка змея, прикреплённого шёлковой лентой к столбу, отец с сыном привязали массивный железный ключ от садовой калитки (рис. 1). Только сына посвятил отец в тайну своих опытов, опасаясь, в случае их неудачи, язвительных насмешек. Он тревожно стоял у змея, ожидая результатов опыта, как приговора своим многолетним исследованиям.

Рис. 1. Франклин с сыном запускают змея. (Со старинной картины.)

Вот надвинулась туча и прошла мимо. Никаких результатов, никаких следов электричества… И вдруг волокна шнурка натянулись, как это бывало при опытах с электричеством, проводившихся учёным в лаборатории. Франклин быстро поднёс палец к ключу и… сотрясение, которое он получил от проскочившей при этом сильной электрической искры, показалось ему приятнейшим из ощущений.

Ведь он добился того, чего так страстно и упорно желал! Его открытие возбудило весь учёный мир того времени. Бледная искра, издавшая негромкий треск, прозвучала громом на весь мир, доказав, что молния — это электрический разряд. Франклин как бы низвёл молнию на землю, отняв её у таинственных «неземных сил».

В том же 1752 году великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов, откликаясь на открытие Франклина, так описывал сходство между искрой, получаемой от натёртого сукном стеклянного шара, и грозовыми разрядами — молниями:

«Вертясь Стеклянный шар даёт удары с блеском, С громовым сходственным сверканием и треском. Дивился сходству ум, но, видя малость сил, До лета прошлого сомнителен в том был. Внезапно чудный слух по всем странам течёт, Что от громовых стрел опасности уж нет! Что та же сила туч гремящих мрак наводит, Котора от Стекла движением исходит, Что зная правила, изысканны Стеклом, Мы можем отвратить от храмин наших гром…»

Производя различные опыты над электричеством, люди выяснили основные его свойства. Прежде всего они открыли, что существует два рода электричества. Одно получается при натирании мехом стекла, драгоценных камней и некоторых других материалов — этот род электричества назвали стеклянным. Другой род электричества получается натиранием янтаря, смолы и ряда других веществ — это электричество назвали смоляным. Теперь для стеклянного и смоляного электричества приняты в науке другие названия. Электричество первого рода (стеклянное) называется положительным, а второго рода (смоляное) — отрицательным. В науке принято положительное электричество обозначать знаком «+», а отрицательное знаком «–». Такие обозначения и будут употребляться на рисунках этой книжки.

Электричество одного какого-нибудь рода отталкивает от себя электричество того же рода и притягивает электричество другого рода. Это — важное свойство электричества. Вот какими простыми опытами можно его проверить.

На вбитый в стену гвоздь наденем чистую сухую стеклянную трубочку, а к концу её подвесим на шёлковой нитке кусочек пробки (рис. 2, слева). Натрём стеклянную палочку мехом или плотной бумагой. Тогда на стекле появится положительное (стеклянное) электричество. Дотронемся затем этой палочкой до пробки. При этом часть электричества перейдёт с палочки на пробку. Теперь на пробке и на конце стеклянной палочки будет находиться электричество одного и того же рода (положительное), и пробка отскочит от палочки.

Рис. 2. Опыты с электричеством. Слева: зарядившись от натёртой палочки, пробка отталкивается от неё. Справа наверху: заряженные натёртой стеклянной палочкой две пробки оттолкнутся друг от друга. Справа внизу: если одну пробку зарядить от стеклянной, а другую — от смоляной палочки, то они притянутся друг к другу.

Подвесим теперь на стеклянную трубку две шелковинки с пробками. Если к обеим пробкам прикоснуться натёртой стеклянной палочкой, то они получат одинаковое, положительное электричество (или, как говорят, «зарядятся» положительным электричеством) и оттолкнутся друг от друга (рис. 2, справа наверху). То же самое произойдёт, если зарядить обе пробки отрицательным электричеством от натёртой смоляной палочки. Таким образом, два одинакового рода электричества отталкиваются друг от друга.

Если же одну пробку зарядить натёртой стеклянной палочкой, а другую — натёртой смоляной, то обе пробки окажутся заряженными электричествами различного рода и притянутся одна к другой (рис. 2, справа внизу).

Таким образом, два разного рода электричества притягиваются одно к другому.

Чтобы узнать, заряжен ли какой-нибудь предмет электричеством, пользуются простым прибором, который называется электроскопом. Электроскоп основан на том свойстве электричества, о котором только что говорилось — на свойстве двух предметов, заряженных электричеством одинакового рода, отталкиваться друг от друга.

Этот прибор изображён на рис. 3 (слева). Он состоит из стеклянной банки, закрытой пробкой, через которую проходит металлический стержень. На том конце стержня, который находится внутри банки, укреплены два тонких продолговатых металлических листочка, а на наружном конце находится металлический шарик. Если к шарику прикоснуться стеклянной палочкой, заряженной электричеством, то это стеклянное электричество перейдёт по стержню на листочки. Оба листочка окажутся заряженными электричеством одинакового рода (положительным), и поэтому они оттолкнутся друг от друга и примут наклонное положение. Это и показано на рис. 3 (справа).

Рис. 3. Листочки электроскопа (справа) раздвинулись — значит он заряжен электричеством.

Если ещё раз натереть стеклянную палочку и снова прикоснуться ею к шарику, то листочки электроскопа разойдутся ещё больше. Это происходит потому, что мы зарядили электроскоп дважды или, как говорят, подвели к нему двойное количество электричества. Чем больше электричества мы имеем, тем более заметно оно себя проявляет. В маленькой искре от гребёнки имеется очень немного электричества — и мы видим слабый свет и слышим тихий треск. При молнии же образуется очень большое количество электричества, и поэтому мы видим искры огромной длины и слышим оглушительный гром.

