Be potencialo gradiento, kitas dydis, kurį galima išmatuoti, yra srovė atmosferoje. Jo tankis mažas: kas kvadratinis metras, lygiagrečiai žemės paviršiaus, praeina apie 10 -6 mikronus. Matyt, oras nėra tobulas izoliatorius; Dėl šio laidumo iš dangaus į žemę visą laiką teka silpna srovė, kurią sukelia mūsų aprašytas elektrinis laukas.
Kodėl atmosfera turi laidumą? Nes jame, tarp oro molekulių, yra jonų, pavyzdžiui, deguonies molekulių, kartais aprūpintų papildomu elektronu, o kartais be vieno iš jų. Šie jonai nelieka vieni; Dėl savo elektrinio lauko jie linkę rinkti kitas molekules šalia jų. Tada kiekvienas jonas tampa mažu gumulu, kuris kartu su kitais panašiais gabalėliais nuslysta į lauką, lėtai juda aukštyn arba žemyn, sukurdamas srovę, apie kurią kalbėjome.
Iš kur jie atsiranda? jonų? Iš pradžių jie manė, kad jonus sukūrė Žemės radioaktyvumas. (Buvo žinoma, kad radiacija radioaktyviosios medžiagos jonizuodami oro molekules daro orą laidų.) Išeinančios dalelės atomo branduolys, tarkime. Beta spinduliai sklinda taip greitai, kad pašalina elektronus iš atomų, palikdami savo pėdsaką jonų. Šis požiūris, žinoma, tai suponuoja dideli aukščiai jonizacija turėtų sumažėti, nes visas radioaktyvumas – visi radžio, urano, natrio ir pan. pėdsakai – yra žemės dulkėse.
Norėdami patikrinti šią teoriją, fizikai įkopė į balionai ir išmatuota jonizacija (Hess, 1912). Paaiškėjo, kad viskas vyksta kaip tik atvirkščiai – jonizacija tūrio vienetui su aukščiu auga! (Įrenginys buvo panašus į parodytą 9.3 pav. Dvi plokštelės buvo periodiškai įkraunamos iki potencialo V. Dėl oro laidumo jos lėtai išsikrauna, iškrovos greitis matuojamas elektrometru.) Šis nesuprantamas rezultatas. buvo pats nuostabiausias atradimas per visą atmosferos elektros istoriją. Atradimas buvo toks svarbus, kad jį reikėjo skirti nauja pramonė mokslas – kosminių spindulių fizika. O pati atmosferos elektra liko tarp mažiau stebinančių reiškinių. Jonizaciją, matyt, sukėlė kažkas už Žemės ribų; ieškant šio nežemiško šaltinio buvo atrasti kosminiai spinduliai. Dabar apie juos nekalbėsime ir pasakysime tik tiek, kad jie palaiko jonų tiekimą į orą. Nors jonai nuolat nunešami, kosminės dalelės, skubėdami iš pasaulio erdvės, jie karts nuo karto sukuria naujus jonus.
Tiksliau tariant, turime pažymėti, kad be jonų, sudarytų iš molekulių, yra ir kitų tipų jonų. Maži dirvožemio gumulėliai, kaip itin smulkios dulkių dalelės, sklando ore ir pasikrauna. Kartais jie vadinami „branduoliais“. Pavyzdžiui, kai jūroje pliaupia bangos, maži purslai skrenda į orą. Tokiam lašeliui išgaravus, ore lieka plūduriuoti nedidelis NaCl kristalas. Tada šie kristalai gali pritraukti krūvius ir tapti jonais; jie vadinami „dideliais jonais“.
Maži jonai, t. y. tie, kurie yra sukurti kosminiai spinduliai, mobiliausias. Kadangi jie yra tokie maži, jie greitai keliauja oru, maždaug 1 cm/sek greičiu 100 V/m arba 1 V/cm lauke. Dideli ir sunkieji jonai juda daug lėčiau. Pasirodo, jei yra daug „branduolių“, jie sulaiko mažų jonų krūvius. Tada, kadangi „didieji jonai“ labai lėtai juda lauke, bendras laidumas mažėja. Todėl oro laidumas yra labai kintantis - jis labai jautrus jo „užsikimšimui“. Šių „šiukšlių“ daug daugiau virš sausumos nei virš jūros, vėjas kelia dulkes nuo žemės, o žmonės taip pat visais būdais teršia orą. Nenuostabu, kad diena iš dienos, akimirka į akimirką, iš vienos vietos į kitą laidumas šalia žemės paviršiaus labai kinta. Elektrinis laukas kiekviename taške virš žemės paviršiaus taip pat keičiasi, nes srovė, tekanti iš viršaus į apačią, skirtingose vietose yra maždaug vienoda, o laidumo pokyčiai šalia žemės paviršiaus lemia lauko pokyčius.
Oro laidumas, atsirandantis dėl jonų dreifo, taip pat greitai didėja didėjant aukščiui. Taip nutinka dėl dviejų priežasčių. Pirma, oro jonizacija kosminiais spinduliais didėja didėjant aukščiui. Antra, mažėjant oro tankiui, didėja laisvas jonų kelias, todėl prieš susidūrimą jie gali nukeliauti toliau elektriniame lauke. Dėl to aukštyje laidumas smarkiai šokteli.
Elektros srovės tankis pačiame ore prilygsta vos keliems mikromikroamperams kvadratiniame metre, tačiau tokių kvadratinių metrų Žemėje yra labai daug. Visa elektros srovė, pasiekianti žemės paviršių, yra maždaug 1800 A. Ši srovė, žinoma, yra „teigiama“ - ji neša teigiamas krūvis. Taigi rezultatas yra 1800 A srovė, esant 400 000 V įtampai. Galia 700 MW!
Esant tokiai stipriai srovei, neigiamas Žemės krūvis netrukus turėtų išnykti. Tiesą sakant, iškrauti visą Žemę užtruktų tik apie pusvalandį. Tačiau nuo atradimo atmosferoje elektrinis laukas Praėjo daug daugiau nei pusvalandis. Kaip laikosi? Kaip palaikoma įtampa? O tarp ko ir kas yra? Žemė yra ant vieno elektrodo, o kas yra ant kito? Tokių klausimų yra daug.
Žemė yra neigiamai įkrauta, tačiau potencialas ore yra teigiamas. Ant pakankamai didelis aukštis laidumas yra toks didelis, kad atsiranda horizontalių įtampos pokyčių tikimybė lygus nuliui. Oras tokiu laiku, apie kurį dabar kalbame mes kalbame apie, iš tikrųjų virsta laidininku. Tai įvyksta maždaug 50 km aukštyje. Tai dar nėra tokia aukšta, kaip vadinama „jonosfera“, kur yra labai daug didelis skaičius jonų, susidarančių dėl saulės šviesos fotoelektrinio efekto. Savo tikslams, aptardami atmosferos elektros savybes, galime daryti prielaidą, kad maždaug 50 km aukštyje oras tampa pakankamai laidus ir egzistuoja praktiškai laidži sfera, iš kurios srovės teka žemyn. Situacija pavaizduota fig. 9.4. Klausimas, kaip ten išlaikomas teigiamas krūvis. Kaip jis grįžta atgal? Kadangi jis teka į Žemę, tai jį reikia kažkaip pumpuoti atgal? Ilgą laiką tai buvo viena iš pagrindinių atmosferinės elektros paslapčių.
