Dangaus kūnas, vadinamas planeta Žemė, turi elektros krūvį, kuris sukuria natūralų Žemės elektrinį lauką. Viena iš elektrinio lauko charakteristikų yra potencialas, o Žemės elektrinis laukas taip pat pasižymi potencialu. Taip pat galime pasakyti, kad be natūralaus elektrinio lauko yra ir natūrali nuolatinė Žemės planetos elektros srovė (DC). Žemės potencialo gradientas pasiskirsto nuo jos paviršiaus iki jonosferos. Esant geram orui statinei elektrai, atmosferos elektrinis laukas yra maždaug 150 voltų vienam metrui (V/m) netoli Žemės paviršiaus, tačiau ši vertė eksponentiškai mažėja didėjant aukščiui iki 1 V/m arba mažiau (30 km aukštyje). Gradiento sumažėjimo priežastis, be kita ko, yra atmosferos laidumo padidėjimas.
Jei dėvite drabužius, pagamintus iš gero izoliatoriaus, kuris yra puikus dielektrikas, pavyzdžiui, drabužius iš nailono, ir naudojate tik guminius batus, o ant drabužių paviršiaus neturite metalinių daiktų, tada galima išmatuoti potencialų skirtumą. tarp žemės paviršiaus ir viršugalvio. Kadangi kiekvienas metras yra 150 voltų, tada, kai aukštis yra 170 cm, galvos viršuje bus 1,7 x 150 = 255 voltų potencialų skirtumas paviršiaus atžvilgiu. Jei ant galvos užsidėsite metalinę keptuvę, ant jos susikaups paviršiaus krūvis. Šio mokesčio rinkimo priežastis yra ta, kad nailoniniai drabužiai yra geras izoliatorius, o batai yra guminiai. Įžeminimas, tai yra, nėra laidžio kontakto su žemės paviršiumi. Kad nesusikauptumėte elektros krūvių, turite „įžeminti save“. Taip pat daiktai, daiktai, pastatai ir statiniai, ypač daugiaaukščiai, gali akumuliuoti atmosferos elektrą. Tai gali sukelti nemalonių pasekmių, nes bet koks susikaupęs krūvis gali sukelti elektros srovę ir kibirkšties skilimą dujose. Tokios elektrostatinės iškrovos gali sunaikinti elektroniką ir sukelti gaisrus, ypač degių medžiagų atveju.
Kad nesusikauptų atmosferos elektros krūviai, užtenka viršutinį tašką su apatiniu (žeminiu) prijungti elektros laidininku, o jei plotas didelis, tada įžeminimas atliekamas narvelio, grandinės pavidalu. , bet iš tikrųjų jie naudoja vadinamąjį „Faradėjaus narvą“.
Atmosferos elektros charakteristikos
Žemė yra neigiamai įkrauta ir jos krūvis lygus 500 000 kulonų (C) elektros krūvio. Potencialų skirtumas svyruoja nuo 300 000 voltų (300 kV), jei atsižvelgsime į įtampą tarp teigiamai įkrautos jonosferos ir Žemės paviršiaus. Taip pat yra apie 1350 amperų (A) nuolatinė elektros srovė, o Žemės atmosferos varža yra apie 220 omų. Taip gaunama maždaug 400 megavatų (MW) galia, kuri atsinaujina dėl saulės aktyvumo. Ši galia veikia Žemės jonosferą ir žemesnius sluoksnius, sukeldama perkūnijas. Žemės atmosferoje sukaupta ir sukaupta elektros energija yra apie 150 gigadžaulių (GJ).
Žemės ir jonosferos sistema veikia kaip milžiniškas 1,8 Faradų talpos kondensatorius. Atsižvelgiant į didžiulį Žemės paviršiaus plotą, 1 kvadratiniam metrui paviršiaus tenka tik 1 nC elektros krūvio.
Žemės elektrosfera tęsiasi nuo jūros lygio iki maždaug 60 km aukščio. Viršutiniuose sluoksniuose, kur yra daug laisvųjų jonų ir ši sferos dalis vadinama jonosfera, laidumas yra didžiausias, nes yra laisvųjų krūvininkų. Galima sakyti, kad potencialas jonosferoje yra išlygintas, nes ši sfera iš esmės laikoma elektros srovės laidininku, o joje yra srovės ir perdavimo srovė. Laisvųjų jonų šaltinis yra Saulės radioaktyvumas. Įkrautų dalelių srautas, ateinantis iš Saulės ir iš kosmoso, „išmuša“ elektronus iš dujų molekulių, o tai sukelia jonizaciją. Kuo aukščiau esate nuo jūros paviršiaus, tuo mažesnis atmosferos laidumas. Jūros paviršiuje oro elektrinis laidumas yra apie 10 -14 Siemens/m (S/m), tačiau didėjant aukščiui jis sparčiai didėja, o 35 km aukštyje jau 10 -11 S/m. Šiame aukštyje oro tankis yra tik 1% jūros paviršiaus tankio. Be to, didėjant aukščiui, laidumas kinta netolygiai, nes įtakoja Žemės magnetinis laukas ir fotonų srautai iš Saulės. Tai reiškia, kad virš 35 km nuo jūros lygio esančios elektrosferos laidumas yra nevienodas ir priklauso nuo paros laiko (fotonų srauto) ir nuo geografinės padėties (Žemės magnetinio lauko).
Kad elektros gedimas įvyktų tarp dviejų plokščių lygiagrečių elektrodų (atstumas tarp kurių 1 metras), esančių jūros paviršiaus lygyje, sausame ore reikalingas 3000 kV/m lauko stipris. Jei šie elektrodai yra pakelti į 10 km aukštį nuo jūros lygio, tada reikės tik 3% šios įtampos, tai yra, pakanka 90 kV/m. Jei elektrodai sujungiami taip, kad atstumas tarp jų būtų 1 mm, tada gedimo įtampa bus reikalinga 1000 kartų mažesnė, tai yra 3 kV (jūros lygis) ir 9 V (10 km aukštyje).
Natūrali Žemės elektrinio lauko stiprio vertė jos paviršiuje (jūros lygyje) yra apie 150 V/m, o tai yra daug mažesnė už vertes, reikalingas gedimui tarp elektrodų net esant 1 mm (3 kV/) tarpui. m reikia).
Iš kur atsiranda Žemės elektrinio lauko potencialas?
Kaip minėta aukščiau, Žemė yra kondensatorius, kurio viena plokštė yra Žemės paviršius, o kita superkondensatoriaus plokštė yra jonosferos sritis. Žemės paviršiuje krūvis yra neigiamas, o už jonosferos – teigiamas. Kaip ir Žemės paviršius, jonosfera taip pat yra laidininkas, o atmosferos sluoksnis tarp jų yra netolygus dujų dielektrikas. Teigiamas jonosferos krūvis susidaro dėl kosminės spinduliuotės, bet kas įkrauna Žemės paviršių neigiamu krūviu?
Siekiant aiškumo, būtina prisiminti, kaip įkraunamas įprastas elektrinis kondensatorius. Jis įtrauktas į elektros grandinę su srovės šaltiniu ir įkraunamas iki maksimalios įtampos vertės ant plokštelių. Tokiam kondensatoriui kaip Žemė atsitinka kažkas panašaus. Lygiai taip pat turi įsijungti tam tikras šaltinis, tekėti srovė, plokštelėse susidaro priešingi krūviai. Pagalvokite apie žaibus, kuriuos dažniausiai lydi perkūnija. Šie žaibai yra pati elektros grandinė, kuri įkrauna Žemę.
Būtent į Žemės paviršių trenkęs žaibas yra šaltinis, įkraunantis Žemės paviršių neigiamu krūviu. Žaibo srovė yra apie 1800 amperų, o perkūnijos ir žaibų skaičius per dieną yra daugiau nei 300. Perkūnijos debesis turi poliškumą. Jo viršutinė dalis maždaug 6-7 km aukštyje, kai oro temperatūra apie -20°C, yra teigiamai įkrauta, o apatinė dalis 3-4 km aukštyje, kai oro temperatūra nuo 0° iki -10°C yra neigiamai įkrautas. Perkūnijos debesies dugne esančio krūvio pakanka, kad susidarytų 20–100 milijonų voltų potencialų skirtumas su Žemės paviršiumi. Žaibo įkrova paprastai yra 20–30 kulonų (C) elektros energijos. Žaibas trenkia iškrovose tarp debesų ir tarp debesų bei Žemės paviršiaus. Kiekvienam įkrovimui reikia maždaug 5 sekundžių, todėl žaibo iškrovos gali įvykti tokia tvarka, tačiau tai nereiškia, kad iškrova būtinai įvyks po 5 sekundžių.
Žaibas
Atmosferos išlydis žaibo pavidalu turi gana sudėtingą struktūrą. Bet kokiu atveju tai yra elektros srovės dujose reiškinys, atsirandantis, kai susidaro reikiamos sąlygos dujoms suskaidyti, tai yra oro molekulių jonizacija. Įdomiausia yra tai, kad Žemės atmosfera veikia kaip nuolatinis dinamas, kuris neigiamai įkrauna Žemės paviršių. Kiekvienas žaibo išlydis trenkia su sąlyga, kad Žemės paviršiuje nėra neigiamų krūvių, o tai suteikia reikiamą potencialų skirtumą išlydžiui (dujų jonizacijai).
Kai tik žaibas trenkia į žemę, neigiamas krūvis išteka į paviršių, tačiau po to apatinė griaustinio debesies dalis išsikrauna ir jos potencialas pasikeičia, tampa teigiamas. Tada atsiranda atvirkštinė srovė ir perteklinis krūvis, pasiekiantis Žemės paviršių, juda aukštyn, vėl įkraudamas perkūnijos debesį. Po to procesas gali būti kartojamas dar kartą, tačiau esant mažesnėms elektros įtampos ir srovės vertėms. Tai vyksta tol, kol yra sąlygos dujų jonizacijai, reikalingas potencialų skirtumas ir neigiamo elektros krūvio perteklius.
Apibendrinant galima pasakyti, kad žaibas trenkia žingsniais, taip sukurdamas elektros grandinę, per kurią srovė teka dujomis, besikeičiančiomis kryptimis. Kiekvienas žaibo įkrovimas trunka apie 5 sekundes ir trenkia tik tada, kai tam yra būtinos sąlygos (gedimo įtampa ir dujų jonizacija). Įtampa tarp žaibo pradžios ir pabaigos gali būti maždaug 100 milijonų voltų, o vidutinė srovės vertė yra apie 1800 amperų. Didžiausia srovė siekia daugiau nei 10 000 amperų, o perduotas krūvis yra lygus 20-30 kulonų elektros energijos.
Visuotinis kondensatorius
Gamtoje yra visiškai unikalus alternatyvus energijos šaltinis, draugiškas aplinkai, atsinaujinantis, lengvai naudojamas, kuris dar niekur nenaudotas. Šis šaltinis yra atmosferos elektrinis potencialas.