Произведём теперь такой опыт. Зарядим электроскоп электричеством одного рода, например — положительным (стеклянным). Листочки электроскопа разойдутся (рис. 4, слева).

Теперь поднесём к этому электроскопу натёртую смоляную палочку и, таким образом, подведём к нему некоторую новую порцию электричества, но уже другого рода — отрицательного (смоляного). Казалось бы, листочки должны разойтись ещё больше. Но оказывается, происходит обратное явление: листочки сойдутся и свободно повиснут так, как будто бы никакого электричества в электроскопе нет (рис. 4, справа). Два одинаковых количества электричества разного рода уничтожают друг друга; при их соединении ни того, ни другого электричества не остаётся.

Рис. 4. Два разного рода электричества уничтожают друг друга.

Это явление называют электрическим разрядом — говорят, что два тела, содержавшие положительное и отрицательное электричества, разрядились.

Положительное и отрицательное электричества всегда стремятся притянуться друг к другу и разрядить тело, на котором они находились. Если тела, заряженные электричествами разного рода, находятся близко друг от друга, но не соединены, то разряд может произойти и через воздух — тогда между обоими телами проскакивает искра и раздаётся короткий сухой треск. Чем сильнее тела были заряжены электричеством, тем ярче искра и сильнее треск.

В лабораториях учёные могут зарядить электричеством металлические шары так сильно, что образуется сверкающая искра до 10 метров длиной и раздаётся оглушительный удар.

Всякая электрическая искра происходит от соединения между собой положительного и отрицательного электричества, т. е. от электрического разряда.

Все вещества, предметы, тела можно разделить на две группы — проводники электричества и электрические изоляторы.

Чем отличаются проводники от изоляторов?

Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий опыт с электроскопом. Возьмём два электроскопа и поставим их рядом на столе. Один из электроскопов зарядим электричеством, а другой оставим незаряженным (рис. 5, сверху). Прикоснёмся теперь к обоим шарикам сразу медной палочкой. Мы увидим, что угол между листочками заряженного электроскопа немного уменьшится, а листочки незаряженного электроскопа раздвинутся (рис. 5, слева). Это происходит потому, что часть электричества с одного электроскопа ушла по медной палочке к другому. Медь — проводник электричества.

Рис. 5. По проводнику электричество переходит от одного электроскопа к другому, а по изолятору перейти не может.

Сделаем теперь снова такой же опыт, но на этот раз соединим шарики обоих электроскопов палочкой, сделанной из фарфора (рис. 5, справа). Листочки электроскопа останутся в прежнем положении: с ними ничего не произойдёт. Через фарфор электричество не смогло перейти от одного электроскопа к другому. Фарфор не проводит электричества. Он является изолятором.

Проводниками электричества являются, в первую очередь, металлы (медь, железо и другие), вода и земля. Человеческое тело также относится к проводникам. Примерами электрических изоляторов являются фарфор, стекло, резина, воздух.

Проводники и носят своё название от того, что они проводят электричество, т. е. пропускают его через себя, а изоляторы не проводят — не пропускают через себя электричество.

Основную часть электрических устройств составляют проводники, переносящие электричество в определённое место, и изоляторы, которые не дают электричеству уходить в неположенные для него места. Всякий, кто видел телефонную линию или линию передачи электрической энергии (рис. 6), замечал, что провода, которые служат для передачи электричества, натянуты на фарфоровых или стеклянных изоляторах. Провода (линия передачи) несут электричество от электрической станции (где оно вырабатывается машинами) к фабрикам, заводам, МТС и жилищам. Большие фарфоровые изоляторы поддерживают провода и обеспечивают передачу по ним электричества. Изоляторы нужны именно для того, чтобы не допустить ухода электричества с проводов через столбы в землю, оградить, или, как говорят, «изолировать» его от земли.

Рис. 6. Линия передачи электричества.

Текущее в проводах электричество образует электрический ток. Чем больше электричества протекает в одну секунду через провод, тем больший ток течёт по нему.

Для ответа на вопрос — что же представляет собою электричество? — нужно знать, из чего состоят различные тела природы. Это изучается наукой, которая называется физикой.

Учёные-физики установили, что каждое тело, твёрдое, жидкое или газообразное, состоит из отдельных очень мелких частичек, называемых атомами. Атом же, в свою очередь, состоит из нескольких ещё более мелких частиц, заряженных электричеством. В середине атома расположена его основная часть — ядро атома. Это ядро заряжено положительным электричеством. Вокруг ядра вращаются частицы вещества, называемые электронами. Электрон заряжен отрицательным электричеством.

В обычном состоянии атом содержит одинаковое количество положительного и отрицательного электричества и поэтому он не проявляет своих электрических свойств.

Однако, если каким-либо образом разбить атом на части — отделить от него один или несколько электронов, то оставшаяся часть будет иметь больше положительного электричества, чем отрицательного. Тогда такой неполный атом проявит себя как положительно заряженное тело: он будет стремиться притянуть из окружающей среды недостающие ему электроны. Оторвавшиеся же от атома электроны будут проявлять свойства отрицательного электричества.

Этот отрыв и происходит, например, при натирании стекла мехом или плотной бумагой; его можно получать и другими способами. Электрический ток в проводе и представляет собой движение электронов. Количество электронов, т. е. количество электричества, проходящего через 1 квадратный сантиметр поперечного сечения проводника, называется силой тока.

Сила тока в электротехнике измеряется единицей, называемой ампером.

Через электрическую лампочку, горящую в комнате и имеющую среднюю яркость, протекает ток, измеряемый ¹/₃–¹/₂ ампера. В линиях передачи электрической энергии протекают токи, измеряемые сотнями и тысячами ампер, а в молнии ток доходит до 200 000 ампер!

Теперь, когда мы знаем, что атомы каждого тела состоят из частиц, содержащих как положительное, так и отрицательное электричество, мы можем объяснить важное явление — получение электричества через влияние. Это поможет нам понять, как образуется молния.

