Меню

Что такое земля в электростатике

Электрическое поле Земли — взгляд химика

Электрическое поле Земли по сей день хранит в себе массу загадок. Наука до сих пор не знает ни настоящий источник создания этого поля, ни механизмы его поддержания, да и многое чего другого. В этой работе мы не ставим перед собой задачу ответить на большинство из данных вопросов, распутать весь клубок хитросплетений Природы в этой области, задача работы другая, начать хотя бы распутывать данный клубок, получить, как говорится, первые метры свободной нити. Для данной цели нам не придется лезть в непролазные дебри современной науки, обойдемся тем, что лежит на поверхности, для этого нам и читателям достаточно будет знаний физики на уровне школьного курса. Не удивляйтесь, читатель, именно школьного курса. Дело в том, что с нашей точки зрения, современная наука так запутала вопрос с электрическим полем Земли, даже элементарные вещи превратились в ребус. За доказательствами далеко ходить не придется, вот самая основа основ, количественная характеристика электрического поля Земли.
В 60-70 годы прошлого столетия, и это совсем не далекие времена, самым популярным и полным источником знаний по данному вопросу были [1] «Фейнмановские лекции по физике» (Глава 9, Электричество и магнетизм). Вот какую количественную оценку полю дает Фейнман:
Цитата 1.
§ 1. Градиент электрического потенциала в атмосфере

В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъема возрастает с каждым метром примерно на 100 в. В воздухе имеется вертикальное электрическое поле Е величиной 100 в/м. Знак поля отвечает отрицательному заряду земной поверхности.
Цитата 2.
Рассмотрев способы измерения электрического поля в атмосфере, продолжим теперь его описание. Измерения прежде всего показывают, что с увеличением высоты поле продолжает существовать, только становится слабее. На высоте примерно 50 км поле уже еле-еле заметно, так что большая часть изменения потенциала (интеграла от Е) приходится на малые высоты. Вся разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти
400 000 в.
Прошло каких-то 30 лет, какую же количественную характеристику сегодня дает физика электрическому полю Земли. Заглянем в Интернет, наберем в Google комбинацию слов. На первой странице (что косвенно соответствует самой распространенной точке зрения) находим:
Цитата
Электрическое поле Земли

Экспериментально установлено, что возле Земли имеется электрическое поле величиной около 130 В/м. Знак поля соответствует отрицательному заряду Земли. С удалением от Земли (с увеличением высоты) поле продолжает существовать, но становится слабее. На высоте около 50 км поле уже еле-еле заметно. Большая часть изменения потенциала происходит на малой высоте. Вся разность потенциалов между поверхностью Земли и верхом атмосферы составляет около 400 кВ.
Источник http://esis-kgeu.ru/ems/369-ems
Видим, вроде ничего не изменилось, все те же цифры или почти те же, что и у Фейнмана. Смотрим дальше. В той же поисковой системе на той же первой странице находим еще один источник и цитируем:
Цитата
§ 29. Электрическое поле Земли.

Электричество и магнетизм. — Электрическое поле.

Опыт показывает, что электрометр, соединенный с зондом, дает заметное отклонение даже и в том случае, когда поблизости нет специально заряженных тел. При этом отклонение электрометра тем больше, чем выше точка над поверхностью Земли. Это значит, что между различными точками атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, т. е. околоземной поверхности существует электрическое поле. Изменение потенциала с высотой различно в разное время года и для разных местностей и имеет в среднем вблизи земной поверхности значение около 130 В/м. По мере подъема над Землей поле это быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряженность его равна только 40 В/м, а на высоте 10 км оно становится ничтожно слабым. Знак этого изменения соответствует отрицательному заряду Земли. Таким образом, мы все время живем и работаем в заметном электрическом поле (см. упражнение 29.1).

Экспериментальное исследование этого поля и соответствующие расчеты показывают, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в полмиллиона кулонов. Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне ее (в мировом пространстве), которые еще далеко не полностью выяснены.