Elektra mūsų planeta yra tarsi sferinis kondensatorius, įkrautas iki maždaug 300 000 voltų. Vidinė sfera – Žemės paviršius – yra neigiamai įkrauta, išorinė – jonosfera – teigiamai. Žemės atmosfera tarnauja kaip izoliatorius (1 pav.).
Per atmosferą nuolat teka joninės ir konvekcinės kondensatorių nuotėkio srovės, kurios siekia daugybę tūkstančių amperų. Tačiau nepaisant to, potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus plokščių nesumažėja.
Tai reiškia, kad gamtoje yra generatorius (G), kuris nuolat papildo įkrovų nuotėkį iš kondensatoriaus plokščių. Toks generatorius yra Žemės magnetinis laukas, kuris sukasi kartu su mūsų planeta saulės vėjo sraute.
Norint panaudoti šio generatoriaus energiją, reikia kažkaip prie jo prijungti energijos vartotoją.
Prisijungimas prie neigiamo poliaus – Žemės – paprastas. Norėdami tai padaryti, pakanka atlikti patikimą įžeminimą. Prisijungimas prie teigiamo generatoriaus poliaus – jonosferos – sudėtinga techninė problema, kurią mes išspręsime.
Kaip ir bet kuriame įkrautame kondensatoriuje, mūsų pasauliniame kondensatoriuje yra elektrinis laukas. Šio lauko stiprumas aukštyje pasiskirstęs labai netolygiai: didžiausias yra Žemės paviršiuje ir yra maždaug 150 V/m. Su aukščiu jis mažėja maždaug pagal eksponentinį dėsnį, o 10 km aukštyje sudaro apie 3% vertės Žemės paviršiuje.
Taigi beveik visas elektrinis laukas yra sutelktas apatiniame atmosferos sluoksnyje, netoli Žemės paviršiaus. Elektrinės įtampos vektorius Žemės laukas E paprastai nukreiptas žemyn. Diskusijose naudosime tik vertikalųjį šio vektoriaus komponentą. Žemės elektrinis laukas, kaip ir bet kuris elektrinis laukas, veikia krūvius tam tikra jėga F, kuri vadinama Kulono jėga. Jei įkrovos dydį padauginsite iš elektros įtampos. Laukai šioje vietoje, tada gauname tik Kulono jėgos Fcoul dydį. Ši Kulono jėga nustumia teigiamus krūvius žemyn į žemę, o neigiamus – į debesis.
Laidininkas elektriniame lauke
Sumontuokime metalinį stiebą ant Žemės paviršiaus ir įžeminkime. Išorinis elektrinis laukas akimirksniu pradės perkelti neigiamus krūvius (laidumo elektronus) aukštyn į stiebo viršų, sukurdamas ten neigiamų krūvių perteklių. O neigiamų krūvių perteklius stiebo viršuje sukurs savo elektrinį lauką, nukreiptą į išorinį lauką. Ateina momentas, kai šie laukai tampa vienodo dydžio ir elektronų judėjimas sustoja. Tai reiškia, kad laidininke, iš kurio pagamintas stiebas, elektrinis laukas yra lygus nuliui.
Taip veikia elektrostatikos dėsniai.
Tarkime, kad stiebo aukštis yra h = 100 m, vidutinis įtempimas išilgai stiebo aukščio yra Eсr. = 100 V/m.
Tada potencialų skirtumas (emf) tarp Žemės ir stiebo viršaus bus skaitiniu požiūriu lygus: U = h * Eav. = 100 m * 100 V/m = 10 000 voltų. (1)
Tai visiškai realus potencialų skirtumas, kurį galima išmatuoti. Tiesa, įprastu voltmetru su laidais jo išmatuoti nepavyks – laiduose atsiras lygiai toks pat emf, kaip ir stiebe, o voltmetras rodys 0. Šis potencialų skirtumas nukreiptas priešingai stiprumo vektoriui E Žemės elektrinį lauką ir linkęs išstumti laidumo elektronus iš stiebo viršaus į atmosferą. Bet taip neatsitinka, elektronai negali išeiti iš laidininko. Elektronai neturi pakankamai energijos, kad galėtų išeiti iš laidininko, kuris sudaro stiebą. Ši energija vadinama elektrono iš laidininko darbo funkcija ir daugumai metalų ji yra mažesnė nei 5 elektronų voltai – tai labai nereikšminga reikšmė. Bet metale esantis elektronas negali įgyti tokios energijos tarp susidūrimų su metalo kristaline gardele ir todėl lieka laidininko paviršiuje.
Kyla klausimas: kas atsitiks su laidininku, jei mes padėsime pertekliniams užtaisams stiebo viršuje palikti šį laidininką?
Atsakymas paprastas: neigiamas krūvis stiebo viršuje sumažės, išorinis elektrinis laukas stiebo viduje nebebus kompensuojamas ir vėl ims kilnoti laidumo elektronus aukštyn į viršutinį stiebo galą. Tai reiškia, kad srovė tekės per stiebą. Ir jei mums pavyks nuolat pašalinti perteklinius krūvius nuo stiebo viršaus, jame nuolat tekės srovė. Dabar tereikia bet kurioje mums patogioje vietoje nupjauti stiebą ir ten įjungti apkrovą (energijos vartotoją) – ir elektrinė paruošta.
3 paveiksle pavaizduota tokios elektrinės schema. Veikiami Žemės elektrinio lauko, laidumo elektronai iš žemės juda išilgai stiebo per apkrovą, o paskui stiebu aukštyn iki emiterio, kuris atpalaiduoja juos nuo metalinio stiebo viršaus paviršiaus ir siunčia juos kaip jonus plūduriuoti. laisvai per atmosferą. Žemės elektrinis laukas, visiškai laikydamasis Kulono dėsnio, pakelia juos aukštyn, kol pakeliui juos neutralizuoja teigiami jonai, kurie, veikiami to paties lauko, visada krenta iš jonosferos.
Taigi uždarėme elektros grandinę tarp visuotinio elektrinio kondensatoriaus, kuris savo ruožtu yra prijungtas prie generatoriaus G, plokščių ir įtraukėme į šią grandinę energijos vartotoją (apkrovą). Dar reikia išspręsti vieną svarbų klausimą: kaip pašalinti perteklinius mokesčius nuo stiebo viršaus?
Emiterio dizainas
Paprasčiausias emiteris gali būti plokščias lakštinio metalo diskas su daugybe adatų, esančių aplink jo perimetrą. Jis "montuojamas" ant vertikalios ašies ir pasukamas.
Kai diskas sukasi, įeinantis drėgnas oras pašalina elektronus iš jo adatų ir taip atpalaiduoja juos iš metalo.
Jau yra elektrinė su panašiu spinduliuote. Tiesa, jos energijos niekas nenaudoja, su ja kovoja.
Tai sraigtasparnis, nešantis metalinę konstrukciją ant ilgo metalinio stropo montuojant aukštus pastatus. Čia yra visi elektrinės elementai, pavaizduoti 3 pav., išskyrus energijos vartotoją (apkrovą). Emiteris yra sraigtasparnio rotoriaus mentės, kurias pučia drėgno oro srautas, stiebas yra ilgas plieninis stropas su metaline konstrukcija. Ir darbuotojai, montuojantys šią konstrukciją vietoje, puikiai žino, kad plikomis rankomis ją liesti draudžiama - „tai gausi elektros smūgį“. Ir iš tiesų, šiuo metu jie tampa jėgainės grandinės apkrova.
Žinoma, galimos ir kitos emiterių konstrukcijos, efektyvesnės, sudėtingesnės, paremtos skirtingais principais ir fiziniais efektais, žr. 4-5.
Spinduliuotojas šiuo metu neegzistuoja gatavo produkto pavidalu. Kiekvienas, besidomintis šia idėja, yra priverstas savarankiškai konstruoti savo emiterį.
Kad padėtų tokiems kūrybingiems žmonėms, žemiau autorius pateikia savo mintis apie emiterio dizainą.
Atrodo, kad šie emiterių dizainai yra perspektyviausi.
Pirmoji emiterio versija
Vandens molekulė turi aiškiai apibrėžtą poliškumą ir gali lengvai užfiksuoti laisvąjį elektroną. Jei pučiate garą ant neigiamai įkrautos metalinės plokštės, garai paims laisvuosius elektronus nuo plokštės paviršiaus ir pasiims juos su savimi. Emiteris yra išpjova antgalis, išilgai kurio dedamas izoliuotas elektrodas A ir į kurį nukreipiamas teigiamas potencialas iš šaltinio I. Elektrodas A ir aštrūs antgalio kraštai sudaro mažą įkrautą talpą. Laisvieji elektronai surenkami ties aštriomis antgalio briaunomis, veikiant teigiamai izoliuotam elektrodui A. Garai, einantys pro antgalį, paima elektronus iš antgalio kraštų ir nuneša juos į atmosferą. Pav. 4 parodytas išilginis šios konstrukcijos pjūvis. Kadangi elektrodas A yra izoliuotas nuo išorinės aplinkos, srovė EMF šaltinio grandinėje yra Nr. O šis elektrodas čia reikalingas tik tam, kad kartu su aštriomis antgalio briaunomis šioje plyšyje susidarytų stiprus elektrinis laukas ir koncentruotų laidumo elektronus antgalio kraštuose. Taigi teigiamo potencialo elektrodas A yra savotiškas aktyvuojantis elektrodas. Pakeitę potencialą ant jo, galite pasiekti norimą emiterio srovės vertę.
Kyla labai svarbus klausimas: kiek reikia tiekti garų per antgalį ir ar paaiškės, kad visą stoties energiją teks išleisti vandeniui paversti garais? Atlikime nedidelį skaičiavimą.
Viename grame vandens molekulėje (18 ml) yra 6,02 * 1023 vandens molekulės (Avogadro skaičius). Vieno elektrono krūvis lygus 1,6 * 10 (- 19) kulonų. Padauginus šias vertes, gauname, kad 96 000 kulonų elektros krūvio gali būti ant 18 ml vandens ir daugiau nei 5 000 000 kulonų ant 1 litro vandens. Tai reiškia, kad esant 100 A srovei, vieno litro vandens pakanka įrenginiui eksploatuoti 14 valandų. Norint tokį vandens kiekį paversti garais, reikės labai mažos generuojamos energijos procento.
Žinoma, elektrono prijungimas prie kiekvienos vandens molekulės vargu ar įmanomas uždavinys, tačiau čia apibrėžėme ribą, kurią galima nuolat pasiekti tobulinant įrenginio dizainą ir technologiją.
Be to, skaičiavimai rodo, kad energetiškai naudingiau per purkštuką pūsti drėgną orą, o ne garą, reguliuojant jo drėgmę reikiamose ribose.
Antroji emiterio versija
Stiebo viršuje yra metalinis indas su vandeniu. Indas yra prijungtas prie stiebo metalo patikimu kontaktu. Indo viduryje įtaisytas stiklinis kapiliarinis vamzdelis. Vandens lygis vamzdyje yra aukštesnis nei inde. Taip sukuriamas elektrostatinio antgalio efektas – kapiliarinio vamzdelio viršuje sukuriama maksimali krūvių koncentracija ir didžiausias elektrinio lauko stiprumas.
