Búrka. Blesk.
Prídavné meno „strašný“ je odvodené od podstatného mena „búrka“. Po takom jemnom lingvistickom postrehu a premyslenom závere si človek hneď vybaví krásne básne F.I. Tyutcheva: „Milujem búrku začiatkom mája ...“ Samozrejme, búrka sa stane kedykoľvek počas roka, dokonca aj v zime, ale na jar, keď príroda kvitne, je búrka obzvlášť krásna, čo si všimol spievať .
Čo je krásne, majestátne a zároveň nebezpečný jav príroda, nazývaná búrka? O tomto vedcov a jednoduchých ľudí dlho rozmýšľali. Ľudia v dávnych dobách, ktorí nepochopili dôvody podstaty búrky, neustále prežívali posvätnú hrôzu pred týmto prírodným javom. A bolo sa čoho zdesiť: následky silných búrok boli často ničenie obydlí a hospodárskych budov, požiare, smrť ľudí a domácich zvierat.
Až v 18. storočí vedci zistili, že blesk je iskrový výboj atmosférickej elektriny. Mnoho vedcov sa zaoberalo štúdiom atmosférickej elektriny, vrátane M.V. Lomonosov, ktorý správne odhadol vertikálne prúdy v atmosfére a výskyt elektrických nábojov na oblakoch. Na experimentoch uskutočnených v rokoch 1752-1753 M.V. Lomonosov a americký výskumník a štátnik Benjamin Franklin (1706-1790) súčasne a nezávisle od seba dokázal, že hromový blesk je obrovská elektrická iskra, ktorá sa nelíši od iskry, ktorá preskakuje medzi guľami laboratórneho elektrického stroja, s výnimkou jej veľkosti, a teda aj energie.
Lomonosov zostrojil „hromový stroj“, čo bol kondenzátor, ktorý sa nabíjal atmosférickou elektrinou cez drôt, ktorého koniec bol zdvihnutý nad zemou na vysokom stĺpe. Kondenzátor bol v Lomonosovovej kancelárii. Počas búrky bolo možné vytiahnuť iskry z kondenzátora, keď sa k nemu priblížili rukou. Pri takýchto pokusoch v roku 1753 pred Lomonosovom zomrel jeho priateľ Nemec, ktorý s ním spolupracoval. vedec Georg Boháč.
Nie menej ako nebezpečný zážitok sa konal v Amerike približne v rovnakom čase Franklin. Spustil sa počas búrky na šnúre šarkana, ktorý bol vybavený železným hrotom. Na spodný koniec šnúrky bol priviazaný kovový predmet (kľúč od dverí). Keď sa špagát namočil a zmenil sa na vodič elektrický prúd, Franklin dokázal vytiahnuť z kľúča elektrické iskry a nabite nádoby Leyden na ďalšie experimenty s elektrickým strojom. Je jasné, že Franklin podstúpil veľké riziko. do hadov by mohol udrieť blesk a potom elektrický prúd veľká veľkosť by prešiel do zeme cez telo experimentátora.
Experimenty Lomonosova a Franklina ukázali, že búrkové mraky sú silne nabité elektrinou.
Následne sa zistilo, že rôzne časti hromový oblak niesť náboje rôznych znamení. Najčastejšie je spodná časť oblaku (obrátená k Zemi) negatívne nabitá a horná pozitívne. Pripomeňme, že Zem ako celok má negatívny náboj. Ak sa dva oblaky priblížia k sebe s opačne nabitými časťami, potom medzi nimi preskočí blesk. Ale k výboju blesku môže dôjsť aj inak. Prechádzajúc nad zemou vytvára búrkový mrak na svojom povrchu veľké indukčné náboje. Oblak a povrch zeme tvoria akoby dve dosky veľkého kondenzátora. Potenciálny rozdiel medzi oblakom a zemou dosahuje obrovské hodnoty dosahujú stovky miliónov voltov a vo vzduchu vzniká silné elektrické pole. Ak sila tohto poľa dosiahne určitý limit, potom dôjde k poruche, t.j. blesk udrie do zeme. O možné následky o takomto údere do ľudí a okolitých predmetov sme sa už zmienili.
Početné a dlhodobé štúdie ukazujú, že iskrový výboj pri blesku má tieto priemerné parametre:
Napätie medzi mrakom a zemou je 100 000 000 (sto miliónov) voltov;
Bleskový prúd - 100 000 (sto tisíc) ampérov;
Trvanie elektrického výboja je 10-6 (jedna milióntina) sekundy;
Priemer svetelného kanála - 10-20 cm.
Hrom, ktorý nastáva po blesku, sa vysvetľuje skutočnosťou, že vzduch v kanáli blesku a okolo neho je veľmi horúci a rýchlo sa rozpína a vytvára zvukové vlny. Keď sa tieto vlny odrážajú od mrakov alebo predmetov na povrchu zeme, vzniká ozvena, ktorú naše uši vnímajú ako hrom. Drvivý hukot týchto zvonení nepriamo hovorí o tom, aké obludné sú významy elektrické veličiny ktorá spôsobila vznik blesku.
Elektrické pole Zeme.
Vedci zistili, že medzi rôznymi bodmi zemskej atmosféry, umiestnenými v rôznych výškach, existuje potenciálny rozdiel, t.j. blízko zemského povrchu existuje elektrické pole. Veľkosť zmeny potenciálu s výškou je iná iný čas rokov a pre rôzne lokality a má priemernú hodnotu 130 voltov na meter v blízkosti zemského povrchu. Inými slovami, intenzita poľa v blízkosti Zeme je 1,3 V/cm. Pri stúpaní nad Zem toto pole rýchlo slabne a už vo výške 1 km je jeho sila len 0,4 V/cm a vo výške 10 km sa stáva zanedbateľne slabým. Znak tejto zmeny zodpovedá negatívnemu náboju Zeme. Neustále teda žijeme a pracujeme v elektrickom poli značnej intenzity.
