По­ляр­ное си­я­ние  — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зе­ле­ные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на да­ле­ком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния  — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский уче­ный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние уче­но­го.

По­ляр­ные си­я­ния  — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоев ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зе­ле­ной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота  — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и при­да­ет по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с ее по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

В пе­ри­од ак­тив­но­сти на Солн­це на­блю­да­ют­ся вспыш­ки. Вспыш­ка пред­став­ля­ет собой нечто по­доб­ное взры­ву, в ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся на­прав­лен­ный поток очень быст­рых за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов и др.). По­то­ки за­ря­жен­ных ча­стиц, не­су­щих­ся с огром­ной ско­ро­стью, из­ме­ня­ют маг­нит­ное поле Земли, то есть при­во­дят к по­яв­ле­нию маг­нит­ных бурь на нашей пла­не­те.

За­хва­чен­ные маг­нит­ным полем Земли за­ря­жен­ные ча­сти­цы дви­жут­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых линий и наи­бо­лее близ­ко к по­верх­но­сти Земли про­ни­ка­ют в об­ла­сти маг­нит­ных по­лю­сов Земли. В ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний за­ря­жен­ных ча­стиц с мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха воз­ни­ка­ет элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние  — по­ляр­ное си­я­ние.

Цвет по­ляр­но­го си­я­ния опре­де­ля­ет­ся хи­ми­че­ским со­ста­вом ат­мо­сфе­ры. На вы­со­тах от 300 до 500 км, где воз­дух раз­ре­жен, пре­об­ла­да­ет кис­ло­род. Цвет си­я­ния здесь может быть зе­ле­ным или крас­но­ва­тым. Ниже уже пре­об­ла­да­ет азот, да­ю­щий си­я­ния ярко-крас­но­го и фи­о­ле­то­во­го цве­тов.

Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным до­во­дом в поль­зу того, что мы пра­виль­но по­ни­ма­ем при­ро­ду по­ляр­но­го си­я­ния, яв­ля­ет­ся его по­вто­ре­ние в ла­бо­ра­то­рии. Такой экс­пе­ри­мент, по­лу­чив­ший на­зва­ние «Араке», был про­ве­ден в 1985 году сов­мест­но рос­сий­ски­ми и фран­цуз­ски­ми ис­сле­до­ва­те­ля­ми.

В ка­че­стве ла­бо­ра­то­рий были вы­бра­ны две точки на по­верх­но­сти Земли, ле­жа­щие вдоль одной и той же си­ло­вой линии маг­нит­но­го поля. Этими точ­ка­ми слу­жи­ли в Южном по­лу­ша­рии фран­цуз­ский ост­ров Кер­ге­лен в Ин­дий­ском оке­а­не и в Се­вер­ном по­лу­ша­рии по­се­лок Согра в Ар­хан­гель­ской об­ла­сти. С ост­ро­ва Кер­ге­лен стар­то­ва­ла гео­фи­зи­че­ская ра­ке­та с не­боль­шим уско­ри­те­лем ча­стиц, ко­то­рый на опре­де­лен­ной вы­со­те со­здал поток элек­тро­нов. Дви­га­ясь вдоль маг­нит­ной си­ло­вой линии, эти элек­тро­ны про­ник­ли в Се­вер­ное по­лу­ша­рие и вы­зва­ли ис­кус­ствен­ное по­ляр­ное си­я­ние над Со­грой.

В пе­ри­од ак­тив­но­сти на Солн­це на­блю­да­ют­ся вспыш­ки. Вспыш­ка пред­став­ля­ет собой нечто по­доб­ное взры­ву, в ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся на­прав­лен­ный поток очень быст­рых за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов и др.). По­то­ки за­ря­жен­ных ча­стиц, не­су­щих­ся с огром­ной ско­ро­стью, из­ме­ня­ют маг­нит­ное поле Земли, то есть при­во­дят к по­яв­ле­нию маг­нит­ных бурь на нашей пла­не­те.

