Kokį krūvį turi žemė, teigiamą ar neigiamą? Atmosferos elektra

Audra. Žaibas.

Būdvardis „siaubingas“ yra sudarytas iš daiktavardžio „perkūnija“. Po tokio subtilaus kalbinio stebėjimo ir apgalvotos išvados iš karto prisimenami nuostabūs F.I. Tyutcheva: „Aš mėgstu perkūniją gegužės pradžioje...“ Žinoma, perkūnija būna bet kuriuo metų laiku, net ir žiemą, bet pavasarį, kai gamta žydi, perkūnija būna ypač graži, tai ir yra dainininkas pastebėjo.

Kas yra gražu, didinga ir tuo pačiu metu pavojingas reiškinys gamta vadinama perkūnija? Mokslininkai ir paprasti žmonės jau seniai apie tai galvojau. Nesuprasdami perkūnijos esmės priežasčių, žmonės senovėje nuolat patyrė šventą šio gamtos reiškinio siaubą. Ir buvo dėl ko pasibaisėti: stiprios perkūnijos pasekmės dažnai buvo namų ir ūkinių pastatų sunaikinimas, gaisrai, žmonių ir naminių gyvūnų mirtis.

Tik XVIII amžiuje mokslininkai nustatė, kad žaibas yra kibirkštinio išlydžio atmosferos elektros. Daugelis mokslininkų tyrinėjo atmosferos elektrą, įskaitant M.V. Lomonosovas, kuris teisingai spėjo apie vertikalias sroves atmosferoje ir elektros krūvių atsiradimą debesyse. Remdamasis 1752-1753 metais atliktais eksperimentais, M.V. Lomonosovas ir amerikiečių tyrinėtojas ir valstybininkas Benjaminas Franklinas (1706-1790) vienu metu ir savarankiškai įrodė, kad perkūnijos žaibas yra milžiniška elektros kibirkštis, kuri, išskyrus savo dydį ir atitinkamai energiją, niekuo nesiskiria nuo kibirkšties, šokinėjančios tarp laboratorinės elektros mašinos kamuoliukų.

Lomonosovas pastatė „perkūno mašiną“, kuri buvo kondensatorius, įkraunamas atmosferos elektra per laidą, kurio galas buvo pakeltas virš žemės ant aukšto stulpo. Kondensatorius buvo Lomonosovo biure. Per perkūniją buvo galima ištraukti kibirkštis iš kondensatoriaus, kai prie jo priartėjo rankos. Per tokius eksperimentus 1753 m., Lomonosovo akyse, mirė su juo dirbęs draugas vokietis. mokslininkas Georgas Turtuolis.

Ne mažiau pavojinga patirtis Tuo pačiu metu Franklinas buvo Amerikoje. Jis paleido jį ant stygos per perkūniją popierinis aitvaras, kuris buvo aprūpintas geležiniu antgaliu. Prie apatinio virvelės galo buvo pririštas metalinis daiktas (durų raktas). Kai styga sušlampa ir virsta laidininku elektros srovė, Franklinas sugebėjo ištraukti raktą elektros kibirkštys ir įkraukite Leyden stiklainius tolesniems eksperimentams su elektrine mašina. Akivaizdu, kad Franklinas labai rizikavo, nes... Į gyvates galėjo trenkti žaibas, o tada – elektros srovė didelis dydis patektų į žemę per eksperimentuotojo kūną.

Lomonosovo ir Franklino eksperimentai parodė, kad perkūnijos debesys yra labai įkrauti elektra.

Vėliau buvo nustatyta, kad skirtingos dalys perkūnijos debesis neštis įvairių ženklų užtaisus. Dažniausiai neigiamai įkraunama apatinė debesies dalis (atsukta į žemę), o viršutinė – teigiamai. Prisiminkite, kad visa Žemė turi neigiamą krūvį. Jei du debesys artėja vienas prie kito su priešingai įkrautomis dalimis, tada tarp jų blykčioja žaibas. Tačiau žaibo iškrova gali įvykti ir kitu būdu. Perkūnijos debesis, praskridęs virš žemės, sukuria didelius indukcinius krūvius savo paviršiuje. Debesis ir žemės paviršius sudaro tarsi dvi didelio kondensatoriaus plokštes. Potencialų skirtumas tarp debesies ir žemės pasiekia didžiulės vertybės, pasiekiantis šimtus milijonų voltų, o ore atsiranda stiprus elektrinis laukas. Jei šio lauko stiprumas pasiekia tam tikra riba, tada įvyksta gedimas, t.y. žaibas trenkia į žemę. APIE galimos pasekmės Apie tokį sukrėtimą žmonėms ir aplinkiniams objektams jau minėjome.

Daugybė ilgalaikių tyrimų rodo, kad kibirkšties išlydis žaibo metu turi šiuos vidutinius parametrus:

Įtampa tarp debesies ir žemės yra 100 000 000 (šimtas milijonų) voltų;
Srovės stiprumas žaibo metu yra 100 000 (šimtas tūkstančių) amperų;
Elektros iškrovos trukmė yra 10 -6 (viena milijonoji dalis) sekundės;
Šviečiančio kanalo skersmuo 10-20 cm.

Perkūnija įvyksta po žaibo, nes oras žaibo kanale ir aplink jį labai įkaista ir greitai plečiasi, sukurdamas garso bangos. Kai šios bangos atsispindi nuo debesų ar objektų žemės paviršiuje, atsiranda aidas, kurį mūsų ausys suvokia kaip griaustinį. Triuškinantis šių gniaužtų riaumojimas netiesiogiai rodo, kokios baisios yra reikšmės elektros kiekiai kad pagimdė žaibą.

Žemės elektrinis laukas.

Mokslininkai nustatė, kad tarp skirtingų žemės atmosferos taškų, esančių skirtinguose aukščiuose, yra potencialų skirtumas, t.y. šalia žemės paviršiaus yra elektrinis laukas. Potencialo pokyčio dydis priklausomai nuo aukščio skiriasi skirtingas laikas metų ir skirtingoms vietovėms, o jo vidutinė vertė yra 130 voltų vienam metrui netoli žemės paviršiaus. Kitaip tariant, lauko stipris šalia Žemės yra 1,3 V/cm. Kylant virš Žemės šis laukas greitai susilpnėja ir jau 1 km aukštyje jo intensyvumas tesiekia 0,4 V/cm, o 10 km aukštyje jis tampa nežymiai silpnas. Šio pokyčio ženklas atitinka neigiamą Žemės krūvį. Taigi nuolat gyvename ir dirbame gana didelio intensyvumo elektriniame lauke.