Bet kokia informacija šiuo klausimu gali padėti suprasti paslaptį arba bent ką nors apie tai pasakyti. Čia yra vienas įdomus reiškinys: jei išmatuosime srovę (o ji, kaip žinome, yra stabilesnė už potencialų gradientą), tarkime, virš jūros ir atidžiai laikydamiesi atsargumo priemonių, labai atidžiai viską suvidurkiname ir pašaliname visas klaidas. , tada pastebime, kad vis dar išlieka tam tikrų kasdienių skirtumų. Daugelio vandenynų matavimų vidurkis laiko skirtumus apytiksliai, kaip parodyta Fig. 9.5. Srovė kinta maždaug ±15% ir pasiekia didžiausia vertė 19 val. Londono laiku. Keisčiausia čia tai, kur bematuosi srovė – Atlanto vandenyne, Ramiajame vandenyne ar Arkties vandenyne – jos piko valandos būna tada, kai Londonas rodo 19 val.! Visame pasaulyje srovė pasiekia maksimumą 19:00 Londono laiku, o mažiausią - 4:00 Londono laiku. Kitaip tariant, srovė priklauso nuo absoliutaus žemiško laiko ir ne iš vietinių laiką stebėjimo vietoje. Vienu požiūriu tai nėra taip keista; tai visiškai atitinka mūsų mintį, kad pačiame viršuje yra labai didelis horizontalus laidumas, kuris atmeta vietinius potencialų skirtumo tarp Žemės ir viršaus pokyčius. Bet koks pajėgumo pokytis turi būti pasaulinis, taip ir yra. Taigi, dabar žinome, kad įtampa „aukščiau“ pasikeitus absoliučiam žemiškam laikui arba pakyla, arba sumažėja 15%.
Elektros iškrova dujose. Paimkite elektrometrą su pritvirtintais diskais plokščias kondensatorius ir įkraukite jį (167 pav.). Kambario temperatūroje, jei oras pakankamai sausas, kondensatorius pastebimai neišsikrauna. Tai rodo
kad potencialų skirtumo tarp diskų sukelta elektros srovė ore yra labai maža. Vadinasi, elektros laidumas kambario temperatūros oro yra labai mažas. Oras gali būti laikomas dielektriku.
Įkaitinkime orą tarp diskų degančiu degtuku (168 pav.). Atkreipkite dėmesį, kad elektrometro adata greitai artėja prie nulio, o tai reiškia, kad kondensatorius išsikrauna. Vadinasi, įkaitusios dujos yra laidininkas ir jose susidaro srovė.
Srovės, tekančios per dujas, procesas vadinamas dujų išlydžiu.
Dujų jonizavimas. Matėme, kad kambario temperatūroje oras yra labai prastas laidininkas. Šildant padidėja oro laidumas. Oro laidumo padidėjimą gali sukelti ir kiti būdai, pavyzdžiui, veikiant įvairiai spinduliuotei: ultravioletiniams, rentgeno, radioaktyviems ir kt.
Įprastomis sąlygomis dujos beveik vien susideda iš neutralių atomų arba molekulių, todėl yra dielektrikai. Kaitinant ar veikiant spinduliuotei dalis atomų jonizuojasi – skyla į teigiamo krūvio jonus ir elektronus (169 pav.). Dujose gali susidaryti ir neigiami jonai: jie atsiranda dėl elektronų pridėjimo prie neutralių atomų.
Dujų jonizacija kaitinant paaiškinama tuo, kad joms šylant molekulės juda greičiau. Tuo pačiu metu kai kurios molekulės pradeda judėti taip greitai, kad kai kurios jų suyra susidūrimo metu, virsdamos jonais. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau susidaro jonų.
Dujų laidumas. Dujų laidumo mechanizmas panašus į tirpalų ir elektrolitų lydalo laidumo mechanizmą. Skirtumas tas, kad neigiamą krūvį daugiausia perduoda ne neigiami jonai, kaip vandeniniuose tirpaluose ar elektrolitų lydaluose, o elektronais, nors laidumas dėl neigiamų jonų taip pat gali atlikti tam tikrą vaidmenį. Taigi dujos sujungia elektronines
laidumas panašus į metalų, o jonų laidumas panašus į vandeninių tirpalų ar išlydytų elektrolitų laidumą. Yra dar vienas reikšmingas skirtumas. Elektrolitų tirpaluose jonai susidaro dėl to, kad molekulėse susilpnėja jonų molekuliniai ryšiai, veikiant tirpiklio molekulėms (vandens molekulėms). Dujose jonai susidaro arba kaitinant, arba veikiant išoriniams jonizatoriams, pvz., spinduliuotei.
Rekombinacija. Jei jonizatorius nustos veikti, pastebėsite, kad įkrautas elektrometras vėl išlaikys įkrovą. Tai rodo, kad jonizatoriui nustojus veikti, dujos nustoja būti laidininku. Srovė sustoja, kai visi jonai ir elektronai pasiekia elektrodus.
Be to, kai susijungia elektronas ir teigiamai įkrautas jonas, jie vėl gali sudaryti neutralų atomą. Tai schematiškai parodyta 170 paveiksle. Šis procesas vadinamas įkrautų dalelių rekombinacija.
Nesant išorinis laukasįkrautos dalelės išnyksta tik dėl rekombinacijos ir dujos tampa izoliatoriumi. Jei jonizatoriaus veikimas nekinta, tada susidaro dinaminė pusiausvyra, kurioje naujai susidarančių įkrautų dalelių porų skaičius yra lygus vidutiniam porų, išnykusių dėl rekombinacijos, skaičiui.
Be potencialo gradiento, galima išmatuoti ir kitą dydį – srovę atmosferoje. Jo tankis mažas: per kiekvieną kvadratinį metrą lygiagrečiai žemės paviršiui, apie . Matyt, oras nėra tobulas izoliatorius; Dėl šio laidumo iš dangaus į žemę visą laiką teka silpna srovė, kurią sukelia mūsų aprašytas elektrinis laukas.
Kodėl atmosfera turi laidumą? Nes jame, tarp oro molekulių, yra jonų, pavyzdžiui, deguonies molekulių, kartais aprūpintų papildomu elektronu, o kartais be vieno iš jų. Šie jonai nelieka vieni; Dėl savo elektrinio lauko jie linkę rinkti kitas molekules šalia jų. Tada kiekvienas jonas tampa mažu gumulu, kuris kartu su kitais panašiais gabalėliais nuslysta į lauką, lėtai juda aukštyn arba žemyn, sukurdamas srovę, apie kurią kalbėjome.
Iš kur atsiranda jonai? Iš pradžių jie manė, kad jonus sukūrė Žemės radioaktyvumas. (Buvo žinoma, kad radioaktyviųjų medžiagų spinduliuotė daro orą laidų, nes jonizuoja oro molekules.) Tarkime, iš atomo branduolio išeinančios dalelės. -spinduliai juda taip greitai, kad atskiria elektronus iš atomų, palikdami po savęs jonų pėdsaką. Šis požiūris, žinoma, daro prielaidą, kad didesniame aukštyje jonizacija sumažėtų, nes visas radioaktyvumas – visi radžio, urano, natrio ir kt. pėdsakai – yra žemės dulkėse.
Paveikslas. 9.3. Oro laidumo, kurį sukelia jonų judėjimas, matavimas.
