Nebeské teleso nazývané planéta Zem má elektrický náboj, ktorý vytvára prirodzené elektrické pole Zeme. Jednou z charakteristík elektrického poľa je potenciál a elektrické pole Zeme je tiež charakterizované potenciálom. Môžeme tiež povedať, že okrem prirodzeného elektrického poľa existuje aj prirodzený jednosmerný elektrický prúd (DC) planéty Zem. Potenciálny gradient Zeme je distribuovaný z jej povrchu do ionosféry. Za dobrého počasia pre statickú elektrinu je atmosférické elektrické pole približne 150 voltov na meter (V/m) blízko zemského povrchu, ale táto hodnota exponenciálne klesá so zvyšujúcou sa výškou na 1 V/m alebo menej (vo výške 30 km). Dôvodom poklesu gradientu je okrem iného aj zvýšenie vodivosti atmosféry.
Ak nosíte oblečenie vyrobené z dobrého izolantu, ktorý je výborným dielektrikom, napríklad oblečenie vyrobené z nylonu, a používate výhradne gumenú obuv a na povrchu oblečenia nemáte žiadne kovové predmety, potom je možné zmerať potenciálny rozdiel medzi povrchom zeme a temenom hlavy. Pretože každý meter je 150 voltov, potom pri výške 170 cm bude v hornej časti hlavy potenciálny rozdiel 1,7 x 150 = 255 voltov vzhľadom na povrch. Ak si na hlavu položíte kovovú panvicu, nahromadí sa na nej povrchový náboj. Dôvodom tohto zberu nábojov je, že nylonové oblečenie je dobrým izolantom a topánky sú gumené. Uzemnenie, to znamená, že neexistuje žiadny vodivý kontakt s povrchom zeme. Aby ste na sebe neakumulovali elektrické náboje, musíte sa „uzemniť“. Rovnako aj predmety, veci, budovy a stavby, najmä výškové, sú schopné akumulovať atmosférickú elektrinu. To môže viesť k nepríjemným následkom, pretože akýkoľvek nahromadený náboj môže spôsobiť elektrický prúd a iskrenie v plynoch. Takéto elektrostatické výboje môžu poškodiť elektroniku a spôsobiť požiar, najmä v prípade horľavých materiálov.
Aby sa nehromadili náboje atmosférickej elektriny, stačí spojiť horný bod so spodným (zem) elektrickým vodičom, a ak je oblasť veľká, potom sa uzemnenie vykoná vo forme klietky, obvodu , ale v skutočnosti používajú to, čo sa nazýva „Faradayova klietka“.
Charakteristika atmosférickej elektriny
Zem je záporne nabitá a má náboj rovnajúci sa 500 000 coulombom (C) elektrického náboja. Potenciálny rozdiel sa pohybuje od 300 000 voltov (300 kV), ak vezmeme do úvahy napätie medzi kladne nabitou ionosférou a zemským povrchom. Existuje tiež jednosmerný elektrický prúd asi 1350 ampérov (A) a odpor zemskej atmosféry je asi 220 ohmov. To dáva výkon približne 400 megawattov (MW), ktorý sa regeneruje slnečnou aktivitou. Táto sila ovplyvňuje ionosféru Zeme, ako aj nižšie vrstvy, čo spôsobuje búrky. Elektrická energia, ktorá je uložená a uložená v zemskej atmosfére, je asi 150 gigajoulov (GJ).
Systém Zem-Ionosféra funguje ako obrovský kondenzátor s kapacitou 1,8 Faradu. Vzhľadom na obrovskú veľkosť povrchu Zeme pripadá na meter štvorcový povrchu iba 1 nC elektrického náboja.
Elektrosféra Zeme siaha od hladiny mora do výšky asi 60 km. V horných vrstvách, kde je veľa voľných iónov a táto časť gule sa nazýva ionosféra, je vodivosť maximálna, keďže sú tam voľné nosiče náboja. Potenciál v ionosfére možno povedať, že je vyrovnaný, keďže táto guľa je v podstate považovaná za vodič elektrického prúdu, v plynoch sú prúdy a prenosový prúd. Zdrojom voľných iónov je rádioaktivita Slnka. Prúd nabitých častíc prichádzajúcich zo Slnka az vesmíru „vyráža“ elektróny z molekúl plynu, čo vedie k ionizácii. Čím vyššie ste od hladiny mora, tým nižšia je vodivosť atmosféry. Na hladine mora je elektrická vodivosť vzduchu asi 10 -14 Siemens/m (S/m), ale s rastúcou nadmorskou výškou sa rýchlo zvyšuje a vo výške 35 km je už 10 -11 S/m. V tejto nadmorskej výške je hustota vzduchu len 1 % hustoty vzduchu na hladine mora. Ďalej, s rastúcou nadmorskou výškou sa vodivosť mení nerovnomerne, pretože ovplyvňuje magnetické pole Zeme a toky fotónov zo Slnka. To znamená, že vodivosť elektrosféry nad 35 km od hladiny mora je nerovnomerná a závisí od dennej doby (fotónový tok) a od geografickej polohy (magnetické pole Zeme).