Kadangi šalia Žemės esančio lauko stipris yra apie 130 V/m, tai tarp taškų, kur yra kiekvieno iš mūsų galva ir pėdos, turėtų būti virš 200 voltų įtampa. Kodėl šio lauko nejaučiame, o prisilietimas prie laidininko, prijungto prie 100-120 voltų įtampos tinklo, gali būti ne tik skausmingas, bet ir mirtinas? Pasirodo, kad žmogaus kūnas yra laidininkas, todėl jo paviršius lauke, kai krūviai yra pusiausvyroje, turėtų būti ekvipotencialų paviršių, t.y. taip, kad bet kurios taškų poros potencialų skirtumas būtų lygus nuliui. Todėl tarp atskirų kūno paviršiaus taškų (galvos ir kojų) negali būti potencialų skirtumo. Žemė paprastai yra laidininkas, todėl ir Žemės paviršius yra ekvipotencialus paviršius.

Eksperimentiniai Žemės elektrinio lauko tyrimai ir atitinkami skaičiavimai rodo, kad visa Žemė turi neigiamą krūvį, Vidutinė vertė kuris įvertintas puse milijono kulonų (apie 4,5x10 5). Šis krūvis išlaikomas maždaug nepakitęs dėl daugelio Žemės atmosferoje ir už jos ribų (pasaulinėje erdvėje) vykstančių procesų, kurie dar toli gražu nėra visiškai suprantami.

Kur yra atitinkami teigiami krūviai? Šie krūviai yra vadinamojoje jonosferoje, t.y. jonizuotų (teigiamai įkrautų) molekulių sluoksnyje, esančiame keliasdešimt kilometrų virš Žemės. Šio atmosferos sluoksnio tūrinis teigiamas krūvis kompensuoja neigiamą Žemės krūvį. Žemės elektrinio lauko linijos eina iš šio sluoksnio į Žemės paviršių (nuo teigiamo iki neigiamo krūvio).

Vaivorykštė.

Paprastai po lietaus danguje pasirodo vaivorykštė, ši spalvinga vandens ir šviesos arka. Nuo neatmenamų laikų vaivorykštės jaudino tyrinėtojų ir mitų kūrėjų protus. Pavyzdžiui, Aristotelis vaivorykštę laikė atspindžiu saulės šviesa debesys. Tai, žinoma, per didelis tikrojo reiškinio supaprastinimas. Autorius šiuolaikinės idėjos balta šviesa yra skirtingų spindulių, turinčių savo bangos ilgį, mišinys. Pakibusi ore vandens lašas, Rėjus balta šviesa lūžta kaip prizmėje. Kai jis atsitrenkia į vidinę lašo sienelę, jis atsispindi ir suyra į vienos spalvos spinduliuotę, kuri yra skirtingi kampai eidamas link priešingos sienos. Ši spinduliuotė, kai ji išsiskiria, turi spalvą, atitinkančią jų bangos ilgį. Jie sudaro įvairiaspalvę vaivorykštės paletę. Naudodami tiksliuosius prietaisus tyrėjai nustatė, kad raudonojo pluošto atspindžio kampas yra 137°58`, o violetinio - 139°43`. Taip atsiranda trapi, nuolat besikartojanti griežta spalvų seka: palei vidinį vaivorykštės kraštą - violetinė, palaipsniui virsta mėlyna, žalia, geltona, oranžine, o išilgai išorinio krašto - raudona.

Lygiai taip pat mėlyna aureolė virš tolimų viršūnių arba virš jūros horizonto atsiranda, kai tam tikro bangos ilgio spinduliai susiduria su oro molekulių suformuotomis dalelėmis. Jei šviesa neatsispindėtų nuo lašų ir dalelių, tada dangus mums atrodytų toks pat juodas kaip tarpplanetinė erdvė, kurią stebėjo astronautai už Žemės atmosferos ribų.

Mokslinis paaiškinimas vaivorykštes 1635 m. padovanojo Rene Descartes'as savo veikale „Meteorai“ skyriuje „Apie vaivorykštę“, pateiktame mūsų svetainėje.

Šviesos bangos– Tai elektromagnetiniai virpesiai. Suvokiami akimis ir apdorojami smegenys, jie sukuria trimatį spalvingą pasaulio, kurį suvokiame, vaizdą. Vaivorykštė yra užsakyta serija elektromagnetinės vibracijos kurių bangos ilgiai nuo 8x10 -5 cm raudonai iki 4x10 -5 cm violetinei. Kitų spalvų bangos ilgiai yra tarp šių verčių. Žmogaus akis yra neįtikėtinai sudėtingas fizinis prietaisas, galintis aptikti spalvų skirtumus, net spalvų atspalvius, kurie atitinka visiškai nereikšmingą šviesos bangų ilgio skirtumą: apie 10–6 (apie milijoną!) centimetro. Paprastai tariant, gamtoje nėra spalvų, yra tik skirtingo ilgio bangos. Spalvos, kurias matome, yra šviesos bangos energija, kurią matuoja akis ir interpretuoja smegenys. Nuostabų spalvų žaismą mūsų akis suvokia tik siauroje šviesos virpesių dažnių juostoje. Kaip tai galėtų atrodyti? pasaulis, jei žmogaus akis turėtų prieigą prie platesnio dažnių diapazono, kad galėtų juos paversti spalvų schema? Neįsivaizduojame tokios situacijos.

O dabar keli žodžiai apie kitus gamtos reiškinius, susijusius su biosferos funkcionavimu. Tęsiant kritulių temą, būtina pasakyti apie sniegą ir krušą. Fiziškai abu šie kritulių tipai yra vienodi, nes vaizduoja iškritimą iš to paties transformuoto vandens debesų žemos temperatūros oras kitam agregacijos būsena. Temperatūrai pakilus maždaug iki 0 o -1 o Celsijaus, sniegas ir kruša vėl virsta vandeniu, t.y. į skystąją fazę.

