Небесното тяло, наречено планета Земя, има електрически заряд, който създава естественото електрическо поле на Земята. Една от характеристиките на електрическото поле е потенциалът, а електрическото поле на Земята също се характеризира с потенциал. Можем също така да кажем, че освен естественото електрическо поле съществува и естествен постоянен електрически ток (DC) на планетата Земя. Градиентът на потенциала на Земята се разпределя от нейната повърхност към йоносферата. При добро време за статично електричество атмосферното електрическо поле е приблизително 150 волта на метър (V/m) близо до повърхността на Земята, но тази стойност пада експоненциално с увеличаване на надморската височина до 1 V/m или по-малко (на 30 km надморска височина). Причината за намаляването на градиента е, наред с други неща, увеличаването на атмосферната проводимост.
Ако носите дрехи от добър изолатор, който е отличен диелектрик, например дрехи от найлон, и използвате изключително гумени обувки и нямате метални предмети по повърхността на дрехите, тогава потенциалната разлика може да бъде измерена между повърхността на земята и върха на главата. Тъй като всеки метър е 150 волта, тогава при височина 170 см, в горната част на главата ще има потенциална разлика от 1,7 х 150 = 255 волта спрямо повърхността. Ако поставите метален съд върху главата си, върху него ще се събере повърхностен заряд. Причината за това събиране на заряд е, че найлоновите дрехи са добър изолатор, а обувките са гумени. Заземяване, тоест няма проводящ контакт с повърхността на земята. За да не натрупвате електрически заряди върху себе си, трябва да се „заземите“. По същия начин предметите, вещите, сградите и конструкциите, особено високите, са способни да акумулират атмосферно електричество. Това може да доведе до неприятни последици, тъй като всеки натрупан заряд може да причини електрически ток и искров разпад в газовете. Такива електростатични разряди могат да унищожат електрониката и да причинят пожари, особено при запалими материали.
За да не се натрупват заряди от атмосферно електричество, достатъчно е да свържете горната точка към долната (земята) с електрически проводник, а ако площта е голяма, тогава заземяването се извършва под формата на клетка, верига , но всъщност те използват това, което се нарича „клетка на Фарадей“.
Характеристики на атмосферното електричество
Земята е отрицателно заредена и има заряд, равен на 500 000 кулона (C) електрически заряд. Потенциалната разлика варира от 300 000 волта (300 kV), ако вземем предвид напрежението между положително заредената йоносфера и повърхността на Земята. Има и постоянен електрически ток от около 1350 ампера (A), а съпротивлението на земната атмосфера е около 220 ома. Това дава изходна мощност от приблизително 400 мегавата (MW), която се регенерира от слънчевата активност. Тази сила засяга йоносферата на Земята, както и по-ниските слоеве, причинявайки гръмотевични бури. Електрическата енергия, която се съхранява и съхранява в земната атмосфера, е около 150 гигаджаула (GJ).
Системата Земя-йоносфера действа като гигантски кондензатор с капацитет 1,8 фарада. Имайки предвид огромния размер на земната повърхност, има само 1 nC електрически заряд на квадратен метър повърхност.
Електросферата на Земята се простира от морското равнище до височина от около 60 km. В горните слоеве, където има много свободни йони и тази част от сферата се нарича йоносфера, проводимостта е максимална, тъй като има свободни носители на заряд. Може да се каже, че потенциалът в йоносферата е изравнен, тъй като тази сфера по същество се счита за проводник на електрически ток; в нея има токове в газовете и преносен ток. Източникът на свободни йони е радиоактивността на Слънцето. Потокът от заредени частици, идващ от Слънцето и от космоса, „избива“ електрони от газовите молекули, което води до йонизация. Колкото по-високо сте от морската повърхност, толкова по-ниска е проводимостта на атмосферата. На морската повърхност електропроводимостта на въздуха е около 10 -14 Сименса/m (S/m), но бързо нараства с увеличаване на надморската височина и на височина 35 km вече е 10 -11 S/m. На тази надморска височина плътността на въздуха е само 1% от тази на повърхността на морето. Освен това, с увеличаване на надморската височина, проводимостта се променя неравномерно, тъй като магнитното поле на Земята и фотонните потоци от Слънцето влияят. Това означава, че проводимостта на електросферата над 35 км от морското равнище е неравномерна и зависи от времето на деня (фотонен поток) и от географското местоположение (магнитното поле на Земята).
За да възникне електрически пробив между два плоски успоредни електрода (разстоянието между които е 1 метър), които се намират на нивото на морската повърхност, при сух въздух е необходима напрегнатост на полето 3000 kV/m. Ако тези електроди се повдигнат на височина 10 km от морското равнище, тогава ще са необходими само 3% от това напрежение, тоест 90 kV/m е достатъчно. Ако електродите са събрани заедно, така че разстоянието между тях да е 1 mm, тогава ще е необходимо напрежение на пробив 1000 пъти по-малко, т.е. 3 kV (морско ниво) и 9 V (на надморска височина от 10 km).
Естествената стойност на напрегнатостта на електрическото поле на Земята на нейната повърхност (морско ниво) е около 150 V/m, което е много по-малко от стойностите, необходими за пробив между електродите дори при разстояние от 1 mm (3 kV/ m се изисква).
Откъде идва потенциалът на електрическото поле на Земята?
Както бе споменато по-горе, Земята е кондензатор, едната плоча на който е повърхността на Земята, а другата плоча на суперкондензатора е областта на йоносферата. На повърхността на Земята зарядът е отрицателен, а зад йоносферата е положителен. Също като повърхността на Земята, йоносферата също е проводник, а слоят атмосфера между тях е нехомогенен газов диелектрик. Положителният заряд на йоносферата се формира поради космическата радиация, но какво зарежда повърхността на Земята с отрицателен заряд?
За по-голяма яснота е необходимо да запомните как се зарежда конвенционален електрически кондензатор. Включва се в електрическа верига към източник на ток и се зарежда до максималната стойност на напрежението на пластините. За кондензатор като Земята се случва нещо подобно. По същия начин трябва да се включи определен източник, да тече ток и върху плочите се образуват противоположни заряди. Помислете за светкавици, които обикновено са придружени от гръмотевични бури. Тези мълнии са самата електрическа верига, която зарежда Земята.
Именно мълния, удряща повърхността на Земята, е източникът, който зарежда повърхността на Земята с отрицателен заряд. Мълнията има ток от около 1800 ампера, а броят на гръмотевичните бури и светкавиците на ден е повече от 300. Гръмотевичният облак има полярност. Горната му част на надморска височина около 6-7 km при температура на въздуха около -20°C е положително заредена, а долната му част на височина 3-4 km при температура на въздуха от 0° до -10°C е отрицателно заредена. Зарядът в дъното на гръмотевичен облак е достатъчен, за да създаде потенциална разлика със земната повърхност от 20-100 милиона волта. Зарядът на мълнията обикновено е от порядъка на 20-30 кулона (C) електричество. Мълниите падат в разряди между облаците и между облаците и повърхността на Земята. Всяко презареждане изисква около 5 секунди, така че светкавичните разряди могат да се появят в този ред, но това не означава, че разрядът ще се появи непременно след 5 секунди.
Светкавица
Атмосферният разряд под формата на мълния има доста сложна структура. Във всеки случай това е феномен на електрически ток в газовете, който възниква, когато се постигнат необходимите условия за разпадане на газа, тоест йонизация на молекулите на въздуха. Най-любопитното е, че земната атмосфера действа като непрекъснато динамо, което зарежда земната повърхност отрицателно. Всеки разряд на мълния възниква при условие, че земната повърхност е лишена от отрицателни заряди, което осигурява необходимата потенциална разлика за разряда (йонизация на газ).
Веднага щом светкавицата удари земята, отрицателният заряд изтича на повърхността, но след това долната част на гръмотевичния облак се разрежда и потенциалът му се променя, той става положителен. След това възниква обратен ток и излишният заряд, който достига повърхността на Земята, се движи нагоре, зареждайки отново гръмотевичния облак. След това процесът може да се повтори отново, но с по-ниски стойности на електрическо напрежение и ток. Това се случва, докато има условия за йонизация на газовете, необходимата потенциална разлика и излишък на отрицателен електрически заряд.
За да обобщим, можем да кажем, че мълнията удря на стъпки, като по този начин създава електрическа верига, през която протича ток в газове, редуващи се по посока. Всяко презареждане на мълния продължава около 5 секунди и удря само когато са налице необходимите условия за това (напрежение на пробив и йонизация на газа). Напрежението между началото и края на светкавицата може да бъде от порядъка на 100 милиона волта, а средната стойност на тока е около 1800 ампера. Пиковият ток достига над 10 000 ампера, а пренесеният заряд е равен на 20-30 кулона електричество.
Глобален кондензатор
В природата съществува напълно уникален алтернативен източник на енергия, екологично чист, възобновяем, лесен за използване, който все още не е използван никъде. Този източник е атмосферният електрически потенциал.
