Potansiyel gradyanın yanı sıra ölçülebilen bir diğer nicelik de atmosferdeki akımdır. Yoğunluğu düşüktür: her metrekare, paralel yeryüzü, yaklaşık 10 -6 mikronu geçer. Görünüşe göre hava mükemmel bir yalıtkan değil; Bu iletkenlik nedeniyle, anlattığımız elektrik alanının neden olduğu, gökten yeryüzüne sürekli zayıf bir akım akar.
Atmosfer neden iletkenliğe sahiptir? Çünkü içinde hava molekülleri arasında bazen fazladan bir elektronla donatılmış, bazen de kendisinden bir elektrondan yoksun iyonlar, örneğin oksijen molekülleri bulunur. Bu iyonlar yalnız kalmıyor; Elektrik alanları sayesinde diğer molekülleri yanlarına toplama eğilimindedirler. Daha sonra her iyon küçük bir topak haline gelir ve bu topak, diğer benzer topaklarla birlikte alana doğru sürüklenir, yavaşça yukarı veya aşağı hareket ederek bahsettiğimiz akımı yaratır.
Nerden geliyorlar? iyonlar? İlk başta iyonların Dünya'nın radyoaktivitesi tarafından yaratıldığını düşündüler. (Radyasyonun olduğu biliniyordu Radyoaktif maddeler Hava moleküllerini iyonize ederek havayı iletken hale getirir.) Dışarı çıkan parçacıklar atom çekirdeği, diyelimki. Beta ışınları o kadar hızlı hareket eder ki, atomlardan elektronları soyar ve arkalarında iyonlardan oluşan bir iz bırakır. Bu görüş elbette şunu öngörüyor: yüksek rakımlarİyonlaşmanın azalması gerekir çünkü tüm radyoaktivite (radyum, uranyum, sodyum vb.'nin tüm izleri) dünyanın tozundadır.
Bu teoriyi test etmek için fizikçiler balonlar ve ölçülen iyonizasyon (Hess, 1912). Her şeyin tam tersi olduğu ortaya çıktı - yükseklikle birim hacim başına iyonizasyon büyüyor! (Cihaz Şekil 9.3'te gösterilene benzerdi. İki plaka periyodik olarak V potansiyeline kadar yüklendi. Havanın iletkenliği nedeniyle yavaşça boşaltıldılar; boşalma hızı bir elektrometre ile ölçüldü.) Bu anlaşılmaz sonuç atmosferik elektriğin tüm tarihindeki en çarpıcı keşifti. Keşif o kadar önemliydi ki tahsisi gerektirdi yeni endüstri bilim - kozmik ışın fiziği. Ve atmosferik elektriğin kendisi de daha az şaşırtıcı olaylar arasında kaldı. İyonlaşmanın Dünya dışındaki bir şey tarafından üretildiği anlaşılıyor; Bu dünya dışı kaynağın araştırılması kozmik ışınların keşfine yol açtı. Şimdi bunlardan bahsetmeyeceğiz ve sadece havaya iyon tedarikini destekleyenlerin onlar olduğunu söyleyeceğiz. İyonlar sürekli olarak uzaklaştırılmasına rağmen, kozmik parçacıklar Dünya uzayından dışarı fırlayarak ara sıra yeni iyonlar yaratıyorlar.
Daha kesin olmak gerekirse, moleküllerden oluşan iyonların yanı sıra başka iyon türlerinin de bulunduğunu belirtmeliyiz. Son derece ince toz parçacıkları gibi küçük toprak yığınları havada yüzer ve yüklenir. Bazen "çekirdek" olarak adlandırılırlar. Örneğin, dalgalar denize sıçradığında havaya küçük sıçramalar uçar. Böyle bir damlacık buharlaştığında, küçük bir NaCl kristali havada yüzer halde kalır. Bu kristaller daha sonra yükleri çekebilir ve iyon haline gelebilir; bunlara "büyük iyonlar" denir.
Küçük iyonlar, yani yaratılanlar kozmik ışınlar, en hareketli. Çok küçük oldukları için, 100 V/m veya 1 V/cm'lik bir alanda yaklaşık 1 cm/sn hızla havada hızla hareket ederler. Büyük ve ağır iyonlar çok daha yavaş hareket eder. Çok fazla "çekirdek" varsa, küçük iyonlardan gelen yükleri engelledikleri ortaya çıktı. Daha sonra "büyük iyonlar" alanda çok yavaş hareket ettiğinden genel iletkenlik azalır. Bu nedenle havanın iletkenliği çok değişkendir - "tıkanmasına" karşı çok hassastır. Karada denizden çok daha fazla bu "çöp" var; rüzgar yerden toz kaldırıyor ve insanlar da mümkün olan her şekilde havayı kirletiyor. Dünya yüzeyine yakın iletkenliğin günden güne, andan ana, bir yerden diğerine önemli ölçüde değişmesi şaşırtıcı değildir. Yukarıdan aşağıya doğru akan akımın farklı yerlerde yaklaşık olarak aynı olması nedeniyle, dünya yüzeyinin üzerindeki her noktadaki elektrik alanı da değişir ve dünya yüzeyine yakın iletkenlikteki değişiklikler, alanda değişikliklere yol açar.
İyon sürüklenmesinden kaynaklanan hava iletkenliği de yükseklikle birlikte hızla artar. Bu iki nedenden dolayı olur. Birincisi, havanın kozmik ışınlar tarafından iyonlaşması yükseklikle birlikte artar. İkincisi, hava yoğunluğu azaldıkça iyonların serbest yolu artar, böylece çarpışmadan önce elektrik alanında daha fazla ilerleyebilirler. Sonuç olarak, yükseklikte iletkenlik keskin bir şekilde sıçrar.
Havadaki elektrik akımının yoğunluğu metrekare başına yalnızca birkaç mikro mikroampere eşittir, ancak Dünya'da bu tür çok sayıda metrekare vardır. Dünya yüzeyine ulaşan elektrik akımının tamamı yaklaşık 1800 A'dır. Bu akım elbette “pozitif”tir; pozitif yük. Sonuç olarak 400.000 V voltajda 1800 A akım elde edilir. Güç 700 MW!
Böylesine güçlü bir akımla Dünya'nın negatif yükü yakında ortadan kalkacaktır. Aslında tüm Dünya'yı boşaltmak yalnızca yarım saat kadar sürer. Ancak atmosferdeki keşiften bu yana Elektrik alanı Yarım saatten çok fazla zaman geçti. Nasıl dayanıyor? Gerilim nasıl korunur? Peki ne ile ne arasında? Dünya bir elektrot üzerinde, diğerinde ne var? Bunun gibi pek çok soru var.
Dünya negatif yüklüdür ancak havadaki potansiyel pozitiftir. Yeterince yüksek irtifa iletkenlik o kadar büyüktür ki yatay voltaj değişiklikleri olasılığı sıfıra eşit. Şu anda bahsettiğimiz zaman ölçeğinde hava Hakkında konuşuyoruz aslında bir orkestra şefine dönüşüyor. Bu yaklaşık 50 km yükseklikte meydana gelir. Bu henüz iyonosfer olarak adlandırılan ve çok fazla atmosferin bulunduğu yer kadar yüksek değil. çok sayıda Güneş ışığının fotoelektrik etkisi nedeniyle oluşan iyonlar. Amacımıza uygun olarak, atmosferik elektriğin özelliklerini tartışırken, yaklaşık 50 km yükseklikte havanın yeterince iletken hale geldiğini ve akımların aşağıya doğru aktığı pratik olarak iletken bir kürenin mevcut olduğunu varsayabiliriz. Durum Şekil 2'de gösterilmektedir. 9.4. Soru, pozitif yükün orada nasıl korunduğudur. Nasıl geri pompalanıyor? Dünya'ya aktığına göre, bir şekilde geri pompalanması mı gerekiyor? Uzun zamandır bu atmosferik elektriğin ana gizemlerinden biriydi.