Aby medzi dvoma plochými paralelnými elektródami (vzdialenosť medzi nimi je 1 meter), ktoré sú umiestnené na hladine mora, v suchom vzduchu došlo k elektrickému prierazu, je potrebná intenzita poľa 3000 kV/m. Ak sú tieto elektródy zdvihnuté do výšky 10 km od hladiny mora, potom budú potrebné iba 3% tohto napätia, to znamená, že stačí 90 kV/m. Ak sú elektródy spojené tak, že vzdialenosť medzi nimi je 1 mm, potom bude potrebné prierazné napätie 1000-krát menšie, to znamená 3 kV (hladina mora) a 9 V (v nadmorskej výške 10 km).
Prirodzená hodnota intenzity elektrického poľa Zeme na jej povrchu (hladina mora) je asi 150 V/m, čo je oveľa menej ako hodnoty potrebné na prieraz medzi elektródami aj v medzere 1 mm (3 kV/). m požadované).
Odkiaľ pochádza potenciál elektrického poľa Zeme?
Ako bolo uvedené vyššie, Zem je kondenzátor, ktorého jedna doska je povrch Zeme a druhá doska superkondenzátora je oblasť ionosféry. Na povrchu Zeme je náboj záporný a za ionosférou kladný. Rovnako ako povrch Zeme, aj ionosféra je vodič a vrstva atmosféry medzi nimi je nehomogénne plynové dielektrikum. Kladný náboj ionosféry vzniká vďaka kozmickému žiareniu, ale čo nabíja povrch Zeme záporným nábojom?
Pre prehľadnosť je potrebné pamätať na to, ako sa nabíja konvenčný elektrický kondenzátor. Je súčasťou elektrického obvodu k zdroju prúdu a nabíja sa na maximálnu hodnotu napätia na platniach. Pre kondenzátor, akým je Zem, sa stane niečo podobné. Tak isto sa musí zapnúť určitý zdroj, musí tiecť prúd a na platniach vznikajú opačné náboje. Myslite na blesky, ktoré zvyčajne sprevádzajú búrky. Tieto blesky sú samotným elektrickým obvodom, ktorý nabíja Zem.
Práve blesk zasahujúci povrch Zeme je zdrojom, ktorý nabíja povrch Zeme záporným nábojom. Blesk má prúd asi 1800 ampérov a počet búrok a bleskov za deň je viac ako 300. Búrkový mrak má polaritu. Jeho horná časť vo výške približne 6-7 km pri teplote vzduchu okolo -20°C je kladne nabitá a jeho spodná časť vo výške 3-4 km pri teplote vzduchu 0° až -10°C. je negatívne nabitý. Náboj na dne búrkového mraku je dostatočný na to, aby vytvoril potenciálny rozdiel s povrchom Zeme 20-100 miliónov voltov. Náboj blesku je zvyčajne rádovo 20-30 coulombov (C) elektriny. Blesky udierajú vo výbojoch medzi oblakmi a medzi oblakmi a povrchom Zeme. Každé nabitie si vyžaduje približne 5 sekúnd, takže k výbojom blesku môže dôjsť v tomto poradí, ale to neznamená, že k výboju nevyhnutne dôjde po 5 sekundách.
Blesk
Atmosférický výboj vo forme blesku má pomerne zložitú štruktúru. V každom prípade ide o jav elektrického prúdu v plynoch, ku ktorému dochádza pri dosiahnutí nevyhnutných podmienok na rozklad plynu, teda ionizáciu molekúl vzduchu. Najkurióznejšie je, že zemská atmosféra pôsobí ako nepretržité dynamo, ktoré negatívne nabíja povrch Zeme. Každý výboj blesku udrie pod podmienkou, že zemský povrch je zbavený záporných nábojov, čo poskytuje potrebný potenciálny rozdiel pre výboj (ionizácia plynu).
Akonáhle blesk zasiahne zem, negatívny náboj prúdi na povrch, ale potom sa spodná časť búrkového mraku vybije a jeho potenciál sa zmení, stane sa pozitívnym. Potom dôjde k spätnému prúdu a prebytočný náboj, ktorý dosiahne povrch Zeme, sa posunie nahor, čím sa opäť nabije búrkový mrak. Potom je možné proces zopakovať, ale s nižšími hodnotami elektrického napätia a prúdu. To sa deje, pokiaľ existujú podmienky na ionizáciu plynov, potrebný potenciálny rozdiel a prebytok záporného elektrického náboja.