Произведём следующий опыт. Поднесём к шарику электроскопа палочку, заряженную электричеством какого-нибудь рода, например — положительным, но не будем дотрагиваться палочкой до шарика, оставив между ними маленький просвет (рис. 7, слева). Листочки электроскопа разойдутся, хотя электричество с палочки на шарик не могло перейти: воздух не является проводником. Это произошло по следующей причине. Положительное электричество на палочке будет притягивать к себе отрицательное электричество, имеющееся на шарике, стержне и листочках электроскопа, и отталкивать от себя положительное электричество на этих же проводниках. Отрицательное электричество соберётся ближе к палочке — на поверхности шарика, а положительное — дальше, на листочках. А оба листочка, на которых оказалось электричество одного и того же рода (положительное), разойдутся.

Рис. 7. Получение электричества через влияние.

Но такое расположение обоих электричеств на электроскопе — непрочное. Стоит нам удалить палочку от шарика, и листочки снова спадут: оба рода электричества, притягиваясь друг к другу, опять равномерно распределятся во всех частях электроскопа, и он перестанет проявлять свои электрические свойства.

Потупим теперь так. Снова поднесём к шарику электроскопа палочку, заряженную положительным электричеством, оставив просвет. Листочки разойдутся. Затем, не унося палочки, дотронемся другой рукой до шарика. Угол между листочками немного уменьшится, но совсем листочки не спадут (рис. 7, посредине). Теперь унесём палочку и отнимем руку. Листочки останутся в прежнем положении — электроскоп будет заряжен (рис. 7, справа).

Почему это произошло? Откуда получилось электричество на электроскопе? Ведь мы заряженной палочкой к шарику не прикасались.

Когда мы дотронулись рукою до шарика электроскопа, то положительное электричество на нём, которое стремилось оттолкнуться от палочки, пошло по проводникам — нашей руке и нашему телу — и ушло в землю. А отрицательное электричество, притягиваемое палочкой, осталось на электроскопе и распределилось по всей его проводящей части, на шарике, стержне и листочках. На долю листочков досталось уже меньше электричества, и угол между ними уменьшился. Когда мы после этого унесли палочку, то ничего не изменилось, и электроскоп остался заряженным отрицательным электричеством.

Такой способ получения электричества называется получением электричества «через влияние». Здесь электричество не переходит от одного тела к другому, а получается от влияния тела, заряженного электричеством другого рода.

Мы увидим в следующей главе, что именно такое получение электричества через влияние и будет причиной молнии.

Рассказанных здесь сведений достаточно, чтобы понять, как образуется молния, какие действия она производит и как от неё защититься. Этому и посвящены следующие главы нашей книжки.

Туман, поднявшийся высоко над землёй, состоит из частичек воды и образует облака. Более крупные и тяжёлые облака называются тучами. Одни тучи являются простыми — они молнии и грома не вызывают. Другие же называются грозовыми, так как именно они создают грозу, образуют молнию и гром. От простых дождевых туч грозовые тучи отличаются тем, что они заряжены электричеством: одни — положительным, другие — отрицательным.

Как же образуются грозовые тучи?

Всякий знает, какой сильный ветер бывает во время грозы. Но ещё более сильные воздушные вихри образуются выше над землёй, где движению воздуха не мешают леса и горы. Этот ветер, главным образом, и образует положительное и отрицательное электричество в облаках. Чтобы понять это, рассмотрим, как распределено электричество в каждой водяной капле. Такая капля изображена в увеличенном виде на рис. 8. В центре её находится положительное электричество, а равное ему отрицательное электричество располагается на поверхности капли. Падающие капли дождя подхватываются ветром, попадают в воздушные потоки. Ветер, с силой ударяющий в каплю, разбивает её на части. При этом отколовшиеся наружные частицы капли оказываются заряженными отрицательным электричеством. Оставшаяся более крупная и тяжёлая часть капли заряжена положительным электричеством. Та часть тучи, в которой скапливаются тяжёлые частицы капель, заряжается положительным электричеством.

Рис. 8. Так распределено электричество в дождевой капле. Положительное электричество внутри капли изображено одним (большим) знаком «+».

Чем сильнее ветер, тем скорее туча заряжается электричеством. Ветер затрачивает определенную работу, которая уходит на то, чтобы разделить положительное и отрицательное электричества.

Дождь, выпадающий из тучи, уносит часть электричества тучи на землю и, таким образом, между тучей и землёй создаётся электрическое притяжение.

На рис. 9 показано распределение электричества в туче и на поверхности земли. Если туча заряжена отрицательным электричеством, то, стремясь притянуться к нему, положительное электричество земли будет распределяться на поверхности всех возвышенных предметов, проводящих электрический ток. Чем выше предмет, стоящий на земле, тем меньше расстояние между его верхом и низом тучи и тем меньше остающийся здесь слой воздуха, разделяющий разноимённые электричества. Очевидно, что в таких местах молнии легче пробиться к земле. Об этом мы расскажем ещё подробнее дальше.

Рис. 9. Распределение электричества в грозовой туче и наземных предметах.

Подходя близко к высокому дереву или дому, грозовая туча, заряженная электричеством, действует на него совершенно так же, как в рассмотренном нами последнем опыте заряженная палочка действовала на электроскоп. На верхней части дерева или на крыше дома получается через влияние электричество иного рода, чем то, которое несёт на себе туча. Так, например, на рис. 9 туча, заряженная отрицательным электричеством, притягивает к крыше положительное электричество, а отрицательное электричество дома уйдёт в землю.