Читайте также:  Люди земли красноярского края

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Содержание

34. Электрическое поле Земли и электрические явления в атмосфере

Электрическое поле Земли

Измерения электрометром показывают, что у поверхности Земли существует электрическое поле, даже если вблизи нет заряженных тел. Это означает, что наша планета обладает некоторым электрическим зарядом, т. е. представляет собой заряженный шар большого радиуса.

Исследование электрического поля Земли показало, что в среднем модуль его напряженности E = 130 В/м, а силовые линии вертикальны и направлены к Земле. Наибольшее значение напряженность электрического поля имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору она уменьшается. Следовательно, наша планета в целом обладает отрицательным зарядом, который оценивается величиной q = –3∙10 5 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием различных механизмов. Во-первых, дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие — отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Основным из механизмов является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Атмосферное электричество данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где преобладает действие глобальных факторов, рассматриваются как зоны «хорошей», или ненарушенной, погоды, а где преобладает действие локальных факторов — как зоны нарушенной погоды (районы гроз, осадков, пылевых бурь и др.).

Измерения показывают, что разность потенциалов между поверхностью Земли и верхним краем атмосферы равна примерно 400 кВ.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?

Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над Землей существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемых ионосферой. Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, т. е. фактически силовые линии земного электричества идут от ионосферы к поверхности Земли, как в сферическом конденсаторе, обкладками которого являются концентрические сферы.

Под действием электрического поля в атмосфере к Земле идет ток проводимости. Через каждый квадратный метр атмосферы перпендикулярно к земной поверхности в среднем проходит ток силой I

10 –12 А/м 2 ). На всю поверхность Земли приходится ток силой примерно 1,8 кА. При такой силе тока отрицательный заряд Земли должен был бы исчезнуть в течение нескольких минут, однако этого не происходит. Благодаря процессам, идущим в земной атмосфере и вне ее, заряд Земли остается в среднем неизменным. Следовательно, существует механизм непрерывной электризации нашей планеты, приводящий к появлению у нее отрицательного заряда. Что же является такими атмосферными «генераторами», заряжающими Землю? Это дожди, метели, песчаные бури, торнадо, извержение вулканов, разбрызгивание воды водопадами и прибоем, пар и дым промышленных объектов и т.д. Но наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Как правило, облака в верхней части заряжены положительно, а в нижней части — отрицательно.

Тщательные исследования показали, что сила тока в атмосфере Земли максимальна в 19 00 и минимальна в 4 00 по Гринвичу.

Молнии

Долгое время считалось, что около 1800 гроз, одновременно происходящих на Земле, дают ток силой

2 кА, который компенсирует потери отрицательного заряда Земли за счет токов проводимости в зонах «хорошей» погоды. Однако оказалось, что ток гроз значительно меньше указанного и необходимо учитывать процессы конвекции по всей поверхности Земли.

В зонах, где напряженность поля и плотность объемных зарядов наибольшие, могут зарождаться молнии. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между облаком и Землей или между соседними облаками. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи силой от 3 кА до 200 кА.

Выделяют два класса линейных молний: наземные (ударяющие в Землю) и внутри- облачные. Средняя длина молниевых разрядов обычно составляет несколько километров, но иногда внутриоблачные молнии достигают 50-150 км.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами, имеющимися в небольшом количестве. Под действием электрического поля электроны приобретают значительные скорости по направлению к Земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии. По мере продвижения лидера к Земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Если не дать возникнуть стримеру (рис. 126), то удар молнии будет предотвращен. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода (рис. 127).

Читайте также:  Отрезок земли в 1861 году это

Источник

Электрическое поле Земли

Естественное электрическое поле Земли как планеты, связано с процессами, протекающими в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а так же в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.

Существование электрического поля Земли в атмосфере связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей: ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т.д. Многие атмосферные процессы: конвекция, образование облаков, осадки и другие – приводят к частичному разделению разноименных электрических зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно. Существование электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» Атмосфера – Земля.