Bu konuyla ilgili herhangi bir bilgi, gizeme dair bir ipucu sağlayabilir veya en azından bize bu konuda bir şeyler anlatabilir. İşte ilginç bir olay: Eğer akıntıyı ölçersek (ve bildiğimiz gibi, potansiyel eğimden daha kararlıdır), örneğin deniz üzerinde ve önlemlere dikkatle uyarak, her şeyin çok dikkatli bir şekilde ortalamasını alır ve tüm hatalardan kurtuluruz. , o zaman hala bazı günlük değişikliklerin kaldığını görüyoruz. Okyanuslar üzerinde yapılan birçok ölçümün ortalaması, yaklaşık olarak Şekil 2'de gösterildiği gibi zamansal bir değişime sahiptir. 9.5. Akım yaklaşık ±%15 oranında değişir ve en yüksek değer Londra saatiyle akşam 7'de. Buradaki en tuhaf şey şu ki, nerede ölçersen ölç Akıntı - Atlantik Okyanusu'nda, Pasifik Okyanusu'nda veya Arktik Okyanusu'nda - en yoğun saatler, şu saatlerde meydana gelir: Londra akşam 7'yi gösteriyor! Dünya genelinde akıntı Londra saatiyle 19:00'da maksimuma, Londra saatiyle 4:00'te minimuma ulaşıyor. Başka bir deyişle akım mutlak dünya zamanına bağlıdır ve yerelden değil Gözlem noktasındaki süre. Bir bakıma bu o kadar da tuhaf değil; bu, Dünya ile tepe arasındaki potansiyel farktaki yerel değişiklikleri hariç tutan, en tepede çok büyük bir yatay iletkenliğin olduğu fikriyle oldukça tutarlıdır. Kapasitedeki herhangi bir değişiklik dünya çapında olmalıdır, öyle de. Yani artık mutlak dünya zamanındaki değişiklikle "yukarıdaki" voltajın% 15 arttığını veya düştüğünü biliyoruz.
Gazda elektrik deşarjı.Üzerine diskler takılı bir elektrometre alın düz kapasitör ve şarj edin (Şek. 167). Oda sıcaklığında, eğer hava yeterince kuruysa, kondansatör fark edilir derecede boşalmaz. Gösteriyor,
diskler arasındaki potansiyel farkının neden olduğu havadaki elektrik akımının çok küçük olduğu. Buradan, elektiriksel iletkenlik oda sıcaklığındaki hava çok küçüktür. Hava bir dielektrik olarak düşünülebilir.
Yanan bir kibritle diskler arasındaki havayı ısıtalım (Şek. 168). Elektrometre iğnesinin hızla sıfıra yaklaştığını, bunun da kapasitörün boşaldığı anlamına geldiğini unutmayın. Sonuç olarak, ısıtılan gaz bir iletkendir ve içinde bir akım oluşur.
Bir gazın içinden geçen akım işlemine gaz deşarjı denir.
Gazların iyonlaşması. Oda sıcaklığında havanın çok zayıf bir iletken olduğunu gördük. Isıtıldığında havanın iletkenliği artar. Hava iletkenliğindeki artış, örneğin çeşitli radyasyonların etkisiyle başka şekillerde de kaynaklanabilir: ultraviyole, x-ışınları, radyoaktif vb.
Sıradan koşullar altında gazlar neredeyse tamamen nötr atomlardan veya moleküllerden oluşur ve bu nedenle dielektriktir. Isınma veya radyasyona maruz kalma nedeniyle bazı atomlar iyonize olur - pozitif yüklü iyonlara ve elektronlara ayrılırlar (Şekil 169). Negatif iyonlar gazda da oluşabilir: nötr atomlara elektron eklenmesi nedeniyle ortaya çıkarlar.
Gazların ısıtıldığında iyonlaşması, ısındıkça moleküllerin daha hızlı hareket etmesiyle açıklanır. Aynı zamanda bazı moleküller o kadar hızlı hareket etmeye başlar ki, bazıları çarpışma sırasında parçalanarak iyonlara dönüşür. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla iyon oluşur.
Gazların iletkenliği. Gazların iletkenlik mekanizması, çözeltilerin iletkenlik mekanizmasına ve elektrolitlerin erimesine benzer. Aradaki fark, negatif yükün sulu çözeltilerde veya elektrolit eriyiklerinde olduğu gibi esas olarak negatif iyonlar tarafından değil, elektronlar tarafından aktarılmasıdır; negatif iyonlar da rol oynayabilir. Böylece gazlar elektronikleri birleştirir
iletkenliği metallerinkine benzer, iyonik iletkenliği sulu çözeltilerin veya erimiş elektrolitlerinkine benzer. Önemli bir fark daha var. Elektrolit çözeltilerinde iyon oluşumu, çözücü moleküllerin (su molekülleri) etkisi altında moleküllerdeki iyonların molekül içi bağlarının zayıflaması nedeniyle meydana gelir. Gazlarda iyon oluşumu ya ısıtma sırasında ya da radyasyon gibi harici iyonlaştırıcıların etkisiyle meydana gelir.
Rekombinasyon.İyonlaştırıcı çalışmayı durdurursa, yüklü elektrometrenin tekrar şarjı koruduğunu fark edeceksiniz. Bu, iyonlaştırıcı çalışmayı bıraktıktan sonra gazın iletken olmaktan çıktığını gösterir. Tüm iyonlar ve elektronlar elektrotlara ulaştıktan sonra akım durur.
Ayrıca bir elektron ile pozitif yüklü bir iyon bir araya geldiğinde yeniden nötr bir atom oluşturabilirler. Bu, Şekil 170'de şematik olarak gösterilmektedir. Bu işleme yüklü parçacıkların yeniden birleşmesi denir.
Yokluğunda dış alan yüklü parçacıklar yalnızca rekombinasyon nedeniyle kaybolur ve gaz yalıtkan hale gelir. İyonlaştırıcının etkisi değişmezse, yeni oluşan yüklü parçacık çiftlerinin sayısının, rekombinasyon nedeniyle kaybolan ortalama çift sayısına eşit olduğu dinamik bir denge kurulur.
Potansiyel eğime ek olarak başka bir nicelik de ölçülebilir: atmosferdeki akım. Yoğunluğu düşüktür: Dünya yüzeyine paralel her metrekarede yaklaşık. Görünüşe göre hava mükemmel bir yalıtkan değil; Bu iletkenlik nedeniyle, anlattığımız elektrik alanının neden olduğu, gökten yeryüzüne sürekli zayıf bir akım akar.
Atmosfer neden iletkenliğe sahiptir? Çünkü içinde, hava molekülleri arasında bazen fazladan bir elektronla donatılmış, bazen de kendisinden bir elektrondan yoksun iyonlar, örneğin oksijen molekülleri bulunur. Bu iyonlar yalnız kalmıyor; Elektrik alanları sayesinde diğer molekülleri yanlarına toplama eğilimindedirler. Daha sonra her iyon küçük bir topak haline gelir ve bu topak, diğer benzer topaklarla birlikte alana doğru sürüklenir, yavaşça yukarı veya aşağı hareket ederek bahsettiğimiz akımı yaratır.
İyonlar nereden geliyor? İlk başta iyonların Dünya'nın radyoaktivitesi tarafından yaratıldığını düşündüler. (Radyoaktif maddelerden gelen radyasyonun, hava moleküllerini iyonize ederek havayı iletken hale getirdiği biliniyordu.) Mesela atom çekirdeğinden çıkan parçacıklar. -ışınlar o kadar hızlı hareket eder ki, atomlardan elektronları soyar ve geride iyon izi bırakır. Elbette bu görüş, daha yüksek irtifalarda iyonizasyonun azalacağını varsayıyor çünkü tüm radyoaktivite (radyum, uranyum, sodyum vb.'nin tüm izleri) dünyanın tozunda bulunuyor.
Figür. 9.3. İyonların hareketinden kaynaklanan hava iletkenliğinin ölçümü.