Електрически нашата планета е като сферичен кондензатор, зареден до приблизително 300 000 волта. Вътрешната сфера - повърхността на Земята - е заредена отрицателно, външната сфера - йоносферата - е заредена положително. Земната атмосфера служи като изолатор (фиг. 1).
Токове на утечка на йонни и конвективни кондензатори, които достигат много хиляди ампера, постоянно протичат през атмосферата. Но въпреки това потенциалната разлика между плочите на кондензатора не намалява.
Това означава, че в природата има генератор (G), който постоянно попълва изтичането на заряди от кондензаторните пластини. Такъв генератор е магнитното поле на Земята, който се върти заедно с нашата планета в потока на слънчевия вятър.
За да използвате енергията на този генератор, трябва по някакъв начин да свържете консуматор на енергия към него.
Свързването с отрицателния полюс - Земята - е просто. За да направите това, достатъчно е да направите надеждно заземяване. Свързването към положителния полюс на генератора - йоносферата - е сложен технически проблем, който ние ще решим.
Както във всеки зареден кондензатор, в нашия глобален кондензатор има електрическо поле. Силата на това поле е разпределена много неравномерно по височина: тя е максимална на повърхността на Земята и е приблизително 150 V/m. С височина тя намалява приблизително по експоненциалния закон и на височина 10 км е около 3% от стойността на земната повърхност.
Така почти цялото електрическо поле е концентрирано в долния слой на атмосферата, близо до повърхността на Земята. Вектор на електрическо напрежение Земното поле Е обикновено е насочено надолу. В нашите дискусии ще използваме само вертикалната компонента на този вектор. Електрическото поле на Земята, както всяко електрическо поле, действа върху зарядите с определена сила F, която се нарича сила на Кулон. Ако умножите количеството заряд по електрическото напрежение. полета в тази точка, тогава получаваме само величината на силата на Кулон Fcoul. Тази сила на Кулон избутва положителните заряди надолу към земята, а отрицателните заряди нагоре в облаците.
Проводник в електрическо поле
Нека инсталираме метална мачта на повърхността на Земята и да я заземим. Външното електрическо поле незабавно ще започне да движи отрицателни заряди (проводими електрони) нагоре към върха на мачтата, създавайки излишък от отрицателни заряди там. И излишъкът от отрицателни заряди в горната част на мачтата ще създаде собствено електрическо поле, насочено към външното поле. Идва момент, когато тези полета стават еднакви по големина и движението на електроните спира. Това означава, че в проводника, от който е направена мачтата, електрическото поле е нула.
Ето как действат законите на електростатиката.
Да приемем, че височината на мачтата е h = 100 m, средното напрежение по височината на мачтата е Eсr. = 100 V/m.
Тогава потенциалната разлика (емф) между Земята и върха на мачтата ще бъде числено равна: U = h * Eav. = 100 m * 100 V/m = 10 000 волта. (1)
Това е напълно реална потенциална разлика, която може да бъде измерена. Вярно е, че няма да е възможно да го измерите с обикновен волтметър с проводници - точно същата емф ще възникне в проводниците като в мачтата, а волтметърът ще покаже 0. Тази потенциална разлика е насочена срещу вектора на якост E на електрическото поле на Земята и се стреми да изтласка електроните на проводимостта от върха на мачтата нагоре в атмосферата. Но това не се случва; електроните не могат да напуснат проводника. Електроните нямат достатъчно енергия, за да напуснат проводника, който изгражда мачтата. Тази енергия се нарича работа на електрон от проводник и за повечето метали е по-малко от 5 електронволта - много незначителна стойност. Но електрон в метал не може да придобие такава енергия между сблъсъци с кристалната решетка на метала и следователно остава на повърхността на проводника.
Възниква въпросът: какво ще се случи с проводника, ако помогнем на излишните заряди в горната част на мачтата да напуснат този проводник?
Отговорът е прост:отрицателният заряд в горната част на мачтата ще намалее, външното електрическо поле вътре в мачтата вече няма да бъде компенсирано и отново ще започне да движи електрони на проводимост нагоре към горния край на мачтата. Това означава, че през мачтата ще тече ток. И ако успеем постоянно да премахваме излишните заряди от върха на мачтата, в нея постоянно ще тече ток. Сега просто трябва да изрежем мачтата на всяко удобно за нас място и да включим товара (консуматора на енергия) там - и електроцентралата е готова.
Фигура 3 показва принципна диаграма на такава електроцентрала. Под въздействието на електрическото поле на Земята електроните на проводимостта от земята се движат по протежение на мачтата през товара и след това нагоре по мачтата до емитера, който ги освобождава от металната повърхност на върха на мачтата и ги изпраща като йони да плават свободно през атмосферата. Електрическото поле на Земята, в пълно съответствие със закона на Кулон, ги повдига нагоре, докато не бъдат неутрализирани по пътя си от положителни йони, които винаги падат от йоносферата под въздействието на същото поле.
Така затворихме електрическата верига между пластините на глобалния електрически кондензатор, който от своя страна е свързан към генератора G, и включихме консуматор на енергия (товар) в тази верига. Остава да се реши един важен въпрос: как да се премахнат излишните заряди от горната част на мачтата?
Дизайн на емитер
Най-простият емитер може да бъде плосък диск от ламарина с много игли, разположени около обиколката му. Той е "монтиран" на вертикална ос и се върти.
Докато дискът се върти, входящият влажен въздух отделя електрони от неговите игли и по този начин ги освобождава от метала.
Електроцентрала с подобен емитер вече съществува. Вярно е, че никой не използва енергията му, те се борят срещу него.
Това е хеликоптер, който носи метална конструкция на дълга метална ремня при монтажа на високи сгради. Тук са всички елементи на електроцентралата, показани на фиг. 3, с изключение на консуматора на енергия (товар). Излъчвателят е лопатките на ротора на хеликоптера, които се обдухват от струя влажен въздух; мачтата е дълга стоманена прашка с метална конструкция. И работниците, които монтират тази конструкция на място, знаят много добре, че е забранено да я докосвате с голи ръце - „ще ви удари токов удар“. И наистина, в този момент те се превръщат в товар във веригата на електроцентралата.
Разбира се, възможни са други конструкции на излъчватели, по-ефективни, сложни, базирани на различни принципи и физически ефекти, вижте Фиг. 4-5.
Емитерът в момента не съществува под формата на завършен продукт. Всеки, който се интересува от тази идея, е принуден самостоятелно да конструира собствен излъчвател.
За да помогне на такива креативни хора, авторът предоставя по-долу своите мисли за дизайна на излъчвателя.
Следните проекти на излъчватели изглеждат най-обещаващи.
Първата версия на излъчвателя
Молекулата на водата има добре дефинирана полярност и може лесно да улови свободен електрон. Ако издухате пара върху отрицателно заредена метална плоча, парата ще улови свободни електрони от повърхността на плочата и ще ги отнесе със себе си. Емитерът е дюза с прорез, по протежение на която е поставен изолиран електрод А и към който се прилага положителен потенциал от източник I. Електрод А и острите ръбове на дюзата образуват малък зареден капацитет. Свободните електрони се събират в острите ръбове на дюзата под въздействието на положително изолирания електрод А. Парата, преминаваща през дюзата, улавя електрони от краищата на дюзата и ги отнася в атмосферата. На фиг. 4 показва надлъжен разрез на тази конструкция. Тъй като електрод А е изолиран от външната среда, токът във веригата на източника на ЕДС е Не. И този електрод е необходим тук само за да създаде, заедно с острите ръбове на дюзата, силно електрическо поле в тази междина и да концентрира електроните на проводимостта в краищата на дюзата. По този начин електрод А с положителен потенциал е вид активиращ електрод. Чрез промяна на потенциала върху него можете да постигнете желаната стойност на емитерния ток.
Възниква много важен въпрос - колко пара трябва да се подава през дюзата и ще се окаже, че цялата енергия на станцията ще трябва да се изразходва за превръщане на водата в пара? Нека направим малко изчисления.
Един грам молекула вода (18 ml) съдържа 6,02 * 1023 водни молекули (числото на Авогадро). Зарядът на един електрон е равен на 1,6 * 10 (- 19) Кулон. Умножавайки тези стойности, намираме, че 96 000 кулона електрически заряд могат да бъдат поставени на 18 ml вода и повече от 5 000 000 кулона на 1 литър вода. Това означава, че при ток от 100 А един литър вода е достатъчен за работа на инсталацията в продължение на 14 часа. Превръщането на това количество вода в пара ще изисква много малък процент от генерираната енергия.
Разбира се, свързването на електрон към всяка водна молекула едва ли е осъществима задача, но тук сме дефинирали граница, която може постоянно да се доближава чрез подобряване на дизайна на устройството и технологията.
Освен това изчисленията показват, че е енергийно по-изгодно през дюзата да се издухва влажен въздух, а не пара, като се регулира влажността му в необходимите граници.