Veikiamas elektrinio lauko vanduo kapiliariniame vamzdyje pakils ir bus išpurškiamas mažais lašeliais, pasiimdamas neigiamą krūvį. Esant tam tikram mažam srovės stiprumui, vanduo kapiliariniame vamzdyje užvirs, o garai išneš įkrovas. Ir tai turėtų padidinti emiterio srovę.
Tokiame inde galima sumontuoti kelis kapiliarinius vamzdelius. Kiek vandens reikia - žiūrėkite aukščiau esančius skaičiavimus.
Trečias emiterio variantas. Kibirkšties skleidėjas.
Kai suyra kibirkšties tarpas, kartu su kibirkštimi iš metalo iššoka laidumo elektronų debesis.
5 paveiksle parodyta kibirkšties emiterio schema. Iš aukštos įtampos impulsų generatoriaus neigiami impulsai siunčiami į stiebą, teigiami impulsai siunčiami į elektrodą, kuris sudaro kibirkšties tarpą su stiebo viršumi. Pasirodo kažkas panašaus į automobilio uždegimo žvakę, tačiau dizainas daug paprastesnis.
Aukštos įtampos impulsų generatorius iš esmės nedaug kuo skiriasi nuo įprasto Kinijoje pagaminto buitinio dujinio žiebtuvėlio, maitinamo viena AA baterija.
Pagrindinis tokio prietaiso privalumas yra galimybė reguliuoti emiterio srovę naudojant iškrovos dažnį, kibirkšties tarpo dydį, galite padaryti keletą kibirkšties tarpų ir kt.
Impulsų generatorių galima montuoti bet kurioje patogioje vietoje, nebūtinai stiebo viršuje.
Tačiau yra vienas trūkumas – kibirkštinės iškrovos sukelia radijo trukdžius. Todėl stiebo viršus su kibirkštiniais tarpais turi būti ekranuotas cilindriniu tinkleliu, kuris turi būti izoliuotas nuo stiebo.
Ketvirtasis emiterio variantas
Kita galimybė – sukurti emiterį, pagrįstą tiesioginės elektronų emisijos iš emiterio medžiagos principu. Tam reikia medžiagos, turinčios labai mažą elektronų darbo funkciją. Tokios medžiagos egzistavo ilgą laiką, pavyzdžiui, bario oksido pasta-0,99 eV. Galbūt dabar yra kažkas geresnio.
Idealiu atveju tai turėtų būti kambario temperatūros superlaidininkas (RTSC), kurio gamtoje dar nėra. Tačiau, remiantis įvairiais pranešimais, jis turėtų pasirodyti netrukus. Visa viltis slypi nanotechnologijose.
Užtenka ant stiebo viršaus padėti CTSP gabalėlį – ir emiteris paruoštas. Praeidamas per superlaidininką elektronas nepatiria pasipriešinimo ir labai greitai įgauna energijos, reikalingos išeiti iš metalo (apie 5 eV).
Ir dar viena svarbi pastaba. Pagal elektrostatikos dėsnius, Žemės elektrinio lauko intensyvumas yra didžiausias aukštyje – kalvų, kalvų, kalnų ir kt., Žemumose, įdubose ir įdubose jis yra minimalus. Todėl tokius įrenginius geriau statyti aukščiausiose vietose ir atokiau nuo aukštų pastatų arba montuoti ant aukščiausių pastatų stogų.
Kita gera idėja yra pakelti laidininką naudojant balioną. Žinoma, emiteris turi būti įrengtas baliono viršuje. Tokiu atveju galima gauti pakankamai didelį spontaniško elektronų emisijos potencialą iš metalo, suteikiant jam otriumo formą, todėl šiuo atveju nereikia jokių sudėtingų emiterių.
Yra dar viena gera proga gauti emiterį. Elektrostatinis metalo dažymas naudojamas pramonėje. Užpurkšti dažai, išskridę iš purškimo pistoleto, neša elektros krūvį, dėl kurio nusėda ant dažomo metalo, kuriam uždedamas priešingo ženklo krūvis. Technologija pasitvirtino.
Toks prietaisas, kuris įkrauna purškiamus dažus, yra tikras elektros spindulys. mokesčiai. Belieka jį pritaikyti prie aukščiau aprašyto įrengimo ir, esant vandens poreikiui, pakeisti dažus vandeniu.
Visai įmanoma, kad ore visada esančios drėgmės pakaks emiteriui veikti.
Gali būti, kad pramonėje yra ir kitų panašių prietaisų, kuriuos nesunkiai galima paversti skleidėju.
išvadas
Savo veiksmų dėka energijos vartotoją prijungėme prie pasaulinio elektros energijos generatoriaus. Prie neigiamo poliaus – Žemės – jungėmės naudodami įprastą metalinį laidininką (įžeminimą), o prie teigiamo – jonosferos – naudodami labai specifinį laidininką – konvekcinę srovę. Konvekcinės srovės yra elektros srovės, kurias sukelia tvarkingas įkrautų dalelių pernešimas. Gamtoje jie yra dažni. Tai įprastos konvekcinės kylančios srovės, kurios neša neigiamus krūvius į debesis, ir tai yra viesulai (tornadai). kurios tempia į žemę labai teigiamais krūviais įkrautą debesų masę, tai taip pat kylančios oro srovės intertropinėje konvergencijos zonoje, pernešančios didžiulį kiekį neigiamų krūvių į viršutinius troposferos sluoksnius. Ir tokios srovės pasiekia labai aukštas vertes.
Jei sukursime pakankamai efektyvų emiterį, kuris iš stiebo (ar kelių stiebų) viršaus gali išleisti, tarkime, 100 kulonų krūvių per sekundę (100 amperų), tai mūsų pastatytos elektrinės galia bus lygi 1 000 000 vatų arba 1 megavatą. Visai padori galia!
Tokia instaliacija yra būtina atokiose gyvenvietėse, meteorologijos stotyse ir kitose nuo civilizacijos nutolusiose vietose.
Iš to, kas išdėstyta pirmiau, galima padaryti tokias išvadas:
Energijos šaltinis yra labai paprastas ir patogus naudoti.
Išeiga yra patogiausia energijos rūšis – elektra.
Šaltinis nekenksmingas aplinkai: nėra išmetamų teršalų, nėra triukšmo ir pan.
Montavimas yra itin paprastas gaminti ir eksploatuoti.
Išskirtinai maža pagamintos energijos kaina ir daug kitų privalumų.
Žemės elektrinis laukas svyruoja: žiemą jis stipresnis nei vasarą, maksimumą pasiekia kasdien 19 val. GMT, priklauso ir nuo oro sąlygų. Tačiau šie svyravimai neviršija 20% jo vidutinės vertės.
Kai kuriais retais atvejais, esant tam tikroms oro sąlygoms, šio lauko stiprumas gali padidėti kelis kartus.
Perkūnijos metu elektrinis laukas kinta plačiame diapazone ir gali keisti kryptį į priešingą pusę, tačiau tai atsitinka nedidelėje vietoje, esančioje tiesiai po perkūnijos ląstele.
Kurilovas Jurijus Michailovičius
Žemės elektrinis laukas, natūralus Žemės, kaip planetos, elektrinis laukas, stebimas kietajame Žemės kūne, jūrose, atmosferoje ir magnetosferoje. E. punktas 3. sukelia sudėtingas geofizinių reiškinių kompleksas. Lauko potencialo pasiskirstymas neša tam tikrą informaciją apie Žemės sandarą, apie procesus, vykstančius žemutiniuose atmosferos sluoksniuose, jonosferoje, magnetosferoje, taip pat artimoje tarpplanetinėje erdvėje ir Saulėje.
Elektronų tankio matavimo techniką 3. lemia terpė, kurioje stebimas laukas. Universaliausias metodas yra potencialų skirtumo nustatymas naudojant elektrodus, išdėstytus vienas nuo kito erdvėje. Šis metodas naudojamas registruojant įžeminimo sroves (žr. Telūrinės srovės ), matuojant atmosferos elektrinį lauką iš orlaivių, o iš erdvėlaivių - magnetosferą ir kosminę erdvę (šiuo atveju atstumas tarp elektrodų turi viršyti Debye atrankos spindulys kosminėje plazmoje, t.y. šimtuose metrų).
Elektrinio lauko egzistavimas Žemės atmosferoje daugiausia susijęs su oro jonizacijos procesais ir jonizacijos metu atsirandančių teigiamų ir neigiamų elektros krūvių erdviniu atskyrimu. Oro jonizacija vyksta veikiant kosminiams ultravioletinės spinduliuotės iš Saulės spinduliams; radioaktyviųjų medžiagų, esančių Žemės paviršiuje ir ore, spinduliuotė; elektros iškrovos atmosferoje ir kt. Daugelis atmosferos procesų: konvekcija, debesų susidarymas, krituliai ir kiti - lemia dalinį skirtingų krūvių atsiskyrimą ir atmosferos elektrinių laukų atsiradimą (žr. Atmosferos elektra ). Palyginti su atmosfera, Žemės paviršius yra neigiamai įkrautas.
Atmosferos elektrinio lauko egzistavimas lemia srovių atsiradimą, iškraunant elektrinę „kondensatoriaus“ atmosferą – Žemę. Krituliai vaidina svarbų vaidmenį keičiantis krūviais tarp Žemės paviršiaus ir atmosferos. Vidutiniškai krituliai atneša 1,1–1,4 karto daugiau teigiamų krūvių nei neigiamų. Krūvių nutekėjimas iš atmosferos taip pat pasipildo dėl srovių, susijusių su žaibais, ir krūvių srauto iš smailių objektų (taškų). Elektros krūvių balansas, atneštas į žemės paviršių, kurio plotas yra 1 km 2 per metus galima apibūdinti šiais duomenimis:
Laidumo srovė + 60 k/(km 2 metai)
Kritulių srovės + 20"
Žaibo išlydžiai – 20 »
Srovės iš antgalių - 100 "
__________________________
Iš viso – 40 k/(km 2 metai)
Didelėje žemės paviršiaus dalyje - virš vandenynų - srovės iš galiukų neįtraukiamos ir bus teigiamas balansas. Statinio neigiamo krūvio egzistavimas Žemės paviršiuje (apie 5,7 × 10 5 Į) rodo, kad šios srovės yra vidutiniškai subalansuotos.