Norėdami patikrinti šią teoriją, fizikai skrido balionais ir išmatavo jonizaciją (Hess, 1912). Paaiškėjo, kad viskas vyksta atvirkščiai – jonizacija tūrio vienetui didėja didėjant aukščiui! (Įrenginys buvo panašus į parodytą 9.3 pav. Dvi plokštės buvo periodiškai įkraunamos iki potencialo. Dėl oro laidumo jos lėtai išsikrauna; iškrovos greitis matuojamas elektrometru.) Šis nesuprantamas rezultatas. buvo pats nuostabiausias atradimas per visą atmosferos elektros istoriją. Šis atradimas buvo toks svarbus, kad reikėjo sukurti naują mokslo šaką – kosminių spindulių fiziką. O pati atmosferos elektra liko tarp mažiau stebinančių reiškinių. Jonizaciją, matyt, sukėlė kažkas už Žemės ribų; ieškant šio nežemiško šaltinio buvo atrasti kosminiai spinduliai. Dabar apie juos nekalbėsime ir pasakysime tik tiek, kad jie palaiko jonų tiekimą į orą. Nors jonai nuolat nešami, kosminės dalelės, prasiverždamos iš kosminės erdvės, nuolat kuria naujus jonus.
Tiksliau tariant, turime pažymėti, kad be jonų, sudarytų iš molekulių, yra ir kitų tipų jonų. Maži dirvožemio gumulėliai, kaip itin smulkios dulkių dalelės, sklando ore ir pasikrauna. Kartais jie vadinami „branduoliais“. Pavyzdžiui, kai jūroje pliaupia bangos, maži purslai skrenda į orą. Kai toks lašelis išgaruoja, ore lieka plūduriuoti mažas kristalas. Tada šie kristalai gali pritraukti krūvius ir tapti jonais; jie vadinami „dideliais jonais“.
Mažieji jonai, t.y. tie, kuriuos sukuria kosminiai spinduliai, yra patys judriausi. Dėl to, kad jie yra labai maži, jie greitai skrenda oru, maždaug , arba . Dideli ir sunkieji jonai juda daug lėčiau. Pasirodo, jei yra daug „branduolių“, jie sulaiko mažų jonų krūvius. Tada, kadangi „didieji jonai“ labai lėtai juda lauke, bendras laidumas mažėja. Todėl oro laidumas yra labai kintantis - jis labai jautrus jo „užsikimšimui“. Šių „šiukšlių“ daug daugiau virš sausumos nei virš jūros, vėjas kelia dulkes nuo žemės, o žmonės taip pat visais būdais teršia orą. Nenuostabu, kad diena iš dienos, akimirka į akimirką, iš vienos vietos į kitą laidumas šalia žemės paviršiaus labai kinta. Elektrinis laukas kiekviename taške virš žemės paviršiaus taip pat keičiasi, nes srovė, tekanti iš viršaus į apačią, skirtingose vietose yra maždaug vienoda, o laidumo pokyčiai šalia žemės paviršiaus lemia lauko pokyčius.
Oro laidumas, atsirandantis dėl jonų dreifo, taip pat greitai didėja didėjant aukščiui. Taip nutinka dėl dviejų priežasčių. Pirma, oro jonizacija kosminiais spinduliais didėja didėjant aukščiui. Antra, mažėjant oro tankiui, didėja laisvas jonų kelias, todėl prieš susidūrimą jie gali nukeliauti toliau elektriniame lauke. Dėl to aukštyje laidumas smarkiai šokteli.
Elektros srovės tankis pačiame ore prilygsta vos keliems mikromikroamperams kvadratiniame metre, tačiau tokių kvadratinių metrų Žemėje yra labai daug. Visa elektros srovė, pasiekianti žemės paviršių, yra maždaug . Ši srovė, žinoma, yra „teigiama“ - ji perduoda teigiamą krūvį į Žemę. Taigi paaiškėja, kad tai yra srovė, esant įtampai. Galia!
Esant tokiai stipriai srovei, neigiamas Žemės krūvis netrukus turėtų išnykti. Tiesą sakant, iškrauti visą Žemę užtruktų tik apie pusvalandį. Tačiau nuo elektrinio lauko atradimo atmosferoje praėjo daug daugiau nei pusvalandis. Kaip laikosi? Kaip palaikoma įtampa? O tarp ko ir kas yra? Žemė yra ant vieno elektrodo, o kas yra ant kito? Tokių klausimų yra daug.
Žemė yra neigiamai įkrauta, tačiau potencialas ore yra teigiamas. Pakankamai dideliame aukštyje laidumas yra toks didelis, kad horizontalių įtampos pokyčių tikimybė tampa lygi nuliui. Oras, tame laiko skalėje, apie kurį dabar kalbame, iš tikrųjų virsta laidininku. Tai įvyksta maždaug aukštyje. Tai dar nėra tokia aukšta, kaip vadinama „jonosfera“, kurioje dėl saulės spindulių fotoelektrinio efekto susidaro labai daug jonų. Savo tikslams, aptardami atmosferos elektros savybes, galime daryti prielaidą, kad maždaug aukštyje oras tampa pakankamai laidus ir egzistuoja praktiškai laidus sfera, iš kurios srovės teka žemyn. Situacija pavaizduota fig. 9.4. Klausimas, kaip ten išlaikomas teigiamas krūvis. Kaip jis grįžta atgal? Kadangi jis teka į Žemę, tai jį reikia kažkaip pumpuoti atgal? Ilgą laiką tai buvo viena iš pagrindinių atmosferinės elektros paslapčių.
Paveikslas. 9.4. Grynos atmosferos elektrinių savybių tipinės charakteristikos.
Bet kokia informacija šiuo klausimu gali padėti suprasti paslaptį arba bent ką nors apie tai pasakyti. Čia yra vienas įdomus reiškinys: jei išmatuosime srovę (o ji, kaip žinome, yra stabilesnė už potencialų gradientą), tarkime, virš jūros ir atidžiai laikydamiesi atsargumo priemonių, labai atidžiai viską suvidurkiname ir pašaliname visas klaidas. , tada pastebime, kad vis dar išlieka tam tikrų kasdienių skirtumų. Daugelio vandenynų matavimų vidurkis laiko skirtumus apytiksliai, kaip parodyta Fig. 9.5. Srovė svyruoja maždaug ±15% ir pasiekia didžiausią vertę 19 val. Londono laiku. Keisčiausia čia tai, kad nesvarbu, kur srovę matuojate – Atlanto, Ramiajame ar Arkties vandenyne – jos piko valandos yra tada, kai laikrodis Londone rodo 19 valandą! Visame pasaulyje srovė pasiekia maksimumą 19:00 Londono laiku, o mažiausią - 4:00 Londono laiku. Kitaip tariant, srovė priklauso nuo absoliutaus žemės laiko, o ne nuo vietos laiko stebėjimo taške. Vienu požiūriu tai nėra taip keista; tai visiškai atitinka mūsų mintį, kad pačiame viršuje yra labai didelis horizontalus laidumas, kuris atmeta vietinius potencialų skirtumo tarp Žemės ir viršaus pokyčius. Bet koks pajėgumo pokytis turi būti pasaulinis, taip ir yra. Taigi, dabar žinome, kad įtampa „aukščiau“ pasikeitus absoliučiam žemiškam laikui arba pakyla, arba sumažėja 15%.
Paveikslas. 9.3. Vidutinis paros atmosferos potencialo gradiento pokytis giedru oru virš vandenynų.
Bendrosios sąvokos
Palyginti su laidininkų (žr. 2 skyrių) ir puslaidininkių (žr. 3 skyrių) elektriniu laidumu, dielektrikų elektrinis laidumas turi keletą būdingų savybių.