Втора версия на излъчвателя
На върха на мачтата има метален съд с вода. Съдът е свързан с метала на мачтата чрез надежден контакт. В средата на съда е монтирана стъклена капилярна тръба. Нивото на водата в тръбата е по-високо отколкото в съда. Това създава ефект на електростатичен връх - максималната концентрация на заряди и максималната сила на електрическото поле се създават в горната част на капилярната тръба.
Под въздействието на електрическо поле водата в капилярната тръба ще се издигне и ще се разпръсне на малки капчици, отнасяйки със себе си отрицателен заряд. При определена малка сила на тока водата в капилярната тръба ще заври и парата ще отнесе зарядите. И това трябва да увеличи емитерния ток.
В такъв съд могат да се монтират няколко капилярни тръби. Колко вода е необходима - вижте изчисленията по-горе.
Третото изпълнение на излъчвателя. Излъчвател на искри.
Когато искрова междина се разпадне, облак от електрони на проводимостта изскача от метала заедно с искрата.
Фигура 5 показва схематична диаграма на излъчвател на искра. От високоволтовия импулсен генератор отрицателните импулси се изпращат към мачтата, положителните импулси се изпращат към електрода, който образува искрова междина с горната част на мачтата. Оказва се нещо подобно на автомобилна свещ, но дизайнът е много по-прост.
Генераторът на импулси с високо напрежение по същество не се различава много от конвенционалната битова газова запалка, произведена в Китай, захранвана от една AA батерия.
Основното предимство на такова устройство е възможността за регулиране на емитерния ток с помощта на честотата на разреждане, размера на искровата междина, можете да направите няколко искрови междини и т.н.
Импулсният генератор може да се монтира на всяко удобно място, не е задължително в горната част на мачтата.
Но има един недостатък - искровите разряди създават радиосмущения. Следователно горната част на мачтата с искровите междини трябва да бъде екранирана с цилиндрична мрежа, която трябва да бъде изолирана от мачтата.
Четвъртата версия на излъчвателя
Друга възможност е да се създаде емитер, базиран на принципа на директно излъчване на електрони от материала на емитера. Това изисква материал с много ниска работа на електрони. Такива материали съществуват от дълго време, например паста от бариев оксид-0,99 eV. Може би сега има нещо по-добро.
В идеалния случай това трябва да бъде свръхпроводник със стайна температура (RTSC), който все още не съществува в природата. Но според различни доклади трябва да се появи скоро. Цялата надежда е в нанотехнологиите.
Достатъчно е да поставите парче CTSP на върха на мачтата - и излъчвателят е готов. Преминавайки през свръхпроводник, електронът не среща съпротивление и много бързо придобива енергията, необходима за излизане от метала (около 5 eV).
И още една важна забележка. Според законите на електростатиката интензитетът на електрическото поле на Земята е най-висок във височини - по върховете на хълмове, хълмове, планини и пр. В низините, падините и вдлъбнатините той е минимален. Ето защо е по-добре да изградите такива устройства на най-високите места и далеч от високи сгради или да ги инсталирате на покривите на най-високите сгради.
Друга добра идея е да повдигнете проводника с помощта на балон. Емитерът, разбира се, трябва да бъде инсталиран на върха на балона. В този случай е възможно да се получи достатъчно голям потенциал за спонтанно излъчване на електрони от метала, придавайки му формата на отриум, и следователно в този случай не са необходими сложни излъчватели.
Има още една добра възможност да получите излъчвател. Електростатичното боядисване на метал се използва в промишлеността. Напръсканата боя, излитаща от пистолета за пръскане, носи електрически заряд, поради което се утаява върху боядисания метал, към който се прилага заряд с противоположен знак. Технологията е доказана.
Такова устройство, което зарежда напръскана боя, е точно истински електрически излъчвател. обвинения. Остава само да го адаптирате към гореописания монтаж и да смените боята с вода, ако има нужда от вода.
Напълно възможно е винаги съдържащата се във въздуха влага да е достатъчна, за да работи излъчвателят.
Възможно е да има други подобни устройства в индустрията, които лесно могат да бъдат превърнати в излъчвател.
заключения
В резултат на нашите действия ние свързахме потребителя на енергия с глобален генератор на електрическа енергия. Свързахме се с отрицателния полюс - Земята - с обикновен метален проводник (заземяване), а с положителния полюс - йоносферата - с помощта на много специфичен проводник - конвективен ток. Конвективните токове са електрически токове, причинени от подреден транспорт на заредени частици. Те са често срещани в природата. Това са обикновени конвективни възходящи струи, които носят отрицателни заряди в облаците и това са торнадо (торнадо). които влачат облачна маса, силно заредена с положителни заряди към земята, това са и издигащите се въздушни течения в интертропичната конвергентна зона, които пренасят огромно количество отрицателни заряди в горните слоеве на тропосферата. И такива токове достигат много високи стойности.
Ако създадем достатъчно ефективен излъчвател, който може да освободи, да речем, 100 кулона заряди в секунда (100 ампера) от върха на мачта (или няколко мачти), тогава мощността на електроцентралата, която сме построили, ще бъде равна на 1 000 000 вата или 1 мегават. Съвсем прилична мощност!
Такава инсталация е незаменима в отдалечени населени места, метеорологични станции и други места, отдалечени от цивилизацията.
От горното могат да се направят следните изводи:
Източникът на енергия е изключително прост и лесен за използване.
Изходът е най-удобният вид енергия - електричество.
Източникът е екологичен: без емисии, без шум и т.н.
Инсталацията е изключително лесна за производство и експлоатация.
Изключително ниска цена на произведената енергия и много други предимства.
Електрическото поле на Земята е подложено на колебания: през зимата то е по-силно, отколкото през лятото, достига максимум дневно в 19 часа GMT и също зависи от метеорологичните условия. Но тези колебания не надвишават 20% от средната му стойност.
В някои редки случаи, при определени метеорологични условия, силата на това поле може да се увеличи няколко пъти.
По време на гръмотевична буря електрическото поле се променя в широк диапазон и може да промени посоката си към противоположната, но това се случва в малка област директно под клетката за гръмотевична буря.
Курилов Юрий Михайлович
Електрическо поле на Земята,естественото електрическо поле на Земята като планета, което се наблюдава в твърдото тяло на Земята, в моретата, в атмосферата и магнитосферата. Д. т. 3. се причинява от сложен комплекс от геофизични явления. Разпределението на потенциала на полето носи определена информация за структурата на Земята, за процесите, протичащи в долните слоеве на атмосферата, в йоносферата, магнитосферата, както и в близкото междупланетно пространство и на Слънцето.
Методът за измерване на електронната плътност 3. се определя от средата, в която се наблюдава полето. Най-универсалният метод е да се определи потенциалната разлика с помощта на електроди, разположени един от друг в пространството. Този метод се използва при записване на земни токове (вж. Телурични течения ), при измерване на електрическото поле на атмосферата от самолети и от космически кораби - магнитосферата и космическото пространство (в този случай разстоянието между електродите трябва да надвишава Радиус на екрана на Дебай в космическа плазма, т.е. стотици метри).
Съществуването на електрическо поле в земната атмосфера се свързва главно с процесите на йонизация на въздуха и пространственото разделяне на положителните и отрицателните електрически заряди, възникващи при йонизацията. Йонизацията на въздуха възниква под въздействието на космическите лъчи на ултравиолетовото лъчение от Слънцето; радиация от радиоактивни вещества, намиращи се на повърхността на Земята и във въздуха; електрически разряди в атмосферата и др. Много атмосферни процеси: конвекция, образуване на облаци, валежи и други - водят до частично разделяне на различни заряди и появата на атмосферни електрически полета (вж. Атмосферно електричество ). Спрямо атмосферата земната повърхност е заредена отрицателно.
Наличието на атмосферно електрическо поле води до появата на токове, разреждане на електрическата „кондензаторна“ атмосфера - Земята. Валежите играят важна роля в обмена на заряди между земната повърхност и атмосферата. Средно валежите носят 1,1-1,4 пъти повече положителни заряди, отколкото отрицателни. Изтичането на заряди от атмосферата също се попълва поради токове, свързани с мълния и поток от заряди от заострени предмети (точки). Балансът на електрическите заряди, донесени на земната повърхност с площ от 1 км 2 на година може да се характеризира със следните данни:
Ток на проводимост + 60 k/(km 2 години)
Валежни течения + 20 "
Гръмотевични разряди – 20 »
Токове от върховете - 100 "
__________________________
Общо – 40 k/(km 2 години)
На значителна част от земната повърхност - над океаните - теченията от върховете са изключени и ще има положителен баланс. Наличието на статичен отрицателен заряд на повърхността на Земята (около 5,7 × 10 5 Да се) показва, че тези токове са балансирани средно.