Bu teoriyi test etmek için fizikçiler balonlarla uçtular ve iyonlaşmayı ölçtüler (Hess, 1912). Her şeyin tam tersi olduğu ortaya çıktı - birim hacim başına iyonizasyon yükseklikle birlikte artıyor! (Cihaz Şekil 9.3'te gösterilene benzerdi. İki plaka periyodik olarak potansiyeline kadar yüklendi. Havanın iletkenliğinden dolayı yavaşça boşaltıldılar; boşalma hızı bir elektrometre ile ölçüldü.) Bu anlaşılmaz sonuç atmosferik elektriğin tüm tarihindeki en çarpıcı keşifti. Keşif o kadar önemliydi ki, yeni bir bilim dalı olan kozmik ışın fiziğinin yaratılmasını gerektirdi. Ve atmosferik elektriğin kendisi de daha az şaşırtıcı olaylar arasında kaldı. İyonlaşmanın Dünya dışındaki bir şey tarafından üretildiği anlaşılıyor; Bu dünya dışı kaynağın araştırılması kozmik ışınların keşfine yol açtı. Şimdi bunlardan bahsetmeyeceğiz ve sadece havaya iyon tedarikini destekleyenlerin onlar olduğunu söyleyeceğiz. İyonlar sürekli olarak uzaklaştırılsa da, kozmik uzaydan fırlayan kozmik parçacıklar sürekli olarak yeni iyonlar yaratır.
Daha kesin olmak gerekirse, moleküllerden oluşan iyonların yanı sıra başka iyon türlerinin de bulunduğunu belirtmeliyiz. Son derece ince toz parçacıkları gibi küçük toprak yığınları havada yüzer ve yüklenir. Bazen "çekirdek" olarak adlandırılırlar. Örneğin dalgalar denize sıçradığında havaya küçük sıçramalar uçar. Böyle bir damlacık buharlaştığında, havada yüzen küçük bir kristal kalır. Bu kristaller daha sonra yükleri çekebilir ve iyon haline gelebilir; bunlara "büyük iyonlar" denir.
Küçük iyonlar, yani kozmik ışınların yarattığı iyonlar en hareketli olanlardır. Çok küçük olmaları nedeniyle havada yaklaşık 0,000 m hızla uçarlar. Büyük ve ağır iyonlar çok daha yavaş hareket eder. Çok fazla "çekirdek" varsa, küçük iyonların yüklerini engelledikleri ortaya çıktı. Daha sonra "büyük iyonlar" alanda çok yavaş hareket ettiğinden genel iletkenlik azalır. Bu nedenle havanın iletkenliği çok değişkendir - "tıkanmasına" karşı çok hassastır. Karada denizden çok daha fazla bu "çöp" var; rüzgar yerden toz kaldırıyor ve insanlar da mümkün olan her şekilde havayı kirletiyor. Dünya yüzeyine yakın iletkenliğin günden güne, andan ana, bir yerden diğerine önemli ölçüde değişmesi şaşırtıcı değildir. Yukarıdan aşağıya doğru akan akımın farklı yerlerde yaklaşık olarak aynı olması nedeniyle, dünya yüzeyinin üzerindeki her noktadaki elektrik alanı da değişir ve dünya yüzeyine yakın iletkenlikteki değişiklikler, alanda değişikliklere yol açar.
İyon sürüklenmesinden kaynaklanan hava iletkenliği de yükseklikle birlikte hızla artar. Bu iki nedenden dolayı olur. Birincisi, havanın kozmik ışınlar tarafından iyonlaşması yükseklikle birlikte artar. İkincisi, hava yoğunluğu azaldıkça iyonların serbest yolu artar, böylece çarpışmadan önce elektrik alanında daha fazla ilerleyebilirler. Sonuç olarak, yükseklikte iletkenlik keskin bir şekilde sıçrar.
Havadaki elektrik akımının yoğunluğu metrekare başına yalnızca birkaç mikro mikroampere eşittir, ancak Dünya'da bu tür çok sayıda metrekare vardır. Dünya yüzeyine ulaşan elektrik akımının tamamı yaklaşık olarak . Bu akım elbette "pozitiftir" - Dünya'ya pozitif bir yük aktarır. Sonuç olarak voltajda bir akım ortaya çıkar. Güç!
Böylesine güçlü bir akımla Dünya'nın negatif yükü yakında ortadan kalkacaktır. Aslında tüm Dünya'yı boşaltmak yalnızca yarım saat kadar sürer. Ancak atmosferdeki elektrik alanının keşfinden bu yana yarım saatten çok daha fazla zaman geçti. Nasıl dayanıyor? Gerilim nasıl korunur? Peki ne ile ne arasında? Dünya bir elektrot üzerinde, diğerinde ne var? Bunun gibi pek çok soru var.
Dünya negatif yüklüdür ancak havadaki potansiyel pozitiftir. Yeterince yüksek bir yükseklikte iletkenlik o kadar yüksektir ki yatay voltaj değişiklikleri olasılığı sıfır olur. Hava, şu anda bahsettiğimiz zaman ölçeğinde aslında bir iletkene dönüşmektedir. Bu yaklaşık 0.000 rakımda meydana gelir. Bu henüz güneş ışınlarının fotoelektrik etkisinden dolayı çok fazla sayıda iyonun oluştuğu "iyonosfer" denilen yer kadar yüksek değil. Amacımıza uygun olarak, atmosferik elektriğin özelliklerini tartışırken, yaklaşık bir yükseklikte havanın yeterince iletken hale geldiğini ve akımların aşağıya doğru aktığı pratik olarak iletken bir kürenin mevcut olduğunu varsayabiliriz. Durum Şekil 2'de gösterilmektedir. 9.4. Soru, pozitif yükün orada nasıl korunduğudur. Nasıl geri pompalanıyor? Dünya'ya aktığına göre, bir şekilde geri pompalanması mı gerekiyor? Uzun bir süre boyunca bu, atmosferik elektriğin ana gizemlerinden biriydi.
Figür. 9.4. Saf bir atmosferin elektriksel özelliklerinin tipik özellikleri.
Bu konuyla ilgili herhangi bir bilgi, gizeme dair bir ipucu sağlayabilir veya en azından bize bu konuda bir şeyler anlatabilir. İşte ilginç bir olay: Eğer akıntıyı ölçersek (ve bildiğimiz gibi, potansiyel eğimden daha kararlıdır), örneğin deniz üzerinde ve önlemlere dikkatle uyarak, her şeyin çok dikkatli bir şekilde ortalamasını alır ve tüm hatalardan kurtuluruz. , o zaman hala bazı günlük değişikliklerin kaldığını görüyoruz. Okyanuslar üzerindeki birçok ölçümün ortalaması, yaklaşık olarak Şekil 2'de gösterildiği gibi zamansal bir değişime sahiptir. 9.5. Akım yaklaşık ±%15 oranında değişir ve Londra saatiyle 19:00'da en yüksek değerine ulaşır. Buradaki en tuhaf şey, akıntıyı Atlantik, Pasifik veya Arktik Okyanusu'nda nerede ölçerseniz ölçün, en yoğun saatlerin Londra'daki saatin akşam 7'yi göstermesidir! Dünya genelinde akıntı Londra saatiyle 19:00'da maksimuma, Londra saatiyle 4:00'te minimuma ulaşıyor. Başka bir deyişle akım, gözlem noktasındaki yerel saate değil, mutlak dünya saatine bağlıdır. Bir bakıma bu o kadar da tuhaf değil; bu, Dünya ile tepe arasındaki potansiyel farktaki yerel değişiklikleri hariç tutan, en tepede çok büyük bir yatay iletkenliğin olduğu fikriyle oldukça tutarlıdır. Kapasitedeki herhangi bir değişiklik dünya çapında olmalıdır, öyle de. Yani artık mutlak dünya zamanındaki değişiklikle "yukarıdaki" voltajın% 15 arttığını veya düştüğünü biliyoruz.
Figür. 9.3. Okyanuslar üzerinde açık hava koşullarında atmosferik potansiyel eğiminin ortalama günlük değişimi.