Keďže pole v blízkosti Zeme má silu asi 130 V/m, tak medzi bodmi, v ktorých sa nachádza hlava a nohy každého z nás, malo byť napätie cez 200 voltov. Prečo toto pole necítime, pričom dotyk vodiča pripojeného k sieti s napätím 100-120 voltov môže byť nielen bolestivý, ale aj smrteľný? Ukazuje sa, že faktom je, že ľudské telo je vodič, a preto by jeho povrch v poli s rovnováhou nábojov mal byť ekvipotenciálna plocha, t.j. také, pre každú dvojicu bodov, ktorých potenciálny rozdiel je rovný nule. Preto medzi jednotlivými bodmi na povrchu tela (hlava a nohy) nemôže byť potenciálny rozdiel. Zem ako celok je vodič, preto je povrch Zeme aj ekvipotenciálnou plochou.
Experimentálna štúdia elektrického poľa Zeme a zodpovedajúce výpočty ukazujú, že Zem ako celok má záporný náboj, priemerná hodnotačo sa odhaduje na pol milióna príveskov (asi 4,5x10 5). Tento náboj sa udržiava približne nezmenený vďaka množstvu procesov v zemskej atmosfére i mimo nej (vo svetovom priestore), ktoré ešte zďaleka nie sú úplne objasnené.
Kde sú relevantné kladné náboje? Tieto náboje sa nachádzajú v takzvanej ionosfére, t.j. vo vrstve ionizovaných (kladne nabitých) molekúl umiestnených niekoľko desiatok kilometrov nad Zemou. Objemový kladný náboj tejto vrstvy atmosféry kompenzuje záporný náboj Zeme. Čiary zemského elektrického poľa idú z tejto vrstvy na povrch Zeme (od kladného náboja k zápornému).
Rainbow.
Zvyčajne sa po daždi na oblohe objaví dúha, tento farebný oblúk vody a svetla. Dúha od nepamäti vzrušuje mysle výskumníkov a tvorcov mýtov. Aristoteles napríklad považoval dúhu za odraz slnečné svetlo mraky. Toto je, samozrejme, prílišné zjednodušenie skutočného javu. Autor: moderné nápady biele svetlo je zmesou rôznych žiarení s rôznymi vlnovými dĺžkami. Zavesenie vo vzduchu kvapka vody, Ray biele svetlo lámal ako hranol. Dostane sa na vnútornú stenu kvapky, odrazí sa a rozpadne sa na jednofarebné žiarenie, ktoré pod rôzne uhly smeruje k opačnej stene. Tieto žiarenia, keď sa uvoľnia, majú farbu zodpovedajúcu ich vlastnej vlnovej dĺžke. Tvoria viacfarebnú paletu dúhy. Pomocou presných prístrojov vedci určili, že uhol odrazu červeného lúča je 137 o 58`, fialového - 139 o 43`. Takto vzniká krehký, neustále sa opakujúci prísny sled farieb: pozdĺž vnútorného okraja dúhy - fialová, postupne sa mení na modrú, zelenú, žltú, oranžovú a pozdĺž vonkajšieho okraja - červená.
Rovnakým spôsobom vzniká modré halo nad vzdialenými vrcholmi alebo nad morským horizontom, keď sa lúče určitej vlnovej dĺžky zrazia s časticami tvorenými molekulami vzduchu. Ak by sa svetlo neodrážalo od kvapiek a častíc, potom by sa nám obloha zdala čierna ako medziplanetárny priestor, ktorý astronauti pozorujú mimo zemskej atmosféry.
vedecké vysvetlenie Dúhu vrátil v roku 1635 René Descartes vo svojom diele „Meteory“ v kapitole „O dúhe“, prezentovanej na našej webovej stránke.
svetelné vlny sú elektromagnetické vlny. Vnímané okom a spracované mozgom vytvárajú trojrozmerný farebný obraz sveta, ktorý vnímame. Dúha je usporiadaná séria elektromagnetické oscilácie s vlnovými dĺžkami od 8x10 -5 cm pre červenú po 4x10 -5 cm pre fialovú. Vlnové dĺžky pre ostatné farby sú medzi uvedenými hodnotami. Ľudské oko je neuveriteľne zložitý fyzikálny prístroj schopný rozpoznať rozdiel vo farbe, dokonca aj v odtieňoch farieb, čo zodpovedá úplne zanedbateľnému rozdielu v dĺžke svetelných vĺn: asi 10 -6 (asi jedna milióntina!) centimetrov. Všeobecne povedané, v prírode neexistujú žiadne farby, existujú iba vlny rôznych dĺžok. Farby, ktoré vidíme, sú energiou svetelnej vlny meranej okom a interpretovanej mozgom. Úžasnú hru farieb naše oko realizuje len v úzkom pásme frekvencií svetelných vibrácií. Ako by to mohlo vyzerať svet, ak by ľudské oko malo k dispozícii širší rozsah frekvencií na ich preloženie farebná schéma? Takúto situáciu si nevieme predstaviť.
A teraz pár slov o ďalších prírodných javoch spojených s fungovaním biosféry. V pokračovaní témy zrážok je potrebné povedať o snehových zrážkach a krupobití. Fyzicky sú oba tieto typy zrážok rovnaké, pretože predstavujú zrážky z oblakov tej istej vody, prevedené nízke teploty vzduch inému stav agregácie. Keď teplota vystúpi asi na 0 o -1 o Celzia, sneh a krúpy sa opäť menia na vodu, t.j. do kvapalnej fázy.