Електрическите полета в йоносферата се причиняват от процеси, протичащи както в горните слоеве на атмосферата, така и в магнитосферата. Приливни движения на въздушни маси, ветрове, турбулентност - всичко това е източник на генериране на електрическо поле в йоносферата поради ефекта на хидромагнитното динамо (виж. Земен магнетизъм ) Пример за това е слънчево-денонощната система на електрически ток, която причинява денонощни вариации в магнитното поле на земната повърхност. Големината на напрегнатостта на електрическото поле в йоносферата зависи от местоположението на точката на наблюдение, времето на деня, общото състояние на магнитосферата и йоносферата и активността на Слънцето. Тя варира от няколко единици до десетки мв/м,а в йоносферата с висока географска ширина достига сто или повече mv/m.В този случай токът достига стотици хиляди ампера. Поради високата електрическа проводимост на плазмата на йоносферата и магнитосферата по линиите на магнитното поле на Земята, електрическите полета на йоносферата се прехвърлят към магнитосферата, а магнитосферните полета се прехвърлят към йоносферата.
Един от преките източници на електрическо поле в магнитосферата е слънчев вятър. Когато слънчевият вятър обикаля магнитосферата, възниква емф д= v´ b^ , където b ^ - нормален компонент на магнитното поле на повърхността на магнитосферата, v-средна скорост на частиците на слънчевия вятър.
Тази ЕДС причинява електрически токове, които са затворени от обратни токове, протичащи през опашката на магнитосферата (виж Фиг. Земята ). Последните се генерират от положителни пространствени заряди от сутрешната страна на опашката на магнита и отрицателни от вечерната му страна. Силата на електрическото поле през опашката на магнита достига 1 мв/м.Потенциалната разлика в полярната шапка е 20-100 кв.
Друг механизъм за възбуждане на ЕДС в магнитосферата е свързан с колапса на противоположно насочени магнитни силови линии в опашната част на магнитосферата; освободената в този случай енергия предизвиква бързо движение на магнитосферната плазма към Земята. В този случай електроните се движат около Земята към сутрешната страна, протоните - към вечерната страна. Потенциалната разлика между центровете на еквивалентните пространствени заряди достига десетки киловолта. Това поле е противоположно по посока на полето на опашната магнитосфера.
Съществуването на магнитосферен пръстенов ток около Земята е пряко свързано с дрейфа на частиците. По време на периоди магнитни бури И полярно сияние електрическите полета и токове в магнитосферата и йоносферата претърпяват значителни промени.
Магнитохидродинамичните вълни, генерирани в магнитосферата, се разпространяват през естествени вълноводни канали по линиите на магнитното поле на Земята. Попадайки в йоносферата, те се преобразуват в електромагнитни вълни, които частично достигат земната повърхност, а частично се разпространяват в йоносферния вълновод и се отслабват. На земната повърхност тези вълни се записват в зависимост от честотата на трептене или като магнитни пулсации (10 - 2 -10 Hz), или като много нискочестотни вълни (колебания с честота 10 2 -10 4 Hz).
Променливото магнитно поле на Земята, чиито източници са локализирани в йоносферата и магнитосферата, индуцира електрическо поле в земната кора. Силата на електрическото поле в близкия до повърхността слой на кората варира в зависимост от местоположението и електрическото съпротивление на скалите, като варира от няколко единици до няколкостотин мв/км,а при магнитни бури се засилва до единици и дори десетки V/км.Взаимосвързаните променливи магнитни и електрически полета на Земята се използват за електромагнитно сондиране в проучвателната геофизика, както и за дълбоко сондиране на Земята.
Известен принос в икономическата наука. Z. въвежда контактна потенциална разлика между скали с различна електрическа проводимост (термоелектрически, електрохимични, пиезоелектрични ефекти). Вулканичните и сеизмичните процеси могат да играят специална роля в това.
Електрическите полета в моретата се индуцират от променливото магнитно поле на Земята и също възникват, когато проводимата морска вода (морски вълни и течения) се движи в магнитно поле. Плътността на електрическите течения в моретата достига 10 -6 кола 2 . Тези токове могат да се използват като естествени източници на променливи магнитни полета за сондиране на магнитни вариации на шелфа и в морето.
Въпросът за електрическия заряд на Земята като източник на електрическо поле в междупланетното пространство не е напълно разрешен. Смята се, че Земята като планета е електрически неутрална. Тази хипотеза обаче изисква експериментално потвърждение. Първите измервания показаха, че напрегнатостта на електрическото поле в междупланетното пространство около Земята варира от десети до няколко десетки мв/м.
Лит.:Тихонов A.N. За определяне на електрическите характеристики на дълбоките слоеве на земната кора, “Док. Академия на науките на СССР", 1950, том 73, № 2; Тверской П.Н., Курс по метеорология, Ленинград, 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Слънчево-земна физика, прев. от английски, част 2, М., 1975.
Ю. П. Сизов.
Голяма съветска енциклопедия М.: "Съветска енциклопедия", 1969-1978 г.
Естественото състояние на телата на повърхността на Земята - както атоми и молекули, така и големи парчета материя - е електрическа неутралност. Въпреки това, ако заредите електроскоп, след известно време той ще загуби целия си заряд, независимо колко внимателна е изолацията. Това означава, че във въздуха около нас има много заредени частици – йони и прахови частици. Топката на електроскопа "всмуква" йони с обратен знак в себе си от атмосферата и става неутрална.
Високо над нас се простира дебел слой силно йонизиран газ – йоносферата. Тя започва на няколко десетки километра от повърхността на Земята и достига четиристотин километра височина. Няма да го намерите с електроскоп. Откриването на йоносферата изисква изобретяването на радиото. Слоят от силно йонизиран газ провежда добре електричеството и като метална повърхност отразява радиовълни с дължина на вълната над 30 метра. Ако нямаше йоносферно „огледало“ около Земята, късовълновата радиокомуникация би била възможна само в рамките на пряката видимост.
Трима доставчици
И така, около нас и над нас има йони. Но те са краткотрайни. Случайна среща на различни йони - и те престават да съществуват. Това означава, че трябва да има някакви непрекъснато работещи процеси, които доставят йони.
Има трима такива доставчици. Близо до земната повърхност е излъчването на радиоактивни елементи, съдържащи се в малки количества в земната кора. На голяма надморска височина - ултравиолетова радиация от Слънцето. И накрая, цялата дебелина на атмосферата от горе до долу е проникната от потоци от много бързи заредени частици - космически лъчи. Малка част от тях идва от Слънцето, а останалите - от дълбините на космическото пространство на нашата Галактика.
Понякога особено мощни потоци от заредени частици избухват от повърхността на Слънцето. На височина от няколкостотин километра над Земята техните електромагнитни полета възбуждат атомите и ги карат да излъчват светлина. Тогава виждаме северното сияние. Те се провеждат главно във високи географски ширини и жителите на умерените зони почти никога нямат възможност да се насладят на невероятно красивата игра на светлинни стълбове, блещукащи с всички цветове на дъгата.
Светкавица
Но всеки е запознат с гръмотевична буря. Чудовищното натрупване на електричество на един знак в облак предизвиква искра, чиято дължина понякога надхвърля десетки километри. Променяйки причудливо пътя си в зависимост от проводимостта на въздуха и обектите, които удря, мълнията често предизвиква поразителни ефекти. Най-удивителните от тях са дадени в книгата "Атмосфера" на френския астроном Фламарион.
„Нито една театрална игра, никакви трикове не могат да се конкурират с мълния в изненадата и странността на нейните ефекти, нещо между несъзнателните сили на природата и съзнателната човешка душа е някакъв вид дух, изтънчен и причудлив, хитър и глупав в същото време, ясновидец или сляп, притежаващ воля или принуден, движещ се от една крайност в друга, ужасен и неразбираем, не можете да го хванете .. Несъмнено те, както и нашите, са само прищявки, но всъщност са подвластни на някакви неизменни закони само го щади, но без дори да докосва дрехите му, които остават недокоснати. След това откъсва позлата от полилея и я пренася върху гипсовите стени; след това той събува обувките на пътника и хвърля обувките си на десет метра встрани, след това, накрая, в едно село той пробива купчина чинии в центъра и освен това, последователно, през две парчета... Какъв ред може да се установи тук.“
По-долу са изброени около сто различни случая. Например: „На един много космат мъж, попаднал в гръмотевична буря близо до Е., косата му беше обръсната на ивици по цялото му тяло от светкавица, навита на топки и напъхана дълбоко в мускулите на прасеца му.“ Или още: „През лятото на 1865 г. един лекар от покрайнините на Виена, доктор Дрендингер, се връщал от железницата, като слизал от вагона, грабнал портфейла си, оказало се, че е откраднат.
Тази чанта беше от черупка на костенурка и на единия й капак имаше инкрустиран стоманен монограм на лекар: две преплетени D.