Visi dielektrikai, veikiami laiko nekintamos įtampos, praleidžia tam tikrą, nors ir labai nereikšmingą, srovę, vadinamą nuotėkio srovė (I), kuri susideda iš dviejų komponentų: tūrinės srovės () ir paviršiaus srovės () (4.1 pav.).
Vadinasi, bendras dielektriko () laidumas yra tūrio () ir paviršiaus () laidumo suma:
Nurodytų laidumo abipusės vertės atitinkamai vadinamos tūrio () ir paviršiaus () varžomis.
Kitas būdingas bruožas Dielektrikų elektrinis laidumas yra laipsniškas srovės mažėjimas laikui bėgant (4.2 pav.). Įjungus dielektriką prie laikui bėgant nekintančios įtampos, pradiniu laikotarpiu grandinėje teka sparčiai mažėjanti poslinkio srovė (I cm), kurios tankis lygus:
Ši srovė mažėja per 10 13 ... 10 15 s pagal „šaltinio-imties“ grandinės laiko konstantą (). Tai yra, iš pradžių apytiksliai galime pasakyti, kad šią srovę lemia geometrinės talpos įkrovimas. Tačiau po to bendra srovė toliau keičiasi. Šis sumažėjimas gali trukti kelias minutes ar net valandas ir yra dėl to erdvės mokesčių perskirstymas , taip pat nustatant lėtą (dažniausiai) ir greitos rūšys poliarizacija. Ši krintanti srovės dalis vadinama sugerties srovė ().
Laikui bėgant, kai įkraunama geometrinė talpa, t.y. bus nustatyta visų tipų poliarizacija, įvyks erdvės krūvių perskirstymas, o elektros srovė, kuri laikui bėgant nesikeičia, išliks dielektrike - per srovę (), kurią lemia paviršiaus ir tūrinis elektrinis laidumas:
Keičiant varža dielektrikų, sugerties srovę reikia pašalinti kurį laiką palaikius bandinį esant įtampai.
Norint palyginti įvairius dielektrikus, atsižvelgiant į jų tūrinį ir paviršiaus elektrinį laidumą, naudojamos šios vertės: tūrinė varža (), Ir specifinis paviršiaus atsparumas (). Remiantis specifine ir tūrine varža, ją galima nustatyti savitasis tūrinis laidumas :
ir pagal specifinį paviršiaus atsparumą - savitasis paviršiaus laidumas :
Savavališkos formos dielektrinio pavyzdžio tūrio varžą galima rasti iš išraiškos:
kur yra savavališkos formos mėginio tūrio varža, Ohm; – geometrinis parametras, m.
Taigi plokščio pavyzdžio, kurio (žr. 1 skyrių), varža yra lygi:
kur yra sritis skerspjūvis mėginys (matavimo elektrodo plotas), m 2; – mėginio storis, m.
Tūrinis laidumas() matuojamas siemens vienam metrui ().
Paviršiaus varžą (omais) galima rasti iš išraiškos:
, ………………..(4.6)
kur yra bandinio paviršiaus varža, Ohm; – elektrodų ilgis, m; – atstumas tarp elektrodų, m.
Savitasis paviršiaus laidumas matuojamas siemenais.
Dujų elektrinis laidumas
Dujų elektrinis laidumas yra dėl to, kad jose yra tam tikras įkrautų dalelių kiekis. IN normaliomis sąlygomisįkrautų dalelių (dujų jonų arba kietų ir skystų priemaišų suspensijoje) skaičius 1 m3 atmosferos oras neviršija kelių dešimčių milijonų.
Paaiškinama dujose esančių krūvininkų kilmė įvairių veiksnių:
· Žemės radioaktyvioji spinduliuotė;
spinduliuotė prasiskverbia iš kosminė erdvė;
· Saulės spinduliuotė;
· kartais terminiu molekulių judėjimu ir pan.
Sugerdama bombarduojančios dalelės energiją, dujų molekulė praranda elektroną ir virsta teigiamas jonas. Šio proceso metu išsiskiriantis elektronas „prilimpa“ prie neutralios molekulės, sudarydamas neigiamą joną.
Kai kuriais atvejais laisvųjų krūvininkų koncentracija gali siekti labai didelės vertės. Dažniausiai taip yra dėl dujų molekulių fotojonizacijos. Tokia jonizacija gali vykti, pavyzdžiui, veikiant jonizuojančiai spinduliuotei: rentgeno ir gama spinduliams, neutronų srautams ir kt. Įkrauti jonai, taip pat aplinkinės dujų molekulės, neturinčios elektros krūvio, patiria atsitiktinius šiluminius judesius, o difuzijos dėka koncentracijos išsilygina.
jonų traukimas dujose. Kai susitinka teigiami ir neigiami jonai, jie rekombinuojasi. Stacionariu atveju, kai jonų skaičius laikui bėgant nekinta, susidaro dinaminė pusiausvyra tarp įkrautų dalelių susidarymo ir rekombinacijos procesų.
Apskaičiuokime savitąjį dujų laidumą. Kai veikia išorinis elektrinis laukas, teigiami ir neigiami jonai, įveikę dujų atsparumą trinčiai, judės tarp elektrodų atitinkamai tokiu greičiu:
kur ir yra teigiamų ir neigiamų jonų judrumas.
Ryšys tarp teigiamų () ir neigiamų () jonų, esančių 1 m 3 dujų, ir jonų, rekombinuojančių 1 m 3 dujų per 1 s () skaičiaus, gali būti pavaizduotas taip:
kur yra dujų jonų rekombinacijos koeficientas, m 3 /s. Pavyzdžiui, orui m 3 / s.
Stacionariu atveju
,
Taigi.
Jei lauko stipris (E) yra labai mažas, kad tekanti srovė nekeičia jonų koncentracijos dujose, srovės tankį galima nustatyti pagal išraišką:
Atsižvelgdami į tai, gauname specifinio dujų laidumo išraišką:
. (4.9)
Savitasis oro laidumas silpni laukai yra apie 10 -15 S/m.
Iš (4.8) formulės aišku, kad esant mažoms išorinio elektrinio lauko stiprio reikšmėms, kai , , ir galima laikyti pastoviomis, srovės tankis dujose yra tiesiogiai proporcingas taikomam lauko stipriui, t.y. tokiomis sąlygomis laikomasi Omo dėsnio (4.3 pav., 0A skyrius). Tačiau toliau didėjant taikomo lauko stiprumui, nes didėja jonų dreifo greitis, jų rekombinacijos tikimybė mažėja, ir iš esmės visi jonai veržiasi link elektrodų. Tai yra soties srovė (AB skyrius).
Orui, kai atstumas tarp elektrodų yra 0,01 m, prisotinimas pasiekiamas esant 0,5 V/m lauko stipriui. Prisotinimo srovės tankis ore (normaliomis sąlygomis) yra labai mažas ir siekia 10 -14 A/m 2.
0AB atkarpa vadinama nesavaiminio laidumo sritimi, nes elektros laidumą (laisvųjų krūvininkų koncentraciją) lemia išorinių jonizatorių galia.
Specifinio oro pasipriešinimo () vertė yra apie 10 18 omų∙m. Toliau didėjant lauko stipriui V/m (4.3 pav., p. BC), dėl procesų smarkiai padidėja srovės tankis. smūginė jonizacija molekules elektronais stipriame elektriniame lauke iki dujų tarpo suirimo. Orlaivių skyrius vadinamas nepriklausomo elektros laidumo sritis .