Pre poľnohospodárov sú silné snehové zrážky na začiatku zimy znakom dobrej budúcej úrody: zimné semená sú napokon dobre chránené pred mrazom. „Sneh je hlboký – a chlieb dobrý“ – tak hovorievali v ruských dedinách. A zasnežené stromy pripomínajú očarujúce zimná rozprávka. Akú veľkú radosť majú deti, keď majú možnosť oslepnúť snehuliaka alebo sa hrať na snehu!
Ale nielen radosť prinášajú snehové zrážky. Ak sú príliš bohaté, dlhé a fujavé - načo je to dobré. Metrové záveje a záveje na cestách, prestávky v práci zemných a vzdušná preprava, pretrhnutia elektrických drôtov, snehové lavíny v horách, ktoré často vedú k zachyteniu a niekedy aj smrti ľudí v snehovej mase. Pre voľne žijúce zvieratá a vtáky je hľadanie potravy ťažké. Toto všetko pozorujeme a zažívame takmer každý rok v najrozmanitejších regiónoch zemegule.
Veľké krúpy, najmä ak padajú na jar, môžu spôsobiť veľké škody na úrode sadov a polí, dokonca spôsobiť škody na budovách, autách stojacich pod otvorené nebo atď.
elektrické pole Zeme, prirodzené elektrické pole Zeme ako planéty, ktoré je pozorované v pevné telo Zem, v moriach, v atmosfére a magnetosfére. E. p. 3. je dôsledkom zložitého súboru geofyzikálnych javov. Rozloženie potenciálu poľa nesie určité informácie o štruktúre Zeme, o procesoch prebiehajúcich v nižších vrstvách atmosféry, v ionosfére, magnetosfére, ako aj v blízkom medziplanetárnom priestore a na Slnku.
Technika merania E. p. 3. je určená prostredím, v ktorom je pole pozorované. Väčšina univerzálny spôsob- určenie rozdielu potenciálov pomocou elektród s odstupom. Táto metóda sa používa pri registrácii zemných prúdov (pozri obr. Telurické prúdy ), pri meraní s lietadla elektrické pole atmosféry a s kozmická loď- magnetosféra a vonkajší priestor(V tomto prípade musí byť vzdialenosť medzi elektródami väčšia Polomer skríningu Debye V vesmírna plazma t.j. byť stovky metrov).
Existencia elektrického poľa v zemskej atmosfére je spojená najmä s procesmi ionizácie vzduchu a priestorového oddeľovania kladných a záporných elektrických nábojov vznikajúcich pri ionizácii. K ionizácii vzduchu dochádza pod vplyvom kozmické lúče ultrafialové žiarenie slnko; žiarenia rádioaktívne látky dostupné na povrchu Zeme a vo vzduchu; elektrické výboje v atmosfére atď. Mnohé atmosférické procesy: konvekcia, tvorba oblakov, zrážky a iné vedú k čiastočnému oddeleniu opačných nábojov a vzniku atmosférických elektrických polí (viď. atmosférickej elektriny ). V porovnaní s atmosférou je povrch Zeme negatívne nabitý.
Existencia elektrického poľa atmosféry vedie k vzniku prúdov, vybitie elektrickej "kondenzátorovej" atmosféry - Zeme. Zrážky zohrávajú významnú úlohu pri výmene nábojov medzi zemským povrchom a atmosférou. V priemere zrážky prinášajú kladné náboje 1,1-1,4 krát viac ako negatívne. Únik nábojov z atmosféry sa dopĺňa aj vplyvom prúdov spojených s bleskom a tokom nábojov z hrotitých predmetov (bodov). Bilancia elektrických nábojov privedených na zemský povrch s plochou 1 km 2 za rok možno charakterizovať nasledujúcimi údajmi:
Vodivý prúd + 60 k / (km 2 roky)
Zrážkové prúdy + 20 »
Blesky - 20 »
Prúdy z tipov - 100 "
__________________________
Celkom - 40 k / (km 2 roky)
Na významnej časti zemského povrchu - nad oceánmi - sú prúdy z hrotov vylúčené a bude tu pozitívna bilancia. Existencia statického záporného náboja na povrchu Zeme (asi 5,7 × 10 5 Komu) naznačuje, že tieto prúdy sú v priemere vyrovnané.
Elektrické polia v ionosfére sú spôsobené procesmi prebiehajúcimi v oboch horné vrstvy atmosfére, ako aj v magnetosfére. Slapové pohyby vzdušných hmôt, vetry, turbulencie - to všetko je zdrojom generovania elektrického poľa v ionosfére v dôsledku hydromagnetického dynamo efektu (pozri obr. Zemský magnetizmus ) Príkladom je slnečno-denný elektrický prúdový systém, ktorý spôsobuje denné zmeny magnetického poľa na povrchu Zeme. Veľkosť intenzity elektrického poľa v ionosfére závisí od polohy pozorovacieho bodu, dennej doby, Všeobecná podmienka magnetosféra a ionosféra, zo slnečnej aktivity. Pohybuje sa od niekoľkých jednotiek až po desiatky mv/m, a vo vysokej zemepisnej šírke ionosféra dosahuje sto alebo viac mv/m. V tomto prípade súčasná sila dosahuje stovky tisíc ampérov. Kvôli vysoká elektrická vodivosť plazmy ionosféry a magnetosféry pozdĺž siločiar magnetického poľa Zeme sa elektrické pole ionosféry prenáša do magnetosféry a magnetosférické polia do ionosféry.
Jedným z priamych zdrojov elektrického poľa v magnetosfére je slnečný vietor. Keď slnečný vietor prúdi okolo magnetosféry, vzniká emf E= v´ b^ , kde b ^ - normálna zložka magnetického poľa na povrchu magnetosféry, v- priemerná rýchlosťčastice slnečný vietor.