Elektrinius laukus jonosferoje sukelia procesai, vykstantys tiek viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, tiek magnetosferoje. Potvynių ir atoslūgių oro masių judėjimas, vėjai, turbulencija - visa tai yra elektrinio lauko generavimo šaltinis jonosferoje dėl hidromagnetinio dinamo efekto (žr. Žemės magnetizmas ) Pavyzdys yra saulės ir paros elektros srovės sistema, kuri Žemės paviršiuje sukelia magnetinio lauko paros svyravimus. Elektrinio lauko stiprumo dydis jonosferoje priklauso nuo stebėjimo taško vietos, paros laiko, bendros magnetosferos ir jonosferos būklės, Saulės aktyvumo. Jis svyruoja nuo kelių vienetų iki dešimčių mv/m, o aukštųjų platumų jonosferoje siekia šimtą ir daugiau mv/m.Šiuo atveju srovė siekia šimtus tūkstančių amperų. Dėl didelio jonosferos ir magnetosferos plazmos elektrinio laidumo pagal Žemės magnetinio lauko linijas jonosferos elektriniai laukai persikelia į magnetosferą, o magnetosferos laukai – į jonosferą.
Vienas iš tiesioginių elektrinio lauko šaltinių magnetosferoje yra saulėtas vėjas. Kai saulės vėjas teka aplink magnetosferą, atsiranda emf E= v´ b^, kur b ^ - normalus magnetinio lauko komponentas magnetosferos paviršiuje, v- vidutinis saulės vėjo dalelių greitis.
Šis emf sukelia elektros sroves, kurias uždaro atvirkštinės srovės, tekančios per magnetosferos uodegą (žr. Žemė ). Pastaruosius generuoja teigiami erdvės krūviai rytinėje magnetouodegės pusėje, o neigiami – vakarinėje. Elektrinio lauko stipris per magnetinę uodegą siekia 1 mv/m. Potencialų skirtumas tarp poliarinio dangtelio yra 20–100 kv.
Kitas emf sužadinimo magnetosferoje mechanizmas yra susijęs su priešingos krypties magnetinio lauko linijų žlugimu magnetosferos uodegos dalyje; šiuo atveju išsiskirianti energija sukelia greitą magnetosferos plazmos judėjimą Žemės link. Šiuo atveju elektronai dreifuoja aplink Žemę rytinės pusės, protonai – vakarinės pusės link. Potencialų skirtumas tarp lygiaverčių erdvės krūvių centrų siekia keliasdešimt kilovoltų. Šis laukas yra priešingas uodegos magnetosferos laukui.
Magnetosferos žiedo srovės aplink Žemę egzistavimas yra tiesiogiai susijęs su dalelių dreifu. Per periodus magnetinės audros Ir poliarinės šviesos elektriniai laukai ir srovės magnetosferoje ir jonosferoje patiria didelių pokyčių.
Magnetosferoje susidarančios magnetohidrodinaminės bangos sklinda natūraliais bangolaidžiais išilgai Žemės magnetinio lauko linijų. Patekusios į jonosferą, jos paverčiamos elektromagnetinėmis bangomis, kurios dalinai pasiekia Žemės paviršių, o iš dalies sklinda jonosferos bangolaidžiu ir yra susilpnėjusios Žemės paviršiuje šios bangos registruojamos priklausomai nuo virpesių dažnio arba kaip magnetinės pulsacijos (10 -). 2-10 Hz), arba kaip labai žemo dažnio bangos (svyravimai, kurių dažnis 10 2 -10 4 Hz).
Kintamasis Žemės magnetinis laukas, kurio šaltiniai yra lokalizuoti jonosferoje ir magnetosferoje, indukuoja elektrinį lauką žemės plutoje. Elektrinio lauko stipris paviršiniame plutos sluoksnyje skiriasi priklausomai nuo uolienų vietos ir elektrinės varžos, svyruoja nuo kelių vienetų iki kelių šimtų mv/km, o per magnetines audras sustiprėja iki vienetų ir net dešimčių V/km. Tarpusavyje sujungti kintamieji magnetiniai ir elektriniai Žemės laukai naudojami elektromagnetiniam zondavimui žvalgomojoje geofizikoje, taip pat giluminiam Žemės zondavimui.
Tam tikras indėlis į ekonomikos mokslą. Z. pristato kontaktinio potencialo skirtumą tarp skirtingo elektrinio laidumo uolienų (termoelektrinis, elektrocheminis, pjezoelektrinis poveikis). Ypatingą vaidmenį čia gali atlikti vulkaniniai ir seisminiai procesai.
Elektrinius laukus jūrose sukelia kintamasis Žemės magnetinis laukas, be to, jie atsiranda, kai magnetiniame lauke juda laidus jūros vanduo (jūros bangos ir srovės). Elektros srovių tankis jūrose siekia 10 -6 automobilis 2 . Šios srovės gali būti naudojamos kaip natūralūs kintamų magnetinių laukų šaltiniai magnetinėms variacijoms šelfuose ir jūroje.
Žemės elektrinio krūvio, kaip elektrinio lauko šaltinio tarpplanetinėje erdvėje, klausimas iki galo neišspręstas. Manoma, kad Žemė kaip planeta yra elektriškai neutrali. Tačiau ši hipotezė reikalauja eksperimentinio patvirtinimo. Pirmieji matavimai parodė, kad elektrinio lauko stipris artimoje žemėje tarpplanetinėje erdvėje svyruoja nuo dešimtųjų iki kelių dešimčių mv/m.
Lit.: Tikhonovas A.N. Dėl giliųjų žemės plutos sluoksnių elektrinių charakteristikų nustatymo „Dok. SSRS mokslų akademija“, 1950, t. 73, nr. 2; Tverskoy P.N., Meteorologijos kursas, Leningradas, 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Saulės ir žemės fizika, vert. iš anglų k., 2 dalis, M., 1975 m.
Yu P. Sizovas.
Didžioji tarybinė enciklopedija M.: "Tarybų enciklopedija", 1969-1978
Natūrali kūnų, esančių Žemės paviršiuje – ir atomų, ir molekulių, ir didelių materijos gabalų – būsena yra elektrinis neutralumas. Tačiau jei įkrausite elektroskopą, po kurio laiko jis praras visą savo įkrovą, kad ir kokia rūpestinga izoliacija. Tai reiškia, kad mus supančiame ore yra daug įkrautų dalelių – jonų ir dulkių dalelių. Elektroskopo rutulys „įsiurbia“ iš atmosferos į save priešingo ženklo jonus ir tampa neutralus.
Aukštai virš mūsų driekiasi storas labai jonizuotų dujų sluoksnis – jonosfera. Jis prasideda keliasdešimt kilometrų nuo Žemės paviršiaus ir pasiekia keturių šimtų kilometrų aukštį. Su elektroskopu to nerasite. Jonosferos atradimui reikėjo išrasti radiją. Labai jonizuotų dujų sluoksnis gerai praleidžia elektrą ir, kaip metalinis paviršius, atspindi radijo bangas, kurių bangos ilgis viršija 30 metrų. Jei aplink Žemę nebūtų jonosferinio „veidrodžio“, trumpųjų bangų radijo ryšys būtų įmanomas tik matomumo zonoje.
Trys tiekėjai
Taigi, aplink mus ir virš mūsų yra jonų. Tačiau jie yra trumpalaikiai. Atsitiktinis nepanašių jonų susitikimas – ir jie nustoja egzistuoti. Tai reiškia, kad turi būti kai kurie nuolat veikiantys procesai, tiekiantys jonus.
Tokių tiekėjų yra trys. Netoli Žemės paviršiaus yra radioaktyvių elementų, kurių nedideli kiekiai yra žemės plutoje, spinduliuotė. Dideliame aukštyje – ultravioletinė spinduliuotė iš Saulės. Ir galiausiai per visą atmosferos storį nuo viršaus iki apačios prasiskverbia labai greitai įkrautų dalelių srautai – kosminiai spinduliai. Nedidelė jų dalis yra iš Saulės, o likusi dalis – iš mūsų Galaktikos kosmoso gelmių.
Kartais nuo Saulės paviršiaus trykšta ypač galingi įkrautų dalelių srautai. Kelių šimtų kilometrų aukštyje virš Žemės jų elektromagnetiniai laukai sužadina atomus ir skleidžia šviesą. Tada matome šiaurės pašvaistę. Jie daugiausia vyksta didelėse platumose, o vidutinio klimato zonų gyventojai beveik niekada neturi galimybės mėgautis nuostabiai gražiu šviesos stulpų žaismu, mirgančiu visomis vaivorykštės spalvomis.
Žaibas
Tačiau visi yra susipažinę su perkūnija. Monstriškas vieno ženklo elektros kaupimasis debesyje sukelia kibirkštį, kurios ilgis kartais viršija dešimtis kilometrų. Įnoringai keisdamas savo kelią priklausomai nuo oro laidumo ir objektų, į kuriuos jis trenkia, žaibas dažnai sukuria smogiančius efektus. Įspūdingiausi iš jų pateikiami prancūzų astronomo Flammariono knygoje „Atmosfera“.
„Jokia teatrinė pjesė, jokie triukai negali konkuruoti, – rašo Flammarion, – su žaibais savo efektų netikėtumu ir keistumu, atrodo, kažkokia ypatinga substancija, kažkas tarp nesąmoningų gamtos jėgų ir sąmoningos žmogaus sielos ar tai kažkokia dvasia, subtili ir įnoringa, gudrus ir kvailas tuo pačiu metu, aiškiaregis ar aklas, turintis valią ar priverstinis, einantis iš vieno kraštutinumo į kitą, baisus ir nesuprantamas, tu negali jį sugauti Jo, be jokios abejonės, kaip ir mūsų, jos tik atrodo užgaidos, bet iš tikrųjų jiems galioja kažkokie nekeičiami dėsniai tik tausodamas, bet net nepaliesdamas jo rūbų, kurie lieka nepaliesti, nesukeldamas jam nė menkiausios žalos. Tada nuplėšia nuo šviestuvo auksavimą ant gipso sienų; tada nusiauna keliautojo batus ir numeta batus dešimt metrų į šoną, paskui, galiausiai, viename kaime centre išgręžia šūsnį lėkščių ir, be to, pakaitomis per du gabalus... Kokia tvarka gali įsitvirtinti čia“.
Toliau pateikiamas apie šimtas skirtingų atvejų. Pavyzdžiui: „Vienam labai plaukuotam vyrui, patekusiam į perkūniją netoli E., žaibas nuskuto plaukus juostelėmis išilgai viso kūno, susuko į kamuoliukus ir įsmeigė giliai į blauzdos raumenų storį. Arba dar kartą: „1865 metų vasarą gydytojas Drendingeris iš Vienos pakraščio grįžo iš geležinkelio.
Ši piniginė buvo vėžlys, o ant vieno iš jos dangtelių buvo inkrustuota plieninė gydytojo monograma: dvi susipynusios D.
Po kiek laiko gydytojas buvo iškviestas pas žaibo „numuštą“ užsienietį, kuris buvo rastas be sąmonės po medžiu. Pirmas dalykas, kurį gydytojas pastebėjo ant paciento šlaunies, buvo jo paties monograma, tarsi jis būtų ką tik nufotografuotas. Galite įvertinti jo nuostabą! Pacientas buvo atgaivintas ir nuvežtas į ligoninę. Ten gydytojas pasakė, kad paciento vėžlio kiautų piniginė turi būti kažkur paciento kišenėse, o tai pasirodė gana teisinga. Objektas buvo tas pats vagis, kuris pavogė piniginę, o elektra jį prispaudė, ištirpdydama metalinę monogramą.