Skysčių elektrinis laidumas
Skysčių elektrinį laidumą lemia jonai, susidarantys disociuojant paties skysčio ar jo priemaišų molekules. Dėl chaotiško molekulių šiluminio judėjimo energijos padidėjimo, didėjant temperatūrai, didėja jonų jonizacijos laipsnis ir koncentracija. eksponentinė teisė:
, (4.10)
kur W yra disociacijos energija. Taigi specifinis laidumas yra:
kur n yra jono krūvis; ir yra atitinkamai teigiamų ir neigiamų jonų mobilumas; A yra konstanta.
Skysčio laidumo logaritmas mažėja tiesiškai didėjant atvirkštinei absoliuti temperatūra 1/T (pav.
4.4), kaip nurodyta patentuoti puslaidininkiai. Tačiau skirtingai nuo puslaidininkių, kurių , ( yra juostos tarpas), eksponentą skysčiuose lemia jų disociacijos energija:
Specifinis skysčių atsparumas yra:
, (4.12)
kur B yra konstanta.
Pagal panašų dėsnį kinta skysčių klampumas (). Skysčių priklausomybė paaiškinama tiek molekulių temperatūros disociacijos pokyčiu, tiek pasikeitimu.
Molekulių disociacija poliniuose skysčiuose vyksta lengviau nei nepoliniuose. Dėl to, kad polinių skysčių disociacijos energija yra daug mažesnė nei nepolinių skysčių, jų savitasis laidumas yra žymiai didesnis. Taigi, labai poliniams skysčiams (distiliuotam vandeniui, etilo alkoholis, acetonas), silpnai poliniam (sovol, ricinos aliejus), nepoliniam (benzenas, transformatorinė alyva) Ohm∙m. Nepoliniuose skysčiuose pagrindinės medžiagos molekulės praktiškai nesiskiria į jonus, o jų elektrinį laidumą lemia ypač polinių medžiagų priemaišos.
Kartais tai pastebima skysčiuose (ir dujose) su priemaišomis moliono laidumas , būdingas koloidinės sistemos , kurios yra artimas dviejų fazių medžiagų mišinys; su viena faze formoje smulkios dalelės(lašai, grūdeliai, dulkių dalelės ir kt.) tolygiai pakimba kitame. Iš koloidinių sistemų jos dažniausiai randamos elektros izoliacijos technologijoje. emulsijos (abi fazės yra skysčiai) ir sustabdymai (dispersinė fazė – kietas, dispersinė terpė – skystis). šimtas
emulsijų ir suspensijų stiprumas, t.y. jų gebėjimas išlikti ilgą laiką, nes išsklaidyta fazė nenusėda ant indo dugno (arba neišplaukia į paviršių) dėl abiejų fazių tankių skirtumo, paaiškinama tuo, kad dalelių paviršiuje yra elektros krūviai. dispersinės fazės (su tuo pačiu krūviu dalelės atstumia viena kitą). Tokios įkrautos dispersinės fazės dalelės vadinamos molions . Kai taikoma koloidinė sistema elektrinis laukas, molionai pradeda judėti, o tai išreiškiama forma elektroforezė .
Pavyzdžiai praktinis naudojimas elektroforezė – metalinių daiktų padengimas guma ir dervomis iš jų suspensijų, įvairių medžiagų dehidratacija elektriniame lauke ir kt. Skirtingai nuo elektrolizės, elektroforezės metu stebimas ne naujų medžiagų susidarymas, o tik santykinė išsklaidytos fazės koncentracija. įvairios dalys medžiagos tūris. Moliono elektrinis laidumas būdingas skystiems lakams ir junginiams, sudrėkintoms alyvoms ir kt. Jo indėlis į laidumą, kaip ir jonų elektrinis laidumas, priklauso nuo skysčio klampumo.
Kietųjų dielektrikų elektrinis laidumas
Dielektrikų elektrinis laidumas, skirtingai nei puslaidininkių, dažniausiai yra ne elektroninio, o joninio pobūdžio. Taip yra dėl to, kad juostos tarpas dielektrikuose yra toks, kad dėl šiluminio judėjimo nuo jų atomų gali būti atskirtas tik mažas elektronų skaičius. Dažnai pasirodo, kad jonai yra silpnai surišti gardelės vietose, o jų suardymui reikalinga energija yra panaši į kT, pavyzdžiui, NaCl kristale eV, o natrio jono atskyrimo energija yra eV. Todėl, nepaisant mažesnio jonų mobilumo (), palyginti su elektronų () judumu, jonų laidumas yra didesnis nei elektroninis dėl žymiai didesnės laisvųjų jonų koncentracijos:
. (4.13)
Dielektrikuose krūvininkai dažniausiai yra maži jonai, kurių mobilumas didesnis:
· protonai vandenilio turinčiuose junginiuose (polimeruose, kristaluose, pvz., KH 2 PO 4 ir kituose, turinčiuose vandenilinius ryšius);
· natrio jonai (NaCl ir natrio turinčiame stikle) ir kt.
Reikėtų pažymėti, kad disocijuotų (atplėštų) jonų () skaičius keičiasi eksponentiškai keičiantis temperatūrai:
, (4.14)
kur - bendras skaičius i-ojo tipo jonai; – i-ojo tipo jono disociacijos energija; kT – šiluminė energija.
Kietųjų dielektrikų, kaip ir puslaidininkių, savitasis elektrinis laidumas didėja didėjant temperatūrai pagal eksponentinį dėsnį:
 |
Tačiau priklausomybę dažnai sukelia ne tik eksponentinis nešiklio koncentracijos padidėjimas (4.5 pav., b)
bet ir dėl padidėjusio mobilumo:
µ~exp(-W n /kT),
kur W n – jono judėjimo energija, kuri lemia jo perėjimą nuo vieneto pusiausvyros būsena kitam). Taip yra dėl to, kad jonų dreifo mobilumas yra mažas ir atsiranda šokinėjant iš gaudyklės į spąstus, atskirtus potencialo barjeru W n (vadinamasis „šokinėjimo“ elektros laidumas). Tokių šiluminių šuolių tikimybė yra tiesiogiai proporcinga exp(-W n /kT) (4.5 pav., a).
Paprastai dielektrikas turi kelių tipų krūvininkų. Pavyzdžiui, be pagrindinės medžiagos jonų, gali būti ir silpnai surištų priemaišų jonų. Šiuo atveju savitasis laidumas yra vidinio laidumo suma su aktyvavimo energija (W) ir priemaišų laidumas su aktyvavimo energija (W np):
; (4.16)
,
kur yra koeficientas, jungiantis konstantas ( – i-ojo nešiklio krūvis; – i-ojo nešiklio koncentracija; – i-ojo nešiklio mobilumas); W i yra aktyvavimo energija.
Plačiame temperatūrų diapazone savitojo laidumo (γ) logaritmo priklausomybė nuo abipusis absoliuti temperatūra (T) turėtų būti sudaryta iš dviejų tiesių sekcijų su skirtingos reikšmės pasvirimo kampas į abscisių ašį (4.6 pav.). Esant aukštesnei nei lūžio taško A temperatūrai, elektros laidumą daugiausia lemia jo paties defektai - tai yra sritis aukšta temperatūra , arba nuosavas elektros laidumas . Žemiau pertraukos, srityje žema temperatūra , arba priemaiša elektros laidumas , priklausomybė plokštesnė.
Priešingai nei sunkiai atkuriama žemos temperatūros elektros laidumo sritis, kurią daugiausia lemia priemaišų pobūdis ir koncentracija, vidinio laidumo vertė nepriklauso nuo laidumo ir nepriklauso nuo priemaišų, yra gerai atkuriama ir yra fizinis parametrasšio ryšio.