Toto emf spôsobuje, že elektrické prúdy sú uzavreté spätnými prúdmi prúdiacimi cez magnetotail (pozri obr. Zem ). Tie sú generované kladnými vesmírnymi nábojmi na úsvitovej strane magnetotailu a zápornými nábojmi na súmrakovej strane. Veľkosť intenzity elektrického poľa cez magnetotail dosahuje 1 mv/m. Potenciálny rozdiel polárna čiapka je 20-100 sq
Ďalší mechanizmus emf excitácie v magnetosfére je spojený s kolapsom opačne smerovaných magnetických siločiar v chvoste magnetosféry; uvoľnená energia v tomto prípade spôsobuje rýchly pohyb magnetosférickej plazmy smerom k Zemi. V tomto prípade sa elektróny pohybujú okolo Zeme na rannú stranu, protóny - na večer. Potenciálny rozdiel medzi stredmi ekvivalentných vesmírnych nábojov dosahuje desiatky kilovoltov. Toto pole je v opačnom smere ako pole magnetotailu.
Existencia magnetosféry prstencový prúd okolo Zeme. Počas obdobia magnetické búrky A polárne žiary elektrické polia a prúdy v magnetosfére a ionosfére zažívajú významné zmeny.
Magnetohydrodynamické vlny generované v magnetosfére sa šíria pozdĺž prirodzených vlnovodov siločiary magnetické pole zeme. Dostávajú sa do ionosféry, premieňajú sa na elektromagnetické vlny, ktoré čiastočne dosahujú zemský povrch a čiastočne sa šíria v ionosférickom vlnovode a tlmia. Na zemskom povrchu sú tieto vlny zaznamenávané v závislosti od frekvencie oscilácií alebo ako magnetické pulzácie (10 - 2-10 Hz), alebo ako veľmi nízkofrekvenčné vlny(oscilácie s frekvenciou 10 2 -10 4 Hz).
Premenlivé magnetické pole Zeme, ktorého zdroje sú lokalizované v ionosfére a magnetosfére, indukuje elektrické pole v zemskej kôre. Sila elektrického poľa v podpovrchovej vrstve kôry sa mení v závislosti od miesta a elektrický odpor plemená od niekoľkých do niekoľkých stoviek mv/km, a pri magnetických búrkach sa zvyšuje na jednotky a dokonca aj desiatky V/km. Vzájomne súvisiace premenlivé magnetické a elektrické polia Zeme sa využívajú na elektromagnetické sondovanie v prieskumnej geofyzike, ako aj na hĺbkové sondovanie Zeme.
Istý príspevok k E. n. Z. prispieva kontaktný rozdiel potenciály medzi horninami rôznej elektrickej vodivosti (termoelektrické, elektrochemické, piezoelektrické efekty). osobitnú úlohu v tomto prípade môžu hrať vulkanické a seizmické procesy.
Elektrické polia v moriach sú indukované striedavým magnetickým poľom Zeme a vznikajú aj pri pohybe vodivého morská voda (morské vlny a prúdy) v magnetickom poli. Hustota elektrických prúdov v moriach dosahuje 10 -6 a/m 2 . Tieto prúdy môžu byť použité ako prírodné zdroje striedavé magnetické pole pre magnetovariačné sondovanie na polici a v mori.
Otázka elektrického náboja Zeme ako zdroja elektrického poľa v medziplanetárnom priestore nie je definitívne vyriešená. Predpokladá sa, že Zem ako planéta je elektricky neutrálna. Táto hypotéza však vyžaduje experimentálne potvrdenie. Prvé merania ukázali, že sila elektrického poľa v blízkozemskom medziplanetárnom priestore sa pohybuje od desatín do niekoľkých desiatok mv/m.
Lit.: Tikhonov A. N. O určovaní elektrických charakteristík hlbokých vrstiev zemská kôra, "Správa. Akadémia vied ZSSR, 1950, ročník 73, číslo 2; Tverskoy P. N., Kurz meteorológie, L., 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Fyzika Slnka a Zeme, prekl. z angličtiny, časť 2, M., 1975.
Yu. P. Sizov.
Veľká sovietska encyklopédia M.: " Sovietska encyklopédia", 1969-1978
Nebeské teleso nazývané planéta Zem má elektrický náboj, ktorý vytvára prirodzené elektrické pole Zeme. Jednou z charakteristík elektrického poľa je potenciál a elektrické pole Zeme je tiež charakterizované potenciálom. Dá sa tiež povedať, že okrem prirodzeného elektrického poľa existuje aj prirodzený jednosmerný elektrický prúd (DC) planéty Zem. Potenciálny gradient Zeme je distribuovaný z jej povrchu do ionosféry. Za dobrého počasia pre statickú elektrinu je elektrické pole atmosféry približne 150 voltov na meter (V/m) blízko zemského povrchu, ale táto hodnota klesá exponenciálne s nadmorskou výškou na 1 V/m a menej (pri 30 km). Dôvodom poklesu gradientu je okrem iného aj zvýšenie vodivosti atmosféry.