Įdomu tai, kad Flammarion cituojamoje statistikoje žuvusių moterų skaičius yra beveik tris kartus mažesnis nei vyrų. Tai, žinoma, paaiškinama ne žaibo galantiškumu, o tiesiog tuo, kad tais laikais (XX a. pradžioje) Prancūzijoje lauko darbus dažniau dirbdavo vyrai.
Neseniai Amerikos laikraščiai pranešė apie Flammariono vertą atvejį. Žaibas trenkė į šaldytuvą ir jame apkepė vištieną, kuri vėliau buvo saugiai atvėsinta, nes šaldytuvas liko veikiantis.
Žinoma, galima suabejoti visų nurodytų atvejų patikimumu, tačiau negalima sutikti, kad žaibas tikrai gali daryti stebuklus. Ne visada įmanoma juos paaiškinti. Iškrova trunka tik apie šimtą tūkstantąją sekundės dalį, o stebėti tokiais išskirtiniais atvejais nesiruošiama. Vėliau pakartoti įvykio neįmanoma: lygiai tokio žaibo nesukursi, jau nekalbant apie kitas sąlygas.
Tačiau iš esmės viskas nėra taip paslaptinga, kaip atrodė Flammarionui. Galų gale viskas susiveda į tokius bendrus srovės padarinius kaip šiluma, elektromagnetiniai laukai ir cheminės reakcijos. Tik srovė didžiulė: dešimtys ar net šimtai tūkstančių amperų.
Svarbiausia nesuprasti daugybės keistenybių. Turime suprasti, kaip perkūnijos debesyje kaupiasi elektros krūvis. Kas sukelia vandens lašelių elektrifikaciją ir kodėl priešingo ženklo krūviai yra erdviškai atskirti debesies viduje? Čia dar ne viskas iki galo aišku.
Visų pirma, nėra vieno lašelių įkrovimo mechanizmo.
Keletas tokių mechanizmų yra patikimai žinomi, todėl sunku įvertinti, kuris iš jų atlieka pagrindinį vaidmenį. Štai du iš jų. Žemės elektriniame lauke (jau minėjome, kad Žemės rutulys yra neigiamai įkrautas) vandens lašas yra poliarizuotas. Teigiamas krūvis kaupiasi apatinėje jo dalyje, o neigiamas – viršutinėje. Kai nukrenta didelis lašas, jis daugiausia sulaiko neigiamus oro jonus ir įgyja elektros krūvį. Didėjantis oro srautas teigiamus jonus neša aukštyn.
Kitas mechanizmas – lašelių įkrovimas, kai juos sutraiško atvažiuojantys oro srautai. Maži purslai įkraunami neigiamai ir kyla aukštyn, o dideli purslai, įkrauti teigiamai, krenta žemyn.
Abu šie mechanizmai užtikrina ir lašelių įkrovimą, ir priešingo ženklo krūvių erdvinį atskyrimą debesies viduje. Paprastai neigiamas krūvis kaupiasi griaustinio debesies apačioje (išskyrus nedidelę, teigiamai įkrautą sritį), o teigiamas – viršuje.
Situacija yra daug blogesnė dėl kamuolinio žaibo paaiškinimo, kuris kartais atsiranda po stipraus linijinio žaibo iškrovos. Paprastai tai yra šviečiantis rutulys, kurio skersmuo yra 10–20 centimetrų. Dažnai jis primena „vidutinio dydžio kačiuką, susisukusį į kamuoliuką ir besisukantį be kojų“. Kamuolinis žaibas gali sprogti prisilietus prie objektų ir sukelti didelę žalą.
Kamuolinis žaibas yra bene vienintelis makroskopinis reiškinys Žemėje, kuris vis dar neturi jokio patikimo paaiškinimo. Sferinės iškrovos negalima gauti laboratorijoje. Štai ir visa esmė.
Šv.Elmo ugnis
Prieš perkūniją ar perkūnijos metu kutus primenantys šviesos kūgiai dažnai blykčioja ant aukštai iškilusių objektų taškų ir aštrių kampų. Ši lėta ir rami iškrova nuo seno buvo vadinama Šv.Elmo ugnimi.
Taip pat galite perskaityti iš Tito Livijaus, kad kai Lysander laivynas paliko uostą pulti atėniečius, admirolo virtuvės stiebuose užsidegė šviesos. Senoliai Elmo žiburių atsiradimą laikė geru ženklu.
Alpinistai ypač dažnai yra šio reiškinio liudininkai. Kartais ne tik metaliniai daiktai, bet ir plaukų galiukai ant galvos būna papuošti mažomis šviečiančiomis plunksnomis. Jei pakelsite ranką, pajusite būdingą deginimo pojūtį, kaip iš pirštų tekančią elektros srovę. Neretai ledkirčiai pradeda ūžti kaip didelė kamanė.
Šv. Elmo ugnis yra ne kas kita, kaip koronos iškrovos forma, lengvai pagaminama laboratorijoje. Įkrautas debesis po juo esančiame Žemės paviršiuje indukuoja priešingo ženklo elektros krūvius. Ypač didelis krūvis susikaupia ant galiukų. Kai elektrinio lauko stiprumas pasiekia kritinę 30 000 V/cm vertę, prasideda iškrova. Netoli galo dėl įprastos oro jonizacijos susidarančius elektronus laukas pagreitina ir, susidūręs su atomais bei molekulėmis, juos sunaikina. Elektronų ir jonų skaičius didėja kaip lavina, o oras pradeda švytėti.
Žemės elektrinis krūvis
Perkūnijos debesis ilgai neišlaiko savo krūvio. Nutrenkia keli žaibai ir debesis išsikrauna. Žemės rutulio krūvis, jei nekreipiate dėmesio į nedidelius svyravimus, išlieka nepakitęs. Žemės paviršiuje elektrinis laukas nėra toks mažas: 130 V/m. Iš pirmo žvilgsnio tai gana keista. Dėl atmosferos jonų oras praleidžia elektrą, o skaičiavimai rodo, kad maždaug po pusvalandžio Žemės rutulys turėtų visiškai išsikrauti. Todėl pagrindinis sunkumas yra ne išsiaiškinti užtaiso kilmę, o suprasti, kodėl jis neišnyksta.
Yra dvi priežastys, dėl kurių atkuriamas Žemės krūvis. Pirma, trenkia žaibas. Per dieną Žemėje nutinka daugiau nei 40 tūkstančių perkūnijų, o kas sekundę į Žemę trenkia apie 1800 žaibų. Apatinė debesies dalis turi neigiamą krūvį, todėl žaibo smūgis yra tam tikros neigiamos elektros dalies perkėlimas į Žemės rutulį.
Tuo pačiu metu perkūnijos metu iš daugybės smailių objektų (Šv. Elmo ugnis) kyla srovės, kurios pašalina teigiamą krūvį nuo žemės paviršiaus.
Sunku čia išlaikyti pusiausvyrą, bet apskritai, matyt, galai sueina. Neigiamojo krūvio praradimą tose žemės paviršiaus vietose, virš kurių yra giedras dangus, kompensuoja neigiamų krūvių antplūdis tose vietose, kur siaučia perkūnija.
Na, iš kur atsirado Žemės krūvis ir kodėl jis neigiamas? Čia mes turime spėlioti. Pasak Frenkelio, iš pradžių nedidelis krūvis kilo dėl atsitiktinių priežasčių. Tada jis pradėjo augti dėl aptarto „perkūnijos mechanizmo“, kol buvo nustatyta dinaminė pusiausvyra, kuri egzistuoja iki šiol.
Iš pradžių įkrovimas gali būti teigiamas. Tada griaustinio debesies vandens lašai būtų kitaip poliarizuoti, o žaibas suteiktų Žemei teigiamą krūvį. Apskritai viskas būtų kaip ir dabar, tik pasikeistų tik teigiamų ir neigiamų krūvių vaidmenys.
Žemės magnetinis laukas žmonių dėmesį patraukė daug anksčiau nei elektrinis laukas. Jis aptinkamas itin paprastai, tačiau jo vaidmuo mūsų planetos gyvenime toli gražu neapsiriboja padėti jos gyventojams kompaso pagalba rasti teisingą kelią didžiuliame vandenyne, taigoje ar dykumoje.
Jei elektrinis laukas praktiškai neviršija apatinių atmosferos sluoksnių, tai magnetinis laukas tęsiasi iki 20 - 25 žemės spindulių. Tik 100 000 kilometrų aukštyje jis nustoja vaidinti pastebimą vaidmenį, artėdamas prie tarpplanetinės erdvės lauko dydžio.
Magnetinis laukas sudaro trečiąjį „šarvo diržą“, juosiantį Žemę kartu su atmosfera ir jonosfera. Akis neleidžia prie Žemės priartėti kosminių dalelių srautams, nebent jų energija būtų per didelė. Tik magnetinių polių srityje šios dalelės gali laisvai prasiskverbti į atmosferą.
Dideliame aukštyje magnetinis laukas yra mažas, tačiau apima didelius erdvės plotus. Ilgą laiką veikdamas įkrautą dalelę, ji žymiai pakeičia jos trajektoriją. Vietoj tiesios linijos aplink lauko linijas vingiuoja spiralė. Išilgai jėgos linijų magnetinis laukas nukreipia daleles link polių. Tačiau kartais, jei dalelės greitis didelis, ji nespėja padaryti nė vieno posūkio, o tada galime kalbėti tik apie trajektorijos kreivumą.
Pagal Ampero dėsnį, dalelė, skrendanti išilgai lauko linijos, nėra veikiama magnetinio lauko. Štai kodėl dalelės gali laisvai skristi iki ašigalių, iš kurių išsiskleidžia jėgos linijos. Nenuostabu, kad dėl korpuskulinių srautų iš Saulės viršutiniai oro vandenyno sluoksniai švyti daugiausia ties ašigaliais.
Beje, šie dalelių srautai patys sukuria reikšmingus magnetinius laukus ir sukelia „magnetines audras“, kurių metu kompaso adata ima bejėgiškai lėkti.
Palyginti neseniai kosminių raketų pagalba aptiktos Žemės radiacinės juostos yra ne kas kita, kaip ne per didelės energijos įkrautos dalelės, užfiksuotos mūsų planetos įtaisytų magnetinių spąstų. Tai magnetinis laukas, kuriame dideliame aukštyje yra įkrautų dalelių spiečius, pavyzdžiui, Žemę supančios halos. Išorinėje juostoje dominuoja elektronai, o vidinėje, kur lauko stiprumas didesnis, protonai. Astronautų skrydžiams dideliame aukštyje šie diržai kelia realų pavojų.
Globe – sferinis dinamas
Antžeminio magnetizmo kilmė yra dar painesnis klausimas nei elektrinio lauko kilmė. To negalima paaiškinti įmagnetintų uolienų kaupimu. Įdomi Frenkelio idėja, iškelta palyginti neseniai, matyt, leidžia čia kažką suprasti. Žemės šerdis yra elektros srovės generatorius, veikiantis savaiminio sužadinimo principu, kaip ir įprastas dinamas.