Temperatūra, kurioje stebimas vingio taškas, labai priklauso nuo medžiagos grynumo ir tobulumo laipsnio. Didėjant priemaišų ir defektų kiekiui, priemaišų laidumas didėja ir aukštesnėje temperatūroje pasirodo esąs reikšmingas (4.6 pav.). Iš priklausomybės linijų sklypų šlaitų galima nustatyti krūvininkų aktyvavimo energiją ir jų pobūdį.
Joninį elektrinį laidumą lydi medžiagos pernešimas: teigiami jonai juda link katodo, o neigiami – link anodo. Elektrolizė ypač ryški aukštoje temperatūroje, kai ρ yra mažas ir kai didelis pastovios įtampos. Remiantis ant elektrodų išsiskiriančia medžiaga, galima nustatyti krūvininkų pobūdį. Dielektrikuose, kurių laidumas yra grynai joninis, griežtai laikomasi Faradėjaus dėsnio – proporcingumo tarp praleidžiamos elektros kiekio ir išsiskiriančių medžiagų kiekio dėsnio.
Kai kurie dielektrikai (pavyzdžiui, kitos titano turinčios keraminės medžiagos) pasižymi elektroniniu arba skylutiniu elektriniu laidumu. Tačiau nešikliai dažnai yra ne pagrindinės medžiagos, o priemaišų ir defektų elektronai. Titano turinčioje keramikoje sintezės metu aukštoje temperatūroje jie atsiranda reikšminga suma laisvų deguonies vietų, kurios dovanoja silpnai surištus elektronus arba skyles. Nuo jų priklauso stebimas elektros laidumas.
Kietieji akytieji dielektrikai, juose esant drėgmei, net ir nedideliais kiekiais smarkiai padidina savo elektrinį laidumą (4.7 pav.). Kreivės AB atkarpoje varžos reikšmė mažėja pasikeitus vandens molekulių ir dielektrikų molekulių disociacijos laipsniui. vandeninis tirpalasį jonus. BC sekciją sukelia džiovinimo procesai, o SD sekcijoje vyksta dielektrikų molekulių disociacija į jonus.
Mes atsižvelgėme į kietųjų dielektrikų elektrinį laidumą esant santykinai mažam elektrinio lauko stipriui. Esant pakankamai dideliam elektrinio lauko stipriui, dielektrikuose atsiranda elektroninis elektros laidumo komponentas, kuris sparčiai didėja didėjant elektrinio lauko stipriui, todėl pastebimas Ohmo dėsnio pažeidimas. Esant elektrinio lauko stipriams V/m, t.y. arti gedimo lauko stiprumo, elektros laidumo priklausomybė nuo lauko stiprumo atitinka Pulo dėsnį:
, (4.17)
Daugeliui dielektrikų Frenkelio dėsnis yra tikslesnis:
, (4.18)
kur yra elektros laidumas silpnuose elektriniuose laukuose; – netiesiškumo koeficientai, apibūdinantys dielektriko savybes; E – elektrinio lauko stiprumas.
Žinoma, kad dujos yra geriausi elektros izoliatoriai esant įprastoms slėgio ir temperatūros sąlygoms, tuo įsitikinome eksperimentuodami su izoliuotu elektroskopu, kurio lapai iš pusiausvyros padėties ištisas valandas išlieka pasvirę. Oras taip pat buvo laikomas nelaidžiu elektrai, o silpnas elektroskopo įkrovos praradimas buvo siejamas su netobula jo izoliacija ir dėl dulkių bei vandens garų buvimo ore, kurie pašalino krūvį iš elektroskopo (Warburg, 1872). Tačiau Elsterio, Keitelio ir Wilsono darbai parodė, kad atmosfera taip pat turi neabejotiną laidumą, o Eberto ir Emdeno eksperimentai atskleidė faktą, kad oro elektrinis laidumas sparčiai didėja didėjant aukščiui, svyruoja priklausomai nuo meteorologinių ir kitų sąlygų. Tada fizikams iškilo problema: kokia šio elektros laidumo prigimtis ir dėl kokių priežasčių jis nustatomas?
Kietųjų kūnų elektros laidumas ir skysti kūnai gali būti dviejų tipų: metalinio elektros laidumo, būdingo metalams ir kai kuriems kitiems kūnams, ir elektrolitinio elektros laidumo, būdingo daugumai skysčių, daugiausia druskų tirpalams. Metalo elektrinis laidumas pasižymi tuo, kad sveriančios laidininko dalelės neprisiima jokios matomos dalies elektros judėjime per jį. Elektrolituose, priešingai, elektros judėjimas yra susijęs su pačios medžiagos dalelių judėjimu. Dėl tirpiklio įtakos arba aukšta temperatūra Kai kurios elektrolitų molekulės disocijuoja, suskaidomos į skirtingus cheminius jonus, įkrautus vienodais priešingų ženklų elektros kiekiais. Išorės įtaka elektros jėgos tik laisvieji jonai veikiami judesių kartu su jų krūviais. Tada vyksta jonų judėjimo procesas: elektropozityvūs jonai nukreipiami viena kryptimi, elektronneigiami – kita, kuri užleis vietą skystyje elektros srovei, perkeldama teigiamus krūvius į katodą, o neigiamus – į anodą. Kiekvieno jono gramo ekvivalento nešamas krūvis nepriklauso nuo jo prigimties ir siekia 96 540 kulonų.
Taigi, reikėjo išspręsti klausimą, kuri iš šių dviejų elektros laidumo dujų tipų turėjo būti išspręsta. Šis klausimas buvo išspręstas ištyrus daugybę metodų, kuriais galima suteikti pastebimą elektros laidumą dujoms. Pavyzdžiui, apšviestas ultravioletiniais arba rentgeno spinduliai, arba būdamos katodo ar anodo dalelių arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamų dalelių įtakoje, arba galiausiai, veikiamos aukštai temperatūrai, dujos įgyja savybę laidi elektrą. Įkrautas elektroskopas beveik akimirksniu praranda savo krūvį, nepaisant jo ženklo, kai tik vienas ar kitas iš šių spindulių patenka į jį. Analogiškai elektrolitų elektriniam laidumui taip pat buvo daroma prielaida, kad tokių spindulių įtakoje jų prasiskverbusiose dujose atsiranda dalelės, kurios yra elektriškai teigiamai ir neigiamai įkrautos. Tada šią prielaidą patvirtino daugybė J. Thomsono ir jo mokinių eksperimentų Cavendish laboratorijoje Kembridže 1897–1903 m. Šios elektriškai įkrautos dujų dalelės buvo vadinamos jonais, pats jų atsiradimo procesas – jonizacija, o spinduliai, sukėlę jonizaciją – jonizatoriais. Kadangi analogija tarp elektrolitinių jonų ir dujų jonų yra neišsami, anglų fizikai juos dažniau vadina „elektronų nešikliais“ arba, trumpai tariant, „nešikliais“. Galiausiai, oro jonizatoriai taip pat yra daug cheminių ir mechaniniai procesai, pvz.: deginimas, fosforo oksidacija, vandens smulkinimas ir purškimas ant kietų ar skystų paviršių ir kt.
Taigi neliko nė lašo abejonių, kad bet kuriose dujose ir jų atmosferoje pastebimas labai silpnas elektros laidumas. geros būklės, turi priežastį jų jonizacija. Atsižvelgiant į tai, nebuvo sunku paaiškinti patį elektros sklaidos atmosferoje faktą, taip pat jos priklausomybę nuo įvairių meteorologinių ir kitų sąlygų.