Genel konseptler
İletkenlerin (bkz. Bölüm 2) ve yarı iletkenlerin (bkz. Bölüm 3) elektriksel iletkenliğiyle karşılaştırıldığında, dielektriklerin elektriksel iletkenliği bir dizi karakteristik özelliğe sahiptir.
Zamanla değişmeyen bir voltajın etkisi altındaki tüm dielektrikler, çok önemsiz de olsa bir miktar akım geçirir. kaçak akım (I), iki bileşenden oluşur: hacimsel akım () ve yüzey akımı () (Şekil 4.1).
Sonuç olarak, dielektrik maddenin () toplam iletkenliği hacim () ve yüzey () iletkenliklerinin toplamıdır:
Belirtilen iletkenliklerin karşılıklı değerlerine sırasıyla hacim () ve yüzey () dirençleri denir.
Sonraki Karakteristik özellik Dielektriklerin elektriksel iletkenliği, zamanla akımda kademeli bir azalmadır (Şekil 4.2). Bir dielektrik zamanla değişmeyen bir voltaja bağlandığında, ilk zaman periyodunda yoğunluğu aşağıdakilere eşit olan devrede hızla azalan bir yer değiştirme akımı (I cm) akar:
Bu akım, “kaynak-örnek” devresinin zaman sabiti () sırasına göre 10 13 ... 10 15 s'lik bir sürede azalır. Yani ilk yaklaşım olarak bu akımın geometrik kapasitansın yüklenmesiyle belirlendiğini söyleyebiliriz. Ancak bundan sonra toplam akım değişmeye devam eder. Bu düşüş birkaç dakika hatta saatlerce sürebilir ve uzay yüklerinin yeniden dağıtımı yavaş (çoğunlukla) ve hızlı türler kutuplaşma. Akımın düşen kısmına denir emme akımı ().
Zamanla geometrik kapasitans yüklendiğinde, yani. her türlü polarizasyon kurulacak, uzay yüklerinin yeniden dağıtımı meydana gelecek ve zamanla değişmeyen bir elektrik akımı, yüzey ve hacimsel elektrik iletkenliklerinden kaynaklanan dielektrik akımda () kalacaktır:
Değiştiğinde direnç dielektrikler, numuneyi bir süre voltaj altında tutarak emme akımının ortadan kaldırılması gerekir.
Çeşitli dielektriklerin hacimsel ve yüzeysel elektriksel iletkenliklerine göre karşılaştırmalı bir değerlendirmesi için aşağıdaki değerler kullanılır: hacimsel direnç (), Ve spesifik yüzey direnci (). Spesifik ve hacimsel dirence dayanarak belirlenebilir. spesifik hacim iletkenliği :
ve spesifik yüzey direnci açısından – spesifik yüzey iletkenliği :
İsteğe bağlı bir şekle sahip bir dielektrik örneğinin hacim direnci şu ifadeden bulunabilir:
isteğe bağlı bir şekle sahip bir numunenin hacim direnci nerede, Ohm; – geometrik parametre, M.
Yani, düz bir numune için (Bölüm 1'e bakınız), direnç şuna eşittir:
bölge nerede enine kesit numune (ölçüm elektrodu alanı), m2; – numune kalınlığı, m.
Volumetrik iletkenlik() metre başına siemens () cinsinden ölçülür.
Yüzey direnci (ohm cinsinden) şu ifadeden bulunabilir:
, ………………..(4.6)
numunenin yüzey direnci nerede, Ohm; – elektrotların uzunluğu, m; – elektrotlar arasındaki mesafe, m.
Spesifik yüzey iletkenliği siemens cinsinden ölçülür.
Gazların elektriksel iletkenliği
Gazların elektriksel iletkenliği, içlerinde belirli miktarda yüklü parçacıkların bulunmasından kaynaklanmaktadır. İÇİNDE normal koşullar 1 m3'teki yüklü parçacıkların sayısı (gaz iyonları veya süspansiyondaki katı ve sıvı yabancı maddeler) atmosferik hava birkaç on milyonu geçmez.
Gazlardaki yük taşıyıcıların kökeni açıklandı Çeşitli faktörler:
· Dünyanın radyoaktif radyasyonu;
nüfuz eden radyasyon uzay;
· Güneş'ten gelen radyasyon;
· bazen moleküllerin termal hareketi vb. yoluyla.
Bombardıman yapan bir parçacığın enerjisini emerken, bir gaz molekülü bir elektronu kaybeder ve pozitif iyon. Bu süreçte açığa çıkan elektron, nötr moleküle "yapışır" ve negatif bir iyon oluşturur.
Bazı durumlarda serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonu çok yüksek değerlere ulaşabilir. büyük değerler. Bu genellikle gaz moleküllerinin fotoiyonizasyonundan kaynaklanır. Bu tür iyonizasyon, örneğin iyonlaştırıcı radyasyonun etkisi altında meydana gelebilir: X ışınları ve gama ışınları, nötron akıları, vb. Yüklü iyonlar ve etraftaki elektrik yükü olmayan gaz molekülleri rastgele termal hareketlere maruz kalır ve difüzyon nedeniyle konsantrasyonlar eşitlenir.
Gazdaki iyonların arıtılması. Pozitif ve negatif iyonlar karşılaştığında yeniden birleşirler. Sabit durumda, iyon sayısı zamanla değişmediğinde, yüklü parçacıkların oluşumu ve rekombinasyonu süreçleri arasında dinamik bir denge kurulur.
Gazın spesifik iletkenliğini hesaplayalım. Harici bir elektrik alanı uygulandığında, pozitif ve negatif iyonlar gazın sürtünme direncini aşarak elektrotlar arasında sırasıyla aşağıdaki hızlarda hareket edeceklerdir:
Pozitif ve negatif iyonların hareketliliği nerede ve nerede.
1 m3 gazda bulunan pozitif () ve negatif () iyonların sayısı ile 1 m3 gazda 1 s () içinde yeniden birleşen iyonların sayısı arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde gösterilebilir:
gaz iyonlarının rekombinasyon katsayısı nerede, m3 /s. Hava için örneğin m3 / s.
Sabit durumda
,
Bu yüzden .
Alan kuvveti (E) çok küçükse, akan akımın gazdaki iyon konsantrasyonunu değiştirmemesi için akım yoğunluğu aşağıdaki ifadeden belirlenebilir:
Bunu dikkate alarak, gazın spesifik iletkenliği için bir ifade elde ederiz:
. (4.9)
Havanın spesifik iletkenliği zayıf alanlar yaklaşık 10 -15 S/m'dir.
Formül (4.8)'den, harici elektrik alan kuvvetinin düşük değerlerinde, ve sabit kabul edilebildiğinde, gazdaki akım yoğunluğunun uygulanan alan kuvvetiyle doğru orantılı olduğu açıktır; bu koşullar altında Ohm yasası gözlemlenir (Şekil 4.3, bölüm 0A). Bununla birlikte, iyonların sürüklenme hızının artmasına bağlı olarak uygulanan alan kuvvetinin daha da artmasıyla, bunların rekombinasyon olasılığı azalır ve temel olarak tüm iyonlar elektrotlara doğru hücum eder. Bu doyum akımıdır (AB bölümü).
Elektrotlar arasındaki mesafe 0,01 m olan hava için doygunluk, 0,5 V/m alan kuvvetinde elde edilir. Havadaki doyma akım yoğunluğu (normal koşullar altında) çok küçüktür ve 10 -14 A/m2'ye ulaşır.
Elektriksel iletkenlik (serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonu) harici iyonlaştırıcıların gücü tarafından belirlendiğinden, Bölüm 0AB'ye kendinden iletken olmayan bölge denir.
Spesifik hava direncinin () değeri yaklaşık 10 18 Ohm∙m'dir. Alan kuvveti V/m'nin daha da artmasıyla (Şekil 4.3, bölüm BC), işlemlerden dolayı akım yoğunluğunda önemli bir artış meydana gelir. darbe iyonizasyonu Moleküller, gaz boşluğunun parçalanmasına kadar güçlü bir elektrik alanında elektronlar tarafından tutulur. Uçak bölümüne denir bağımsız elektriksel iletkenlik alanı .