За­хва­чен­ные маг­нит­ным полем Земли за­ря­жен­ные ча­сти­цы дви­жут­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых линий и наи­бо­лее близ­ко к по­верх­но­сти Земли про­ни­ка­ют в об­ла­сти маг­нит­ных по­лю­сов Земли. В ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний за­ря­жен­ных ча­стиц с мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха воз­ни­ка­ет элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние  — по­ляр­ное си­я­ние.

Цвет по­ляр­но­го си­я­ния опре­де­ля­ет­ся хи­ми­че­ским со­ста­вом ат­мо­сфе­ры. На вы­со­тах от 300 до 500 км, где воз­дух раз­ре­жен, пре­об­ла­да­ет кис­ло­род. Цвет си­я­ния здесь может быть зе­ле­ным или крас­но­ва­тым. Ниже уже пре­об­ла­да­ет азот, да­ю­щий си­я­ния ярко-крас­но­го и фи­о­ле­то­во­го цве­тов.

Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным до­во­дом в поль­зу того, что мы пра­виль­но по­ни­ма­ем при­ро­ду по­ляр­но­го си­я­ния, яв­ля­ет­ся его по­вто­ре­ние в ла­бо­ра­то­рии. Такой экс­пе­ри­мент, по­лу­чив­ший на­зва­ние «Араке», был про­ве­ден в 1985 году сов­мест­но рос­сий­ски­ми и фран­цуз­ски­ми ис­сле­до­ва­те­ля­ми.

В ка­че­стве ла­бо­ра­то­рий были вы­бра­ны две точки на по­верх­но­сти Земли, ле­жа­щие вдоль одной и той же си­ло­вой линии маг­нит­но­го поля. Этими точ­ка­ми слу­жи­ли в Южном по­лу­ша­рии фран­цуз­ский ост­ров Кер­ге­лен в Ин­дий­ском оке­а­не и в Се­вер­ном по­лу­ша­рии по­се­лок Согра в Ар­хан­гель­ской об­ла­сти. С ост­ро­ва Кер­ге­лен стар­то­ва­ла гео­фи­зи­че­ская ра­ке­та с не­боль­шим уско­ри­те­лем ча­стиц, ко­то­рый на опре­де­лен­ной вы­со­те со­здал поток элек­тро­нов. Дви­га­ясь вдоль маг­нит­ной си­ло­вой линии, эти элек­тро­ны про­ник­ли в Се­вер­ное по­лу­ша­рие и вы­зва­ли ис­кус­ствен­ное по­ляр­ное си­я­ние над Со­грой.

В 1880 году фран­цуз­ские уче­ные  — бра­тья Пьер и Поль Кюри  — ис­сле­до­ва­ли свой­ства кри­стал­лов. Они за­ме­ти­ли, что если кри­сталл квар­ца сжать с двух сто­рон, то на его гра­нях, пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­нию сжа­тия, воз­ни­ка­ют элек­три­че­ские за­ря­ды: на одной грани по­ло­жи­тель­ные, на дру­гой  — от­ри­ца­тель­ные. Таким же свой­ством об­ла­да­ют кри­стал­лы тур­ма­ли­на, се­гне­то­вой соли, даже са­ха­ра. За­ря­ды на гра­нях кри­стал­ла воз­ни­ка­ют и при его рас­тя­же­нии. При­чем если при сжа­тии на грани на­кап­ли­вал­ся по­ло­жи­тель­ный заряд, то при рас­тя­же­нии на этой грани будет на­кап­ли­вать­ся от­ри­ца­тель­ный заряд, и на­о­бо­рот. Это яв­ле­ние было на­зва­но пье­зо­элек­три­че­ством (от гре­че­ско­го слова «пьезо»  — давлю). Кри­сталл с таким свой­ством на­зы­ва­ют пъ­е­зо­элек­три­ком.

В даль­ней­шем бра­тья Кюри об­на­ру­жи­ли, что пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект об­ра­тим: если на гра­нях кри­стал­ла со­здать раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды, он либо со­жмет­ся, либо рас­тя­нет­ся в за­ви­си­мо­сти от того, к какой грани при­ло­жен по­ло­жи­тель­ный и к какой  — от­ри­ца­тель­ный заряд.