Оба электричества — в туче и в крыше дома — стремятся притянуться друг к другу. Если электричества в туче много, то и на доме образуется через влияние много электричества. Подобно тому, как прибывающая вода может размыть плотину и ринуться бурным потоком, затопляя долину в своём безудержном движении, так и электричество, всё в большем количестве накапливающееся в туче, в конце концов, может прорвать слой воздуха, отделяющий его от поверхности земли, и устремиться вниз навстречу земле, к противоположному электричеству. Произойдёт сильный разряд — между тучей и домом проскочит электрическая искра.

Это и есть молния, ударившая в дом.

Разряды молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между двумя тучами, заряженными электричествами разного рода.

Чаще всего молнии, ударяющие в землю, происходят от туч, заряженных отрицательным электричеством. Молния, ударяющая из такой тучи, развивается так.

Сначала из тучи по направлению к земле начинают течь электроны в небольшом количестве, в узком канале, образуя в воздухе нечто подобное ручейку. На рис. 10 показано это начало образования молнии. В той части тучи, где начинается образование канала, скопились электроны, обладающие большой скоростью движения, благодаря которой они, сталкиваясь с атомами воздуха, разбивают их на ядра и электроны. Освобождающиеся при этом электроны устремляются также по направлению к земле и, снова сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Это похоже на падение снега в горах, когда сначала небольшой ком, катясь вниз, обрастает прилипающими к нему снежинками, и, всё ускоряя свой бег, превращается в грозную лавину. И здесь электронная лавина захватывает всё новые объёмы воздуха, расщепляя его атомы на части. При этом воздух разогревается, а при повышении температуры его проводимость усиливается; он из изолятора превращается в проводник. Через полученный проводящий канал воздуха из тучи начинает стекать электричество всё в большем количестве. Электричество приближается к земле с огромной скоростью, достигающей 100 километров в секунду. Для сравнения напомним, что скорость полёта снаряда из современных орудий не превышает двух километров в секунду.

Рис. 10. В туче начинается образование молнии.

Через сотые доли секунды электронная лавина достигает земли. Этим заканчивается только первая, так сказать, «подготовительная» часть молнии: молния пробила себе дорогу к земле. Вторая, главная часть развития молнии ещё впереди.

Рассмотренную часть образования молнии называют лидером. Это иностранное слово означает по-русски «ведущий». Лидер проложил дорожку второй, более мощной части молнии; эту часть называют главной.

Как только канал дошёл до земли, электричество начинает протекать через него гораздо более бурно и быстро. Теперь происходит соединение отрицательного электричества, скопившегося в канале, и положительного электричества, которое попало в землю с каплями дождя и путём электрического влияния — происходит разряд электричества между тучей и землёй. Такой разряд представляет собою электрический ток огромной силы — эта сила гораздо больше, чем сила тока в обычной электрической сети. Ток, протекающий в канале, очень быстро нарастает, а достигнув наибольшей силы, начинает постепенно спадать. Канал молнии, через который протекает такой сильный ток, очень разогревается и поэтому ярко светится. Но время протекания тока в грозовом разряде очень мало. Разряд длится очень малые доли секунды, и поэтому электрическая энергия, которая получается при разряде, сравнительно невелика.

На рис. 11 показано постепенное продвижение лидера молнии по направлению к земле (первые три рисунка слева). На трёх последних рисунках видны отдельные моменты образования второй (главной) части молнии.

Рис. 11. Постепенное развитие лидера молнии (первые три рисунка) и её главной части (последние три рисунка).

Человек, смотрящий на молнию, конечно, не сможет различить её лидера от главной части, так как они следуют друг за другом чрезвычайно быстро, по одному и тому же пути. Но с помощью фотографического аппарата можно отчётливо видеть оба процесса. Фотографический аппарат применяется в этих случаях особенный. Главное его отличие от обычных фотоаппаратов заключается в том, что его пластинка имеет круглую форму и во время съёмки вращается — совершенно так же, как граммофонная пластинка. Поэтому снимок, сделанный таким аппаратом, растягивается, «размазывается».

После соединения двух электричеств разного рода ток обрывается. Однако, молния обычно на этом не заканчивается. Часто по пути, проложенному первым разрядом, сразу же устремляется новый лидер, а за ним, по тому же пути, идёт снова главная часть разряда. Так завершается второй разряд.

Таких отдельных разрядов, состоящих каждый из своего лидера и главной части, может образовываться до 50 штук. Чаще же всего их бывает 2–3 штуки. Появление отдельных разрядов делает молнию прерывистой, и часто человек, смотрящий на молнию, видит её мерцание.

Вот какова причина мерцания молнии.

Так как молния состоит из нескольких быстро чередующихся вспышек света, то на вращающейся фотографической пластинке появляются отдельные изображения, находящиеся на определённом расстоянии одно от другого. Расстояние между изображениями будет тем большим, чем быстрее вращается пластинка.

Время между образованием отдельных разрядов очень мало; оно не превышает сотых долей секунды. Если число разрядов очень велико, то длительность молнии может достигать целой секунды и даже нескольких секунд. Уж не так «быстра» молния, как это представляли себе раньше!

Мы рассмотрели лишь один вид молнии, который наиболее часто встречается. Эта молния называется линейной молнией, потому что невооружённому глазу она представляется в виде линии — узкой яркой полосы белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. Линейная молния имеет длину от сотен метров до многих километров. Путь молнии обычно зигзагообразный. Часто молния имеет много разветвлений. Как было уже сказано, разряды линейной молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между тучами.

На рис. 12 изображена линейная молния.

Рис. 12. Линейная молния.

Линейная молния обычно сопровождается сильным раскатистым звуком, который называется громом. Гром возникает по следующей причине. Мы видели, что ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания он расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии быстро падает, так как тепло уходит в атмосферу. Канал быстро охлаждается, и воздух в нём поэтому резко сжимается. Это также вызывает сотрясение воздуха, которое снова образует звук. Понятно, что многократные разряды молнии могут вызвать продолжительный грохот и шум. В свою очередь, звук отражается от туч, земли, домов и других предметов и, создавая многократные эхо, удлиняет гром. Поэтому и происходят раскаты грома.