Tikriausiai jums nebus sunku prisiminti, koks tai principas. Dinamikose srovė atsiranda, kai laidininkai juda magnetiniame lauke, kurį sukuria ta pati srovė. Jei iš pradžių nėra srovės, tada esant tam tikram sukimosi greičiui ji atsiranda ir pradeda didėti. Juk visada yra mažas liekamasis laukas. Jis sukuria srovę, kuri šiek tiek padidina magnetinį lauką. Dėl to iki tam tikros ribinės vertės didėja srovė, o vėliau magnetinis laukas ir pan.
Kad galėtume palyginti Žemės rutulį su generatoriumi, pirmiausia turime daryti prielaidą, kad Žemės šerdis yra skysta ir gali vesti elektros srovę. Šiose prielaidose nėra nieko neįtikėtino. Bet iš kur gali kilti laidžiųjų branduolio masių judėjimas? Su dinamo tiesiog sukame armatūrą, bet čia nėra jokios išorinės įtakos.
Tačiau išeitį galima rasti. Dėl nestabilių elementų radioaktyvaus skilimo temperatūra šerdies centre turėtų būti šiek tiek aukštesnė nei jo periferijoje. Dėl to vyksta konvekcija: karštesnės masės iš šerdies centro veržiasi aukštyn, o šaltesnės leidžiasi žemyn. Tačiau Žemė sukasi ir masių greitis šerdies paviršiuje yra didesnis nei jos gelmėse. Todėl kylantys skysčio elementai sulėtina išorinių šerdies sluoksnių sukimąsi, o besileidžiantys elementai, priešingai, pagreitina vidinius sluoksnius. Dėl to vidinė šerdies dalis sukasi greičiau nei išorinė ir atlieka generatoriaus rotoriaus vaidmenį, o išorinė – statoriaus vaidmenį.
Tokioje sistemoje, kaip rodo skaičiavimai, galimas savaiminis sužadinimas ir didelio masto sūkurinių elektros srovių atsiradimas.
Šios srovės, pagal Frenkelio hipotezę, sukuria magnetinį lauką aplink Žemę!
Energija srovei palaikyti gaunama iš radioaktyvaus medžiagos kaitinimo, dėl kurio šerdyje susidaro konvekcinės srovės.
Sunku pasakyti, ar taip yra iš tikrųjų. Bet kokiu atveju teisingiau Žemę vadinti „dideliu dinamo“ nei „dideliu magnetu“, kaip daroma daugelyje knygų.
Magnetinis laukas supa ne tik Žemę, bet gali egzistuoti ir aplink kitas planetas bei žvaigždes. Jis uždeda „savo antspaudą“ saulės ir žvaigždžių atomų skleidžiamoms šviesos bangoms, suteikdamas fizikai galimybę atrasti save.
Mėnulis, kaip parodė mūsų ir Amerikos mokslininkų atlikti matavimai, neturi magnetinio lauko. Venera jo taip pat neturi. Marse gali būti magnetinis laukas, bet jis labai silpnas, mažiausiai 1000 kartų silpnesnis už Žemės. Tai buvo nustatyta mūsų kosminių orbitinių stočių Mars 2 ir Mars 3 pagalba.
Erdvės elektrodinamika
Pradėję kalbėti apie planetų ir žvaigždžių magnetinius laukus, tyliai įžengėme į naują sritį – kosminės elektrodinamikos sritį. Čia dar mažai patikimų; daug mažiau nei skirtingos hipotezės. Tačiau daugelis dalykų, kurie dar buvo įdomūs vakar, šiandien tampa beveik patikimu faktu. Svarbiausia, kad paaiškėjo, kad elektromagnetinės jėgos vaidina nedidelį vaidmenį erdvėje, kaip buvo manoma anksčiau.
Siautėjantis Saulės paviršius ir atmosfera... Milžiniški karštos medžiagos liežuviai kyla aukštyn. Mūsų planetos dydžio viesulai ir viesulai. Audros, nuolatinės audros, bet ugningos, putojančios. Audros ne tik materijos, bet ir magnetinio lauko.
Kartais juodos dėmės iš Saulės gelmių išnyra poromis. Magnetinis laukas šiose srityse padidėja tūkstančius kartų.
Milžiniškos jėgos kartais iš Saulės išstumia ištisas krūvas įkrautų dalelių. Įveikę gravitacinę trauką, jie kelių tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu atsitrenkia į Žemės atmosferą.
Fizikui čia sunku įžvelgti kažkokį šabloną, kažkokią tvarką. Sunku suprasti besisukančios medžiagos masės jėgų prigimtį. Tai vyksta toli, labai toli ir visai nepanašu į tai, ką galime pamatyti mūsų planetoje.
Sunku, bet ne neįmanoma. Esant temperatūrai, kuri egzistuoja ant Saulės, negali būti nei neutralių atomų, nei neutralių molekulių. Jie tiesiog negali išgyventi, kaip ir garvežys, visu greičiu atsitrenkęs į artėjantį traukinį, negali išgyventi.
O tokios visiškai jonizuotos dujos, arba visiškai jonizuota plazma, kaip teigia fizikai, puikiai praleidžia elektros srovę. Tai leidžia elektromagnetinėms jėgoms atsiskleisti ir parodyti savo galią naujame lauke.
Judančios aukštos temperatūros plazmos viduje esančiame magnetiniame lauke sužadinamos didelio masto elektros srovės. Dėl gero laidumo jie nėra linkę susilpnėti. Todėl terpėje kartu su įprastomis tamprumo jėgomis ne mažesnę reikšmę įgyja ir srovių magnetinės sąveikos jėgos. Ir jei paprastos terpės judėjimas aprašomas hidrodinamikos dėsniais, tai čia karaliauja magnetinė hidrodinamika.
Žinoma, mes dar labai toli nuo visko, kas vyksta Saulėje, supratimo. Tačiau yra įsitikinimų, kad pagrindiniai reiškiniai, pradedant ištisų medžiagų masių išmetimu ir baigiant saulės dėmių atsiradimu, atsiranda dėl magnetinės sąveikos.
Ir ne tik tai! Tarpžvaigždinės dujos yra stipriai jonizuojamos radiacijos. Jo tankis mažas (1 dalelė kubiniame centimetre), tačiau tai kompensuoja didžiulis debesų dydis. Negalima ignoruoti elektros srovių ir atitinkamai magnetinių laukų juose.
Judantys debesys užpildo visą galaktiką, todėl visa galaktika yra užpildyta magnetiniu lauku. Ir ne tik pati galaktika, bet ir kaimyniniai kosmoso regionai.
Magnetiniai laukai čia nėra stiprūs, ir mes negalime jų tiesiogiai suvokti. Bet mes žinome, kad jie egzistuoja! Iš kur?
Galaktikos radijo spinduliuotė ir kosminiai spinduliai
Jeigu matytume radijo bangas, tai danguje sužibėtų ne viena, o trys saulės (tiksliau „radijo saulės“). Vienas iš jų yra Kasiopėjos žvaigždyne, kitas - Cygnus ir galiausiai tai yra mūsų įprasta Saulė *. Bet be to, pastebėtume daug ne tokių ryškių „radijo saulių“ ir silpnos išsklaidytos „radijo šviesos“, sklindančios pas mus iš visų Galaktikos kampelių ir net iš iš pažiūros tuščių vietų šalia jos.
* (Saulė yra eilinė žvaigždė ir tik jos artumas mums leidžia „radijo ryškumu“ konkuruoti su pirmaisiais dviem šaltiniais, neišmatuojamai galingesniais už Saulę.)
Kai kurios radijo bangos kyla susidūrus karštų dujų įkrautoms dalelėms. Tai šiluminė (bremsstrahlung) spinduliuotė. Jis nieko negali pasakyti apie Galaktikos magnetinius laukus. Tačiau yra ir kita, ne šiluminė dalis, kurios lopšys yra magnetinis laukas. Jis apgaubia greitus kosminius elektronus ir, sukdamiesi spirale, šie elektronai skleidžia elektromagnetines bangas, lygiai taip pat, kaip pašėlusiai besisukantis akmuo išsklaido aplink save kibirkštis, jei paliečiate jo paviršių peilio ašmenimis. Galima teigti, kad ten, kur gimsta radijo bangos, būtinai yra magnetiniai laukai!
Bet iš kur kosmose atsiranda greitieji elektronai? Jie generuoja radijo spinduliuotę, o ten, kur yra ypač galingi radijo bangų šaltiniai, turime ieškoti kosminių greitintuvų. Tai reiškia, kad tos tolimos galingos „radijo saulės“, apie kurias buvo kalbama, daugiausia yra tokie kosminiai greitintuvai.
Esame pripratę prie ramios giedro nakties dangaus gelmių. Niekas neatrodo taip nepajudinamai ir amžinai kaip dangaus kūnų „harmoningas choras“. Apskritai taip yra. Tačiau kartais nutinka nelaimės; grynai kosminio masto nelaimės. Milijardus metų įprastą gyvenimą gyvenusi žvaigždė dėl nežinomų priežasčių staiga pradeda siaubingai išsipūsti. (Jei taip nutiktų mūsų Saulei *, tada labai greitai jos viduje atsidurtų visų planetų orbitos.) Žvaigždės (ji vadinama supernova) ryškumas padidėja šimtus milijonų kartų, ir tai matyti dangus vidury baltos dienos. Palaipsniui šviesumas mažėja, o vietoje žvaigždės lieka miglotas debesis, kartais sunkiai pastebimas pro teleskopą.
* (Toks sprogimas saulei tikrai negresia. Jo masė per maža.)
Tikimės, kad visi daugiau ar mažiau supranta, kokia įtampa yra elektros tinkle. Čia žodis įtampa turi lygiai tą pačią reikšmę.
Galaktikoje su milijardais žvaigždžių toks protrūkis stebimas kartą per 100–200 metų. Nuo teleskopo išradimo neatsirado nė viena supernova.
Taigi „radijo saulės“ dažniausiai yra supernovų liekanos. Tik Cygnus žvaigždyno kryptimi tikriausiai stebime dar galingesnės katastrofos pėdsakus; visos galaktikos, panašios į mūsų, sprogimas.
Galima įsivaizduoti, kad įkrautos dalelės (elektronai, protonai ir atomų branduoliai) pradinį pagreitį gauna iš milžiniškos smūginės bangos, lydinčios supernovos sprogimą. Vėliau pradeda veikti elektromagnetinės jėgos. Didėjantis magnetinis laukas sukelia elektrinį lauką. Šis laukas gal ir nėra toks didelis, bet dėl savo kosminių matmenų jis pagreitina atskiras daleles iki energijos, kuri dar nepasiekiama žmogaus sukurtiems greitintuvams.
Kai kuriuos kosminius spindulius tiekia mažiau galingi indukciniai Saulės ir kitų žvaigždžių elektriniai laukai.