На яв­ле­нии пье­зо­элек­три­че­ства ос­но­ва­но дей­ствие ши­ро­ко рас­про­стра­нен­ных пье­зо­элек­три­че­ских за­жи­га­лок. Ос­нов­ной ча­стью такой за­жи­гал­ки яв­ля­ет­ся пье­зо­эле­мент  — ке­ра­ми­че­ский пье­зо­элек­три­че­ский ци­линдр с ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми на ос­но­ва­ни­ях. При по­мо­щи ме­ха­ни­че­ско­го устрой­ства про­из­во­дит­ся крат­ко­вре­мен­ный удар по пье­зо­эле­мен­ту. При этом на двух его сто­ро­нах, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию дей­ствия де­фор­ми­ру­ю­щей силы, по­яв­ля­ют­ся раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды. На­пря­же­ние между этими сто­ро­на­ми может до­сти­гать не­сколь­ких тысяч вольт. По изо­ли­ро­ван­ным про­во­дам на­пря­же­ние под­во­дит­ся к двум элек­тро­дам, рас­по­ло­жен­ным в на­ко­неч­ни­ке за­жи­гал­ки на рас­сто­я­нии 3-4 мм друг от друга. Воз­ни­ка­ю­щий между элек­тро­да­ми ис­кро­вой раз­ряд под­жи­га­ет смесь газа и воз­ду­ха.

Не­смот­ря на очень боль­шие на­пря­же­ния (-10 кВ), опыты с пье­зо­за­жи­гал­кой со­вер­шен­но без­опас­ны, так как даже при ко­рот­ком за­мы­ка­нии сила тока ока­зы­ва­ет­ся такой же ни­чтож­но малой и без­опас­ной для здо­ро­вья че­ло­ве­ка, как при элек­тро­ста­ти­че­ских раз­ря­дах при сни­ма­нии шер­стя­ной или син­те­ти­че­ской одеж­ды в сухую по­го­ду.

Жизнь со­вре­мен­но­го че­ло­ве­ка не­воз­мож­но пред­ста­вить без раз­лич­ных элек­тро­при­бо­ров. Элек­три­че­ские лампы, элек­тро­пли­ты, элек­тро­чай­ни­ки, те­ле­ви­зо­ры, хо­ло­диль­ни­ки, аудио- и ви­део­си­сте­мы, фены и мно­гие дру­гие элек­тро­при­бо­ры проч­но вошли в нашу жизнь. Для обес­пе­че­ния ра­бо­ты этих при­бо­ров все по­ме­ще­ния, пред­на­зна­чен­ные для по­сто­ян­но­го или вре­мен­но­го про­жи­ва­ния че­ло­ве­ка, элек­три­фи­ци­ру­ют­ся. Стан­дар­ты, при­ня­тые в нашей стра­не, преду­смат­ри­ва­ют под­клю­че­ние элек­тро­при­бо­ров к пе­ре­мен­но­му на­пря­же­нию (220 В, 50 Гц). В по­ме­ще­ние обыч­но вво­дят­ся три про­во­да  — ну­ле­вой, фаз­ный и за­зем­ля­ю­щий. При под­клю­че­нии вилки элек­тро­при­бо­ра между ну­ле­вым и фаз­ным про­во­дом (по­сред­ством ро­зет­ки) на при­бор по­да­ет­ся нуж­ное пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, и в цепи при­бо­ра на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток. За­зем­ля­ю­щий про­вод при по­мо­щи спе­ци­аль­но­го кон­так­та, име­ю­ще­го­ся в ро­зет­ке, под­клю­ча­ет­ся к кор­пу­су при­бо­ра.

По­сколь­ку пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, о ко­то­ром идет речь, опас­но для жизни, важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся обес­пе­че­ние без­опас­но­сти под­клю­че­ния элек­тро­при­бо­ров. В част­но­сти, не­об­хо­ди­мы спе­ци­аль­ные при­спо­соб­ле­ния, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют от­клю­че­ние по­ме­ще­ния от сети пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния в слу­чае воз­ник­но­ве­ния утеч­ки элек­три­че­ско­го тока из фаз­но­го про­во­да на за­зем­ля­ю­щий про­вод  — через по­вре­жден­ную изо­ля­цию или че­ло­ве­че­ское тело. Такое при­спо­соб­ле­ние на­зы­ва­ет­ся устрой­ством за­щит­но­го от­клю­че­ния (УЗО).