Elsteris ir Geitelis taip pat iškėlė hipotezę apie daugelio priežasčių dalyvavimą jonizacijoje, o pirmiausia apie kosminę priežastį - saulės spindulių veikimą. Lenardo eksperimentai su kraštutinumais ultravioletiniai spinduliai, kurį skleidžia karšti aliuminio, cinko ir kitų metalų garai, atrado stipriausią atmosferos šių spindulių sugertį ir itin stiprus laipsnis jo jonizacija dėl šios absorbcijos. Oro jonizaciją ultravioletiniais spinduliais reikėtų įsivaizduoti taip: oro molekulei sugėrus spinduliavimo energiją, iš pastarosios išeina neigiamas elektronas, o likusi dalis virsta teigiamu jonu. Neigiamas elektronas susijungia su neutralia oro molekule ir sudaro neigiamą joną. Dėl to, kad saulės fotosferoje yra karštų minėtų metalų garų, be to, vandenilio, kuris išsiskiria kibirkštinio išlydžio ekstremalūs ultravioletiniai spinduliai, tada Elsterio ir Geitelio prielaida apie Saulės dalyvavimą oro jonizacijoje tampa itin tikėtina. Ši prielaida gana paprastai paaiškina daugybę svarbių atmosferos reiškinių, susijusių su jos jonizacijos stebėjimais, pavyzdžiui, didesnį jonizacijos laipsnį vasarą nei žiemą, saulėtomis dienomis nei debesuotomis dienomis ir kt.
Tačiau, jei atsižvelgsime į neįprastai stiprią ekstremalių ultravioletinių spindulių sugertį atmosferoje, teks daryti išvadą, kad iš tikrųjų tiesioginė jonizacija ultravioletiniais saulės spinduliais vyksta tik labiausiai viršutiniai sluoksniai. Tie patys viršutiniai oro sluoksniai, matyt, jonizuojami dėl daugelio kitų kosminių priežasčių, būtent bombardavimo. kosminės dulkės, saulės elektronų spinduliuotė ir tt Jonai gali prasiskverbti į apatinius sluoksnius tik dėl difuzijos arba būti nunešti nuolatinių kylančių ir besileidžiančių oro srovių. Tačiau norint paaiškinti apatinių oro sluoksnių jonizaciją, ši išvada taip pat susiduria su sunkumais dėl greito jonizacijos išnykimo pasibaigus jos šaltiniui. Dėl lėto žemyn nukreiptų srautų judėjimo aukščiau jonizuotas oras, matyt, pasieks Žemės paviršių tik praėjus tam tikram laikui, kai visa jo jonizacija jau seniai išnyko. Todėl, norint paaiškinti apatinių atmosferos sluoksnių jonizaciją, reikia atsižvelgti į kitą jos šaltinį - atmosferos oro radioaktyvumą, kuris yra žinomas ryšys su saulės spinduliuote ir todėl priklauso nuo saulės dėmių susidarymo laikotarpis.
Už oro radioaktyvumo atradimą esame skolingi Elsteriui ir Geiteliui. Jie savo sode ant dviejų izoliatorių ištempė 10 metrų varinę vielą ir dvi valandas palaikė aukštą įtampą naudodami elektros bateriją. neigiamas potencialas. Atlikus tyrimą jie buvo įsitikinę, kad viela tapo radioaktyvi. Radioaktyvumas iš vielos gali būti pašalintas naudojant popierių arba vatą, o sudegus liktų pelenuose, pastebimai paveikdamas fotografinę plokštę arba sukeldamas bario platinos cianidu padengto ekrano fosforescenciją. Vietoj to, kad laidas būtų suaktyvintas dirbtiniu elektrifikavimu, jis gali būti pasiektas vien tik veikiant žemės elektriniam laukui, pavyzdžiui, kalnų viršūnėse, bokštuose ir pan. Tolesni stebėjimai parodė, kad yra ir kitų radioaktyvieji elementai, torio ir jūros anemono, taip pat išsiaiškino jų kiekių ryšį su įvairiais meteorologiniais ir geofiziniais veiksniais. Beje, tie patys mokslininkai konstatavo faktą, kad rūsių, urvų ir požemių oras yra labai jonizuotas. didesniu mastu nei oras virš Žemės paviršiaus. Itin stipriai jonizuotas pasirodė kažkokiu dirbtiniu būdu iš dirvožemio ištrauktas oras. Pakanka santykinai nedidelio tokio oro tūrio, kad į jį panardintas įkrautas laidas suteiktų laikino radioaktyvumo savybę. neigiama elektros energija. Tokiame ore esantis elektroskopas išsikrovė per kelias minutes. Todėl buvo natūralu daryti prielaidą, ar atmosferos oro radioaktyvumą sukelia iš dirvožemio į jį patenkančios radioaktyviųjų medžiagų priemaišos ir jų emisijos? O kadangi šis radioaktyvumas savo ruožtu sukelia oro jonizaciją, reikia prieiti prie išvados, kad vienas iš apatinių atmosferos oro sluoksnių jonizacijos šaltinių yra būtent dirvožemyje randami radioaktyvieji principai. Tačiau yra pagrindo manyti, kad oro radioaktyvumą lemia daugybė sudėtingų ir įvairūs procesai, atsirandantis gamtoje apskritai, todėl yra viena iš energijos formų.
Nepaisant visų sunkumų šį klausimą ir sunku atskirti dirvožemio radioaktyvumo ir saulės spinduliuotės vaidmenį jonizuojant atmosferos orą, tačiau kasdienius ir metinius oro jonizacijos laipsnio svyravimus galima priskirti Saulės spinduliams. Didesnė oro jonizacija vasarą, palyginti su žiemą ir viduje geras oras palyginti su debesuotomis sąlygomis, galima gana patenkinamai paaiškinti, jei atsižvelgsime į stipresnę dirvožemio insoliaciją vasarą ir giedru oru. Šie veiksniai lemia intensyvesnį ir daugiau laisvas bendravimas dirvožemio oras ir atmosfera. Galbūt tomis pačiomis priežastimis reikia paaiškinti kasdienius oro jonizacijos svyravimus, kurie sutampa su kai kurių meteorologinių elementų svyravimais.
Reikėtų pažymėti, kad teigiamų ir neigiamų jonų skaičius atmosferos ore normaliomis sąlygomis yra labai mažas, palyginti su visas numeris jo molekules. Kaip žinoma, 1 kubinis centimetras dujose normaliomis slėgio ir temperatūros sąlygomis yra apie 30 * 10 18 (30 trilijonų) molekulių. Tuo pačiu metu tame pačiame tūryje suma yra vidutiniškai 800–1000. Šis jonų skaičius kinta visiškai priklausomai nuo metų ir paros laiko, priklauso nuo geologinių, topografinių ir meteorologinių sąlygų bei nuo oro stichijų eigos: pavyzdžiui, vasarą jonų skaičius yra daug didesnis nei žiemą, giedroje. ir sausu oru daugiau nei lietingu oru ir debesuota, su rūku nukrenta iki nulio.
Labai įdomus klausimas, ar yra atmosferos oro jonizacijos laipsnio svyravimų, kurie ilgesnis laikotarpis- 11 metų laikotarpis, susijęs su tuo pačiu Saulės veiklos laikotarpiu. Deja, turiu konstatuoti faktą, kad dėl masės ir kasdienių atmosferos oro jonizacijos laipsnio matavimų trūkumo šis klausimas dar neišspręstas. Tuo tarpu eksperimentinio sprendimo poreikis tai svarbus klausimas padiktuota tiek biologijos, tiek pačių prielaidų apie tokio periodo egzistavimą atmosferos jonizacijoje.