Как всякий звук, гром распространяется в воздухе с сравнительно небольшой скоростью — приблизительно 330 метров в секунду. Эта скорость лишь в полтора раза больше скорости современного самолёта. Если наблюдатель видит сначала молнию и только через некоторое время слышит гром, то он может определить расстояние, которое отделяет его от молнии. Пусть, например, между молнией и громом прошло 5 секунд. Так как за каждую секунду звук пробегает 330 метров, то за пять секунд гром прошёл расстояние в пять раз большее, а именно 1650 метров. Значит, молния ударила меньше чем в двух километрах от наблюдателя.

В тихую погоду гром доносится через 70–90 секунд, проходя 25–30 километров. Грозы, которые проходят от наблюдателя на расстоянии меньшем, чем три километра, считаются близкими, а грозы, проходящие на большем расстоянии — дальними.

Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную — шаровую молнию.

Иногда наблюдаются грозовые разряды, представляющие собой огненные шары. Как образуются шаровые молнии — пока ещё не изучено, но имеющиеся наблюдения над этим интересным видом грозового разряда позволяют сделать некоторые выводы. Приведём здесь одно из наиболее интересных описаний шаровой молнии.

Вот что сообщает знаменитый французский учёный Фламмарион:

На рис. 13 изображена шаровая молния, заснятая фотографическим аппаратом, а на рис. 14 изображена картина художника, нарисовавшего шаровую молнию, которая упала во двор.

Рис. 13. Шаровая молния.

Рис. 14. Шаровая молния. (С картины художника.)

Чаще всего шаровая молния имеет форму арбуза или груши. Длится она сравнительно долго — от небольшой доли секунды до нескольких минут. Наиболее обычное время длительности шаровой молнии — от 3 до 5 секунд. Шаровая молния чаще всего появляется в конце грозы в виде красных светящихся шаров поперечником от 10 до 20 сантиметров. В более редких случаях она имеет и большие размеры. Была, например, сфотографирована молния поперечником около 10 метров.

Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Обычно шаровая молния издаёт свистящий, жужжащий или шипящий звук.

Шаровая молния может исчезать тихо, но может издавать при этом слабый треск или даже оглушающий взрыв. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Вблизи земли или в закрытых помещениях шаровая молния движется со скоростью бегущего человека — приблизительно два метра в секунду. Она может оставаться в покое в течение некоторого времени, и такой «осевший» шар шипит и выбрасывает искры до тех пор, пока не исчезнет. Иногда кажется, что шаровую молнию гонит ветер, но обычно её движение от ветра не зависит.

Шаровые молнии притягиваются к закрытым помещениям, в которые они проникают через открытые окна или двери, а иногда даже через небольшие щели. Трубы представляют для них хороший путь; поэтому шаровые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, шаровая молния оставляет помещение, уходя часто по тому самому пути, по которому она вошла.

Иногда молния два-три раза поднимается и опускается на расстояния от нескольких сантиметров до нескольких метров. Одновременно с этими подъёмами и спусками огненный шар передвигается иногда и в горизонтальном направлении, и тогда кажется, что шаровая молния делает скачки.

Часто шаровые молнии «оседают» на проводниках, предпочитая наиболее высокие точки, или катятся вдоль проводников, например — по водосточным трубам. Двигаясь по телам людей, иногда под одеждами, шаровые молнии вызывают сильные ожоги и даже смерть. Имеются многие описания случаев смертельного поражения людей и животных шаровой молнией. Шаровые молнии могут причинить очень сильные разрушения зданий.

Законченного научного объяснения шаровой молнии ещё нет. Учёные упорно изучали шаровую молнию, однако до сих пор все разнообразные её проявления объяснить не удалось. В этой области предстоит ещё большая научная работа. Конечно, ничего таинственного, «сверхъестественного» и в шаровой молнии нет. Это — электрический разряд, происхождение которого такое же, как и у линейной молнии. Несомненно, в недалёком будущем учёные смогут объяснить все подробности шаровой молнии так же хорошо, как они сумели объяснить все подробности линейной молнии.

Не везде на земле грозы бывают одинаково часто.

В некоторых жарких, тропических местах грозы происходят круглый год — почти каждый день. В других же местах, расположенных в северных районах, грозы бывают сравнительно редко. В нашем Союзе с его громадной территорией одни районы отличаются по частоте гроз от других весьма значительно. Так, в горных районах Кавказа (Грузия, Армения) число гроз достигает 60–70 в год. В районе же Кольского полуострова, расположенного севернее Ленинграда, грозы наблюдаются очень редко (5–10 в год). В центральных районах нашей страны грозы происходят 15–20 раз в год.

В течение одной грозы может быть очень много молний. Некоторые из них происходят высоко между тучами и земли не касаются. Мы видим их или узнаём о них по свечению в небе. Такие свечения называются зарницами. В некоторых местах Украины ночью видно так много молний и зарниц, что земля почти всё время освещена их светом.

Учёные установили, что на земном шаре в разных его местах всё время происходят грозы. Одновременно в среднем существует около 1000 гроз. Каждую секунду в землю ударяют около 100 молний.

Наблюдения показывают, что в тех местах, где за один год проходит 45–50 гроз, на каждый квадратный километр поверхности земли ударяет в среднем одна молния. Там, где грозы чаще, там и ударов молнии на один квадратный километр больше, а там, где грозы реже, ударов меньше.

Так как молния представляет собою электрический разряд через толщу изолятора — воздуха, то он происходит чаще всего там, где слой воздуха между тучей и каким-либо предметом на поверхности земли будет меньше. Непосредственные наблюдения это и показывают: молния стремится поразить высокие колокольни, мачты, деревья и другие высокие предметы.