Sıvıların elektriksel iletkenliği
Sıvıların elektriksel iletkenliği, sıvının kendisinin veya safsızlıklarının moleküllerinin ayrışması sırasında oluşan iyonlardan kaynaklanmaktadır. Moleküllerin kaotik termal hareket enerjisindeki artış nedeniyle, iyonlaşma derecesi ve iyon konsantrasyonu artan sıcaklıkla birlikte artar. üstel yasa:
, (4.10)
burada W ayrışma enerjisidir. Dolayısıyla spesifik iletkenlik:
burada n iyonun yüküdür; ve sırasıyla pozitif ve negatif iyonların hareketliliğidir; A bir sabittir.
Sıvı iletkenliğinin logaritması, tersin artmasıyla doğrusal olarak azalır. mutlak sıcaklık 1/T (Şek.
4.4), olduğu gibi tescilli yarı iletkenler. Bununla birlikte, (bant aralığıdır) olan yarı iletkenlerden farklı olarak sıvılardaki üs, onların ayrışma enerjisine göre belirlenir:
Sıvıların özgül direnci:
, (4.12)
burada B bir sabittir.
Benzer bir yasaya göre sıvıların viskozitesi değişir (). Sıvıların bağımlılığı, moleküllerin sıcaklık ayrışmasındaki hem değişiklik hem de değişiklik ile açıklanır.
Polar sıvılarda moleküllerin ayrışması, polar olmayan sıvılara göre daha kolay gerçekleşir. Polar sıvıların ayrışma enerjisinin polar olmayan sıvılara göre çok daha düşük olması nedeniyle spesifik iletkenlikleri önemli ölçüde daha yüksektir. Yani, yüksek polariteli sıvılar için (damıtılmış su, etil alkol, aseton), zayıf polar için (sovol, hint yağı), polar olmayan için (benzen, transformatör yağı) Ohm∙m. Polar olmayan sıvılarda, ana maddenin molekülleri pratik olarak iyonlara ayrışmaz ve elektriksel iletkenlikleri özellikle polar maddelerin safsızlıklarından kaynaklanır.
Safsızlık içeren sıvılarda (ve gazlarda) bazen gözlenir molyon iletkenliği , nin kişilik özelliği koloidal sistemler iki fazlı maddenin yakın bir karışımı olan; formda bir faz ile ince parçacıklar(damlalar, tanecikler, toz parçacıkları vb.) bir başkasında eşit şekilde süspanse edilir. Kolloidal sistemlerden en çok elektrik yalıtım teknolojisinde bulunurlar. emülsiyonlar (her iki faz da sıvıdır) ve süspansiyonlar (dağılmış faz – sağlam, dispersiyon ortamı – sıvı). yüz
emülsiyonların ve süspansiyonların gücü, yani. her iki fazın yoğunluklarındaki farklılık nedeniyle dağılmış faz kabın dibine çökmeden (veya yüzeye çıkmadan) uzun süre dayanabilme yetenekleri, parçacıkların yüzeyindeki elektrik yüklerinin varlığıyla açıklanır. dağılmış fazın (aynı yükte parçacıklar birbirini iter). Dağınık fazın bu tür yüklü parçacıklarına denir benler . Uygulandığında koloidal sistem elektrik alanı, molyonlar şeklinde ifade edilen hareket etmeye başlar elektroforez .
Örnekler pratik kullanım elektroforez - metal nesnelerin süspansiyonlarından kauçuk ve reçinelerle kaplanması, çeşitli malzemelerin elektrik alanında dehidrasyonu vb. Elektrolizden farklı olarak, elektroforez sırasında yeni maddelerin oluşumu gözlenmez, yalnızca dağılmış fazın göreceli konsantrasyonu gözlenir. çeşitli parçalar maddenin hacmi. Molion elektrik iletkenliği sıvı verniklerde ve bileşiklerde, nemlendirilmiş yağlarda vb. doğasında vardır. İyonik elektriksel iletkenliğin katkısı gibi iletkenliğe katkısı da sıvının viskozitesine bağlıdır.
Katı dielektriklerin elektriksel iletkenliği
Dielektriklerin elektriksel iletkenliği, yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğinden farklı olarak çoğunlukla elektronik değil, iyonik niteliktedir. Bunun nedeni, dielektriklerdeki bant aralığının, termal hareket nedeniyle yalnızca çok az sayıda elektronun atomlarından ayrılabilmesidir. İyonların genellikle kafes bölgelerinde zayıf bir şekilde bağlandığı ortaya çıkar ve bunların parçalanması için gereken enerji W, örneğin bir NaCl kristalinde eV ile karşılaştırılabilir ve bir sodyum iyonunun ayrılma enerjisi eV'dir. Bu nedenle, iyonların hareketliliğinin () elektronların hareketliliğine () kıyasla daha düşük olmasına rağmen, iyonik iletkenliğin, önemli ölçüde daha yüksek serbest iyon konsantrasyonu nedeniyle elektronik iletkenlikten daha büyük olduğu ortaya çıkar:
. (4.13)
Dielektriklerdeki yük taşıyıcıları genellikle hareketliliği daha yüksek olan küçük iyonlardır:
· hidrojen içeren bileşiklerdeki protonlar (polimerlerde, KH2PO4 gibi kristallerde ve hidrojen bağları olan diğerlerinde);
· sodyum iyonları (NaCl ve sodyum içeren camda), vb.
Ayrışmış (toplanmış) iyonların () sayısının sıcaklıktaki bir değişiklikle katlanarak değiştiğine dikkat edilmelidir:
, (4.14)
Nerede - toplam sayısı i-th tipi iyonlar; – i-th tipi iyonun ayrışma enerjisi; kT – termal enerji.
Yarı iletkenler gibi katı dielektriklerin elektriksel iletkenliği, üstel yasaya göre artan sıcaklıkla artar:
 |
Bununla birlikte, bağımlılığa genellikle yalnızca taşıyıcı konsantrasyonundaki üstel bir artış neden olmaz (Şekil 4.5, b).
ama aynı zamanda artan hareketlilik sayesinde:
µ~ifade(-Wn /kT),
burada Wn, iyonun birinden geçişini belirleyen hareket enerjisidir. Denge durumu başka bir). Bunun nedeni, iyonların sürüklenme hareketliliğinin küçük olması ve potansiyel bir Wn bariyeriyle ("sıçrayan" elektriksel iletkenlik olarak adlandırılan) ayrılmış bir tuzaktan tuzağa atlayarak gerçekleşmesidir. Bu tür termal sıçramaların olasılığı exp(-Wn /kT) ile doğru orantılıdır (Şekil 4.5, a).
Tipik olarak bir dielektrik birkaç tür yük taşıyıcı içerir. Örneğin ana maddenin iyonlarına ek olarak zayıf bağlı safsızlık iyonları da bulunabilir. Bu durumda spesifik iletkenlik, içsel iletkenliğin aktivasyon enerjisiyle (W) toplamıdır ve safsızlık iletkenliği aktivasyon enerjisiyle (W np):
; (4.16)
,
sabitleri birleştiren katsayı nerede ( – i-th taşıyıcının yükü; – i-th taşıyıcının konsantrasyonu; – i-th taşıyıcının hareketliliği); Wi aktivasyon enerjisidir.
Geniş bir sıcaklık aralığında, spesifik iletkenliğin (γ) logaritmasının karşılıklı mutlak sıcaklık (T) iki düz bölümden oluşmalıdır; Farklı anlamlar apsis eksenine eğim açısı (Şekil 4.6). A kırılma noktasının üzerindeki bir sıcaklıkta, elektriksel iletkenlik esas olarak kendi kusurları tarafından belirlenir - bu bölgedir Yüksek sıcaklık , veya kendi elektrik iletkenliği . Kırılmanın altında, bölgede düşük sıcaklık , veya kirlilik elektiriksel iletkenlik bağımlılık daha düzdür.