Ūkininkams žiemos pradžioje gausus sniegas yra gero būsimo derliaus ženklas: juk žieminių javų sėklos dabar gerai apsaugotos nuo šalčio. „Sniegas gilus, o duona gera“ – taip nuo neatmenamų laikų sakydavo Rusijos kaimuose. O apsnigti medžiai primena žavingus žiemos pasaka. Kiek džiaugsmo turi vaikai, kai turi galimybę apakti sniego moteris arba žaisti sniege!

Tačiau sninga ne tik džiugina. Jei jos per gausios, ilgai išliekančios ir pūgos, kokia iš to nauda? Metrų ilgio sniego pusnys ir pusnys keliuose, nutrūkę grunto darbai ir oro transportas, nutrūkę elektros laidai, sniego lavinos kalnuose, dėl kurių sniego masėje dažnai paimami ir kartais žūsta žmonės. Laukiniams gyvūnams ir paukščiams tampa sunku rasti maisto. Visa tai stebime ir patiriame kone kasmet pačiose įvairiausiose pasaulio vietose.

Didelė kruša, ypač jei ji iškrenta pavasarį, gali pridaryti didelės žalos sodų ir laukų derliui, netgi pakenkti pastatams, po stovintiems automobiliams. po atviru dangumi ir tt

Žemės elektrinis laukas, natūralus Žemės, kaip planetos, elektrinis laukas, kuris stebimas m tvirtas kūnasŽemėje, jūrose, atmosferoje ir magnetosferoje. E. punktas 3. sukelia sudėtingas geofizinių reiškinių kompleksas. Lauko potencialo pasiskirstymas neša tam tikrą informaciją apie Žemės sandarą, apie procesus, vykstančius žemutiniuose atmosferos sluoksniuose, jonosferoje, magnetosferoje, taip pat artimoje tarpplanetinėje erdvėje ir Saulėje.

Elektronų tankio matavimo techniką 3. lemia terpė, kurioje stebimas laukas. Dauguma universalus metodas- potencialų skirtumo nustatymas naudojant elektrodus, išdėstytus vienas nuo kito erdvėje. Šis metodas naudojamas registruojant įžeminimo sroves (žr. Telūrinės srovės ), matuojant su lėktuvas atmosferos elektrinis laukas ir su erdvėlaivis- magnetosfera ir kosmosas(šiuo atveju atstumas tarp elektrodų turėtų viršyti Debye atrankos spindulys V kosminė plazma t.y. būti šimtai metrų).

Elektrinio lauko egzistavimas Žemės atmosferoje daugiausia susijęs su oro jonizacijos procesais ir jonizacijos metu atsirandančių teigiamų ir neigiamų elektros krūvių erdviniu atskyrimu. Oro jonizacija vyksta veikiant kosminiai spinduliai Ultravioletinė radiacija Saulė; radiacija radioaktyviosios medžiagos, prieinamas Žemės paviršiuje ir ore; elektros iškrovos atmosferoje ir kt. Daugelis atmosferos procesų: konvekcija, debesų susidarymas, krituliai ir kiti - lemia dalinį skirtingų krūvių atsiskyrimą ir atmosferos elektrinių laukų atsiradimą (žr. Atmosferos elektra ). Palyginti su atmosfera, Žemės paviršius yra neigiamai įkrautas.

Atmosferos elektrinio lauko egzistavimas lemia srovių atsiradimą, iškraunant elektrinę „kondensatoriaus“ atmosferą – Žemę. Krituliai vaidina svarbų vaidmenį keičiantis krūviais tarp Žemės paviršiaus ir atmosferos. Vidutiniškai krituliai atneša 1,1–1,4 karto daugiau teigiamų krūvių nei neigiamų. Krūvių nutekėjimas iš atmosferos taip pat pasipildo dėl srovių, susijusių su žaibais, ir krūvių srauto iš smailių objektų (taškų). Elektros krūvių balansas, atneštas į žemės paviršių, kurio plotas yra 1 km 2 per metus galima apibūdinti šiais duomenimis:

Laidumo srovė + 60 k/(km 2 metai)

Kritulių srovės + 20"

Žaibo išlydžiai – 20 »

Srovės iš antgalių - 100 "

__________________________

Iš viso – 40 k/(km 2 metai)

Didelėje žemės paviršiaus dalyje - virš vandenynų - srovės iš galiukų neįtraukiamos ir bus teigiamas balansas. Statinio neigiamo krūvio egzistavimas Žemės paviršiuje (apie 5,7 × 10 5 Į) rodo, kad šios srovės yra vidutiniškai subalansuotos.

Elektrinius laukus jonosferoje sukelia procesai, vykstantys tiek viršutiniai sluoksniai atmosferoje ir magnetosferoje. Potvynių judesiai oro masės, vėjai, turbulencija – visa tai yra elektrinio lauko generavimo šaltinis jonosferoje dėl hidromagnetinio dinamo efekto (žr. Žemės magnetizmas ) Pavyzdys yra saulės ir paros elektros srovės sistema, kuri Žemės paviršiuje sukelia magnetinio lauko paros svyravimus. Elektrinio lauko stiprumo dydis jonosferoje priklauso nuo stebėjimo taško vietos, paros laiko, bendra būklė magnetosfera ir jonosfera, nuo saulės aktyvumo. Jis svyruoja nuo kelių vienetų iki dešimčių mv/m, o aukštųjų platumų jonosferoje siekia šimtą ir daugiau mv/m.Šiuo atveju srovė siekia šimtus tūkstančių amperų. Dėl didelis elektros laidumas jonosferos ir magnetosferos plazmos palei Žemės magnetinio lauko linijas, jonosferos elektrinis laukas perkeliamas į magnetosferą, o magnetosferos laukai – į jonosferą.

Vienas iš tiesioginių elektrinio lauko šaltinių magnetosferoje yra saulėtas vėjas. Kai saulės vėjas teka aplink magnetosferą, atsiranda emf E= v´ b^, kur b ^ - normalus magnetinio lauko komponentas magnetosferos paviršiuje, v- Vidutinis greitis dalelių saulės vėjas.