В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки. В среднем осадки приносят положительных зарядов в 1,1 ÷ 1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов их атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и стеканием зарядов с естественных остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км2 за год, можно характеризовать следующими данными:

Ток проводимости + 60 к/км 2 *год
Токи осадков + 20 к/км 2 *год
Разряды молний — 20 к/км 2 *год
Токи с остриёв — 100 к/км 2 *год
Всего — 40 к/км 2 *год

На значительной части земной поверхности – над океанами – токи с остриёв исключаются, и здесь будет положительный баланс. Существование отрицательного статического заряда на поверхности Земли (около 5,7 х 105к) говорит о том, что эти токи в среднем сбалансированы.

Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушных масс, ветры, турбулентность – всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо. Примером может служить солнечно – суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряженности электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мВ/м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мВ/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч Ампер.

Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер. При обтекании магнитосферы солнечным ветром возникает Э.Д.С., которая вызывает электрические токи. Величина напряженности электрического поля в магнитосфере достигает 1 мВ/м. Разность потенциалов поперек полярной шапки составляет 20 ÷ 100 кВ.

В периоды магнитных бурь и полярных сияний электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения. Помимо квазистатических электрических полей магнитосфере и ионосфере существуют переменные электрические поля, связанные с различного типа плазменными колебаниями. На поверхности Земли эти колебания регистрируются в зависимости от частоты колебаний либо как магнитные пульсации (10 -2 – 10 Гц), либо как низкочастотные электромагнитные волны (колебания с частотой 10 2 – 10 4 Гц).

Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряженность электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мВ/км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков В/км.

Читайте также:  Источники тепла земли список

Определенный вклад в электрическое поле Земли вносит контактная разность потенциалов между породами различной электропроводности (термоэлектрический, электрохимический, пьезоэлектрический эффекты). Особую роль при этом играют вулканические и сейсмические процессы.

Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 10 -6 а/м 2 .

Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно пока не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза проходит экспериментальную проверку. Экспериментальные измерения, во время космических полетов научно-исследовательских ракет, показывают, что напряженность электрического поля в околоземном межпланетном пространстве колеблется в пределах от десятых долей до нескольких десятков мВ/м.

Магнитное поле Земли

Существование магнитного поля земли связано с геофизическими процессами происходящими в Земле и верхней её атмосфере. Магнитное поле обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере.

Для объяснения происхождения основного (постоянного) геомагнитного поля существует много различных гипотез, однако современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в жидком электропроводящем ядре Земли происходят сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогичного тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Действие ГД основано на электромагнитной индукции в движущейся среде, которая в своём движении пересекает силовые линии магнитного поля.

Полная напряженность магнитного поля от экватора к полюсу растет с 33,4 до 55,7 А/м (от 0,42 до 0,70 э). Координаты северного магнитного полюса: долгота 101,50° западная долгота, широта 75,70° северная широта; южного магнитного полюса: долгота 140,30° восточная долгота, широта 65,50° южная широта.

Геомагнитное поле имеет различные магнитные аномалии (отклонения от нормального распределения геомагнитного поля), например, Восточно-Сибирскую, Бразильскую и др., которые вызваны неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов. Влияние мировых аномалий сказывается до высот

0,5 R3 над поверхностью Земли (R3 – радиус Земли). Магнитное поле Земли простирается до высот

3Rз. Оно испытывает вековые вариации, неодинаковые на всём земном шаре. В местах наиболее интенсивного векового хода вариации достигают 150 g в год (1g = 10 -5 э).

Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2° в год и изменение величины и направления магнитного момента Земли со скоростью

20γ в год, что заставляет часто проводить мировые магнитные съёмки для уточнения магнитной карты Земли.

Переменное геомагнитное поле возникает при обтекании магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменной плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорыва в магнитосферу. Эти процессы вначале приводят к изменению интенсивности систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли.

Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот (от 10 -5 до 10 2 Гц) и амплитуду (от 10 -3 до 10 -7 э).

В «спокойное» время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные магнитные вариации с амплитудой 30 ÷ 70 γ и 1 ÷ 5 γ соответственно. Другие наблюдаемые неправильные колебания геомагнитного поля различной формы и амплитуды называют магнитными возмущениями.

Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда может превзойти 1000g. Магнитная буря – одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении параметров солнечного ветра, особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного магнитного поля относительно плоскости эклиптики. Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений.

Источник