Temel olarak safsızlıkların doğası ve konsantrasyonu tarafından belirlenen, yeniden üretilmesi zor olan düşük sıcaklık elektrik iletkenlik bölgesinin aksine, içsel iletkenliğin değeri iletkenliğe bağlı değildir ve safsızlıklara bağlı değildir, iyi bir şekilde tekrarlanabilir ve fiziksel parametre bu bağlantının.
Bükülme noktasının gözlemlendiği sıcaklık, malzemenin saflık ve mükemmellik derecesine güçlü bir şekilde bağlıdır. Safsızlıkların ve kusurların içeriği arttıkça, safsızlık iletkenliği artar ve daha yüksek sıcaklıklarda önemli olduğu ortaya çıkar (Şekil 4.6). Bağımlılık çizgilerinin grafiklerinin eğimlerinden yük taşıyıcılarının aktivasyon enerjisi ve bunların doğası belirlenebilir.
İyonik elektriksel iletkenliğe madde aktarımı eşlik eder: pozitif iyonlar katoda doğru, negatif iyonlar ise anoda doğru hareket eder. Elektroliz özellikle yüksek sıcaklıklarda, ρ küçük olduğunda ve yüksek olduğunda belirgindir. sabit voltajlar. Elektrotlar üzerinde salınan maddeye bağlı olarak yük taşıyıcıların niteliği belirlenebilir. Tamamen iyonik iletkenliğe sahip dielektriklerde, Faraday yasasına sıkı sıkıya uyulur - geçen elektrik miktarı ile salınan madde miktarı arasındaki orantı yasası.
Bazı dielektrikler (örneğin diğer titanyum içeren seramik malzemeler) elektronik veya delikli elektrik iletkenliği sergiler. Bununla birlikte, taşıyıcılar genellikle ana maddenin değil, safsızlıkların ve kusurların elektronlarıdır. Titanyum içeren seramiklerde yüksek sıcaklıkta sentez sırasında ortaya çıkarlar. önemli miktar zayıf bağlı elektronları veya delikleri bağışlayan oksijen boşlukları. Gözlenen elektriksel iletkenlik bunlara bağlıdır.
Katı gözenekli dielektrikler, içlerinde nem bulunması durumunda, önemsiz miktarlarda bile elektriksel iletkenliklerini keskin bir şekilde arttırır (Şekil 4.7). Eğrinin AB bölümünde su molekülleri ile dielektrik moleküllerin ayrışma derecesinin değişmesi sonucu direnç değeri azalır. sulu çözelti iyonlara. BC bölümü kurutma işlemlerinden kaynaklanır ve SD bölümünde dielektrik moleküllerin iyonlara ayrışması meydana gelir.
Katı dielektriklerin nispeten düşük elektrik alan kuvvetlerinde elektriksel iletkenliğini dikkate aldık. Yeterince yüksek elektrik alan kuvvetlerinde, dielektriklerde, elektrik alan kuvvetinin artmasıyla hızla artan bir elektriksel iletkenlik elektronik bileşeni ortaya çıkar ve bu nedenle Ohm yasasının ihlali gözlenir. Elektrik alan kuvvetlerinde V/m, yani. Arıza alan kuvvetlerine yakın yerlerde, elektriksel iletkenliğin alan kuvvetine bağımlılığı Poole yasasına uyar:
, (4.17)
Bazı dielektrikler için Frenkel yasasının daha doğru olduğu ortaya çıktı:
, (4.18)
zayıf elektrik alanlarında elektriksel iletkenlik nerede; – dielektrik özelliklerini karakterize eden doğrusal olmama katsayıları; E – elektrik alan kuvveti.
Yaprakları bütün saatler boyunca denge konumundan eğik kalan yalıtımlı bir elektroskopla yapılan deneylerde ikna olduğumuz gibi, normal basınç ve sıcaklık koşulları altında gazların en iyi elektrik yalıtkanları olduğu bilinmektedir. Hava aynı zamanda elektriği iletmeyen bir madde olarak kabul edildi ve elektroskobun zayıf yük kaybı, hem kusurlu yalıtımına hem de yükü elektroskoptan uzaklaştıran havadaki toz ve su buharının varlığına bağlandı (Warburg, 1872). Ancak Elster, Keitel ve Wilson'ın çalışmaları atmosferin de şüphesiz iletkenliğe sahip olduğunu gösterdi ve Ebert ve Emden'in deneyleri havanın elektriksel iletkenliğinin meteorolojik ve diğer koşullara bağlı olarak dalgalanarak yükseklikle birlikte hızla arttığını ortaya çıkardı. Sonra fizikçilerin önünde şu sorun ortaya çıktı: Bu elektriksel iletkenliğin doğası nedir ve hangi nedenlerle belirlenir?
Katıların elektriksel iletkenliği ve sıvı cisimler iki tür olabilir: metallerin ve diğer bazı cisimlerin doğasında bulunan metalik elektrik iletkenliği ve çoğu sıvının, özellikle tuz çözeltilerinin özelliği olan elektrolitik elektrik iletkenliği. Metalik elektriksel iletkenlik, iletkenin ağır parçacıklarının, içinden geçen elektriğin hareketinde gözle görülür herhangi bir rol almaması ile karakterize edilir. Elektrolitlerde ise tam tersine elektriğin hareketi, madde parçacıklarının hareketi ile ilişkilidir. Çözücünün etkisi nedeniyle veya Yüksek sıcaklık Elektrolit moleküllerinin bazıları ayrışır ve eşit miktarda zıt işaretli elektrikle yüklenen, benzer olmayan kimyasal iyonlara ayrılır. Dış etki elektriksel kuvvetler yalnızca serbest iyonlar yükleriyle birlikte etkileri altında harekete maruz kalır. Daha sonra iyon hareketi süreci meydana gelir: elektropozitif iyonlar bir yöne, elektronegatif iyonlar diğer yöne yönlendirilir, bu da sıvıda bir elektrik akımına neden olur, pozitif yükleri katoda ve negatif yükleri anoda aktarır. Bir iyonun her gram eşdeğerinin taşıdığı yük, doğasından bağımsızdır ve 96.540 coulomb'a ulaşır.
Dolayısıyla bu iki tür elektriksel iletkenlik gazından hangisinin çözülmesi gerektiği sorusunun çözülmesi gerekiyordu. Bu soru, gazlara gözle görülür elektriksel iletkenlik kazandırmanın mümkün olduğu bir dizi yöntemin incelenmesiyle çözüldü. Örneğin ultraviyole ışıkla aydınlatıldığında veya röntgen veya katot veya anot parçacıklarının veya radyoaktif maddelerin yaydığı parçacıkların etkisi altında veya son olarak yüksek sıcaklığın etkisi altında gazlar elektrik iletme özelliği kazanır. Yüklü bir elektroskop, işareti ne olursa olsun, bu ışınlardan biri veya diğeri üzerine düştüğü anda neredeyse anında yükünü kaybeder. Elektrolitlerin elektriksel iletkenliğine benzetilerek, bu tür ışınların etkisi altında, nüfuz ettikleri gazda elektriksel olarak pozitif ve negatif yüklü parçacıkların ortaya çıktığı da varsayılmıştır. Bu varsayım daha sonra 1897-1903 döneminde Cambridge'deki Cavendish laboratuvarında J. Thomson ve öğrencileri tarafından yapılan çok sayıda deneyle doğrulandı. Bu elektrik yüklü gaz parçacıklarına iyonlar, oluşum süreçlerine iyonizasyon ve iyonlaşmaya neden olan ışınlara iyonlaştırıcılar adı verildi. Elektrolitik iyonlar ile gaz iyonları arasındaki benzetme eksik olduğundan, İngiliz fizikçiler bunlara daha çok "elektron taşıyıcıları" veya kısaca "taşıyıcılar" diyorlar. Son olarak, hava iyonlaştırıcıları da birçok kimyasal ve mekanik süreçlerörneğin: yanma, fosforun oksidasyonu, suyun katı veya sıvı yüzeylere ezilmesi ve püskürtülmesi vb.