Известно време по-късно лекарят бил извикан при чужденец, който бил „убит” от мълния и намерен в безсъзнание под едно дърво. Първото нещо, което лекарят забеляза на бедрото на пациента, беше собственият му монограм, сякаш току-що е бил сниман. Можете да прецените изненадата му! Пациентът е съживен и транспортиран в болницата. Там лекарят каза, че портфейлът от черупка на костенурка трябва да е някъде в джобовете на пациента, което се оказа съвсем справедливо. Обектът беше същият крадец, който открадна портфейла и електричеството го жигоса, разтопявайки металния монограм."
Любопитно е, че в статистиката, цитирана от Фламарион, броят на убитите жени е почти три пъти по-малък от този на мъжете. Това, разбира се, не се обяснява с храбростта на светкавицата, а просто с факта, че в онези дни (началото на 20 век) във Франция мъжете са били по-склонни да работят на полето.
Наскоро американски вестници съобщиха за случай, достоен за Фламарион. Мълния удари хладилника и изпържи пилето в него, което след това беше безопасно охладено, тъй като хладилникът остана в изправност.
Човек, разбира се, може да се съмнява в надеждността на всички цитирани случаи, но не може да не се съгласи, че светкавицата наистина е способна да върши чудеса. Не винаги е възможно да ги обясним. Разрядът продължава само около стохилядна от секундата и няма подготовка за наблюдението му в такива изключителни случаи. Невъзможно е събитието да се повтори по-късно: няма да създадете точно същата мълния, да не говорим за други условия.
Но по принцип всичко не е толкова мистериозно, колкото изглеждаше на Фламарион. В крайна сметка всичко се свежда до такива общи ефекти на тока като топлина, електромагнитни полета и химични реакции. Само токът е огромен: десетки или дори стотици хиляди ампера.
Основното нещо е да не разбирате безбройните странности. Трябва да разберем как се натрупва електрически заряд в гръмотевичен облак. Какво причинява наелектризирането на водните капки и защо зарядите с противоположния знак са пространствено разделени в облака? Тук все още не всичко е напълно ясно.
Първо, няма единен механизъм за зареждане на капчици.
Достоверно са известни няколко такива механизма и е трудно да се прецени кой от тях играе основна роля. Ето две от тях. В електрическото поле на Земята (вече споменахме, че земното кълбо е отрицателно заредено) капка вода е поляризирана. В долната му част се натрупва положителен заряд, а в горната – отрицателен. Когато падне голяма капка, тя улавя предимно отрицателни въздушни йони и придобива електрически заряд. Положителните йони се пренасят нагоре от издигащия се въздушен поток.
Друг механизъм е зареждането на капчици, когато те са смачкани от насрещни въздушни потоци. Малките пръски се зареждат отрицателно и се носят нагоре, докато големите пръски, заредени положително, падат надолу.
И двата механизма осигуряват както зареждането на капките, така и пространственото разделяне на зарядите с противоположен знак вътре в облака. Обикновено отрицателен заряд се натрупва в долната част на гръмотевичен облак (с изключение на малка, положително заредена област), а положителен заряд се натрупва в горната част.
Ситуацията е много по-лоша с обяснението на кълбовидната мълния, която понякога се появява след силен разряд на линейна мълния. Обикновено това е светеща топка с диаметър 10 - 20 сантиметра. Често прилича на „средно голямо коте, свито на топка и търкалящо се без помощта на краката си“. Кълбовидната мълния може да експлодира при докосване на предмети, причинявайки значителни разрушения.
Кълбовидната мълния е може би единственият макроскопичен феномен на Земята, който все още няма надеждно обяснение. Сферичен разряд не може да се получи в лабораторията. Това е целият смисъл.
Огънят на Свети Елмо
Преди или по време на гръмотевична буря подобни на пискюли светлинни конуси често проблясват по върховете и острите ъгли на високо издигнати предмети. Това бавно и спокойно изпускане от древни времена се нарича огън на Свети Елмо.
Можете също да прочетете от Тит Ливий, че когато флотата на Лизандър напусна пристанището, за да атакува атиняните, светлините светнаха на мачтите на адмиралската галера. Древните смятали появата на светлините на Елмо за добра поличба.
Катерачите особено често стават свидетели на това явление. Понякога не само метални предмети, но и краищата на косата на главата са украсени с малки светещи пера. Ако вдигнете ръката си, можете да почувствате характерното усещане за парене като електрически ток, протичащ от пръстите ви. Често ледените брадви започват да бръмчат като голяма земна пчела.
Огънят на Свети Елмо не е нищо повече от форма на коронен разряд, който лесно се произвежда в лабораторията. Зареден облак индуцира електрически заряди с противоположен знак на повърхността на Земята под него. Особено голям заряд се натрупва по върховете. Когато напрегнатостта на електрическото поле достигне критична стойност от 30 000 V/cm, започва разрядът. Електроните, образувани близо до върха поради обичайната йонизация на въздуха, се ускоряват от полето и, сблъсквайки се с атоми и молекули, ги унищожават. Броят на електроните и йоните нараства лавинообразно и въздухът започва да свети.
Електрически заряд на Земята
Гръмотевичният облак не запазва заряда си за дълго. Няколко светкавици падат и облакът се разрежда. Зарядът на земното кълбо, ако не обръщате внимание на незначителни колебания, остава непроменен. На повърхността на Земята електрическото поле не е толкова малко: 130 V/m. На пръв поглед това е доста странно. Благодарение на атмосферните йони въздухът провежда електричество, а изчисленията показват, че след около половин час земното кълбо трябва да се разреди напълно. Следователно основната трудност не е да се открие произходът на заряда, а да се разбере защо той не изчезва.
Има две причини за възстановяването на заряда на Земята. Първо, светкавицата пада. Повече от 40 хиляди гръмотевични бури се случват на Земята на ден и около 1800 мълнии удрят Земята всяка секунда. Долната част на облака носи отрицателен заряд и следователно ударът на мълния е прехвърлянето на известна част от отрицателното електричество към земното кълбо.
В същото време по време на гръмотевична буря възникват течения от множество заострени предмети (огън на Св. Елмо), които премахват положителен заряд от земната повърхност.
Тук е трудно да се намери баланс, но като цяло, очевидно, двата края. Загубата на отрицателен заряд в областите на земната повърхност, над които има ясно небе, се компенсира от притока на отрицателни заряди на места, където бушуват гръмотевични бури.
Е, откъде идва зарядът на Земята и защо е отрицателен? Това е мястото, където трябва да спекулираме. Според Френкел първоначално малък заряд е възникнал от случайни причини. След това започва да расте поради обсъждания „механизъм на гръмотевичната буря“, докато се установи динамично равновесие, което съществува и до днес.
Зарядът първоначално може да бъде положителен. Тогава водните капки на гръмотевичния облак ще бъдат поляризирани по различен начин и светкавицата ще придаде положителен заряд на Земята. Като цяло всичко би било същото, както е сега, но само ролите на положителните и отрицателните заряди ще се променят.
Магнитното поле на Земята привлече вниманието на хората много по-рано от електрическото поле. Открива се изключително лесно, но ролята му в живота на нашата планета далеч не се ограничава до това да помага на нейните жители да намерят правилния път с помощта на компас в необятния океан, тайга или пустиня.
Ако електрическото поле практически не се простира отвъд долните слоеве на атмосферата, тогава магнитното поле се простира до 20 - 25 земни радиуса. Само на надморска височина от 100 000 километра той престава да играе забележима роля, приближавайки се до величината на полето на междупланетното пространство.
Магнитното поле образува третия "брониран пояс", обграждащ Земята заедно с атмосферата и йоносферата. Окото не позволява на потоци от космически частици да се доближат до Земята, освен ако тяхната енергия не е твърде висока. Само в областта на магнитните полюси тези частици могат свободно да нахлуват в атмосферата.
На голяма надморска височина магнитното поле е малко, но обхваща огромни пространства от космоса. Действайки върху заредена частица за дълго време, тя значително променя своята траектория. Вместо права линия около линиите на полето се извива спирала. По протежение на силовите линии магнитното поле задвижва частиците към полюсите. Понякога обаче, ако скоростта на частицата е висока, тя няма време да направи дори едно завъртане и тогава можем да говорим само за кривина на траекторията.
В съответствие със закона на Ампер, частица, летяща по линията на полето, не се влияе от магнитно поле. Ето защо частиците могат свободно да летят към полюсите, откъдето се разпръскват силовите линии. Не е изненадващо, че корпускулярните потоци от Слънцето карат горните слоеве на въздушния океан да светят главно на полюсите.
Между другото, тези потоци от частици сами по себе си създават значителни магнитни полета и предизвикват „магнитни бури“, по време на които иглата на компаса започва да се стрелка безпомощно.
Радиационните пояси на Земята, открити сравнително наскоро с помощта на космически ракети, не са нищо повече от заредени частици с не твърде висока енергия, уловени от магнитен капан, поставен от нашата планета. Това е магнитното поле, което задържа рояци заредени частици на голяма надморска височина, като ореоли около Земята. Електроните доминират във външния пояс, а протоните – във вътрешния, където напрегнатостта на полето е по-голяма. За полети на астронавти на големи височини тези пояси представляват реална опасност.