По­яс­ним прин­цип дей­ствия УЗО при по­мо­щи ри­сун­ка. Вхо­дя­щие в по­ме­ще­ние ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да (0 и Ф) под­клю­ча­ют­ся к вход­ным кон­так­там (1) УЗО, а про­во­да, иду­щие к ро­зет­кам - к вы­ход­ным кон­так­там (2) УЗО. За­зем­ля­ю­щий про­вод (3) к УЗО не под­клю­ча­ет­ся, он под­со­еди­ня­ет­ся на­пря­мую к спе­ци­аль­ной клем­ме в ро­зет­ке. Для вклю­че­ния УЗО (и по­да­чи на­пря­же­ния в ро­зет­ки) нужно на­жать кноп­ку (3) - в ре­зуль­та­те этого пру­жин­ные кон­так­ты (4) за­мы­ка­ют­ся, и УЗО про­пус­ка­ет ток. При этом од­но­вре­мен­но вклю­ча­ет­ся пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый удер­жи­ва­ет кон­так­ты (4) в за­мкну­том со­сто­я­нии. Ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да рас­по­ло­же­ны па­рал­лель­но друг другу и про­хо­дят через от­вер­стие в кар­ка­се, на ко­то­ром на­мо­та­на ка­туш­ка (6), со­дер­жа­щая много вит­ков про­во­ло­ки (ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да не имеют элек­три­че­ско­го кон­так­та с ка­туш­кой). При нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров ток, те­ку­щий по фаз­но­му про­во­ду, в точ­но­сти равен току, те­ку­ще­му по ну­ле­во­му про­во­ду, при­чем в каж­дый мо­мент вре­ме­ни эти токи текут в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях. По­это­му при нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров маг­нит­ное поле, со­зда­ва­е­мое сов­мест­но то­ка­ми, те­ку­щи­ми в ну­ле­вом и в фаз­ном про­во­де, близ­ко к нулю. При воз­ник­но­ве­нии утеч­ки тока из фаз­но­го про­во­да в за­зем­ля­ю­щий про­вод (на­при­мер, в ре­зуль­та­те од­но­вре­мен­но­го при­кос­но­ве­ния че­ло­ве­ка к фаз­но­му и к за­зем­ля­ю­ще­му про­во­ду) ба­ланс на­ру­ша­ет­ся - ток, те­ку­щий по ну­ле­во­му про­во­ду, ста­но­вит­ся мень­ше тока, те­ку­ще­го по фаз­но­му про­во­ду (часть тока уте­ка­ет через за­зем­ля­ю­щий про­вод «мимо» ну­ле­во­го). Вслед­ствие этого во­круг ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да воз­ни­ка­ет за­мет­ное пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле, ко­то­рое вы­зы­ва­ет по­яв­ле­ние ЭДС ин­дук­ции в на­мо­тан­ной на кар­кас ка­туш­ке (6). В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток, ко­то­рый ре­ги­стри­ру­ет­ся сле­дя­щим элек­трон­ным устрой­ством (7). Это устрой­ство сразу же раз­мы­ка­ет ключ (8) и тем самым от­клю­ча­ет пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый, в свою оче­редь, пе­ре­ста­ет удер­жи­вать в за­мкну­том со­сто­я­нии кон­так­ты (4), и они под дей­стви­ем пру­жи­ны также раз­мы­ка­ют­ся, от­клю­чая ро­зет­ки от ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да.

Из при­ве­ден­но­го опи­са­ния ясно, что УЗО будет сра­ба­ты­вать во всех слу­ча­ях, когда будет ста­но­вить­ся от­лич­ным от нуля сум­мар­ный ток, те­ку­щий через ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да, про­пу­щен­ные через ка­туш­ку (6). УЗО кон­стру­и­ру­ют так, чтобы оно сра­ба­ты­ва­ло и раз­ры­ва­ло пи­та­ю­щую цепь за мак­си­маль­но ко­рот­кий про­ме­жу­ток вре­ме­ни, чтобы элек­три­че­ский ток не успел на­не­сти вред че­ло­ве­че­ско­му ор­га­низ­му.