Böylece herhangi bir gazda ve atmosferde gözlenen çok zayıf elektrik iletkenliğinin, bunların içinde bulunduğuna dair tek bir şüphe dahi kalmamıştı. iyi durumda iyonlaşmalarının bir nedeni vardır. Bu bakış açısıyla elektriğin atmosferdeki dağılımının yanı sıra çeşitli meteorolojik ve diğer koşullara bağlı olduğu gerçeğini açıklamak zor olmadı.
Elster ve Geitel ayrıca iyonizasyona bir takım nedenlerin ve her şeyden önce kozmik bir nedenin - güneş ışınlarının etkisine katılımı hakkında bir hipotez öne sürdüler. Lenard'ın aşırılıklar üzerine deneyleri ultraviyole ışınlar Alüminyum, çinko ve diğer metallerin sıcak buharları tarafından yayılan bu ışınların atmosfer tarafından en güçlü şekilde emildiğini keşfettiler ve son derece güçlü derece bu emilimin bir sonucu olarak iyonlaşması. Havanın ultraviyole ışınlarla iyonlaşması şu şekilde hayal edilmelidir: Radyant enerjinin hava molekülü tarafından emilmesi nedeniyle, negatif bir elektron ikincisini terk eder ve geri kalanı pozitif bir iyona dönüşür. Negatif bir elektron, nötr bir hava molekülü ile birleşerek negatif bir iyon oluşturur. Güneş fotosferinin yukarıdaki metallerin sıcak buharlarını ve ayrıca ne zaman yayılan hidrojeni içermesi nedeniyle kıvılcım deşarjı aşırı ultraviyole ışınlar, o zaman Elster ve Geitel'in Güneş'in havanın iyonlaşmasına katılımı hakkındaki varsayımı son derece makul hale geliyor. Bu varsayım, oldukça basit bir şekilde, atmosferdeki iyonizasyon gözlemleriyle ilişkili bir dizi önemli olguyu açıklamaktadır; örneğin yazın kışa göre daha fazla iyonlaşma derecesi, güneşli günlerde bulutlu günlere göre vb.
Bununla birlikte, aşırı ultraviyole ışınlarının atmosfer tarafından alışılmadık derecede güçlü bir şekilde emildiğini hesaba katarsak, gerçekte Güneş'in ultraviyole ışınları tarafından doğrudan iyonlaşmanın yalnızca en çok gerçekleştiği sonucuna varmak gerekecektir. üst katmanlar. Görünüşe göre havanın aynı üst katmanları, bombardıman gibi bir dizi başka kozmik nedenden dolayı iyonize oluyor. kozmik toz, güneş elektronu radyasyonu vb. İyonlar yalnızca difüzyon nedeniyle alt katmanlara nüfuz edebilir veya sürekli yükselen ve alçalan hava akımları tarafından taşınabilir. Ancak havanın alt katmanlarının iyonlaşmasını açıklamak için bu sonuç, kaynağının sona ermesinden sonra iyonlaşmanın hızla ortadan kalkması gerçeğinde de zorluklarla karşılaşmaktadır. Aşağı yönlü hava akımlarının yavaş hareketi nedeniyle, yukarıda iyonize olan hava, görünüşe göre, ancak tüm iyonizasyonunun uzun süre ortadan kaybolduğu bir süre geçtikten sonra Dünya yüzeyine ulaşacaktır. Bu nedenle, atmosferin alt katmanlarının iyonlaşmasını açıklamak için, diğer kaynağın (güneş radyasyonuyla bilinen bir bağlantısı olan ve dolayısıyla güneş ışınımına bağlı olan atmosferik havanın radyoaktivitesi) dikkate alınması gerekir. Güneş lekelerinin oluşma dönemi.
Havadaki radyoaktivitenin keşfini Elster ve Geitel'e borçluyuz. Bahçelerindeki 10 metrelik bakır teli iki yalıtkanın üzerine gerdiler ve bir elektrik pili kullanarak bu teli iki saat boyunca yüksek gerilim altında tuttular. negatif potansiyel. Çalışma sonucunda telin radyoaktif hale geldiğine ikna oldular. Radyoaktivite, kağıt veya pamuk kullanılarak telden uzaklaştırılabiliyor ve yakıldıktan sonra kül içinde kalarak fotoğraf plakasını gözle görülür şekilde etkiliyor veya baryum platin siyanürle kaplanmış bir ekranın fosforesansına neden oluyor. Telin aktivasyonunu yapay elektrifikasyonla elde etmek yerine, örneğin dağ tepeleri, kuleler vb. gibi yerlerdeki yalnızca dünyanın elektrik alanının etkisi yoluyla elde edilebilir. Daha sonraki gözlemler, diğer elektrik alanlarının varlığını ortaya koymuştur. radyoaktif elementler, toryum ve deniz anemonunun miktarlarının çeşitli meteorolojik ve jeofizik faktörlerle ilişkisi ortaya çıkarıldı. Bu arada aynı bilim adamları bodrumlarda, mağaralarda ve zindanlardaki havanın çok daha yüksek derecede iyonlaştığını da belirtmişlerdir. daha büyük ölçüde Dünya yüzeyinin üzerindeki havadan daha fazla. Yapay bir şekilde topraktan alınan havanın özellikle yüksek oranda iyonize olduğu ortaya çıktı. Bu tür havanın nispeten küçük bir hacmi, içine daldırılmış yüklü bir tele geçici radyoaktivite özelliği kazandırmak için yeterlidir. negatif elektrik. Böyle bir havadaki elektroskop birkaç dakika içinde boşaldı. Bu nedenle, atmosferik havanın radyoaktivitesinin, radyoaktif maddelerin karışımlarından ve bunların topraktan giren yayılımlarından kaynaklanıp kaynaklanmadığını varsaymak doğal mıydı? Ve bu radyoaktivite de havanın iyonlaşmasına neden olduğundan, atmosferik havanın alt katmanlarının iyonizasyon kaynaklarından birinin tam olarak toprakta bulunan radyoaktif ilkeler olduğu sonucuna varmak gerekir. Ancak havadaki radyoaktivitenin bir dizi karmaşık ve çeşitli süreçler Genel olarak doğada bulunan ve bu nedenle enerji türlerinden biridir.
Bütün zorluklara rağmen bu konu ve atmosferik havanın iyonizasyonunda toprak radyoaktivitesi ile güneş radyasyonunun rolünü ayırt etmenin zorluğu, ancak hava iyonizasyon derecesindeki günlük ve yıllık değişiklikler Güneş ışınlarına atfedilebilir. Yaz aylarında kışa göre daha fazla hava iyonizasyonu güzel hava Yazın ve açık havalarda toprağın daha güçlü güneş ışığını hesaba katarsak, bulutlu koşullarla karşılaştırıldığında oldukça tatmin edici bir şekilde açıklanabilir. Bu faktörler daha yoğun ve daha fazlasını belirler. ücretsiz iletişim toprak havası ve atmosferik. Belki de bazı meteorolojik unsurların dalgalanmalarıyla uyumlu olan hava iyonizasyonundaki günlük dalgalanmaları da aynı nedenlerle açıklamak gerekir.
Normal koşullar altında atmosferik havanın içerdiği pozitif ve negatif iyonların sayısının, normal şartlara göre çok az olduğunu belirtmek gerekir. tam sayı onun molekülleri. Bilindiği üzere 1 santimetre küp Normal basınç ve sıcaklık koşullarında gaz yaklaşık 30*1018 (30 trilyon) molekül içerir. Aynı hacimde miktar ortalama 800-1000'dir. Bu iyon sayısı yılın zamanına ve günün zamanına göre tamamen değişir; jeolojik, topografik ve meteorolojik koşullara ve hava koşullarının gidişatına bağlıdır: örneğin yazın iyonların sayısı kışın olduğundan çok daha fazladır. ve kuru hava, yağmurlu ve bulutlu havaya göre daha fazla, sisle birlikte sıfıra düşüyor.