Ak nosíte oblečenie vyrobené z dobrého izolátora, ktorý je vynikajúcim dielektrikom, napríklad nylonové oblečenie, a používate iba gumené topánky, pričom na povrchu oblečenia nemáte žiadne kovové predmety, môžete zmerať potenciálny rozdiel medzi povrchom zeme a koruny hlavy. Pretože každý meter je 150 voltov, potom s výškou 170 cm bude v korune potenciálny rozdiel 1,7 x 150 = 255 voltov vzhľadom na povrch. Ak si na hlavu položíte kovovú panvicu, zhromaždí sa povrchový náboj. Dôvodom tohto zberu nábojov je, že nylonové oblečenie je dobrým izolantom, zatiaľ čo topánky sú gumené. Uzemnenie, to znamená, že nedochádza k vodivému kontaktu so zemským povrchom. Aby sa na sebe nehromadili elektrické náboje, je potrebné „uzemniť“. Rovnako aj predmety, veci, budovy a stavby, najmä výškové, sú schopné akumulovať atmosférickú elektrinu. To môže viesť k nepríjemným následkom, pretože akýkoľvek nahromadený náboj môže spôsobiť elektrický prúd a iskrenie v plynoch. Takéto elektrostatické výboje môžu zničiť elektroniku a spôsobiť požiar, najmä v prípade horľavých látok.
Aby sa nehromadili náboje atmosférickej elektriny, stačí pripojiť horný bod k spodnému (zem) elektrický vodič, a ak je oblasť veľká, potom sa uzemnenie vykonáva vo forme klietky, okruhu, ale v skutočnosti používajú to, čo sa nazýva "Faradayova klietka".
Charakteristika atmosférickej elektriny
Zem je záporne nabitá a má náboj rovný 500 000 coulombom (C) elektrického náboja. Potenciálny rozdiel je od 300 000 voltov (300 kV), ak vezmeme do úvahy napätie medzi kladne nabitou ionosférou a zemským povrchom. Tiež existuje D.C. elektriny, rádovo 1350 ampérov (A), a odpor zemskej atmosféry je asi 220 ohmov. To dáva výkon približne 400 megawattov (MW), ktorý sa regeneruje činnosťou Slnka. Táto sila ovplyvňuje ionosféru Zeme, ako aj spodné vrstvy, čo spôsobuje búrky. Elektrická energia ktorý je uložený a uložený v zemskú atmosféru je asi 150 gigajoulov (GJ).
Systém Zem-Ionosféra funguje ako obrovský kondenzátor s kapacitou 1,8 farada. Vzhľadom na obrovskú veľkosť povrchu Zeme, 1 meter štvorcový povrch má iba 1 nC elektrického náboja.
Elektrosféra Zeme siaha od hladiny mora do výšky asi 60 km. V horných vrstvách, kde je veľa voľných iónov a táto časť gule sa nazýva ionosféra, je vodivosť maximálna, pretože slobodné médiá poplatky. Potenciál v ionosfére možno povedať, že je vyrovnaný, keďže táto guľa je v podstate považovaná za vodič elektrického prúdu, sú v nej prúdy v plynoch a prenosový prúd. Zdrojom voľných iónov je rádioaktivita Slnka. Prúd nabitých častíc prichádzajúcich zo Slnka az vesmíru „vyrazí“ elektróny z molekúl plynu, čo vedie k ionizácii. Čím vyššie od hladiny mora, tým nižšia je vodivosť atmosféry. Na hladine mora je elektrická vodivosť vzduchu asi 10 -14 Siemens/m (S/m), ale s rastúcou nadmorskou výškou sa rýchlo zvyšuje a vo výške 35 km je už 10 -11 S/m. V tejto nadmorskej výške je hustota vzduchu iba 1% hustoty na hladine mora. Ďalej s rastúcou výškou sa vodivosť mení nerovnomerne, pretože ovplyvňuje magnetické pole Zeme a toky fotónov zo Slnka. To znamená, že vodivosť elektrosféry nad 35 km od hladiny mora je nerovnomerná v závislosti od dennej doby (tok fotónov) a geografickej polohy (magnetické pole Zeme).
Aby sa to stalo elektrická porucha medzi dvoma plochými paralelnými elektródami (vzdialenosť medzi nimi je 1 meter), ktoré sú na úrovni mora, v suchom vzduchu je potrebná intenzita poľa 3000 kV / m. Ak sú tieto elektródy zdvihnuté do výšky 10 km nad morom, potom sú potrebné iba 3% tejto intenzity, to znamená, že stačí 90 kV / m. Ak sú elektródy spojené tak, že vzdialenosť medzi nimi je 1 mm, potom je potrebné 1000-krát nižšie prierazné napätie, to znamená 3 kV (hladina mora) a 9 V (vo výške 10 km).
Prirodzená hodnota intenzity elektrického poľa Zeme na jej povrchu (hladina mora) je asi 150 V / m, čo je veľa menej hodnôt potrebný na prieraz medzi elektródami aj v medzere 1 mm (vyžaduje 3 kV/m).
Odkiaľ pochádza potenciál elektrického poľa Zeme?
Ako bolo uvedené vyššie, Zem je kondenzátor, ktorého jedna doska je povrchom Zeme a druhá doska superkondenzátora je oblasť ionosféry. Na povrchu Zeme je náboj záporný a za ionosférou kladný. Rovnako ako povrch Zeme, aj ionosféra je vodič a vrstva atmosféry medzi nimi je nerovnomerné dielektrikum plynu. Kladný náboj ionosféry vzniká v dôsledku kozmického žiarenia, ale čo nabíja povrch Zeme záporným nábojom?
Pre prehľadnosť je potrebné pamätať na to, ako sa nabíja konvenčný elektrický kondenzátor. Je súčasťou elektrický obvod k aktuálnemu zdroju a nabije sa až maximálna hodnota zdôrazňuje na kryte. Pre kondenzátor ako Zem sa stane niečo podobné. Rovnakým spôsobom by sa mal zapnúť určitý zdroj, prúdiť prúd a na doskách sa tvoria opačné náboje. Myslite na blesky, ktoré zvyčajne sprevádzajú búrky. Tieto blesky sú tým istým elektrickým obvodom, ktorý nabíja Zem.