Однако, молния устремляется не только к высоким предметам. Из двух соседних мачт одинаковой высоты, сделанных одна из дерева, а другая из металла, и стоящих невдалеке одна от другой (рис. 15), молния устремится к металлической. Произойдёт это по двум причинам. Во-первых, металл проводит электрический ток гораздо лучше, чем дерево, даже если оно сырое. Во-вторых, металлическая мачта соединена хорошо с землёй, и электричество из земли может во время развития лидера свободнее подтекать к мачте.

Рис. 15. Молния ударяет в металлическую мачту, а не в деревянную, стоящую рядом.

Последнее обстоятельство широко используют для защиты различных строений от ударов молнии. Чем большая поверхность металла мачты соприкасается с землёй, тем легче электричеству из тучи перейти в землю. Это можно сравнить с тем, как струя жидкости льётся через воронку в бутылку. Если отверстие в воронке достаточно большое, струя будет сразу же уходить в бутылку. Если же отверстие в воронке невелико, то жидкость начнёт переливаться через край воронки и выливаться на пол.

Молния может ударить и в ровную поверхность земли, но при этом она тоже устремляется туда, где электрическая проводимость почвы больше. Так, например, сырая глина или болотистое место поражаются молнией скорее, чем сухой песок или каменистая сухая почва. По той же причине молния поражает берега рек и ручьев, предпочитая их возвышающимся вблизи них высоким, но сухим деревьям.

Эту особенность молнии — устремляться к хорошо соединённым с землёй и хорошо проводящим телам — широко используют для осуществления различных защитных устройств. Об этом будет сказано в последней главе нашей книжки.

Так как молния состоит из воздуха, раскалённого до очень высокой температуры, то соприкосновение её с различными горючими материалами воспламеняет их. Температура канала разряда достигает десятков тысяч градусов; это — во много раз больше температуры горящей спички, пламенем которой можно зажечь бумагу, солому, дерево, керосин и много других материалов. Правда, каждые отдельные вспышки молнии длятся, как мы видели, очень короткое время, но и за это время многие материалы могут воспламениться.

Даже неполный подсчёт показывает, что в СССР за 1938 и 1939 голы имело место около 6000 пожаров, вызванных грозовыми разрядами.

Наибольшее число пожаров от молнии приходится на сельские местности. Это понятно, так как там строения часто имеют деревянные или соломенные крыши, которые легко загораются.

Ущерб, приносимый молниями в промышленности, довольно значителен. Например, в Америке 55 % пожаров нефти, за последние 20 лет, вызвано грозовыми разрядами. Из произошедших там в 1937 г. 620 тысяч пожаров около 20 тысяч возникло от молнии.

При ударе молнии в тонкие проволоки, например в телеграфные провода, они нагреваются и могут расплавиться.

Иногда проволока после прохождения по ней грозового разряда совершенно исчезает. Это значит, что она испарилась, превратившись в металлические пары, совершенно так же, как вода улетучивается из кастрюли при кипячении, превратившись в пар.

Падая на землю, молния пробивает некоторый слой почвы и своим жаром спекает или остекляет песок, оставляя длинные трубки. Молния оставляет как бы расписки на земле.

Если молния ударяет в человека или животное, то в большинстве случаев этот удар бывает смертельным. Лишь в тех случаях, когда поражение производится не основной частью молнии, а её ответвлением, можно отделаться сильными ожогами и увечьями, а иногда остаться невредимым.

Вот несколько таких примеров.

1 октября 1868 года во время грозы в окрестности французского города Бонелло семь человек спрятались под громадным буком. Ударившая в дерево молния убила одну женщину, остальные же люди отделались только испугом. Одежда убитой была изорвана в мелкие клочки, из них некоторые были найдены висящими на дереве.

11 августа 1855 года на дороге около другого французского города один прохожий был повален и раздет молнией. Кроме куска подбитого гвоздями сапога и одного рукава рубашки, от его костюма не осталось никаких следов (видимо, одежда сгорела). Придя в себя через десять минут после этого приключения, человек был очень удивлён, что лежит раздетый, и жаловался на холод. Несмотря на некоторые повреждения, он остался жив.

В человека или животное молния попадает редко. Всё же в местностях с большим количеством гроз от удара молнии ежегодно умирает 10–11 человек из каждого миллиона жителей.

Помимо прямого поражения, молния может воздействовать на живые существа другим путём. Представим себе, что грозовой разряд ударил в землю на некотором расстоянии от идущего человека (рис. 16). Электрический ток молнии, вступая в землю и растекаясь в ней, проходит и под ногами человека, находящегося близко от места удара. Здесь электричество входит в одну ногу, идёт по ней через тело человека и выходит через другую ногу снова в землю.

Рис. 16. Поражение человека током молнии через землю.

Чем более влажна обувь, тем больше электричества входит в тело и тем больше опасность смертельного исхода такого повреждения человека. Но если поражение оказалось и не смертельным, то всё же электрический ток в теле человека может вызвать различные повреждения его организма. Чем больше сила тока молнии и чем суше земля в месте удара, тем больше будет «опасная зона». Впрочем, опасность поражения человека или животного молнией в описанном случае не велика уже на расстоянии 5–10 метров от места удара молнии.

Разрушительное действие молнии проявляется в самых разнообразных видах. Известен, например, случай, когда молния, ударившая в старый тополь высотою в 30 метров и обхватом в 3 метра, разбила его на мелкие куски.

При ударе молнии в какое-нибудь здание или предмет, расположенный на земной поверхности, этот предмет разрушается тем больше, чем меньше его проводимость, т. е. чем труднее по нему проходить электричеству. На металлических частях обычно не остаётся и следа от прошедших через них токов молнии. При ударе же молнии в изоляторы или предметы, плохо проводящие электрический ток, часто происходят значительные повреждения.