Глобус - сферично динамо
Произходът на земния магнетизъм е още по-объркващ въпрос от произхода на електрическото поле. Не може да се обясни с натрупването на магнетизирани скали. Интересната идея на Френкел, представена сравнително наскоро, очевидно ни позволява да разберем нещо тук. Земното ядро е генератор на електрически ток, работещ на принципа на самовъзбуждане, подобно на конвенционално динамо.
Вероятно няма да ви е трудно да си спомните какъв е този принцип. В динамото токът възниква, когато проводниците се движат в магнитно поле, което само по себе си се създава от същия ток. Ако в началото няма ток, след това при определена скорост на въртене се появява и започва да се увеличава. В крайна сметка винаги има малко остатъчно поле. Той създава ток, който леко увеличава магнитното поле. Поради това токът се увеличава, а след това магнитното поле и т.н., до определена гранична стойност.
За да можем да оприличим земното кълбо на генератор, първо трябва да приемем, че ядрото на Земята е течно и може да провежда електрически ток. В тези предположения няма нищо невероятно. Но откъде могат да дойдат движенията на проводящите маси на ядрото? При динамото просто въртим арматурата, но тук няма външни влияния.
Изход обаче може да се намери. Поради радиоактивния разпад на нестабилни елементи температурата в центъра на ядрото трябва да е малко по-висока, отколкото в периферията му. Поради това възниква конвекция: по-горещите маси от центъра на ядрото се втурват нагоре, а по-студените се спускат надолу. Но Земята се върти и скоростта на масите на повърхността на ядрото е по-голяма, отколкото в дълбините му. Следователно издигащите се течни елементи забавят въртенето на външните слоеве на ядрото, докато низходящите елементи, напротив, ускоряват вътрешните слоеве. В резултат на това вътрешната част на сърцевината се върти по-бързо от външната и играе ролята на ротор на генератора, а външната част играе ролята на статор.
В такава система, както показват изчисленията, е възможно самовъзбуждане и появата на вихрови електрически токове със значителна величина.
Тези токове, според хипотезата на Френкел, създават магнитно поле около Земята!
Енергията за поддържане на тока се черпи от радиоактивното нагряване на веществото, което създава конвекционни токове в сърцевината.
Трудно е да се каже дали това е така в действителност. Във всеки случай е по-правилно Земята да се нарича „голямо динамо“, отколкото „голям магнит“, както се прави в много книги.
Магнитното поле обгражда не само Земята, но може да съществува и около други планети и звезди. Той поставя „своя печат“ върху светлинните вълни, излъчвани от атомите на Слънцето и звездите, като по този начин дава възможност на физиците да открият себе си.
Луната, както показаха измерванията на наши и американски учени, няма магнитно поле. Венера също го няма. Марс може да има магнитно поле, но то е много слабо, поне 1000 пъти по-слабо от това на Земята. Това беше установено с помощта на нашите космически орбитални станции Марс 2 и Марс 3.
Космическа електродинамика
След като започнахме да говорим за магнитните полета на планетите и звездите, ние тихо навлязохме в нова област, областта на космическата електродинамика. Тук все още има малко надеждни; много по-малко от различни хипотези. Но много неща, които все още бяха интересни предположения вчера, днес се превръщат в почти надежден факт. Основното е, че се оказа, че електромагнитните сили играят не малка роля в космоса, както се предполагаше по-рано.
Бушуващата повърхност и атмосфера на Слънцето... Гигантски езици от гореща материя се издигат нагоре. Вихрушки и торнада с размерите на нашата планета. Бури, непрекъснати бури, но огнени, искрящи. Бури не само на материята, но и на магнитното поле.
Понякога черните петна излизат от дълбините на Слънцето по двойки. Магнитното поле в тези области се увеличава хиляди пъти.
Огромни сили понякога изхвърлят цели групи заредени частици от Слънцето. Преодолявайки гравитационното привличане, те се блъскат в земната атмосфера със скорост няколко хиляди километра в секунда.
За един физик е трудно да различи някакъв модел, някакъв ред. Трудно е да се разбере природата на силите във въртяща се маса материя. Това се случва далеч, много далеч и изобщо не прилича на това, което можем да видим на нашата планета.
Трудно, но не невъзможно. При температурите, които съществуват на Слънцето, не може да има нито неутрални атоми, нито неутрални молекули. Те просто не могат да оцелеят, както не може да оцелее парен локомотив, който се блъска в насрещния влак с пълна скорост.
И такъв напълно йонизиран газ или напълно йонизирана плазма, както казват физиците, перфектно провежда електрически ток. Това прави възможно електромагнитните сили да се разгърнат и да демонстрират силата си в ново поле.
В магнитно поле вътре в движеща се високотемпературна плазма се възбуждат електрически токове със значителна величина. Поради добрата си проводимост, те не са склонни да отслабват. Следователно в среда, наред с обичайните еластични сили, силите на магнитното взаимодействие на токовете придобиват не по-малко значение. И ако движението на проста среда се описва от законите на хидродинамиката, тогава тук царува магнитната хидродинамика.
Ние, разбира се, все още сме много далеч от разбирането на всичко, което се случва на Слънцето. Но има увереност, че основните явления, вариращи от изхвърлянето на цели маси материя до появата на слънчеви петна, се дължат на магнитни взаимодействия.
И не само това! Междузвездният газ е силно йонизиран от радиация. Плътността му е ниска (1 частица на кубичен сантиметър), но това се компенсира от огромния размер на облаците. Електрическите токове и съответно магнитните полета в тях не могат да бъдат пренебрегнати.
Движещите се облаци изпълват цялата Галактика и следователно цялата Галактика е изпълнена с магнитно поле. И не само самата Галактика, но и съседните региони на космоса.
Магнитните полета тук не са силни и не можем да ги възприемем директно. Но ние знаем, че те съществуват! От къде?
Радиоизлъчване на Галактиката и космически лъчи
Ако можехме да видим радиовълни, тогава не едно, а три слънца (по-точно „радиослънца“) щяха да блестят в небето. Единият от тях е в съзвездието Касиопея, другият е в Лебед и накрая това е нашето обикновено Слънце *. Но освен това бихме забелязали много по-малко ярки „радиослънца“ и слаба разсеяна „радиосветлина“, идваща към нас от всички краища на Галактиката и дори от привидно празни места в съседство с нея.
* (Слънцето е обикновена звезда и само близостта му до нас му позволява да се състезава в „радио яркостта“ с първите два източника, неизмеримо по-мощни от Слънцето.)
Някои радиовълни възникват от сблъсъци на заредени частици горещ газ. Това е топлинно (тормично) излъчване. Не може да ни каже нищо за магнитните полета на Галактиката. Но има и друга, нетермична част, чиято люлка е магнитното поле. Той обвива бързи космически електрони и, въртейки се в спирала, тези електрони излъчват електромагнитни вълни, точно както трескаво въртящ се точил разпръсква искри около себе си, ако докоснете повърхността му с острието на нож. Може да се твърди, че там, където се раждат радиовълните, задължително има магнитни полета!
Но откъде идват бързите електрони в космоса? Радиоизлъчването се генерира от тях и там, където има особено мощни източници на радиовълни, трябва да търсим космически ускорители. Това означава, че онези далечни мощни „радиослънца“, за които стана дума, са предимно такива космически ускорители.
Ние сме свикнали със спокойните дълбини на ясното нощно небе. Нищо не изглежда толкова непоклатимо и вечно, колкото „хармоничния хор” на небесните тела. Общо взето това е така. Но понякога се случват бедствия; бедствия с чисто космически размери. Звезда, която е живяла нормалния си живот милиарди години, внезапно започва да се раздува чудовищно по неизвестни причини. (Ако това се случи с нашето Слънце *, тогава много скоро орбитите на всички планети ще бъдат вътре в него.) Яркостта на звездата (тя се нарича свръхнова) се увеличава стотици милиони пъти и може да се види в небе посред бял ден. Постепенно яркостта намалява и на мястото на звездата остава мъгляв облак, понякога трудно забележим през телескоп.
* (Такава експлозия всъщност не заплашва слънцето. Масата му е твърде малка.)
Надяваме се, че всеки повече или по-малко разбира какво е напрежението в електрическата мрежа. Тук думата напрежение има абсолютно същото значение.
В Галактиката с нейните милиарди звезди подобно избухване се наблюдава веднъж на 100 - 200 години. От изобретяването на телескопа не се е появила нито една супернова.
Така че „радиослънцата“ са предимно останки от свръхнови. Само по посока на съзвездието Лебед вероятно наблюдаваме следи от още по-мощна катастрофа; експлозията на цяла галактика, подобна на нашата.
Човек може да си представи, че заредените частици (електрони, протони и атомни ядра) получават първоначалното си ускорение от гигантската ударна вълна, придружаваща експлозията на свръхнова. Впоследствие започват да действат електромагнитни сили. Увеличаващите се магнитни полета индуцират електрическо поле. Това поле може да не е толкова голямо, но поради космическите си размери то ускорява отделни частици до енергии, които все още не са достъпни за създадените от човека ускорители.