Práve blesk, ktorý udrie na povrch Zeme, je zdrojom, ktorý nabíja povrch Zeme záporným nábojom. Blesk má prúd asi 1800 ampérov a počet búrok a bleskov za deň je viac ako 300. Búrkový oblak má polaritu. Jeho horná časť vo výške asi 6-7 km pri teplote vzduchu asi -20°C je kladne nabitá a spodná časť vo výške 3-4 km pri teplote vzduchu 0° až -10°C. je negatívne nabitý. Náboj spodnej časti búrkového mraku je dostatočný na to, aby vytvoril potenciálny rozdiel s povrchom Zeme 20-100 miliónov voltov. Bleskový náboj je zvyčajne rádovo 20-30 Coulombov (C) elektriny. Medzi oblakmi a medzi oblakmi a povrchom Zeme udiera blesk. Každé nabitie trvá približne 5 sekúnd, takže pri tejto sekvencii môže dôjsť k výbojom blesku, ale to neznamená, že po 5 sekundách nevyhnutne dôjde k vybitiu.
Blesk
Atmosférický výboj vo forme blesku má dosť komplexná štruktúra. V každom prípade ide o jav elektrického prúdu v plynoch, ku ktorému dochádza pri dosiahnutí nevyhnutných podmienok na rozklad plynu, teda ionizáciu molekúl vzduchu. Najkurióznejšie je, že zemská atmosféra funguje ako nepretržité dynamo, ktoré negatívne nabíja povrch Zeme. Každý výboj blesku udrie za podmienky, že zemský povrch je zbavený záporných nábojov, čo poskytuje potrebný potenciálny rozdiel pre výboj (ionizácia plynu).
Akonáhle blesk zasiahne zem, negatívny náboj prúdi na povrch, ale potom sa spodná časť búrkového mraku vybije a jeho potenciál sa zmení, stane sa pozitívnym. Potom dôjde k spätnému prúdu a prebytočný náboj, ktorý padol na povrch Zeme, sa pohybuje nahor a nabíja sa búrkový mrak znova. Potom sa proces môže zopakovať znova, ale s nižšie hodnoty elektrické napätie a aktuálne. To sa deje, pokiaľ existujú podmienky na ionizáciu plynov, potrebný potenciálny rozdiel a prebytok záporného elektrického náboja.
Stručne povedané, môžeme povedať, že blesk udrie v krokoch, čím sa vytvorí elektrický obvod, ktorým prúdi prúd v plynoch so striedavým smerom. Každý cooldown Lightning trvá približne 5 sekúnd a zasiahne iba vtedy, keď existuje potrebné podmienky(prierazné napätie a ionizácia plynov). Napätie medzi začiatkom a koncom blesku môže byť asi 100 miliónov voltov a priemerný prúd je asi 1800 ampérov. Špičkový prúd dosahuje viac ako 10 000 ampérov a prenesený náboj je 20-30 coulomov elektriny.
Nebeské teleso nazývané planéta Zem má elektrický náboj, ktorý vytvára prirodzené elektrické pole Zeme. Jednou z charakteristík elektrického poľa je potenciál a elektrické pole Zeme je tiež charakterizované potenciálom. Dá sa tiež povedať, že okrem prirodzeného elektrického poľa existuje aj prirodzený jednosmerný elektrický prúd (DC) planéty Zem. Potenciálny gradient Zeme je distribuovaný z jej povrchu do ionosféry. Za dobrého počasia pre statickú elektrinu je elektrické pole atmosféry približne 150 voltov na meter (V/m) blízko zemského povrchu, ale táto hodnota klesá exponenciálne s nadmorskou výškou na 1 V/m a menej (pri 30 km). Dôvodom poklesu gradientu je okrem iného aj zvýšenie vodivosti atmosféry.
Ak nosíte oblečenie vyrobené z dobrého izolátora, ktorý je vynikajúcim dielektrikom, napríklad nylonové oblečenie, a používate iba gumené topánky, pričom na povrchu oblečenia nemáte žiadne kovové predmety, môžete zmerať potenciálny rozdiel medzi povrchom zeme a koruny hlavy. Pretože každý meter je 150 voltov, potom s výškou 170 cm bude v korune potenciálny rozdiel 1,7 x 150 = 255 voltov vzhľadom na povrch. Ak si na hlavu položíte kovovú panvicu, nahromadí sa na nej povrchový náboj. Dôvodom tohto zberu nábojov je, že nylonové oblečenie je dobrým izolantom, zatiaľ čo topánky sú gumené. Uzemnenie, to znamená, že nedochádza k vodivému kontaktu so zemským povrchom. Aby sa na sebe nehromadili elektrické náboje, je potrebné „uzemniť“. Rovnako aj predmety, veci, budovy a stavby, najmä výškové, sú schopné akumulovať atmosférickú elektrinu. To môže viesť k nepríjemným následkom, pretože akýkoľvek nahromadený náboj môže spôsobiť elektrický prúd a iskrenie v plynoch. Takéto elektrostatické výboje môžu zničiť elektroniku a spôsobiť požiar, najmä v prípade horľavých látok.
Aby sa nehromadili náboje atmosférickej elektriny, stačí pripojiť horný bod k spodnému (zemnému) elektrickému vodiču, a ak je oblasť veľká, potom sa uzemnenie vykoná vo forme klietky, obvodu, ale, v skutočnosti používajú to, čo sa nazýva "Faradayova klietka".