Kaip žinoma, padidėjusio saulės aktyvumo eroje į Žemę tekančios saulės spinduliuotės energijos kiekis gerokai padidėja. Tai padidino energijos antplūdį į Žemę elektromagnetinių ar korpuskulinė spinduliuotė, be jokios abejonės, sukelia fizikinių ir cheminių procesų intensyvumo padidėjimą žemės pluta ir atmosfera.
Nodonas paskelbė savo įdomių eksperimentų rezultatus, rodančius, kad radioaktyvioji spinduliuotė žymiai pagreitėja saulės spinduliai turinčios specialaus užsakymo spinduliuotę. Pastarieji prasiskverbia pro plonu sluoksniušvino ir kitų metalų, ir kuo stipriau juos sugeria metalai, tuo didesnis metalo, iš kurio pagamintas ekranas, atominis svoris. Šių spindulių poveikis labiausiai pastebimas padidėjusio saulės aktyvumo laikotarpiais. Jei todėl laipsnis radioaktyvioji spinduliuotė, ore, didėja padidėjusio saulės aktyvumo laikotarpiu, vadinasi, tuo pačiu laikotarpiu turėtų padidėti ir atmosferos oro jonizacija.
Radioaktyviųjų spindulių buvimas atmosferoje siejamas su uolienų, esančių Žemės paviršiuje, išsiskyrimu. Tačiau Bongardo Lindenburge atlikti stebėjimai, naudojant nuo 5 iki 15 metrų ilgio plienines vielas, kylančias gyvatėmis į 4000 metrų aukštį, patvirtino emanacijų skaičiaus priklausomybę nuo barometrinio slėgio Žemės paviršiuje ir sluoksnio temperatūros. oro, kuriame buvo laidas. Be to, Bongardas pastebėjo emanacijos pokyčių periodiškumą 27–28 dienų laikotarpiu. Bongardas šio periodiškumo priežastį priskyrė saulės aktyvumui, nes nurodytą laikotarpį apytiksliai lygus laikotarpiui jo sukimasis. Tuo pačiu metu Maniloje, Filipinų salose, stebint radioaktyviųjų spindulių kiekį, buvo gautas toks pat 27-28 dienų laikotarpis. Lygindamas šiuose dviejuose taškuose gautus duomenis su Saulės kalcio debesų spektroheliogramomis, Bongardas padarė išvadą, kad mūsų atmosferoje aptiktų emanacijų šaltinis yra saulės aktyvumas.
Taip pat būtina atkreipti dėmesį į Stoletovo-Hallwachso efekto buvimą žemės paviršiuje. Buvo įrodyta, kad kai kurie metalai turi savybę greitai prarasti neigiamą krūvį, kai jie veikia tiesioginiu būdu saulės šviesa. Net kai metalinė plokštė neįkraunama, ji skleidžia neigiami spinduliai, todėl įgauna teigiamą krūvį. Kuriems saulės spinduliams reikėtų priskirti šį fotoelektrinį efektą? Iš matomos spektro dalies tik viena violetinė dalis turi panašų poveikį. Atlikus tikslius tyrimus buvo nustatyta, kad daugelis mineralų, visų pirma lauko špatas ir granitas, veikiant šiai spinduliuotei, taip pat turi fotoelektrinį efektą. Tuo remdamiesi Elsteris ir Geitelis pasiūlė, kad saulės spindulių veikiami uolų uolienos neigiamai įkrautame žemės paviršiuje išskiria neigiamus elektronus į orą. Pastarosios, jei yra tinkamos sąlygos, taip pat gali sukelti pačios žemės paviršiaus atmosferos jonizaciją.
Ryšys tarp oro jonizacijos laipsnio ir dėmių susidarymo proceso buvo aptiktas daugelyje fizinių reiškinių atmosferoje. Visų pirma, šis ryšys labai aiškiai pasireiškė radijo perdavimo sąlygų svyravimais. Šis jonizacijos efektas gaunamas teorinis paaiškinimas Maxwell-Hertz lygtyse, nes jonizacija, kaip matėme aukščiau, lemia oro elektrinį laidumą. Taigi elektromagnetinės bangos, sklindančios gerai laidžioje terpėje, įgauna charakterį slopinami svyravimai, ir juos logaritminis mažėjimas slopinimas didėja tiesiogiai proporcingai elektros laidumo laipsniui.
Dėl to, kad oro jonizacija dienos metu smarkiai svyruoja, priklausomai nuo saulės šviesos stiprumo ir intensyvumo, nuo šio faktoriaus priklauso ir radijo perdavimas. Iš tiesų, atmosferos jonizacija bet kurioje žemės paviršiaus vietoje priklauso nuo paros ir nakties laiko ir paprastai didėja į vidurį, o tada akivaizdu, kad plitimas mažėja elektromagnetines bangas turi atstovauti periodinė funkcija laiko tarpas lygus dienai. Pagrindinis jonizacijos maksimumas stebimas nuo dviejų iki keturių valandų, o minimumas – ryte ir vakare. Kadangi jonizacijos ir elektrinio laidumo įtaka elektromagnetinės vibracijos daugiausia įtakos turi jų energijos susilpnėjimas, tada net iš grynai teorinių samprotavimų nebuvo sunku daryti išvadą, kad radijo perdavimas bus sunkiausias dieną ir mažiausiai naktį, taip pat vakare ir ryte. Tiesą sakant, Marconi pirmasis pastebėjo faktą, kad naktį žymiai padidėja tiek radijo signalų girdimumas, tiek perdavimo atstumas. Vėliau šį faktą patvirtino tūkstančiai stebėtojų. Be to, tomis valandomis, kai saulė teka ir leidžiasi, dėl staigus pokytis Atmosferos sluoksnių, esančių šalia ribinės srities tarp apšviestų ir neapšviestų jos dalių, jonizacija, turime nustatyti jonizuotų sluoksnių tęstinumo pažeidimo įtaką. Ši aplinkybė savo ruožtu turėtų turėti įtakos radijo priėmimui, o tai iš tikrųjų yra apskritai. Tuo pačiu metu mokslininkų dėmesį patraukė tai, kad radijo bangų priėmimo kokybė smarkiai pablogėja dėl dėmių susidarymo. Šiuo tikslu atliktais stebėjimais nustatyta, kad perėjimo dienomis saulės dėmės Per centrinį Saulės dienovidinį radijo bangų priėmimas paprastai patiria didelių anomalijų, susijusių su sunkumais. Šis reiškinys turi didžiausią poveikį dirbant su ilgos bangos, kaip parodė Pikardo pastebėjimai Vašingtone, tačiau teoriniais sumetimais to buvo galima tikėtis. Austinas taip pat nustatė glaudų ryšį tarp mėnesinių radijo priėmimo indeksų ir saulės spinduliuotės.
Galiausiai buvo bandoma nustatyti saulės užtemimų poveikį atmosferos elektrai, pavyzdžiui, 1900, 1905, 1912, 1914 ir 1927 m. Nordmannas pastebėjo laidumo minimumą Alžyre 1905 m., praėjus maždaug 3/4 valandos nuo visiško užtemimo fazės pradžios. Kiti tyrinėtojai taip pat padarė išvadą apie šio kosminio reiškinio įtaką atmosferos laidumui. Buvo atlikti saulės užtemimo įtakos radijo transliacijai stebėjimai.