Някои космически лъчи се доставят от по-малко мощните индуктивни електрически полета на Слънцето и други звезди.
Вероятно има друг механизъм за ускоряване на космическите частици. Когато движещ се магнетизиран облак от междузвезден газ срещне бърза частица, възниква процес, подобен на сблъсък на две топки. Само ролята на обикновените еластични сили играе взаимодействието на частицата с индукционното електрическо поле, генерирано от магнитното поле, движещо се заедно с газа. При такъв сблъсък енергията на частицата трябва да се увеличи, точно както се случва, когато лека топка се сблъска с много тежка. След голям брой сблъсъци една частица може да придобие значителна енергия.
Случайните магнитни полета на Галактиката не само ускоряват, но и разпръскват космическите частици. В резултат на това те вече пристигат на Земята равномерно от всички страни, а не само от местата, където се ускоряват. Свръхмощни частици летят към нас, вероятно от съседни галактики.
Не можем да твърдим, че всичко в света се случва по начина и само по начина, който току-що ви казахме. Това е само най-естествената картина на електромагнитните явления във Вселената от съвременна гледна точка. Написано е, както виждате, с много големи щрихи. И това се случи не само поради факта, че картината е много голяма. Детайлите на явленията остават неясни за самите художници-учени. И „боята“ върху картината все още не е „изсъхнала“: картината е създадена съвсем наскоро, преди няколко години, и само нейната цялост ни дава надежда, че е фундаментално правилна.
Докато в космоса се разиграваха подобаващи величествени явления, в един от московските апартаменти „малкият приятелски екип“ (както се нарекоха авторите) беше разкъсван от противоречия. Когато работата по книгата вече беше в разгара си, на авторите стана ясно, че техните позиции, меко казано, не съвпадат напълно.
Същността на спора, както става ясно от това, което следва, позволява да се присвои на един от съавторите името Кротки (съкратено ДА СЕ), а зад другия - Шру (съкратено СЪС).
ДА СЕ. Знаеш колко много те уважавам! Но какво правиш?
Вместо непринуден разказ за същността на силите, вие, превърнали се в архивист, стриктно, с ненужни подробности, регистрирате всички прояви на електромагнитни сили, които познавате. Освен това вие търсите описания в книгите на прояви на сили, които, извинете, изобщо не познавате.
За това ли е мечтал нашият читател, когато е купувал книгата? Как мислите, трябва ли му още един учебник?
СЪС. Простете, но тъй като книгата не е одобрена от Министерството, тя все още не е учебник. И освен това, нали обещахме да говорим за силите в природата? Това означава за силите, които заобикалят всеки от нас. Невъзможно е, няма как да се заобиколят триенето, еластичността, химическите сили и т.н. Все пак не пишем за млади философи, които искат да знаят само основното и не се интересуват какво се случва около нас, над нас и долу нас всеки ден.
ДА СЕ. Вярвам, че имате големи намерения. Но ако следвате вашия път, ще трябва, например, да говорите не само за триенето в течности като цяло, но и за триенето на топка, цилиндър, куб и т.н. Тогава всичко ще бъде подредено.
Разбира се, малко преувеличавам, но несъмнено имате желание да подредите нещата.
СЪС. Какво предлагате, да постъпим според стария виц, в който ученият син изуми родителите си и всички около себе си с изключителната научна лаконичност на отговорите си? Той отговори на всички въпроси: какво, как и защо, кратко - това е електричеството.
А трябва ли да пишем: еластичността е електричество; триенето също е електричество; химичните сили са електрически сили и т.н.
ДА СЕ. И виж какво имаш. Ето структурата на газовете заедно с течностите (което е известно на всички) и особеностите на силите в кристалите (които малко хора знаят, но не представляват интерес за почти никого)...
Ако все пак искате да пишете за тях, пишете. Но пишете така, че читателят да не заспи или да захвърли книгата някъде далече.
СЪС. Да, трябва да разберете, че това е трудно, много трудно.
По-интересно и по-лесно е да се пише например за теорията на относителността, отколкото за химическите сили. Освен това трябва да се напише цяла книга за всеки вид електромагнитна сила. Въпреки че искаме да бъдем кратки, трудно е да не бъдем скучни.
ДА СЕ. Не само е по-интересно да се пише за теорията на относителността, по-интересно е и да се чете за нея.
СЪС. Е, нека тази част от книгата е енциклопедия, но енциклопедия, все пак (лаская се) по-подходяща за не твърде изтощително четене.
ДА СЕ. Виждам, че упорстваш. Но във вашия разказ, освен всичко друго, няма дори елементарна последователност. След космическите лъчи искате да преминете направо към електрическите риби.
СЪС. Какво от това? Риби, значи риба. Тези, които не се интересуват от тях, може да не ги прочетат.
И като цяло, защо не напишем в предговора, че всеки читател може да избере от разделите на главата „Електромагнитни сили в действие“ само тези, които го интересуват. В най-лошия случай изобщо не четете тази глава.
ДА СЕ. Хм...след като си толкова упорит, това май наистина е единственият вариант.
СЪС. Не се разстройвай много. Има и редактор. Той ще каже: изхвърлете всичко - ние ще го изхвърлим.
Електрическа риба
И така, електрическа риба. Това са уникални същества, които се различават от своите събратя по това, че носят живи галванични елементи. Електрическият ток, който произвеждат, служи като средство за защита или атака.
Интересно е, че сред изкопаемите риби имаше много повече електрически риби, отколкото сред живите риби. Очевидно изричното използване на електромагнитни сили се оказа не толкова ефективно, колкото подобряването на силите, които се проявяват имплицитно: предимно мускулните.
Най-яркият представител на породата, която ни интересува, е електрическият скат. Тази риба, която живее в топлите морета, тежи около 100 килограма и достига около два метра дължина. Неговите електрически органи, разположени отстрани на главата му, тежат повече от килограм. Един неуморен скат е в състояние да произведе ток от 8 ампера при напрежение 300 волта. Това представлява сериозна опасност за хората.
Трудно е да се очаква голяма чувствителност към ток от електрическите риби. Всъщност скатът лесно понася стрес, който е фатален за други риби.
Електрическите органи на скат са изненадващо подобни по структура на батерия от галванични клетки. Те се състоят от множество плочи, събрани в колони (последователно свързване на елементи), които са разположени една до друга в много редове (паралелно свързване).
Едната страна на плочата е гладка и носи отрицателен заряд. Другият, с изпъкнали папили, е положително зареден. Както се очакваше, цялото устройство е затворено в електроизолираща тъкан.
Няма да се опитваме да се задълбочим в механизма на генериране на електродвижеща сила в органите на скат, точно както в даден момент не разбрахме принципа на работа на конвенционална галванична клетка (ще следваме съвета на К.). Тук има още много неизвестни. Само едно нещо може да се каже със сигурност: работата на електрическите органи се основава на химически сили, както в галваничния елемент.
Нито ще разширяваме кръга си от познанства сред електрическите риби.
Невъзможно е да не споменем друг забележителен обитател на Нил - мормирус или воден слон. Тази риба е оборудвана с невероятен локатор. В основата на опашката му има генератор на променлив ток, който изпраща импулси с честота от няколкостотин вибрации в секунда. Околните обекти изкривяват електромагнитното поле около мормируса, което веднага се засича от приемното устройство на гърба му. Чувствителността на локатора е необичайно висока. Mormyrus не може да бъде уловен в мрежа. В аквариума той започва да се втурва веднага щом прокарате гребен през косата му няколко пъти.
Все още не е изяснено как работи локаторът. Надяваме се, че подробното проучване на този въпрос ще помогне за установяване на подводна електромагнитна комуникация, което все още не е възможно поради голямото затихване на електромагнитните вълни във водата.
Естеството на нервния импулс
В крайна сметка скатът и рибите като него, с цялото им електрическо оборудване, не са нищо повече от прищявка на природата. Природата е отредила несравнимо по-значима роля на безплатното електричество в живите организми. Това електричество обслужва комуникационни линии, които предават „телеграми“ до мозъка от сетивата за всичко, което се случва във външния свят, и заповеди за реакция на мозъка към всякакви мускули и всички вътрешни органи.
Нервите проникват в цялото тяло на повече или по-малко съвършени живи същества и благодарение на тях тялото действа като едно цяло, понякога действайки с невероятна цел. След като нервът, водещ до мускул, бъде прерязан, той се парализира, точно както цилиндърът на двигателя спира да работи, ако проводникът, предаващ токови импулси към свещта, е скъсан.