Charakteristika atmosférickej elektriny
Zem je záporne nabitá a má náboj rovný 500 000 coulombom (C) elektrického náboja. Potenciálny rozdiel je od 300 000 voltov (300 kV), ak vezmeme do úvahy napätie medzi kladne nabitou ionosférou a zemským povrchom. Existuje tiež jednosmerný elektrický prúd, rádovo 1350 ampérov (A), a odpor zemskej atmosféry je asi 220 ohmov. To dáva výkon približne 400 megawattov (MW), ktorý sa regeneruje činnosťou Slnka. Táto sila ovplyvňuje ionosféru Zeme, ako aj spodné vrstvy, čo spôsobuje búrky. Elektrická energia, ktorá je uložená a uložená v zemskej atmosfére, je asi 150 gigajoulov (GJ).
Systém Zem-Ionosféra funguje ako obrovský kondenzátor s kapacitou 1,8 farada. Vzhľadom na obrovskú veľkosť povrchu Zeme pripadá na 1 meter štvorcový povrchu iba 1 nC elektrického náboja.
Elektrosféra Zeme siaha od hladiny mora do výšky asi 60 km. V horných vrstvách, kde je veľa voľných iónov a táto časť gule sa nazýva ionosféra, je vodivosť maximálna, keďže sú tam voľné nosiče náboja. Potenciál v ionosfére možno povedať, že je vyrovnaný, keďže táto guľa je v podstate považovaná za vodič elektrického prúdu, sú v nej prúdy v plynoch a prenosový prúd. Zdrojom voľných iónov je rádioaktivita Slnka. Prúd nabitých častíc prichádzajúcich zo Slnka az vesmíru „vyrazí“ elektróny z molekúl plynu, čo vedie k ionizácii. Čím vyššie od hladiny mora, tým nižšia je vodivosť atmosféry. Na hladine mora je elektrická vodivosť vzduchu asi 10 -14 Siemens/m (S/m), ale s rastúcou nadmorskou výškou sa rýchlo zvyšuje a vo výške 35 km je už 10 -11 S/m. V tejto nadmorskej výške je hustota vzduchu iba 1% hustoty na hladine mora. Ďalej s rastúcou výškou sa vodivosť mení nerovnomerne, pretože ovplyvňuje magnetické pole Zeme a toky fotónov zo Slnka. To znamená, že vodivosť elektrosféry nad 35 km od hladiny mora je nerovnomerná v závislosti od dennej doby (tok fotónov) a geografickej polohy (magnetické pole Zeme).
Aby medzi dvoma plochými paralelnými elektródami (vzdialenosť medzi nimi je 1 meter), ktoré sú na hladine mora, v suchom vzduchu došlo k elektrickému prerušeniu, je potrebná intenzita poľa 3000 kV/m. Ak sú tieto elektródy zdvihnuté do výšky 10 km nad morom, potom sú potrebné iba 3% tejto intenzity, to znamená, že stačí 90 kV / m. Ak sú elektródy spojené tak, že vzdialenosť medzi nimi je 1 mm, potom je potrebné 1000-krát nižšie prierazné napätie, to znamená 3 kV (hladina mora) a 9 V (vo výške 10 km).
Prirodzená hodnota intenzity elektrického poľa Zeme na jej povrchu (hladina mora) je asi 150 V/m, čo je oveľa menej ako hodnoty potrebné na prieraz medzi elektródami aj v medzere 1 mm (3 kV/m). sa vyžaduje).
Odkiaľ pochádza potenciál elektrického poľa Zeme?
Ako bolo uvedené vyššie, Zem je kondenzátor, ktorého jedna doska je povrchom Zeme a druhá doska superkondenzátora je oblasť ionosféry. Na povrchu Zeme je náboj záporný a za ionosférou kladný. Rovnako ako povrch Zeme, aj ionosféra je vodič a vrstva atmosféry medzi nimi je nerovnomerné dielektrikum plynu. Kladný náboj ionosféry vzniká vďaka kozmickému žiareniu, ale čo nabíja povrch Zeme záporným nábojom?
Pre prehľadnosť je potrebné pamätať na to, ako sa nabíja konvenčný elektrický kondenzátor. Je súčasťou elektrického obvodu k zdroju prúdu a nabíja sa na maximálnu hodnotu napätia na platniach. Pre kondenzátor ako Zem sa stane niečo podobné. Rovnakým spôsobom by sa mal zapnúť určitý zdroj, prúdiť prúd a na doskách sa tvoria opačné náboje. Myslite na blesky, ktoré zvyčajne sprevádzajú búrky. Tieto blesky sú tým istým elektrickým obvodom, ktorý nabíja Zem.
Práve blesk, ktorý udrie na povrch Zeme, je zdrojom, ktorý nabíja povrch Zeme záporným nábojom. Blesk má prúd asi 1800 ampérov a počet búrok a bleskov za deň je viac ako 300. Búrkový oblak má polaritu. Jeho horná časť vo výške asi 6-7 km pri teplote vzduchu asi -20°C je kladne nabitá a spodná časť vo výške 3-4 km pri teplote vzduchu 0° až -10°C. je negatívne nabitý. Náboj spodnej časti búrkového mraku je dostatočný na to, aby vytvoril potenciálny rozdiel s povrchom Zeme 20-100 miliónov voltov. Bleskový náboj je zvyčajne rádovo 20-30 Coulombov (C) elektriny. Medzi oblakmi a medzi oblakmi a povrchom Zeme udiera blesk. Každé nabitie trvá približne 5 sekúnd, takže pri tejto sekvencii môže dôjsť k výbojom blesku, ale to neznamená, že po 5 sekundách nevyhnutne dôjde k vybitiu.
Blesk
Atmosférický výboj vo forme blesku má pomerne zložitú štruktúru. V každom prípade ide o jav elektrického prúdu v plynoch, ku ktorému dochádza pri dosiahnutí nevyhnutných podmienok na rozklad plynu, teda ionizáciu molekúl vzduchu. Najkurióznejšie je, že zemská atmosféra funguje ako nepretržité dynamo, ktoré negatívne nabíja povrch Zeme. Každý výboj blesku udrie za podmienky, že zemský povrch je zbavený záporných nábojov, čo poskytuje potrebný potenciálny rozdiel pre výboj (ionizácia plynu).