Šis emf sukelia elektros sroves, kurias uždaro atvirkštinės srovės, tekančios per magnetosferos uodegą (žr. Žemė ). Pastaruosius generuoja teigiami erdvės krūviai rytinėje magnetouodegės pusėje, o neigiami – vakarinėje. Elektrinio lauko stipris per magnetinę uodegą siekia 1 mv/m. Galimas skirtumas tarp poliarinis dangtelis yra 20-100 kv.

Kitas emf sužadinimo magnetosferoje mechanizmas yra susijęs su priešingos krypties magnetinio lauko linijų žlugimu magnetosferos uodegos dalyje; šiuo atveju išsiskirianti energija sukelia greitą magnetosferos plazmos judėjimą Žemės link. Šiuo atveju elektronai dreifuoja aplink Žemę rytinės pusės, protonai – vakarinės pusės link. Potencialų skirtumas tarp lygiaverčių erdvės krūvių centrų siekia keliasdešimt kilovoltų. Šis laukas yra priešingas uodegos magnetosferos laukui.

Magnetosferos egzistavimas žiedo srovė aplink Žemę. Per periodus magnetinės audros Ir poliarinės šviesos elektriniai laukai ir srovės magnetosferoje ir jonosferoje patiria didelių pokyčių.

Magnetosferoje susidarančios magnetohidrodinaminės bangos sklinda išilgai natūralių bangolaidžių kanalų elektros laidaiŽemės magnetinis laukas. Patekusios į jonosferą, jos virsta elektromagnetinėmis bangomis, kurios dalinai pasiekia Žemės paviršių, o iš dalies sklinda jonosferos bangolaidžiu ir susilpnėja Žemės paviršiuje šios bangos registruojamos priklausomai nuo virpesių dažnio arba kaip magnetinės pulsacijos (10 -). 2-10 Hz), arba labai žemo dažnio bangos(svyravimai, kurių dažnis yra 10 2 - 10 4 Hz).

Kintamasis Žemės magnetinis laukas, kurio šaltiniai yra lokalizuoti jonosferoje ir magnetosferoje, indukuoja elektrinį lauką žemės plutoje. Elektrinio lauko stipris paviršiniame žievės sluoksnyje svyruoja priklausomai nuo vietos ir elektrinė varža uolų – nuo ​​kelių vienetų iki kelių šimtų mv/km, o per magnetines audras sustiprėja iki vienetų ir net dešimčių V/km. Tarpusavyje sujungti kintamieji magnetiniai ir elektriniai Žemės laukai naudojami elektromagnetiniam zondavimui žvalgomojoje geofizikoje, taip pat giluminiam Žemės zondavimui.

Tam tikras indėlis į ekonomikos mokslą. Z. prisideda kontaktų skirtumas potencialai tarp skirtingo elektrinio laidumo uolienų (termoelektrinių, elektrocheminių, pjezoelektriniai efektai). Ypatingas vaidmuoŠiuo atveju vulkaniniai ir seisminiai procesai gali turėti įtakos.

Elektrinius laukus jūrose sukelia kintantis Žemės magnetinis laukas, be to, jie atsiranda judant laidžiajai linijai jūros vandens (jūros bangos ir srovės) magnetiniame lauke. Elektros srovių tankis jūrose siekia 10 -6 automobilis 2 . Šios srovės gali būti naudojamos kaip natūralių šaltinių kintamasis magnetinis laukas magnetinėms variacijoms šelfoje ir jūroje.

Žemės elektrinio krūvio, kaip elektrinio lauko šaltinio tarpplanetinėje erdvėje, klausimas iki galo neišspręstas. Manoma, kad Žemė kaip planeta yra elektriškai neutrali. Tačiau ši hipotezė reikalauja savo eksperimentinis patvirtinimas. Pirmieji matavimai parodė, kad elektrinio lauko stipris artimoje žemėje tarpplanetinėje erdvėje svyruoja nuo dešimtųjų iki kelių dešimčių mv/m.

Lit.: Tikhonovas A. N. Dėl giliųjų sluoksnių elektrinių charakteristikų nustatymo Žemės pluta, „Dok. SSRS mokslų akademija“, 1950, t. 73, nr. 2; Tverskoy P.N., Meteorologijos kursas, Leningradas, 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Saulės ir žemės fizika, vert. iš anglų k., 2 dalis, M., 1975 m.

Yu P. Sizovas.

Dangaus kūnas, vadinamas planeta Žemė, turi elektros krūvį, kuris sukuria natūralų Žemės elektrinį lauką. Viena iš elektrinio lauko charakteristikų yra potencialas, o Žemės elektrinis laukas taip pat pasižymi potencialu. Taip pat galime pasakyti, kad be natūralaus elektrinio lauko yra ir natūrali nuolatinė Žemės planetos elektros srovė (DC). Žemės potencialo gradientas pasiskirsto nuo jos paviršiaus iki jonosferos. Esant geram orui statinei elektrai, atmosferos elektrinis laukas yra maždaug 150 voltų vienam metrui (V/m) netoli Žemės paviršiaus, tačiau ši vertė eksponentiškai mažėja didėjant aukščiui iki 1 V/m arba mažiau (30 km aukštyje). Gradiento sumažėjimo priežastis, be kita ko, yra atmosferos laidumo padidėjimas.

Jei dėvite drabužius, pagamintus iš gero izoliatoriaus, kuris yra puikus dielektrikas, pavyzdžiui, drabužius iš nailono, ir naudojate tik guminius batus, o ant drabužių paviršiaus neturite metalinių daiktų, tada galima išmatuoti potencialų skirtumą. tarp žemės paviršiaus ir viršugalvio. Kadangi kiekvienas metras yra 150 voltų, tada, kai aukštis yra 170 cm, galvos viršuje bus 1,7 x 150 = 255 voltų potencialų skirtumas paviršiaus atžvilgiu. Jei ant galvos užsidėsi metalinę keptuvę, ji susirinks paviršiaus krūvis. Šio mokesčio rinkimo priežastis yra ta, kad nailoniniai drabužiai yra geras izoliatorius, o batai yra guminiai. Įžeminimas, tai yra, nėra laidžio kontakto su žemės paviršiumi. Kad nesusikauptumėte elektros krūvių, turite „įžeminti save“. Taip pat daiktai, daiktai, pastatai ir statiniai, ypač daugiaaukščiai, gali akumuliuoti atmosferos elektrą. Tai gali sukelti nemalonių pasekmių, nes bet koks susikaupęs krūvis gali sukelti elektros srovę ir kibirkšties skilimą dujose. Tokios elektrostatinės iškrovos gali sunaikinti elektroniką ir sukelti gaisrus, ypač degių medžiagų atveju.