Aby sme to zhrnuli, môžeme povedať, že blesk udrie v krokoch, čím sa vytvorí elektrický obvod, ktorým prúdi prúd v plynoch so striedavým smerom. Každé dobitie bleskom trvá asi 5 sekúnd a udrie len vtedy, keď sú na to potrebné podmienky (prierazné napätie a ionizácia plynu). Napätie medzi začiatkom a koncom blesku môže byť rádovo 100 miliónov voltov a priemerná hodnota prúdu je asi 1800 ampérov. Špičkový prúd dosahuje viac ako 10 000 ampérov a prenesený náboj sa rovná 20-30 coulombom elektriny.
Globálny kondenzátor
V prírode sa nachádza úplne unikátny alternatívny zdroj energie, ekologický, obnoviteľný, ľahko použiteľný, ktorý ešte nikde nebol využitý. Týmto zdrojom je atmosférický elektrický potenciál.
Elektricky je naša planéta ako sférický kondenzátor nabitý na približne 300 000 voltov. Vnútorná guľa – povrch Zeme – je nabitá záporne, vonkajšia guľa – ionosféra – je nabitá kladne. Atmosféra Zeme slúži ako izolant (obr. 1).
Atmosférou neustále prúdia zvodové prúdy iónových a konvekčných kondenzátorov, ktoré dosahujú mnoho tisíc ampérov. Napriek tomu sa potenciálny rozdiel medzi doskami kondenzátora neznižuje.
To znamená, že v prírode existuje generátor (G), ktorý neustále dopĺňa únik nábojov z dosiek kondenzátora. Takýmto generátorom je magnetické pole Zeme, ktorý rotuje spolu s našou planétou v prúdení slnečného vetra.
Ak chcete využiť energiu tohto generátora, musíte k nemu nejakým spôsobom pripojiť spotrebiteľa energie.
Pripojenie k zápornému pólu - Zemi - je jednoduché. Na to stačí urobiť spoľahlivé uzemnenie. Napojenie na kladný pól generátora – ionosféru – je zložitý technický problém, ktorý vyriešime.
Ako v každom nabitom kondenzátore, aj v našom globálnom kondenzátore je elektrické pole. Sila tohto poľa je rozložená veľmi nerovnomerne na výšku: je maximálna na povrchu Zeme a je približne 150 V/m. S výškou klesá približne podľa exponenciálneho zákona a vo výške 10 km je to asi 3% hodnoty pri povrchu Zeme.
Takmer celé elektrické pole je teda sústredené v spodnej vrstve atmosféry, blízko povrchu Zeme. Vektor elektrického napätia Zemské pole E je vo všeobecnosti nasmerované nadol. V našich diskusiách budeme používať iba vertikálnu zložku tohto vektora. Elektrické pole Zeme, ako každé elektrické pole, pôsobí na náboje určitou silou F, ktorá sa nazýva Coulombova sila. Ak množstvo náboja vynásobíte elektrickým napätím. polia v tomto bode, potom dostaneme len veľkosť Coulombovej sily Fcoul. Táto Coulombova sila tlačí kladné náboje dole na zem a záporné náboje hore do oblakov.
Vodič v elektrickom poli
Nainštalujte kovový stožiar na povrch Zeme a uzemnite ho. Vonkajšie elektrické pole začne okamžite presúvať záporné náboje (vodivé elektróny) nahor na vrchol stožiara, čím sa tam vytvorí prebytok záporných nábojov. A prebytok záporných nábojov na vrchole stožiara vytvorí svoje vlastné elektrické pole nasmerované do vonkajšieho poľa. Prichádza moment, keď sa veľkosť týchto polí zrovná a pohyb elektrónov sa zastaví. To znamená, že vo vodiči, z ktorého je vyrobený stožiar, je elektrické pole nulové.
Takto fungujú zákony elektrostatiky.
Predpokladajme, že výška stožiara je h = 100 m, priemerné napätie po výške stožiara je Eсr. = 100 V/m.
Potom sa potenciálny rozdiel (emf) medzi Zemou a vrcholom stožiara bude číselne rovnať: U = h * Eav. = 100 m * 100 V / m = 10 000 voltov. (1)
Toto je úplne reálny potenciálny rozdiel, ktorý sa dá zmerať. Je pravda, že to nebude možné zmerať bežným voltmetrom s drôtmi - v drôtoch vznikne presne to isté emf ako v stožiari a voltmeter bude ukazovať 0. Tento potenciálny rozdiel smeruje opačne k vektoru sily E elektrické pole Zeme a má tendenciu vytláčať vodivé elektróny z vrcholu stožiara hore do atmosféry. Ale to sa nestane; elektróny nemôžu opustiť vodič. Elektróny nemajú dostatok energie na to, aby opustili vodič, ktorý tvorí stožiar. Táto energia sa nazýva pracovná funkcia elektrónu z vodiča a pre väčšinu kovov je to menej ako 5 elektrónvoltov - veľmi nevýznamná hodnota. Ale elektrón v kove nemôže získať takú energiu medzi zrážkami s kryštálovou mriežkou kovu, a preto zostáva na povrchu vodiča.
