Молния поджигает лес, раскаленная спираль тостера или лампочки светится, как пламя. Как будто есть какая-то связь. Но что если на фундаментальном уровне огонь и электричество — это не «причина и следствие», а практически одно и то же явление?
💡 А пока не забудьте подписаться на мой telegram-блог, ведь там очень много интересного по физ-мату и IT 📚
▪️ 1. Плазма: четвертое состояние вещества, где они встречаются
И огонь, и электрическая дуга — это по большей части плазма. Что это? Это не газ, не жидкость и не твердое тело, а ионизированное вещество, где электроны оторваны от своих атомов.
🔸 В пламени свечи высокотемпературная зона (та самая, что светит) содержит раскаленные ионизированные частицы сажи и газа. Это слабоионизированная плазма.
🔸 В молнии или дуге сварочного аппарата — та же история, только масштаб и энергия колоссальны. Электрический ток, протекая через воздух, с огромной силой выбивает электроны из молекул, создавая проводящий канал из плазмы.
Малоизвестный факт: Плазма в молнии настолько горячая (до 30 000 °C — в 5 раз горячее поверхности Солнца!), что создает не только свет и гром, но и рентгеновское и гамма-излучение. Ученые называют это явление «Терrestrial Gamma-ray Flashes» (TGF) — земные всплески гамма-излучения.
▪️ 2. Электрический пробой: рождение огня из ничего
Как вообще воздух, который является изолятором, вдруг начинает проводить ток и превращаться в огонь? Это явление называется электрическим пробоем. В Physics.Math.Code недавно был опыт по теме с электрофорной машинкой. Представьте себе два электрода. Мы постепенно увеличиваем напряжение. В какой-то момент электрическое поле между ними становится настолько большим (~3 000 000 В/м для воздуха!), что оно начинает «вырывать» электроны из молекул газа. Эти свободные электроны, как снежный ком, сталкиваются с другими атомами, выбивая из них новые электроны — возникает «лавинная» ионизация. Эта лавина и есть начало плазменного канала. Воздух буквально разрывается под натиском поля, рождая огненную нить тока. Это не горение в привычном смысле слова (окисление топлива), это принудительная ионизация.
▪️ 3. Огненный шар... из микроволновки?
Если воткнуть в виноград (или ягоду) две металлические иголки и поместить его в микроволновку, можно создать плазменный шар. Почему?
1. Микроволны (электромагнитное излучение) разгоняют ионы в сочной ягоде.
2. В точке контакта двух половинок винограда возникает мощное электрическое поле.
3. Происходит пробой воздуха и ионизация паров натрия и калия из ягоды — рождается маленький, но очень эффектный плазменный разряд.
Это наглядная демонстрация того, как электромагнитная энергия напрямую превращается в огонь (плазму).
▪️ 4. Эффект Янова-Рогинского (Контракция газового разряда): когда ток сам «выбирает» путь через пламя
Сложный и элегантный факт из теории горения. Если попытаться пропустить электрический ток через пламя, произойдет нечто удивительное. Ток не пойдет равномерно по всему сечению пламени. Он сожмется в узкий, плотный шнур — «токовый шнур». Почему? Плазма в пламени — проводник неидеальный. При протекании тока она нагревается еще сильнее. Нагрев уменьшает сопротивление в этом канале, что притягивает еще больше тока, что снова увеличивает нагрев. Это положительная обратная связь, которая заставляет весь ток сконцентрироваться в одном узком луче, самоорганизуясь внутри, казалось бы, хаотичного пламени.
1. Тепловая (термическая) неустойчивость плазмы (Thermal instability of plasma). Это общее название для процессов, когда из-за локального нагрева проводимость плазмы растет, что приводит к еще большему нагреву и концентрации тока.
2. Пинч-эффект (Z-pinch) с омическим нагревом. Ток, протекая по плазме, создает магнитное поле, которое "сжимает" плазменный шнур (это и есть пинч-эффект). А омический нагрев усиливает этот процесс.
3. Контракция газового разряда (Contraction of gas discharge). Именно так это явление часто описывается в русскоязычной литературе по физике газового разряда. Когда токовый канал в газе (например, в пламени) самопроизвольно сужается из-за роста температуры и проводимости в его центре.
Вывод
Огонь и электричество — не просто соседи. Это проявления единой фундаментальной силы — электромагнитного взаимодействия. Огонь — это видимый нам процесс окисления, сопровождающийся свечением плазмы. Электрический разряд — это прямое управление этой плазмой с помощью поля. Два лика одной стихии, танец электронов, который мы научились называть разными именами.
📚 Основы физики плазмы [3 тома] Бернштейн, Байт, Вейтцнер, Галеев, Судан
⚡️ Электродинамика в опытах: Лестница Иакова — электрическая дуга, которая поднимается вверх
⚡ Катушка Тесла как музыкальный инструмент
⚡ Ионофон (англ. Ionophone) или, в некоторых источниках, поющая дуга
📚 Подборка книг по физике плазмы
Понравилась статья? Дайте обратную связь в комментариях. Напишите ваше мнение, идеи, мысли 😉
Если Вам нужен репетитор по физике, математике или информатике/программированию, Вы можете написать мне или в мою группу Репетитор IT mentor в VK
Библиотека с книгами для физиков, математиков и программистов
Репетитор IT mentor в VK
Репетитор IT mentor в telegram