Kad nesusikauptų atmosferos elektros krūviai, pakanka viršutinį tašką sujungti su apatiniu (žeme) elektros laidininkas, o jei plotas yra didelis, tada įžeminimas atliekamas kaip narvelis, grandinė, bet iš tikrųjų jie naudoja vadinamąjį „Faradėjaus narvelį“.

Atmosferos elektros charakteristikos

Žemė yra neigiamai įkrauta ir jos krūvis lygus 500 000 kulonų (C) elektros krūvio. Potencialų skirtumas svyruoja nuo 300 000 voltų (300 kV), jei atsižvelgsime į įtampą tarp teigiamai įkrautos jonosferos ir Žemės paviršiaus. Taip pat yra D.C. elektros, apie 1350 amperų (A), o Žemės atmosferos varža yra apie 220 omų. Taip gaunama maždaug 400 megavatų (MW) galia, kuri atsinaujina dėl saulės aktyvumo. Ši galia veikia Žemės jonosferą ir žemesnius sluoksnius, sukeldama perkūnijas. Elektros energija, kuris yra saugomas ir kaupiamas žemės atmosfera yra apie 150 gigadžaulių (GJ).

Žemės ir jonosferos sistema veikia kaip milžiniškas 1,8 Faradų talpos kondensatorius. Atsižvelgiant į didžiulį Žemės paviršiaus plotą, tenkantis 1 kvadratinis metras paviršius turi tik 1 nC elektros krūvį.

Žemės elektrosfera tęsiasi nuo jūros lygio iki maždaug 60 km aukščio. Viršutiniuose sluoksniuose, kur yra daug laisvųjų jonų ir ši sferos dalis vadinama jonosfera, laidumas yra didžiausias, nes yra nemokama žiniasklaida mokesčiai. Galima sakyti, kad potencialas jonosferoje yra išlygintas, nes ši sfera iš esmės laikoma elektros srovės laidininku, o joje yra srovės ir perdavimo srovė. Laisvųjų jonų šaltinis yra Saulės radioaktyvumas. Įkrautų dalelių srautas, ateinantis iš Saulės ir iš kosmoso, „išmuša“ elektronus iš dujų molekulių, o tai sukelia jonizaciją. Kuo aukščiau esate nuo jūros paviršiaus, tuo mažesnis atmosferos laidumas. Jūros paviršiuje oro elektrinis laidumas yra apie 10 -14 Siemens/m (S/m), tačiau didėjant aukščiui jis sparčiai didėja, o 35 km aukštyje jau 10 -11 S/m. Šiame aukštyje oro tankis yra tik 1% jūros paviršiaus tankio. Be to, didėjant aukščiui, laidumas kinta netolygiai, nes įtakoja Žemės magnetinis laukas ir fotonų srautai iš Saulės. Tai reiškia, kad virš 35 km nuo jūros lygio esančios elektrosferos laidumas yra nevienodas ir priklauso nuo paros laiko (fotonų srauto) ir nuo geografinės padėties (Žemės magnetinio lauko).

Kad tai įvyktų elektros gedimas tarp dviejų plokščių lygiagrečių elektrodų (atstumas tarp kurių 1 metras), kurie yra jūros paviršiaus lygyje, sausame ore reikalingas 3000 kV/m lauko stipris. Jei šie elektrodai yra pakelti į 10 km aukštį nuo jūros lygio, tada reikės tik 3% šios įtampos, tai yra, pakanka 90 kV/m. Jei elektrodai sujungiami taip, kad atstumas tarp jų būtų 1 mm, tada gedimo įtampa bus reikalinga 1000 kartų mažesnė, tai yra 3 kV (jūros lygis) ir 9 V (10 km aukštyje).

Natūrali Žemės elektrinio lauko stiprumo vertė jos paviršiuje (jūros lygyje) yra apie 150 V/m, o tai yra daug mažiau vertybių reikalingas gedimui tarp elektrodų net 1 mm tarpelyje (reikia 3 kV/m).

Iš kur atsiranda Žemės elektrinio lauko potencialas?

Kaip minėta aukščiau, Žemė yra kondensatorius, kurio viena plokštė yra Žemės paviršius, o kita superkondensatoriaus plokštė yra jonosferos sritis. Žemės paviršiuje krūvis yra neigiamas, o už jonosferos – teigiamas. Kaip ir Žemės paviršius, jonosfera taip pat yra laidininkas, o atmosferos sluoksnis tarp jų yra nehomogeniškas dujų dielektrikas. Teigiamas jonosferos krūvis susidaro dėl kosminė spinduliuotė, bet kas įkrauna Žemės paviršių neigiamu krūviu?

Aiškumo dėlei būtina prisiminti, kaip įkraunamas įprastas elektrinis kondensatorius. Jis įtrauktas į elektros grandinė prie srovės šaltinio ir jis įkraunamas iki maksimali vertėįtempimas ant plokštelių. Tokiam kondensatoriui kaip Žemė atsitinka kažkas panašaus. Lygiai taip pat turi įsijungti tam tikras šaltinis, tekėti srovė, plokštelėse susidaro priešingi krūviai. Pagalvokite apie žaibus, kuriuos dažniausiai lydi perkūnija. Šie žaibai yra pati elektros grandinė, kuri įkrauna Žemę.