Son derece ilginç bir soru, atmosferik havanın iyonlaşma derecesinde dalgalanmaların olup olmadığıdır. daha uzun süre- Güneş'in aktivitesinde aynı dönemle ilişkili 11 yıllık bir dönem. Ne yazık ki, atmosferik havanın iyonlaşma derecesinin kütle ve günlük ölçümlerinin olmaması nedeniyle bu sorunun henüz çözülmediğini belirtmeliyim. Bu arada, bunun deneysel çözümüne duyulan ihtiyaç önemli konu hem biyoloji hem de atmosferin iyonlaşmasında böyle bir dönemin varlığına ilişkin varsayımların kendisi tarafından dikte edilmiştir.
Bilindiği gibi güneş aktivitesinin arttığı bir dönemde, Dünya'ya akan güneş ışınım enerjisi miktarı da önemli ölçüde artıyor. Bu artan enerji akışı elektromanyetik veya parçacık radyasyonuşüphesiz fizikokimyasal süreçlerin yoğunluğunun artmasına neden olur. yerkabuğu ve atmosfer.
Nodon, radyoaktif radyasyonun önemli ölçüde hızlandığını gösteren ilginç deneylerinin sonuçlarını yayınladı. Güneş ışınlarıözel dereceli radyasyon içerir. Bu sonuncular içinden nüfuz eder ince tabaka kurşun ve diğer metaller ve metaller tarafından ne kadar güçlü emilirse, ekranın yapıldığı metalin atom ağırlığı da o kadar yüksek olur. Bu ışınların etkisi en çok güneş aktivitesinin arttığı dönemlerde fark edilir. Bu nedenle eğer derece radyoaktif radyasyon Güneş aktivitesinin arttığı dönemde havadaki iyonlaşma artar, dolayısıyla aynı dönemde atmosferik havanın iyonizasyonu da artmalıdır.
Atmosferdeki radyoaktif yayılımların varlığı, Dünya yüzeyinde bulunan kayaların salınmasına bağlanmaktadır. Bununla birlikte, Bongard'ın Lindenburg'da 5 ila 15 metre uzunluğunda, yılanlarda 4000 metre yüksekliğe kadar yükselen çelik teller kullanarak yaptığı gözlemler, yayılım sayısının Dünya yüzeyindeki barometrik basınca ve katman sıcaklığına bağlı olduğunu doğruladı. telin bulunduğu hava. Ayrıca Bongard, 27 - 28 günlük bir süre boyunca yayılmadaki değişikliklerin periyodikliğini fark etti. Bongard bu periyodikliğin nedenini güneş aktivitesine bağladı. Belirtilen periyot yaklaşık olarak döneme eşit onun dönüşü. Filipin Adaları'ndaki Manila'da yapılan radyoaktif yayılım miktarının eşzamanlı gözlemleri aynı 27-28 günlük süreyi verdi. Bu iki noktada elde edilen verileri Güneş'in kalsiyum bulutlarının spektroheliogramlarıyla karşılaştıran Bongard, atmosferimizde tespit edilen emisyonların kaynağının güneş aktivitesi olduğu sonucuna vardı.
Ayrıca dünya yüzeyinde Stoletov-Hallwachs etkisinin varlığını da belirtmek gerekir. Bazı metallerin doğrudan maruz kaldığında negatif yüklerini hızla kaybetme özelliğine sahip olduğu gösterilmiştir. Güneş ışığı. Metal plaka şarj edilmediğinde bile yayar negatif ışınlar, böylece pozitif bir yük alır. Bu fotoelektrik etki güneşin hangi ışınlarına atfedilmelidir? Spektrumun görünür kısmından yalnızca bir mor kısım benzer etkiye sahiptir. Hassas araştırmalar sonucunda başta feldispat ve granit olmak üzere birçok mineralin de bu radyasyonun etkisi altında fotoelektrik etki gösterdiği bulunmuştur. Buna dayanarak Elster ve Geitel, güneş ışığına maruz kaldıklarında dünyanın yüzeyindeki negatif yüklü birçok kayanın havaya negatif elektronlar saldığını öne sürdüler. Bu sonuncular, eğer uygun koşullar mevcutsa, aynı zamanda dünya yüzeyinin atmosferinin de iyonlaşmasına neden olabilir.
Hava iyonizasyon derecesi ile nokta oluşumu süreci arasındaki bağlantı, atmosferdeki bir dizi fiziksel olayda keşfedildi. Her şeyden önce bu bağlantı, radyo iletim koşullarının dalgalanmalarında çok açık bir şekilde ortaya çıktı. Bu iyonlaşma etkisi teorik açıklama Maxwell-Hertz denklemlerinde iyonizasyon yukarıda gördüğümüz gibi havanın elektriksel iletkenliğini belirlediğinden. Böylece iyi iletken bir ortamda yayılan elektromanyetik dalgalar şu karakteri kazanır: sönümlü salınımlar, ve onları logaritmik azalma zayıflama elektriksel iletkenlik derecesi ile doğru orantılı olarak artar.
Gün içinde hava iyonizasyonunun güneş ışığının gücüne ve yoğunluğuna bağlı olarak önemli dalgalanmalara maruz kalması nedeniyle radyo iletimi de bu faktöre bağlıdır. Nitekim dünya yüzeyinin herhangi bir yerinde atmosferdeki iyonlaşmanın gündüz ve gece saatlerine bağlı olduğu ve genellikle gün ortasına doğru arttığı, daha sonra ise yayılımın azaldığı açıktır; elektromanyetik dalgalar temsil etmeli periyodik fonksiyon bir güne eşit bir süreye sahip zaman. Ana maksimum iyonizasyon iki ila dört saat arasında gözlenir ve minimum sabah ve akşam gözlenir. İyonlaşma ve elektriksel iletkenliğin etkisinden dolayı elektromanyetik titreşimler esas olarak enerjilerinin zayıflamasını etkiliyor, o zaman tamamen teorik değerlendirmelerden bile radyo iletiminin en zor gündüz, en az gece, akşam ve sabah olacağı sonucuna varmak zor değildi. Aslında Marconi, geceleri hem radyo sinyallerinin duyulabilirliğinin hem de iletim mesafesinin önemli ölçüde arttığını fark eden ilk kişiydi. Bu gerçek daha sonra binlerce gözlemci tarafından doğrulandı. Ayrıca Güneş'in doğup battığı saatlerde, ani değişim Aydınlatılmış ve aydınlatılmamış kısımları arasındaki sınır bölgesinin yakınında bulunan atmosfer katmanlarının iyonizasyonu, iyonize katmanların sürekliliğinin ihlalinin etkisini tespit etmemiz gerekir. Bu durumun da radyo alımını etkilemesi gerekir ki bu genel olarak böyledir. Aynı zamanda, nokta oluşumunun etkisi altında radyo dalgası alım kalitesinin önemli ölçüde bozulması araştırmacıların dikkatini çekti. Bu amaçla yapılan gözlemler, geçiş günlerinde güneş lekeleri Güneş'in merkezi meridyeni boyunca, radyo dalgalarının alımı genellikle zorluk derecesine doğru önemli anormalliklere maruz kalır. Bu olgu ile çalışırken en büyük etkiye sahiptir uzun dalgalar Pickard'ın Washington'daki gözlemlerinin gösterdiği gibi, ancak teorik değerlendirmelere göre beklenen bir şeydi. Austin ayrıca aylık radyo alım endeksleri ile güneş radyasyonu arasında yakın bir ilişki buldu.
Son olarak, örneğin 1900, 1905, 1912, 1914 ve 1927'de güneş tutulmalarının atmosferik elektrik üzerindeki etkisini belirlemek için girişimlerde bulunuldu. Nordmann, 1905'te Cezayir'de tam tutulma aşamasının başlangıcından yaklaşık 3/4 saat sonra minimum iletkenlik gözlemledi. Diğer araştırmacılar da bu kozmik olgunun atmosferin iletkenliği üzerindeki etkisine dair sonuca varmışlardır. Güneş tutulmasının radyo yayınına etkisi üzerine gözlemler yapıldı.