На рис. 17 слева показан результат удара молнии в высокую кирпичную трубу. Молния совершенно разрушила верхнюю часть трубы длиною около 30 метров. Следующие 15 метров разрушены наполовину, а в нижней части получилась трещина. Отдельные небольшие камни разлетелись на 200–300 метров. Отвалившаяся кирпичная кладка трубы повредила крышу соседнего здания.

Рис. 17. Слева: молния разрушила высокую дымовую трубу; наверху справа: молния, подобно пуле, пробила оконное стекло; внизу справа: молния расщепила пень.

На этом же рисунке видно, как молния пробила оконное стекло подобно пуле, оставив в нём лишь небольшое отверстие (наверху справа). На рис. 17 (внизу справа) показано, как искусственная молния, осуществлённая в лаборатории, расщепила пень.

Очень часто молния ударяет в провода линий передач электрической энергии. При этом либо грозовой разряд поражает один из проводов линии и соединяет его с землёю, либо молния соединяет между собой два или даже три провода. Во всех этих случаях молния, канал которой является хорошим проводником электричества, замыкает провода и направляет электрическую энергию по неправильному пути. Наступает авария, и потребитель остаётся без электроэнергии.

Чтобы предупредить такого рода аварии, принимаются различные меры. Чаще всего над проводами линии электропередачи подвешивают дополнительный провод (его называют тросом), хорошо соединённый с землёй. Так как трос возвышается над остальными проводами линии, то молния ударяет в него и отводится в землю через мачты, на которых он укреплён.

Грозовые разряды оказывают сильные помехи и радиоприёму. Всем радиолюбителям известны характерные трески и щелчки в наушниках или репродукторах. Эти помехи возникают даже при очень далёких грозах. Если гроза находится на расстоянии в несколько десятков километров, то помехи бывают очень сильными. При ещё более близких грозах, радиоприём на антенны делается опасным, потому что молния может ударить в антенну и проникнуть по радиовводу в жилые помещения. В науке хорошо известен случай, когда молния, проникшая таким образом в помещение через небольшую антенну, служившую для физических опытов (радио тогда ещё не было), убила крупного физика, друга Ломоносова — профессора Рихмана.

Для защиты от возможного проникновения молнии в помещение по антенному вводу во время грозы тщательно заземляют антенну с помощью специального переключателя.

Используя свойства молнии направляться к высоким предметам, особенно в том случае, если они хорошо проводят электрический ток, можно «ловить» молнию. Для этого в нашем Союзе были использованы воздушные шары, поднимавшие в грозовые тучи металлические тросы, присоединённые к земле. В этих случаях «пойманные» молнии были использованы лишь для научных целей.

Оценить, насколько выгодно использовать энергию молнии для технических целей, можно, определив работу, которую может произвести грозовой разряд. Так как молния длится очень короткое время, то эта энергия оказывается очень небольшой. Подсчитали, что одна молния может «наработать» в среднем лишь на несколько рублей. При такой небольшой работоспособности молнии трудно говорить о целесообразности технического её использования. Применение молнии в качестве источника энергии затруднено ещё и потому, что за один грозовой сезон даже в очень высокий молниеприёмник (400–800 метров над землёй) молния ударяет не более 20–25 раз.

О том, как защищаться от опасных действий молнии, много думали уже с давних времён, но настоящее научное изучение этого вопроса началось лишь с середины 18 века, после того как Франклин своими опытами доказал, что молния представляет собой электрический разряд. Сам Франклин немедленно сделал практическое применение из своих опытов, предложив устройство громоотвода, или, как его правильнее называть — молниеотвода. Вот как он описывает его.

Наш великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов установил, что молниеотвод отклоняет уже развивающуюся молнию от защищаемого сооружения. Ломоносов так говорит о молниеотводах:

В настоящее время на практике применяются именно такие системы защиты от молнии, которые перехватывают молнии и не допускают их к сооружениям.

Существуют различные способы защиты от молнии. Мы уже кратко говорили о тех защитных мероприятиях, которые применяются на линиях передач электрической энергии. Теперь посмотрим, как защищать от грозовых разрядов здания и различные другие постройки.

Наиболее распространёнными являются молниеотводы, представляющие собой металлический стержень (называемый молниеприёмником), возвышающийся над защищаемым сооружением и соединённый с землёй металлическим проводником. Этот проводник служит для отвода тока молнии в землю и называется токоотводом. Для лучшего соединения с землёй токоотвод в земле имеет разветвления, состоящие из нескольких металлических стержней или проволоки, располагающихся наподобие корней дерева. Вся эта подземная металлическая система называется заземлением. Мы уже видели, что чем лучше связь токоотвода с землёй, тем с меньшей опасностью для окружающих может быть отведён разряд.

На рис. 18 показан молниеотвод, установленный на крыше дома. Такого вида молниеотводы называются стержневыми. Стержневые молниеотводы часто устанавливаются на отдельно стоящих деревянных столбах или металлических мачтах.

Рис. 18. Дом, защищенный от поражения молнией.

Другим видом молниеотводов являются антенны и сетки, натягиваемые над сооружениями. Все эти молниеотводы служат одной цели: предохранить сооружение от попадания в него молнии, отвести молнию в землю с наименьшим ущербом для хозяйства и жизни людей и животных.

При устройстве молниеотводов любого типа основным является вопрос — какое пространство этот молниеотвод может защитить? Чем выше молниеотвод, тем с большего пространства вокруг себя он может как бы собрать молнии. Стержневой молниеотвод защищает во все стороны от себя одинаково. Вокруг него образуется «защищённое пространство», имеющее форму конуса (такую форму имеет шалаш, составленный из палок — см. рис. 19). Расстояние от окружности, на которую опирается этот шалаш, до её центра, где стоит молниеотвод, такое же, как высота молниеотвода. Всё, что находится внутри этого конуса, будет защищено от молнии.