Tikriausiai yra ir kitas kosminių dalelių pagreitinimo mechanizmas. Kai judantis įmagnetintas tarpžvaigždinių dujų debesis susitinka su greita dalele, vyksta procesas, panašus į dviejų rutulių susidūrimą. Tik įprastų tamprių jėgų vaidmenį atlieka dalelės sąveika su indukciniu elektriniu lauku, kurį sukuria magnetinis laukas, judantis kartu su dujomis. Esant tokiam susidūrimui, dalelės energija turėtų padidėti, lygiai taip pat, kaip atsitinka, kai lengvas rutulys susiduria su labai sunkiu. Po daugybės susidūrimų dalelė gali įgyti daug energijos.
Atsitiktiniai Galaktikos magnetiniai laukai ne tik pagreitina, bet ir išsklaido kosmines daleles. Dėl to jie į Žemę jau atkeliauja tolygiai iš visų pusių, o ne tik iš tų vietų, kur yra pagreitinami. Itin galingos dalelės skrenda link mūsų, tikriausiai iš kaimyninių galaktikų.
Negalime tvirtinti, kad viskas pasaulyje vyksta taip ir tik taip, kaip mes ką tik jums pasakėme. Tai tik natūraliausias elektromagnetinių reiškinių Visatoje vaizdas šiuolaikiniu požiūriu. Parašyta, kaip matote, labai dideliais potėpiais. Ir tai atsitiko ne tik dėl to, kad vaizdas yra labai didelis. Reiškinių detalės patiems menininkams mokslininkams lieka neaiškios. O „dažai“ ant paveikslo dar „neišdžiūvo“: paveikslas sukurtas visai neseniai, prieš keletą metų, ir tik jo vientisumas teikia vilčių, kad jis iš esmės teisingas.
Kol kosmose žaisdavo jai priderinti didingi reiškiniai, viename iš Maskvos butų „mažą draugišką kolektyvą“ (taip save vadino autoriai) draskė prieštaravimai. Jau įsibėgėjus darbui prie knygos autoriams tapo aišku, kad jų pozicijos, švelniai tariant, visiškai nesutampa.
Ginčo esmė, kaip aišku iš to, kas išdėstyta toliau, leidžia vienam iš bendraautorių priskirti vardą Krotky (sutrumpintai KAM), o už kito - Shrew (sutrumpintai SU).
KAM. Žinai, kaip aš tave gerbiu! Bet ką tu darai?
Vietoj atsitiktinio pasakojimo apie jėgų esmę, jūs, pavirtęs į archyvarą, skrupulingai, su nereikalingomis detalėmis registruojate visas jums žinomas elektromagnetinių jėgų apraiškas. Be to, knygose ieškote jėgų apraiškų aprašymų, kurių, atleiskite, jūs visai nežinote.
Ar apie tai svajojo mūsų skaitytojas, pirkdamas knygą? Kaip manote, ar jam reikia kito vadovėlio?
SU. Atleiskite, bet kadangi knyga nėra patvirtinta ministerijoje, tai dar nėra vadovėlis. O be to, ar nežadėjome pakalbėti apie jėgas gamtoje? Tai reiškia apie jėgas, kurios supa kiekvieną iš mūsų. Neįmanoma, jokiu būdu negalima apeiti trinties, elastingumo, cheminių jėgų ir t.t.. Juk mes rašome ne jauniems filosofams, kurie nori žinoti tik pagrindus ir nesidomi tuo, kas vyksta aplink mus, virš mūsų ir žemiau mus kiekvieną dieną.
KAM. Tikiu, kad turite didelių ketinimų. Bet jei eisi savo keliu, turėsi, pavyzdžiui, kalbėti ne tik apie trintį skysčiuose apskritai, bet ir apie rutulio, cilindro, kubo ir tt trintį. Tada viskas bus sutvarkyta.
Žinoma, aš šiek tiek perdedu, bet jūs neabejotinai turite norą viską sutvarkyti.
SU. Ką siūlote veikti pagal seną pokštą, kuriame mokytas sūnus stebino tėvus ir visus aplinkinius ypatingu moksliniu atsakymų lakoniškumu? Į visus klausimus: kas, kaip ir kodėl, jis atsakė trumpai – tai elektra.
Ir ar turėtume rašyti: elastingumas yra elektra; trintis taip pat yra elektra; cheminės jėgos yra elektrinės jėgos ir kt.
KAM. Ir pažiūrėk, ką turi. Čia yra dujų struktūra kartu su skysčiais (kas žinoma visiems), ir jėgų savybės kristaluose (kurios žino nedaugelis, bet beveik niekam neįdomios)...
Jei vis dar norite apie juos rašyti, rašykite. Bet rašyk taip, kad skaitytojas neužmigtų ir neišmestų knygos kur nors toli.
SU. Taip, jūs turite suprasti, kad tai sunku, labai sunku.
Įdomiau ir lengviau rašyti, pavyzdžiui, apie reliatyvumo teoriją nei apie chemines jėgas. Be to, apie kiekvieną elektromagnetinės jėgos tipą reikia parašyti visą knygą. Nors norisi trumpai, sunku nebūti nuobodžiam.
KAM. Apie reliatyvumo teoriją ne tik įdomiau rašyti, bet ir įdomiau apie ją skaityti.
SU. Na, tegul ši knygos dalis būna enciklopedija, bet enciklopedija, vis dėlto (save glostysiu) labiau tinkanti ne per daug varginančiam skaitymui.
KAM. Matau, tu atkakliai. Bet tavo pasakojime, be kita ko, nėra net elementaraus nuoseklumo. Po kosminių spindulių norisi pereiti tiesiai prie elektrinių žuvų.
SU. Tai kas? Žuvys, taigi žuvys. Kas jomis nesidomi, gali jų neskaityti.
Ir apskritai, kodėl pratarmėje neparašius, kad kiekvienas skaitytojas iš skyriaus „Veikiamos elektromagnetinės jėgos“ skyrelių gali pasirinkti tik tuos, kurie jį domina. Blogiausiu atveju iš viso neskaitykite šio skyriaus.
KAM. Hmm... kadangi tu toks užsispyręs, atrodo, kad tai tikrai vienintelė išeitis.
SU. Nebūk per daug nusiminęs. Taip pat yra redaktorius. Jis sakys: išmesk viską – mes išmesim.
Elektrinė žuvis
Taigi, elektrinė žuvis. Tai unikalūs padarai, kurie skiriasi nuo savo bičiulių tuo, kad turi gyvus galvaninius elementus. Jų gaminama elektros srovė yra gynybos arba puolimo priemonė.
Įdomu tai, kad tarp iškastinių žuvų elektrinių žuvų buvo daug daugiau nei tarp gyvų žuvų. Matyt, aiškus elektromagnetinių jėgų panaudojimas pasirodė esąs ne toks efektyvus, kaip netiesiogiai pasireiškiančių jėgų tobulinimas: pirmiausia raumenų.
Ryškiausias mus dominančios veislės atstovas yra elektrinis erškėtis. Ši šiltose jūrose gyvenanti žuvis sveria apie 100 kilogramų, o ilgis siekia apie du metrus. Jo elektriniai organai, esantys galvos šonuose, sveria daugiau nei kilogramą. Nepavargęs dygliuoklis gali sukurti 8 amperų srovę esant 300 voltų įtampai. Tai kelia rimtą pavojų žmonėms.
Sunku tikėtis didelio jautrumo srovei iš elektrinių žuvų. Iš tiesų, erškėtis lengvai ištveria stresą, kuris yra mirtinas kitoms žuvims.
Stingray elektriniai organai savo struktūra stebėtinai panašūs į galvaninių elementų bateriją. Jie susideda iš daugybės plokščių, surinktų stulpeliais (nuoseklus elementų sujungimas), kurios yra viena šalia kitos daugelyje eilių (lygiagretus ryšys).
Viena plokštės pusė yra lygi ir turi neigiamą krūvį. Kitas, su išsikišusiomis papilėmis, yra teigiamai įkrautas. Kaip ir tikėtasi, visas prietaisas yra uždengtas elektrą izoliuojančiu audiniu.
Nebandysime gilintis į elektrovaros jėgos susidarymo erškėčio organuose mechanizmą, kaip ir kažkada nesupratome įprasto galvaninio elemento veikimo principo (paklausysime K patarimo). Čia dar daug nežinomųjų. Tikrai galima pasakyti tik viena: elektrinių organų veikimas pagrįstas cheminėmis jėgomis, kaip ir galvaniniame elemente.
Taip pat neplėsime savo pažinčių rato tarp elektrinių žuvų.
Neįmanoma nepaminėti dar vieno nuostabaus Nilo gyventojo – mormyro arba vandens dramblio. Ši žuvis aprūpinta nuostabiu lokatoriumi. Jo uodegos apačioje yra kintamos elektros srovės generatorius, kuris siunčia impulsus kelių šimtų virpesių per sekundę dažniu. Aplinkiniai objektai iškraipo elektromagnetinį lauką aplink mormyrus, kurį iškart aptinka jo nugaroje esantis priėmimo įrenginys. Lokatoriaus jautrumas yra neįprastai didelis. Mormyrus negalima sugauti tinkle. Akvariume jis pradeda skubėti, kai tik kelis kartus perbraukiate šukomis per plaukus.
Kaip veikia lokatorius, kol kas neišaiškinta. Tikimasi, kad išsamus šio klausimo tyrimas padės užmegzti povandeninį elektromagnetinį ryšį, kuris iki šiol nebuvo įmanomas dėl didelio elektromagnetinių bangų slopinimo vandenyje.
Nervinio impulso pobūdis
Galų gale, erškėtis ir į jį panašios žuvys su visa savo elektros įranga yra ne kas kita, kaip gamtos užgaida. Gamta nepalyginamai svarbesnį vaidmenį skyrė laisvai elektrai gyvuose organizmuose. Ši elektra aptarnauja ryšio linijas, kurios perduoda „telegramas“ į smegenis iš pojūčių apie viską, kas vyksta išoriniame pasaulyje, ir smegenų atsako įsakymus į bet kokius raumenis ir visus vidaus organus.
Nervai persmelkia visą daugiau ar mažiau tobulų gyvų būtybių kūną, o jų dėka kūnas veikia kaip vientisa visuma, kartais veikdama nuostabiai. Kai nupjaunamas nervas, vedantis į raumenį, jis paralyžiuojamas, kaip ir variklio cilindras nustoja veikti, jei nutrūksta laidas, perduodantis srovės impulsus į uždegimo žvakę.
Tai ne tik paviršutiniška analogija. Nuo Galvani laikų buvo nustatyta, kad nervinėms skaiduloms perduodamas signalas (nervinis impulsas) yra trumpalaikis elektrinis impulsas. Tiesa, situacija toli gražu nėra tokia paprasta, kaip būtų galima pamanyti. Nervas nėra pasyvus didelio laidumo kanalas, kaip įprasta metalinė viela. Tai veikiau primena tai, kas technikoje vadinama reline linija, kai įeinantis signalas perduodamas tik į gretimas linijos dalis, kur jis sustiprinamas ir tik tada slenka toliau, ten vėl sustiprinamas ir pan. Dėl to signalas gali būti perduodamas be slopinimo dideliais atstumais, nepaisant natūralaus slopinimo.