Būtent į Žemės paviršių trenkęs žaibas yra šaltinis, įkraunantis Žemės paviršių neigiamu krūviu. Žaibo srovė yra apie 1800 amperų, ​​o perkūnijos ir žaibų skaičius per dieną yra daugiau nei 300. Perkūnijos debesis turi poliškumą. Jo viršutinė dalis maždaug 6-7 km aukštyje, kai oro temperatūra apie -20°C, yra teigiamai įkrauta, o apatinė dalis 3-4 km aukštyje, kai oro temperatūra nuo 0° iki -10°C yra neigiamai įkrautas. Perkūnijos debesies dugne esančio krūvio pakanka, kad susidarytų 20–100 milijonų voltų potencialų skirtumas su Žemės paviršiumi. Žaibo įkrova paprastai yra 20–30 kulonų (C) elektros energijos. Žaibas trenkia iškrovose tarp debesų ir tarp debesų bei Žemės paviršiaus. Kiekvienam įkrovimui reikia maždaug 5 sekundžių, todėl žaibo iškrovos gali įvykti tokia tvarka, tačiau tai nereiškia, kad iškrova būtinai įvyks po 5 sekundžių.

Žaibas

Atmosferos išlydis žaibo pavidalu turi gana sudėtinga struktūra. Bet kokiu atveju tai yra elektros srovės dujose reiškinys, atsirandantis, kai susidaro reikiamos sąlygos dujoms suskaidyti, tai yra oro molekulių jonizacija. Įdomiausia yra tai, kad Žemės atmosfera veikia kaip nuolatinis dinamas, kuris neigiamai įkrauna Žemės paviršių. Kiekvienas žaibo išlydis trenkia su sąlyga, kad Žemės paviršiuje nėra neigiamų krūvių, o tai suteikia reikiamą potencialų skirtumą išlydžiui (dujų jonizacijai).

Kai tik žaibas trenkia į žemę, neigiamas krūvis išteka į paviršių, tačiau po to apatinė griaustinio debesies dalis išsikrauna ir jos potencialas pasikeičia, tampa teigiamas. Tada atsiranda atvirkštinė srovė ir perteklinis krūvis, pasiekiantis Žemės paviršių, juda aukštyn ir kraunasi. perkūnijos debesis vėl. Po to procesą galima pakartoti dar kartą, bet su mažesnės vertės elektros įtampa ir srovės. Tai vyksta tol, kol yra sąlygos dujų jonizacijai, reikalingas potencialų skirtumas ir neigiamo elektros krūvio perteklius.

Apibendrinant galima pasakyti, kad žaibas trenkia žingsniais, taip sukurdamas elektros grandinę, per kurią srovė teka dujomis, besikeičiančiomis kryptimis. Kiekvienas žaibo įkrovimas trunka apie 5 sekundes ir trenkia tik tada, kai yra būtinas sąlygas(gedimo įtampa ir dujų jonizacija). Įtampa tarp žaibo pradžios ir pabaigos gali būti maždaug 100 milijonų voltų, o vidutinė srovės vertė yra apie 1800 amperų. Didžiausia srovė siekia daugiau nei 10 000 amperų, ​​o perduotas krūvis yra lygus 20-30 kulonų elektros energijos.

Dangaus kūnas, vadinamas planeta Žemė, turi elektros krūvį, kuris sukuria natūralų Žemės elektrinį lauką. Viena iš elektrinio lauko charakteristikų yra potencialas, o Žemės elektrinis laukas taip pat pasižymi potencialu. Taip pat galime pasakyti, kad be natūralaus elektrinio lauko yra ir natūrali nuolatinė Žemės planetos elektros srovė (DC). Žemės potencialo gradientas pasiskirsto nuo jos paviršiaus iki jonosferos. Esant geram orui statinei elektrai, atmosferos elektrinis laukas yra maždaug 150 voltų vienam metrui (V/m) netoli Žemės paviršiaus, tačiau ši vertė eksponentiškai mažėja didėjant aukščiui iki 1 V/m arba mažiau (30 km aukštyje). Gradiento sumažėjimo priežastis, be kita ko, yra atmosferos laidumo padidėjimas.

Jei dėvite drabužius, pagamintus iš gero izoliatoriaus, kuris yra puikus dielektrikas, pavyzdžiui, drabužius iš nailono, ir naudojate tik guminius batus, o ant drabužių paviršiaus neturite metalinių daiktų, tada galima išmatuoti potencialų skirtumą. tarp žemės paviršiaus ir viršugalvio. Kadangi kiekvienas metras yra 150 voltų, tada, kai aukštis yra 170 cm, galvos viršuje bus 1,7 x 150 = 255 voltų potencialų skirtumas paviršiaus atžvilgiu. Jei ant galvos užsidėsite metalinę keptuvę, ant jos susikaups paviršinis krūvis. Šio mokesčio rinkimo priežastis yra ta, kad nailoniniai drabužiai yra geras izoliatorius, o batai yra guminiai. Įžeminimas, tai yra, nėra laidžio kontakto su žemės paviršiumi. Kad nesusikauptumėte elektros krūvių, turite „įžeminti save“. Taip pat daiktai, daiktai, pastatai ir statiniai, ypač daugiaaukščiai, gali akumuliuoti atmosferos elektrą. Tai gali sukelti nemalonių pasekmių, nes bet koks susikaupęs krūvis gali sukelti elektros srovę ir kibirkšties skilimą dujose. Tokios elektrostatinės iškrovos gali sunaikinti elektroniką ir sukelti gaisrus, ypač degių medžiagų atveju.

Kad nesusikauptų atmosferos elektros krūviai, užtenka viršutinį tašką su apatiniu (žeminiu) prijungti elektros laidininku, o jei plotas didelis, tada įžeminimas atliekamas narvelio, grandinės pavidalu. , bet iš tikrųjų jie naudoja vadinamąjį „Faradėjaus narvą“.

Atmosferos elektros charakteristikos

Žemė yra neigiamai įkrauta ir jos krūvis lygus 500 000 kulonų (C) elektros krūvio. Potencialų skirtumas svyruoja nuo 300 000 voltų (300 kV), jei atsižvelgsime į įtampą tarp teigiamai įkrautos jonosferos ir Žemės paviršiaus. Taip pat yra apie 1350 amperų (A) nuolatinė elektros srovė, o Žemės atmosferos varža yra apie 220 omų. Taip gaunama maždaug 400 megavatų (MW) galia, kuri atsinaujina dėl saulės aktyvumo. Ši galia veikia Žemės jonosferą ir žemesnius sluoksnius, sukeldama perkūnijas. Žemės atmosferoje sukaupta ir sukaupta elektros energija yra apie 150 gigadžaulių (GJ).