Рис. 19. Пространство, заключённое в этом конусе, защищено от грозовых разрядов.

Если нужно защитить от молнии какое-либо небольшое сооружение, то ставят на него или около него стержневой молниеотвод такой высоты, чтобы всё сооружение попало в защищаемое пространство внутри изображённого здесь конуса.

Основные требования, которые предъявляют к сооружению молниеотвода, защищающего от грозы колхозные и сельские постройки, — это дешевизна и простота самого устройства.

Наилучшей защитой является стержневой молниеотвод, который устанавливают на самой постройке.

Для примера рассмотрим защиту от молнии небольшого жилого дома, изображённого на рис. 20.

Рис. 20. Защита от молнии небольшого дома.

Здесь молниеотвод длиною в 5 метров установлен в середине конька крыши. Пунктирные линии на рисунке ограничивают то пространство, куда не может попасть молния.

Как видно из рисунка, все части дома оказываются защищёнными.

Молниеотвод может быть и в виде деревянного шеста, укреплённого к стропилам крыши. Тогда токоотводным проводником будет железная проволока толщиной в 8–9 миллиметров, которую следует проложить вдоль шеста. Проволока может быть и не круглой, но её поперечник должен быть не меньше 50 квадратных миллиметров. Проволока должна быть укреплена на шесте железными бандажами и выступать над верхним концом шеста не менее, чем на 100–150 миллиметров. Токоотвод следует опустить по крыше и затем по стене дома вниз, в землю, в которой вырывается канава глубиной в 1 метр. На дне канавы располагают токоотвод. Длина канавы и токоотвода может быть различной, в зависимости от характера почвы: в глине она равна 3 метрам, в суглинке — 5 метрам, в чернозёме — 10 метрам, в супеске — 15–25 метрам. Чем меньше проводимость грунта, тем длиннее проволока.

В песчаных грунтах заземление молниеотвода следует делать в местах с одинаковой влажностью и выполнять его в виде двух-трёх лучей, направленных в разные стороны, каждый длиной 20 метров.

Если токоотвод прокладывается по кровле, сделанной из воспламеняющегося материала (например, солома, щепа и т. п.), то нельзя допускать, чтобы он касался крыши. В этих случаях токоотвод прокладывается на деревянных или металлических штырях, укреплённых на решётке кровли таким образом, чтобы между проволокой и поверхностью крыши оставался промежуток в 5–10 сантиметров.

Защита от грозовых разрядов может быть осуществлена молниеотводом, стоящим отдельно от дома, например, можно использовать дерево, растущее вблизи строений (рис. 21). В этом случае достаточно проложить проволоку по стволу дерева. Если длина этой проволоки до поверхности земли достигает 14–18 метров, а расстояние от проволоки до наиболее удалённого края дома не более 10–15 метров, то дом будет защищён от ударов в него молнии.

Один молниеотвод может защищать одновременно два дома, как видно на том же рисунке 21. Если дерево находится от здания на расстоянии меньшем, чем 4–5 метров, то следует в том месте строения, которое ближе всего к дереву, проложить по стене железный провод (толщиной 7–8 миллиметров), присоединив его под землёй к заземлителю молниеотвода. Эта проволока, в случае перескакивания молнии на защищаемое сооружение, предупредит расщепление постройки и её воспламенение.

Рис. 21. Защита с помощью молниеотвода, устроенного на дереве.

Здесь же следует указать, что молниеотводы должны быть удалены от конюшен и других помещений, где находятся животные, не менее, чем на 5–6 метров, так как животные и, в частности, лошади очень восприимчивы к воздействиям на них даже очень незначительного электрического тока.

Чтобы не быть поражённым ударом молнии, нужно избегать во время грозы подходить к молниеотводам или высоким одиночным предметам (столбам, деревьям) на расстояние меньшее 8–10 метров. Если человек застигнут грозой вдали от помещений, то он ни в коем случае не должен прятаться под деревьями, прислоняясь к их стволу.

Очень опасно быть в течение грозы на возвышенных местах (холмах или горах) или на открытых равнинах. Рекомендуется укрываться в небольших углублениях на склоне холмов, вблизи больших камней или деревьев на расстоянии не менее чем на 8–10 метров от одиночных предметов, выбирая, если имеется возможность, место посередине между двумя деревьями, растущими на расстоянии 15–25 метров.

Следует обратить внимание на одну очень распространённую и совершенно неправильную меру, применяемую иногда при поражении людей электрическим током или молнией. Мера эта заключается в том, что поражённого током человека для «оживления» временно закапывают в землю. Но эта мера может лишь повредить человеку. В то время как человек нуждается в искусственном дыхании и усиленном притоке к телу воздуха, засыпание землёй препятствует этому. А если есть открытые ранения от удара молнии, то земля загрязняет их. Поэтому закапывание в землю вредно. Пострадавшему, находящемуся в бессознательном состоянии, до прихода врача необходимо делать искусственное дыхание.

Так как шаровая молния изучена сравнительно мало, то до сих пор ещё нет надёжно проверенных способов защиты от неё.

Хотя и бывали случаи, когда шаровая молния проникала даже через закрытое окно, пробив оконные стёкла, всё же целиком закрытое помещение, при закрытых окнах и воздухопроводах (вентиляциях) достаточно защищено от шаровой молнии.

В качестве простых мер, защищающих от шаровой молнии, рекомендуется установить над выходными отверстиями труб, в вентиляционных проходах и т. д. металлические заземлённые сетки с площадью отверстий не более 4 квадратных сантиметров и толщиною проволоки в 2–2¹/₂ миллиметра. Во время грозы следует закрывать окна, двери и другие отверстия, через которые шаровая молния может проникать внутрь помещения. Если закрытие всех таких проходов произвести затруднительно, то следует применять металлические сетки.

Эти меры должны особенно тщательно осуществляться в огнеопасных помещениях.