Китайские физики создали самую маленькую молнию на Земле

Ученые из Китая и США создали самую миниатюрную и скоротечную молнию на Земле, наблюдая за появлением облачков плазмы и разрядов между двумя микроэлектродами. Их выводы и фотографии "наномолнии" были представлены в журнале Physics of Plasmas. 

"Понимание того, как возникают электрические разряды и пробои в воздухе и в других газах, крайне важно с практической точки зрения. Микроплазма может применяться для создания "плоских" излучателей света, в медицинских приборах, в двигателях внутреннего сгорания и в ультрафиолетовых газоразрядных лампах", — рассказывает Годун Мэн (Guodong Meng) из университета Сианя (Китай).

Природа молний была разгадана еще в 1749 году американским естествоиспытателем Бенджаменом Франклином. Он обнаружил, экспериментируя с громоотводами и воздушными змеями, что молнии представляют собой электрические разряды между грозовыми облаками и поверхностью Земли.

В начале текущего десятилетия, благодаря исследованиям российских физиков, картина стала сложнее. Оказалось, что в рождении молний замешаны космические лучи, выступающие в качестве "спускового крючка" для вспышек электричества. Кроме того, данные со спутника "Чибис-М" указали, что молнии представляют многоуровневые структуры, так называемые фракталы, физические свойства и устройство микроячеек которых идентично всей молнии в целом.

Мэн и его коллеги изучали еще один пример подобных структур – так называемые пробои, разряды электричества, возникающие в газообразных средах примерно так же, как и молнии. Хорошо известный всем пример подобных рукотворных "молний" – электрическая дуга в сварочном аппарате или искры в свечах зажигания.

Ученые, как отмечает Мэн, достаточно хорошо знают, как ведут себя такие разряды электричества "нормальных" размеров, однако поведение более миниатюрных "молний" оставалось загадкой для физиков.

Авторы статьи сделали первый шаг к раскрытию тайн подобных разрядов, создав самую небольшую молнию на Земле, чья длина составляла всего 1-10 микрометров. Для этого ученые создали силовую установку, способную вырабатывать очень короткие импульсы тока с напряжением в 5 киловольт, и соединили ее с камерой, способной получать снимки каждые 2 наносекунды.

Источник тока они подключили к двум электродам из вольфрама, установленных в лаборатории таким образом, что расстояние между ними можно было менять с точностью в несколько сотен нанометров. Передвигая эти электроды и меняя напряжение на них, ученые отслеживали то, при каких условиях возникали молнии и как менялись свойства воздуха при их рождении.

Фотография миниатюрной молнии

Эти наблюдения показали, что подобные вспышки рождаются благодаря тому, что свободные электроны, "плавающие" в воздухе между электродами, ускоряются под действием электрических полей, и сталкиваются с нейтральными молекулами. Они выбивают из них еще больше электронов, которые сталкиваются с другими атомами, порождая своеобразную "лавину" ионизации. В конечном итоге нейтральный газ превращается в плазму, через которую может двигаться ток. 

Подобный сценарий рождения микромолний, как отмечают физики, в целом соответствует текущим теоретическим представлениям об их природе, хотя некоторые интересные и неожиданные вещи им все же удалось раскрыть.

К примеру, выяснилось, что минимальное напряжение, необходимое для возникновения молнии, остается примерно одинаковым при небольших расстояниях между электродами, но начинает резко расти после того, как дистанция достигает отметки в 10 микрометров.

Это, как считают Мэн и его коллеги, говорит о том, что пробой возникает при близком соседстве электродов не только из-за появления "лавины" электронов, но и по каким-то другими причинам, которые еще предстоит раскрыть. Их изучение поможет защитить компьютерные чипы от пробоев, и создать устройства, использующие "наномолнии" в своей работе.