Žemės ir jonosferos sistema veikia kaip milžiniškas 1,8 Faradų talpos kondensatorius. Atsižvelgiant į didžiulį Žemės paviršiaus plotą, vienam kvadratiniam metrui paviršiaus tenka tik 1 nC elektros krūvio.

Žemės elektrosfera tęsiasi nuo jūros lygio iki maždaug 60 km aukščio. Viršutiniuose sluoksniuose, kur yra daug laisvųjų jonų ir ši sferos dalis vadinama jonosfera, laidumas yra didžiausias, nes yra laisvųjų krūvininkų. Galima sakyti, kad potencialas jonosferoje yra išlygintas, nes ši sfera iš esmės laikoma elektros srovės laidininku, o joje yra srovės ir perdavimo srovė. Laisvųjų jonų šaltinis yra Saulės radioaktyvumas. Įkrautų dalelių srautas, ateinantis iš Saulės ir iš kosmoso, „išmuša“ elektronus iš dujų molekulių, o tai sukelia jonizaciją. Kuo aukščiau esate nuo jūros paviršiaus, tuo mažesnis atmosferos laidumas. Jūros paviršiuje oro elektrinis laidumas yra apie 10 -14 Siemens/m (S/m), tačiau didėjant aukščiui jis sparčiai didėja, o 35 km aukštyje jau 10 -11 S/m. Šiame aukštyje oro tankis yra tik 1% jūros paviršiaus tankio. Be to, didėjant aukščiui, laidumas kinta netolygiai, nes įtakoja Žemės magnetinis laukas ir fotonų srautai iš Saulės. Tai reiškia, kad virš 35 km nuo jūros lygio esančios elektrosferos laidumas yra nevienodas ir priklauso nuo paros laiko (fotonų srauto) ir nuo geografinės padėties (Žemės magnetinio lauko).

Kad elektros gedimas įvyktų tarp dviejų plokščių lygiagrečių elektrodų (atstumas tarp kurių 1 metras), esančių jūros paviršiaus lygyje, sausame ore reikalingas 3000 kV/m lauko stipris. Jei šie elektrodai yra pakelti į 10 km aukštį nuo jūros lygio, tada reikės tik 3% šios įtampos, tai yra, pakanka 90 kV/m. Jei elektrodai sujungiami taip, kad atstumas tarp jų būtų 1 mm, tada gedimo įtampa bus reikalinga 1000 kartų mažesnė, tai yra 3 kV (jūros lygis) ir 9 V (10 km aukštyje).

Natūrali Žemės elektrinio lauko stiprio vertė jos paviršiuje (jūros lygyje) yra apie 150 V/m, o tai yra daug mažesnė už vertes, reikalingas gedimui tarp elektrodų net esant 1 mm (3 kV/) tarpui. m reikia).

Iš kur atsiranda Žemės elektrinio lauko potencialas?

Kaip minėta aukščiau, Žemė yra kondensatorius, kurio viena plokštė yra Žemės paviršius, o kita superkondensatoriaus plokštė yra jonosferos sritis. Žemės paviršiuje krūvis yra neigiamas, o už jonosferos – teigiamas. Kaip ir Žemės paviršius, jonosfera taip pat yra laidininkas, o atmosferos sluoksnis tarp jų yra nehomogeniškas dujų dielektrikas. Teigiamas jonosferos krūvis susidaro dėl kosminės spinduliuotės, bet kas įkrauna Žemės paviršių neigiamu krūviu?

Siekiant aiškumo, būtina prisiminti, kaip įkraunamas įprastas elektrinis kondensatorius. Jis įtrauktas į elektros grandinę su srovės šaltiniu ir įkraunamas iki maksimalios įtampos vertės ant plokštelių. Tokiam kondensatoriui kaip Žemė atsitinka kažkas panašaus. Lygiai taip pat turi įsijungti tam tikras šaltinis, tekėti srovė, o ant plokštelių susidaro priešingi krūviai. Pagalvokite apie žaibus, kuriuos dažniausiai lydi perkūnija. Šie žaibai yra pati elektros grandinė, kuri įkrauna Žemę.

Būtent į Žemės paviršių trenkęs žaibas yra šaltinis, įkraunantis Žemės paviršių neigiamu krūviu. Žaibo srovė yra apie 1800 amperų, ​​o perkūnijos ir žaibų skaičius per dieną yra daugiau nei 300. Perkūnijos debesis turi poliškumą. Jo viršutinė dalis maždaug 6-7 km aukštyje, kai oro temperatūra apie -20°C, yra teigiamai įkrauta, o apatinė dalis 3-4 km aukštyje, kai oro temperatūra nuo 0° iki -10°C yra neigiamai įkrautas. Perkūnijos debesies dugne esančio krūvio pakanka, kad susidarytų 20–100 milijonų voltų potencialų skirtumas su Žemės paviršiumi. Žaibo įkrova paprastai yra 20–30 kulonų (C) elektros energijos. Žaibas trenkia iškrovose tarp debesų ir tarp debesų bei Žemės paviršiaus. Kiekvienam įkrovimui reikia maždaug 5 sekundžių, todėl žaibo iškrovos gali įvykti tokia tvarka, tačiau tai nereiškia, kad iškrova būtinai įvyks po 5 sekundžių.

Žaibas

Atmosferos išlydis žaibo pavidalu turi gana sudėtingą struktūrą. Bet kokiu atveju tai yra elektros srovės dujose reiškinys, atsirandantis, kai susidaro reikiamos sąlygos dujoms suskaidyti, tai yra oro molekulių jonizacija. Įdomiausia yra tai, kad Žemės atmosfera veikia kaip nuolatinis dinamas, kuris neigiamai įkrauna Žemės paviršių. Kiekvienas žaibo išlydis trenkia su sąlyga, kad Žemės paviršiuje nėra neigiamų krūvių, o tai suteikia reikiamą potencialų skirtumą išlydžiui (dujų jonizacijai).