Akonáhle blesk zasiahne zem, negatívny náboj prúdi na povrch, ale potom sa spodná časť búrkového mraku vybije a jeho potenciál sa zmení, stane sa pozitívnym. Potom dôjde k spätnému prúdu a prebytočný náboj, ktorý dopadol na povrch Zeme, sa pohybuje nahor, čím sa opäť nabije búrkový mrak. Potom je možné proces zopakovať, ale s nižšími hodnotami elektrického napätia a prúdu. To sa deje, pokiaľ existujú podmienky na ionizáciu plynov, potrebný potenciálny rozdiel a prebytok záporného elektrického náboja.
Stručne povedané, môžeme povedať, že blesk udrie v krokoch, čím sa vytvorí elektrický obvod, ktorým prúdi prúd v plynoch so striedavým smerom. Každé dobitie bleskom trvá asi 5 sekúnd a udrie len vtedy, keď sú na to potrebné podmienky (prierazné napätie a ionizácia plynu). Napätie medzi začiatkom a koncom blesku môže byť asi 100 miliónov voltov a priemerný prúd je asi 1800 ampérov. Špičkový prúd dosahuje viac ako 10 000 ampérov a prenesený náboj je 20-30 coulomov elektriny.
Naša Zem a ostatné planéty majú oboje magnetické pole, ako aj elektrické. Skutočnosť, že Zem má elektrické pole, bola známa asi pred 150 rokmi. Nabíjačka planéty v slnečná sústava je vytváraná Slnkom v dôsledku účinkov elektrostatickej indukcie a ionizácie hmoty planét. Magnetické pole je generované axiálne otáčanie nabité planéty. Priemerné magnetické pole Zeme a planét závisí od priemeru hustota povrchu záporný elektrický náboj uhlová rýchlosť axiálna rotácia a polomer planéty. Preto by sa Zem (a iné planéty) analogicky s prechodom svetla šošovkou mala považovať za elektrickú šošovku a nie za zdroj elektrického poľa.
Zem je teda spojená so Slnkom elektrická sila, samotné Slnko je spojené so stredom Galaxie pomocou magnetickej sily a stred Galaxie je spojený s centrálnym zhlukom galaxií pomocou elektrickej sily.
Naša planéta je elektricky ako sférický kondenzátor nabitý na približne 300 000 voltov. Vnútorná guľa - povrch Zeme - je negatívne nabitá, vonkajšia sféra- ionosféra - pozitívne. Zemská atmosféra slúži ako izolant.
Atmosférou neustále prúdia zvodové prúdy iónových a konvekčných kondenzátorov, ktoré dosahujú mnoho tisíc ampérov. Napriek tomu sa potenciálny rozdiel medzi doskami kondenzátora neznižuje.
To znamená, že v prírode existuje generátor (G), ktorý neustále dopĺňa únik nábojov z dosiek kondenzátora. Takýmto generátorom je magnetické pole Zeme, ktoré rotuje spolu s našou planétou v prúdení slnečného vetra.
Ako v každom nabitom kondenzátore, aj v zemskom kondenzátore je elektrické pole. Intenzita tohto poľa je po výške rozložená veľmi nerovnomerne: je maximálna pri povrchu Zeme a je približne 150 V/m. S výškou klesá približne podľa exponenciálneho zákona a vo výške 10 km je asi 3% hodnoty pri povrchu Zeme.
Takmer celé elektrické pole je teda sústredené v spodnej vrstve atmosféry, blízko povrchu Zeme. Vektor intenzity elektrického poľa Zeme E smeruje do všeobecný prípad dole. Elektrické pole Zeme, ako každé elektrické pole, pôsobí na náboje určitou silou F, ktorá tlačí kladné náboje dole na zem a záporné náboje hore do oblakov.
Toto všetko je možné vidieť v prirodzený fenomén. Na Zemi neustále zúria hurikány, tropické búrky a mnohé cyklóny. Napríklad stúpanie vzduchu počas hurikánu nastáva najmä v dôsledku rozdielu v hustote vzduchu na periférii hurikánu a v jeho strede - tepelnej veži, ale nielen. Časť zdvíhacej sily (asi jedna tretina) je zabezpečená zemským elektrickým poľom, podľa Coulombovho zákona.
Oceán počas búrky je obrovské pole posiate hrotmi a rebrami, na ktorých záporné náboje a silu elektrického poľa Zeme. Vyparujúce sa molekuly vody za takýchto podmienok ľahko zachytávajú negatívne náboje a odnášajú ich so sebou. A elektrické pole Zeme, v úplnom súlade s Coulombovým zákonom, posúva tieto náboje nahor, čím dodáva vzduchu vztlak.
Takže globálne elektrický generátor Zem vynakladá časť svojej energie na posilňovanie atmosférických vírov na planéte – hurikány, búrky, cyklóny atď. Takáto spotreba energie navyše neovplyvňuje veľkosť elektrického poľa Zeme.
Elektrické pole Zeme podlieha výkyvom: je silnejšie v zime ako v lete, dosahuje maximum denne o 19. hodine GMT a závisí aj od stavu počasia. Tieto výkyvy však nepresahujú 30 % jeho priemernej hodnoty. V niektorých zriedkavých prípadoch za určitých poveternostné podmienky sila tohto poľa sa môže niekoľkonásobne zvýšiť.
Počas búrky sa mení elektrické pole veľké limity a môže obrátiť smer, ale to sa deje na malá plocha, priamo pod bunkou búrky a na krátky čas.