Това не е просто повърхностна аналогия. От времето на Галвани е установено, че сигналът, предаван на нервните влакна (нервен импулс), е краткотраен електрически импулс. Вярно е, че ситуацията далеч не е толкова проста, колкото може да се мисли. Нервът не е пасивен канал с висока проводимост, като обикновена метална жица. По-скоро прилича на това, което в технологията се нарича релейна линия, когато входящият сигнал се предава само до съседните участъци на линията, където се усилва и едва след това се плъзга по-нататък, там отново се усилва и т.н. Благодарение на това, сигналът може да се предава без затихване на значителни разстояния, въпреки естественото затихване.
Какво е нерв? От Р. Джерард можете да прочетете: „Ако паякът, който виждаме от земята, висящ на нишка от паяжина на височината на шестетажна сграда, беше намален по размер с около друг фактор двадесет (включително нишката, на която тя виси), тя много прилича на нервна клетка или неврон. Тялото на нервната клетка не се различава от другите клетки нито по своя размер, нито по други характеристики... Въпреки това, невронът, за разлика от обикновените, нелюбопитни клетки. , има не само клетъчно тяло - той изпраща тънки нишковидни структури за изследване на отдалечени части на тялото... Въпреки това, един тънък процес с диаметър по-малък от 0,01 милиметра. , сякаш обладан от страст към странстване, се простира от неврона до огромни разстояния, измерени в сантиметри и дори метри.
Всички неврони на централната нервна система са събрани заедно в главния и гръбначния мозък, където образуват сиво вещество... И само дълги процеси - аксони - ги свързват с останалата част от тялото. Снопове от тези аксони или аксиални процеси, простиращи се от нервни клетки близо една до друга, образуват нерви." Специално вещество, миелин, обвива тънък слой около повечето аксони, точно както изолационната лента се увива около електрически проводник.
Самият аксон може да се представи опростено като дълга цилиндрична тръба с повърхностна мембрана, която разделя два водни разтвора с различен химичен състав и различни концентрации. Мембраната е като стена с голям брой полуотворени врати, през които йони от разтвори могат да проникнат много трудно. Най-удивителното и неразбираемо е, че електрическото поле "затваря тези врати", а с отслабването му те се отварят по-широко.
В пасивно състояние има излишък от калиеви йони вътре в аксона; отвън - натриеви йони. Отрицателните йони са концентрирани главно върху вътрешната повърхност на мембраната и затова тя е заредена отрицателно, докато външната повърхност е заредена положително.
При дразнене на нерва настъпва частична деполяризация на мембраната (намаляване на зарядите по нейните повърхности), което води до намаляване на електрическото поле вътре в нея. В резултат на това „вратите“ се отварят леко за натриевите йони и те започват да проникват във влакното. В крайна сметка вътрешността на аксона става положително заредена на това място.
Така възниква нервен импулс. Строго погледнато, това е импулс на напрежение *, причинен от протичането на ток през мембраната.
* (Надяваме се, че всеки повече или по-малко разбира какво е напрежението в електрическата мрежа. Тук думата напрежение има абсолютно същото значение.)
В този момент „вратите се отварят“ за калиевите йони. Преминавайки към повърхността на аксона, те постепенно възстановяват напрежението (около 0,05 волта), което е имал невъзбуденият нерв.
В същото време някои от йоните от съседната зона „пробиват вратите на съседите“. Поради това полето тук също започва да отслабва и целият процес се повтаря в нов участък от аксона. В резултат на това нервен импулс се движи по нерва на човек към мозъка, без да избледнява, със скорост от около 120 метра в секунда.
Натриевите и калиеви йони, изместени от домовете си по време на преминаването на импулса, постепенно се връщат директно през стената поради химични процеси, чийто механизъм все още не е изяснен.
Изненадващо е, че цялото поведение на висшите животни, всички творчески усилия на човешкия мозък в крайна сметка се основават на тези изключително слаби токове и най-фините, микроскопични химични реакции.
Биотокове на мозъка
Тук се докосваме до светая светих на живата природа – човешкия мозък. Електрическите процеси протичат непрекъснато в мозъка. Ако върху челото и задната част на главата се поставят метални пластини, свързани чрез усилвател със записващо устройство, тогава могат да се записват непрекъснати електрически трептения на мозъчната кора *. Техният ритъм, форма и интензивност значително зависят от състоянието на човека.
* (Трептения се наблюдават не само в човешкия мозък, но и в мозъка на животните.)
В мозъка на човек, който седи тихо със затворени очи и не мисли за нищо, възникват около 10 вибрации в секунда. Когато човек отвори очите си, мозъчните вълни изчезват и се появяват отново, когато очите са затворени. Когато човек заспи, ритъмът на вибрациите се забавя. По естеството на вибрациите можете много точно да определите момента на началото и края на съня.
При заболявания на мозъка естеството на електрическите трептения се променя особено рязко. По този начин патологичните колебания в епилепсията могат да служат като сигурен признак на заболяването.
Всичко това доказва, че мозъчните клетки са в състояние на постоянна активност и голям брой от тях, както казва Джерард, „вибрират заедно като цигулки на огромен оркестър“. Нервните импулси, влизащи в мозъка, не следват утъпкани пътища, а променят цялата картина на разпределението на вибрациите в мозъчната кора.
Моделът на електрическата активност в мозъка се променя с възрастта през целия живот и обучение.
Трябва да се приеме, че електрическите вибрации не просто съпътстват работата на мозъка, както шумът - движението на автомобил, но са най-същественият момент от цялата му жизнена дейност. В електронен компютър, способен да изпълнява отделни функции на мозъка дори по-добре от самия мозък, електромагнитните процеси определят цялата работа.
Трябва да се подчертае, че всяко усещане, всяка мисъл изобщо не съответства на собствената си, специфична вибрация. Все още не можем да определим за какво мисли човек по формата на електрическите вибрации.
Все още не знаем какви функции изпълняват тези процеси в мозъка. Но те ясно показват, че материалната основа на мисленето са електромагнитните процеси в най-високо организираната материя, която природата е създала на нашата планета.
Опитът показва, че електрометър, свързан със сонда, дава забележимо отклонение дори когато наблизо няма специално заредени тела. В този случай, колкото по-висока е точката над повърхността на Земята, толкова по-голямо е отклонението на електрометъра. Това означава, че има потенциална разлика между различни точки в атмосферата, разположени на различни височини, т.е. близо до земната повърхност има електрическо поле. Промяната на потенциала с височина е различна през различните периоди от годината и за различните райони и има средна стойност от около 130 V/m близо до земната повърхност. С издигането на полето над Земята, то бързо отслабва и вече на височина 1 km интензитетът му е само 40 V/m, а на височина 10 km става пренебрежимо слаб. Знакът на тази промяна съответства на отрицателния заряд на Земята. Така ние живеем и работим в забележимо електрическо поле през цялото време (виж Упражнение 29.1).
Експерименталните изследвания на това поле и съответните изчисления показват, че Земята като цяло има отрицателен заряд, чиято средна стойност се оценява на половин милион кулона. Този заряд се поддържа приблизително непроменен поради редица процеси в земната атмосфера и извън нея (в глобалното пространство), които все още далеч не са напълно разбрани.
Естествено възниква въпросът: ако на повърхността на Земята винаги има отрицателен заряд, тогава къде се намират съответните положителни заряди? Къде започват силовите линии на електрическото поле, които завършват на земната повърхност? Лесно е да се види, че тези положителни заряди не могат да бъдат разположени някъде много далеч от Земята, като например на Луната, звездите или планетите. Ако това беше така, тогава полето близо до Земята би имало същия вид като полето на изолираната топка на фиг. 50. Силата на това поле ще намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието от центъра на Земята (а не от земната повърхност). Но радиусът на Земята е приблизително 6400 km и следователно промяната на разстоянието от центъра на Земята с няколко километра или няколко десетки километра би променило само незначително силата на полето. Опитът показва, както отбелязахме по-горе, че силата на електрическото поле на Земята пада много бързо, когато се отдалечаваме от него. Това показва, че положителният заряд, съответстващ на отрицателния заряд на Земята, се намира някъде на не много голяма надморска височина над земната повърхност. Наистина, слой от положително заредени (йонизирани) молекули беше открит на височина от няколко десетки километра над Земята. Обемният положителен заряд на този "облак" от заряди компенсира отрицателния заряд на Земята. Линиите на електрическото поле на земята преминават от този слой към земната повърхност.
Ориз. 50. Еквипотенциални повърхности (плътни линии) и полеви линии (пунктирани линии) на заредена топка, отдалечена от други обекти. Вътре в топката няма поле, както и във всеки проводник.
29.1. Тъй като полето в близост до Земята е с интензитет около 130 V/m, то между точките, където се намират главата и краката на всеки от нас, трябва да има напрежение над 200 V. Защо не усещаме това поле , докато докосването на полюсите на батерията или мрежа от 220 V е много болезнено и дори може да бъде опасно?
29.2. Измерванията с електрическа сонда показват, че нарастването на потенциала с височина на повърхността на Земята е средно 100 V/m. Ако приемем, че това поле е причинено от заряда на Земята, изчислете заряда, разположен върху земното кълбо, като приемете, че радиусът на Земята е 6400 km.