Kai tik žaibas trenkia į žemę, neigiamas krūvis išteka į paviršių, tačiau po to apatinė griaustinio debesies dalis išsikrauna ir jos potencialas pasikeičia, tampa teigiamas. Tada atsiranda atvirkštinė srovė ir perteklinis krūvis, pasiekiantis Žemės paviršių, juda aukštyn, vėl įkraudamas perkūnijos debesį. Po to procesas gali būti kartojamas dar kartą, tačiau esant mažesnėms elektros įtampos ir srovės vertėms. Tai vyksta tol, kol yra sąlygos dujų jonizacijai, reikalingas potencialų skirtumas ir neigiamo elektros krūvio perteklius.

Apibendrinant galima pasakyti, kad žaibas trenkia žingsniais, taip sukurdamas elektros grandinę, per kurią srovė teka dujomis, besikeičiančiomis kryptimis. Kiekvienas žaibo įkrovimas trunka apie 5 sekundes ir trenkia tik tada, kai tam yra būtinos sąlygos (gedimo įtampa ir dujų jonizacija). Įtampa tarp žaibo pradžios ir pabaigos gali būti maždaug 100 milijonų voltų, o vidutinė srovės vertė yra apie 1800 amperų. Didžiausia srovė siekia daugiau nei 10 000 amperų, ​​o perduotas krūvis yra lygus 20-30 kulonų elektros energijos.

Mūsų Žemė ir kitos planetos turi abu magnetinis laukas, ir elektrinis. Maždaug prieš 150 metų buvo žinoma, kad Žemė turi elektrinį lauką. Elektros krūvis planetos viduje saulės sistema sukurtas Saulės dėl planetinės medžiagos elektrostatinės indukcijos ir jonizacijos poveikio. Magnetinis laukas susidaro dėl ašinis sukimasisįkrautos planetos. Vidutinis Žemės ir planetų magnetinis laukas priklauso nuo vidurkio paviršiaus tankis neigiamas elektros krūvis, kampinis greitis ašinis sukimasis ir planetos spindulys. Todėl Žemė (ir kitos planetos), pagal analogiją su šviesos pratekėjimu per objektyvą, turėtų būti laikoma elektriniu lęšiu, o ne elektrinio lauko šaltiniu.

Tai reiškia, kad Žemė yra sujungta su Saule per elektrinė jėga, pati Saulė magnetine jėga sujungta su Galaktikos centru, o Galaktikos centras elektrine jėga – su centrine galaktikų kondensacija.

Mūsų planeta elektriškai panaši į sferinį kondensatorių, įkrautą iki maždaug 300 000 voltų. Vidinė sfera - Žemės paviršius - yra neigiamai įkrautas, išorinė sfera- jonosfera - teigiama. Žemės atmosfera tarnauja kaip izoliatorius.

Per atmosferą nuolat teka joninės ir konvekcinės kondensatorių nuotėkio srovės, kurios siekia daugybę tūkstančių amperų. Tačiau, nepaisant to, potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus plokščių nesumažėja.

Tai reiškia, kad gamtoje yra generatorius (G), kuris nuolat papildo įkrovų nuotėkį iš kondensatoriaus plokščių. Toks generatorius yra Žemės magnetinis laukas, kuris sukasi kartu su mūsų planeta saulės vėjo sraute.

Kaip ir bet kuriame įkrautame kondensatoriuje, žemiškame kondensatoriuje yra elektrinis laukas. Šio lauko stiprumas aukštyje pasiskirsto labai netolygiai: didžiausias yra Žemės paviršiuje ir yra maždaug 150 V/m. Su aukščiu jis mažėja maždaug pagal eksponentinį dėsnį, o 10 km aukštyje sudaro apie 3% vertės Žemės paviršiuje.

Taigi beveik visas elektrinis laukas yra sutelktas apatiniame atmosferos sluoksnyje, netoli Žemės paviršiaus. Žemės elektrinio lauko stiprumo vektorius E nukreiptas į bendras atvejisžemyn. Žemės elektrinis laukas, kaip ir bet kuris elektrinis laukas, veikia krūvius tam tikra jėga F, kuri teigiamus krūvius stumia žemyn link žemės, o neigiamus – aukštyn į debesis.

Visa tai galima pamatyti natūralus fenomenas. Žemėje nuolat siautėja uraganai, tropinės audros ir daugybė ciklonų. Pavyzdžiui, oro kilimas uragano metu vyksta daugiausia dėl oro tankio skirtumo uragano periferijoje ir jo centre – šildymo bokšte, bet ne tik. Dalį keltuvo (apie trečdalį) pagal Kulono dėsnį suteikia Žemės elektrinis laukas.

Vandenynas audros metu yra didžiulis laukas, nusėtas taškais ir šonkauliais, į kuriuos jie sutelkia dėmesį neigiami krūviai ir Žemės elektrinio lauko stiprumą. Tokiomis sąlygomis išgaruojančios vandens molekulės lengvai pagauna neigiamus krūvius ir pasiima juos su savimi. Ir Žemės elektrinis laukas, visiškai pagal Kulono dėsnį, perkelia šiuos krūvius aukštyn, padidindamas orą.

Toks globalus elektros generatoriusŽemė išeikvoja dalį savo jėgų, kad planetoje sustiprėtų atmosferos sūkuriai – uraganai, audros, ciklonai ir t.t.. Be to, toks energijos suvartojimas jokiu būdu neturi įtakos Žemės elektrinio lauko dydžiui.

Žemės elektrinis laukas svyruoja: žiemą jis stipresnis nei vasarą, maksimumą pasiekia kasdien 19 val. GMT, priklauso ir nuo oro sąlygų. Tačiau šie svyravimai neviršija 30% jo vidutinės vertės. Kai kuriais retais atvejais, esant tam tikrai oro sąlygosšio lauko stiprumas gali padidėti kelis kartus.

Perkūnijos metu elektrinis laukas pasikeičia į plačiose ribose ir gali pakeisti kryptį į priešingą, bet taip nutinka ir toliau mažas plotas, tiesiai po perkūnija ir trumpam laikui.