Молния и ток в газах

Пока из облака не пошел дождь, большие капельки, проскочив «низ» облака, попадают в восходящий поток с температурой выше точки росы. Здесь большинство капель испаряется, но их заряд не пропадает (подумайте, на каких частицах остаются заряды). Все время, пока происходит конвекция воздуха и пока из облака еще не полил дождь, продолжается разделение зарядов и, соответственно, усиление электрического поля в пространстве. При достижении определенной величины поля в воздухе возникает электрический пробой — по возникшему проводящему участку воздуха протекает большой ток (порядка $10^4$ - $10^6$ ампер). Этот участок воздуха нагревается, светится и расширяется, теперь результаты работы электрической машины в атмосфере можно видеть и слышать - началась гроза! Поскольку существует два участка с сильным электрическим полем: между низом и верхом грозового облака и между низом облака и поверхностью земли, то молнии случаются как внутриоблачные, так и между облаком и землей. Обычно разряды молний начинаются внутри облака (там, где давление воздуха меньше). По мере нарастания «мощи» грозового облака все большая часть накопленного тепла перебирается от земли к облаку, и нижняя граница облака (та высота, на которой достигается точка росы) опускается все ниже и ниже. Этому помогают крупные капли, которые «проскакивают» мимо границы облака и испаряются, поглощая тепло восходящего воздушного потока, все ближе и ближе к земле. (Кстати заметим, что существующее внутри облака электрическое поле способствует более быстрому росту размеров капель.) Наконец, условия для пробоя воздуха достигаются и в воздушном промежутке «облако - земля». В конце концов возникает «прорыв»: поднимающийся вверх теплый воздух уже не в состоянии испарить все падающие вниз капли - «разверзаются хляби небесные», и испаренная с поверхности вода возвращается на землю в виде дождя или града. Итак, мы выяснили, каким образом солнечная энергия, поглощенная на поверхности земли, превращается в тепловую энергию влажного воздуха, а та, в свою очередь, переходит в электрическую энергию в результате конвекции воздуха в электрическом поле. Даже в отсутствие внешнего электрического поля в газах всегда имеются заряженные частицы, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией нейтральных частиц - атомов и молекул, если температура ниже 1000 К. Эти заряженные частицы непрерывно образуются под действием космического излучения и излучений радиоактивных веществ и исчезают в результате рекомбинации при встречах частиц с разными знаками зарядов. Если газ поместить в электрическое поле, то под его действием заряженные частицы приобретают (в среднем) дополнительную кинетическую энергию. Эта энергия может быть передана другим частицам при столкновениях. Электрическое поле заставляет заряженные частицы пробираться сквозь «нестройные» ряды нейтральных частиц и соударяться с ними. Ситуация может быть описана простой моделью: среди плотного газа нейтральных частиц находится разреженный газ заряженных частиц. Столкновения заряженных частиц друг с другом тоже происходят, но очень редко, и их можно (пока) не рассматривать. В среднем плотность зарядов в газе равна нулю, т.е. концентрации отрицательно и положительно заряженных частиц равны друг другу (нейтральный газ). Между двумя последовательными столкновениями частицы успевают пролететь некоторое расстояние, которое характеризуется средней длиной свободного пробега $\lambda$. Пока заряженная частица летит свободно, она движется с ускорением под действием внешнего электрического поля, в котором находится газ. Если газ имеет низкую температуру, то нейтральные частицы газа перед столкновением с разогнавшейся заряженной частицей можно считать покоящимися. Упругие столкновения двух частиц (неважно, что одна из них заряжена) происходят так, что энергия между частицами перераспределяется. Пусть масса нейтральной частицы $M$, а масса заряженной частицы $m$ (меньшая, чем $M$ ), тогда за один упругий удар энергичная заряженная частица, имевшая до удара энергию $W$, передаст нейтральной частице энергию в диапазоне от нуля до $\frac{4 W m M}{(M+m)^2}$ (при лобовом столкновении). Понятно, что чем меньше масса налетающей частицы, тем меньше энергии будет передано второму участнику упругого столкновения. Таким образом, быстрее всего накапливают кинетическую энергию, приобретенную во внешнем электрическом поле, легкие (в сравнении с атомами и молекулами) электроны (они просто при ударах отдают меньше). Нас, конечно же, прежде всего интересуют столкновения легких электронов, имеющих заряд е, с массивными частицами. Средняя энергия, передаваемая электроном нейтральной частице при столкновении, имеет порядок величины $\frac{4 m}{M}$ (точный расчет среднего значения дает дополнительно численный множитель порядка 1.) Хотя в свободном полете между ударами электроны имеют ускорение, направленное только вдоль вектора напряженности $\vec{E}$, нелобовые удары обеспечивают появление у электронов составляющих скорости и в направлении, перпендикулярном $\...