Kas yra nervas? Iš R. Gerardo galite perskaityti: „Jei voras, kurį matome nuo žemės kabantį ant tinklo gijos šešių aukštų pastato aukštyje, būtų sumažintas dar maždaug dvidešimt kartų (įskaitant siūlą, ant kurio jis kabo), jis labai primintų nervinę ląstelę, arba neuroną. Nervinės ląstelės kūnas nesiskiria nuo kitų ląstelių nei savo dydžiu, nei jokiais kitais bruožais... Tačiau neuronas, skirtingai nuo įprastų, smalsių ląstelių. turi ne tik ląstelės korpusą – išsiunčia plonus siūlus primenančius darinius tyrimams į tolimas kūno dalis. , tarsi apimtas klajonių, tęsiasi nuo neurono iki didžiulių atstumų, matuojamų centimetrais ir net metrais.
Visi centrinės nervų sistemos neuronai kartu surenkami galvos ir nugaros smegenyse, kur susidaro pilkoji medžiaga... Ir tik ilgi procesai – aksonai – jungia juos su likusia kūno dalimi. Šių aksonų ryšuliai arba ašiniai procesai, besitęsiantys iš nervinių ląstelių arti vienas kito, sudaro nervus." Speciali medžiaga, mielinas, plonu sluoksniu apgaubia daugumą aksonų, kaip izoliacinė juosta apvynioja elektros laidą.
Patį aksoną galima supaprastintai įsivaizduoti kaip ilgą cilindrinį vamzdelį su paviršine membrana, skiriančia du skirtingos cheminės sudėties ir skirtingos koncentracijos vandeninius tirpalus. Membrana yra tarsi siena su daugybe pusiau atvirų durų, pro kurias tirpalų jonai gali prasiskverbti tik labai sunkiai. Nuostabiausia ir nesuprantamiausia, kad elektrinis laukas „uždaro šias duris“, o susilpnėjus jos atsiveria plačiau.
Ramybės būsenoje aksono viduje yra kalio jonų perteklius; lauke – natrio jonai. Neigiami jonai koncentruojasi daugiausia vidiniame membranos paviršiuje, todėl ji yra neigiamai įkrauta, o išorinis – teigiamai.
Kai nervas sudirginamas, įvyksta dalinė membranos depoliarizacija (sumažėja jo paviršių krūviai), dėl ko sumažėja jo viduje esantis elektrinis laukas. Dėl to „durelės“ šiek tiek atsidaro natrio jonams ir jie pradeda prasiskverbti į pluoštą. Galiausiai šioje vietoje aksono vidus tampa teigiamai įkrautas.
Taip atsiranda nervinis impulsas. Griežtai kalbant, tai yra įtampos impulsas *, kurį sukelia srovės tekėjimas per membraną.
* (Tikimės, kad visi daugiau ar mažiau supranta, kokia įtampa yra elektros tinkle. Čia žodis įtampa turi lygiai tą pačią reikšmę.)
Šiuo metu „durys atsidaro“ kalio jonams. Eidami į aksono paviršių, jie palaipsniui atkuria įtampą (apie 0,05 volto), kurią turėjo nesužadintas nervas.
Tuo pačiu metu kai kurie jonai iš kaimyninės zonos „pralaužia kaimynų duris“. Dėl šios priežasties laukas čia taip pat pradeda silpti, o visas procesas kartojasi naujoje aksono dalyje. Dėl to nervinis impulsas žmogaus nervu į smegenis, neišnykdamas, juda maždaug 120 metrų per sekundę greičiu.
Natrio ir kalio jonai, išstumti iš savo namų per impulsą, palaipsniui grįžta tiesiai per sieną dėl cheminių procesų, kurių mechanizmas dar neišaiškintas.
Stebėtina, kad visas aukštesniųjų gyvūnų elgesys, visos kūrybinės žmogaus smegenų pastangos galiausiai yra pagrįstos šiomis itin silpnomis srovėmis ir geriausiomis mikroskopinėmis cheminėmis reakcijomis.
Smegenų biosrovės
Čia paliečiame gyvosios gamtos šventumą – žmogaus smegenis. Smegenyse nuolat vyksta elektros procesai. Jei ant kaktos ir pakaušio dedamos metalinės plokštelės, per stiprintuvą prijungtos prie įrašymo įrenginio, galima fiksuoti nuolatinius smegenų žievės elektrinius virpesius *. Jų ritmas, forma ir intensyvumas labai priklauso nuo žmogaus būklės.
* (Svyravimai stebimi ne tik žmogaus, bet ir gyvūnų smegenyse.)
Ramiai sėdinčio užmerktomis akimis ir apie nieką negalvojančio žmogaus smegenyse atsiranda apie 10 vibracijų per sekundę. Kai žmogus atidaro akis, smegenų bangos išnyksta ir vėl atsiranda užmerkus akis. Kai žmogus užmiega, vibracijų ritmas sulėtėja. Pagal vibracijų pobūdį galite labai tiksliai nustatyti sapno pradžios ir pabaigos momentą.
Sergant smegenų ligomis ypač smarkiai keičiasi elektrinių virpesių pobūdis. Taigi patologiniai epilepsijos svyravimai gali būti tikras ligos požymis.
Visa tai įrodo, kad smegenų ląstelės yra nuolatinio aktyvumo būsenoje, o daugelis jų, kaip sako Gerardas, „vibruoja kartu kaip didžiulio orkestro smuikai“. Nerviniai impulsai, patenkantys į smegenis, eina ne numintais takais, o pakeičia visą vaizdą apie vibracijų pasiskirstymą smegenų žievėje.
Smegenų elektrinio aktyvumo modelis keičiasi su amžiumi visą gyvenimą ir mokantis.
Reikia manyti, kad elektriniai virpesiai ne tik lydi smegenų darbą, kaip ir triukšmas – automobilio judėjimą, o yra svarbiausias visos jo gyvenimo veiklos momentas. Elektroniniame kompiuteryje, gebančiame atskiras smegenų funkcijas atlikti net geriau nei pačios smegenys, būtent elektromagnetiniai procesai lemia visą darbą.
Reikia pabrėžti, kad kiekvienas pojūtis, kiekviena mintis visiškai neatitinka savo, specifinės vibracijos. Pagal elektrinių virpesių formą kol kas negalime nustatyti, apie ką žmogus galvoja.
Kol kas nežinome, kokias funkcijas šie procesai atlieka smegenyse. Tačiau jie aiškiai parodo, kad materialus mąstymo pagrindas yra elektromagnetiniai procesai labiausiai organizuotoje medžiagoje, kurią gamta sukūrė mūsų planetoje.
Patirtis rodo, kad prie zondo prijungtas elektrometras duoda pastebimą nuokrypį net tada, kai šalia nėra specialiai įkrautų kūnų. Šiuo atveju, kuo aukštesnis taškas virš Žemės paviršiaus, tuo didesnis elektrometro nuokrypis. Tai reiškia, kad tarp skirtingų atmosferos taškų, esančių skirtinguose aukščiuose, yra potencialų skirtumas, ty šalia žemės paviršiaus yra elektrinis laukas. Potencialo pokytis atsižvelgiant į aukštį skiriasi skirtingu metų laiku ir skirtingose srityse, o vidutinė vertė šalia žemės paviršiaus yra apie 130 V/m. Laukas, iškilęs virš Žemės, greitai silpsta, o jau 1 km aukštyje jo intensyvumas tesiekia 40 V/m, o 10 km aukštyje jis tampa nežymiai silpnas. Šio pokyčio ženklas atitinka neigiamą Žemės krūvį. Taigi visą laiką gyvename ir dirbame juntamame elektriniame lauke (žr. 29.1 pratimą).
Eksperimentiniai šios srities tyrimai ir atitinkami skaičiavimai rodo, kad visa Žemė turi neigiamą krūvį, kurio vidutinė vertė yra pusė milijono kulonų. Šis krūvis išlaikomas maždaug nepakitęs dėl daugelio Žemės atmosferoje ir už jos ribų (pasaulinėje erdvėje) vykstančių procesų, kurie dar toli gražu nėra visiškai suprantami.
Natūraliai kyla klausimas: jei Žemės paviršiuje visada yra neigiamas krūvis, tai kur yra atitinkami teigiami krūviai? Kur prasideda elektrinio lauko linijos, kurios baigiasi žemės paviršiuje? Nesunku pastebėti, kad šie teigiami krūviai negali būti kur nors labai toli nuo Žemės, pavyzdžiui, Mėnulyje, žvaigždėse ar planetose. Jei taip būtų, tada šalia Žemės esantis laukas atrodytų taip pat, kaip ir izoliuoto rutulio laukas Fig. 50. Šio lauko stiprumas sumažėtų atvirkščiai proporcingai atstumo nuo Žemės centro (o ne nuo žemės paviršiaus) kvadratui. Tačiau Žemės spindulys yra maždaug 6400 km, todėl atstumo nuo Žemės centro pasikeitimas keliais kilometrais ar keliomis dešimtimis kilometrų lauko stiprumą pakeistų tik nežymiai. Patirtis rodo, kaip minėjome aukščiau, kad Žemės elektrinio lauko stiprumas labai greitai mažėja, kai atstumas nuo jo. Tai rodo, kad teigiamas krūvis, atitinkantis neigiamą Žemės krūvį, yra kažkur ne itin dideliame aukštyje virš Žemės paviršiaus. Iš tiesų, kelių dešimčių kilometrų aukštyje virš Žemės buvo aptiktas teigiamai įkrautų (jonizuotų) molekulių sluoksnis. Tūrinis teigiamas šio krūvių „debesies“ krūvis kompensuoja neigiamą Žemės krūvį. Žemės elektrinio lauko linijos eina iš šio sluoksnio į žemės paviršių.
Ryžiai. 50. Įkrauto rutulio, nutolusio nuo kitų objektų, ekvipotencialūs paviršiai (ištisinės linijos) ir lauko linijos (punktyrinės linijos). Rutulio viduje nėra lauko, kaip ir bet kurio laidininko viduje.
29.1. Kadangi lauko šalia Žemės intensyvumas yra apie 130 V/m, tai tarp taškų, kur yra kiekvieno iš mūsų galva ir kojos, turėtų būti virš 200 V įtampa. Kodėl mes nejaučiame šio lauko , o liesti akumuliatoriaus polius ar 220 V tinklą yra labai skausminga ir netgi gali būti pavojinga?
29.2. Matavimai elektriniu zondu rodo, kad potencialo padidėjimas aukštyje ties Žemės paviršiumi yra vidutiniškai 100 V/m. Darant prielaidą, kad šį lauką sukelia Žemės krūvis, apskaičiuokite krūvį, esantį Žemės rutulyje, darydami prielaidą, kad Žemės spindulys yra 6400 km.