Vynára sa otázka: čo sa stane s vodičom, ak pomôžeme prebytočným nábojom na vrchole stožiara opustiť tento vodič?
Odpoveď je jednoduchá: záporný náboj v hornej časti stožiara sa zníži, vonkajšie elektrické pole vo vnútri stožiara už nebude kompenzované a opäť začne presúvať vodivé elektróny smerom nahor k hornému koncu stožiara. To znamená, že cez stožiar bude pretekať prúd. A ak sa nám podarí neustále odstraňovať prebytočné náboje z vrcholu stožiara, prúd v ňom bude neustále tiecť. Teraz stačí odrezať stožiar na akomkoľvek mieste, ktoré nám vyhovuje, a tam zapnúť záťaž (spotrebič energie) - a elektráreň je pripravená.
Obrázok 3 znázorňuje schematický diagram takejto elektrárne. Pod vplyvom zemského elektrického poľa sa vodivé elektróny zo zeme pohybujú pozdĺž stožiara cez záťaž a potom hore po stožiari k žiariču, ktorý ich uvoľní z kovového povrchu vrcholu stožiara a pošle ich ako ióny, aby sa vznášali. voľne cez atmosféru. Elektrické pole Zeme ich v úplnom súlade s Coulombovým zákonom dvíha hore, až kým nie sú na svojej ceste neutralizované kladnými iónmi, ktoré pod vplyvom toho istého poľa vždy padajú z ionosféry.
Takto sme uzavreli elektrický obvod medzi platňami globálneho elektrického kondenzátora, ktorý je zase pripojený ku generátoru G, a zaradili sme do tohto obvodu spotrebič energie (záťaž). Zostáva vyriešiť jednu dôležitú otázku: ako odstrániť prebytočné náboje z hornej časti stožiara?
Dizajn žiariča
Najjednoduchším žiaričom môže byť plochý kotúč z plechu s množstvom ihiel umiestnených po jeho obvode. Je „namontovaný“ na zvislej osi a otočený.
Ako sa disk otáča, prichádzajúci vlhký vzduch oddeľuje elektróny z jeho ihiel a tým ich uvoľňuje z kovu.
Elektráreň s podobným emitorom už existuje. Je pravda, že nikto nevyužíva jeho energiu;
Ide o helikoptéru, ktorá nesie kovovú konštrukciu na dlhom kovovom závese počas inštalácie vysokých budov. Tu sú všetky prvky elektrárne znázornené na obr. 3, s výnimkou spotrebiča energie (záťaž). Emitorom sú listy rotora vrtuľníka, ktoré sú ofukované prúdom vlhkého vzduchu, sťažeň je dlhý oceľový záves s kovovou konštrukciou. A pracovníci, ktorí inštalujú túto konštrukciu na miesto, veľmi dobre vedia, že je zakázané dotýkať sa jej holými rukami – „spôsobí vám to zásah elektrickým prúdom“. A skutočne sa v tomto momente stávajú záťažou v okruhu elektrárne.
Samozrejme sú možné aj iné konštrukcie žiaričov, efektívnejšie, komplexnejšie, založené na rôznych princípoch a fyzikálnych efektoch, viď obr. 4-5.
Emitor v súčasnosti neexistuje vo forme hotového výrobku. Každý, kto sa o túto myšlienku zaujíma, je nútený samostatne skonštruovať svoj vlastný žiarič.
Na pomoc takýmto kreatívnym ľuďom autor nižšie uvádza svoje myšlienky o dizajne žiariča.
Nasledujúce návrhy žiaričov sa zdajú byť najsľubnejšie.
Prvá verzia žiariča
Molekula vody má dobre definovanú polaritu a môže ľahko zachytiť voľný elektrón. Ak fúkate paru na záporne nabitú kovovú platňu, para zachytí voľné elektróny z povrchu platne a vezme ich so sebou. Emitor je štrbinová dýza, pozdĺž ktorej je umiestnená izolovaná elektróda A a na ktorú je privedený kladný potenciál zo zdroja I. Elektróda A a ostré hrany dýzy tvoria malú nabitú kapacitu. Voľné elektróny sa zhromažďujú na ostrých hranách dýzy vplyvom kladne izolovanej elektródy A. Para prechádzajúca dýzou zachytáva elektróny z okrajov dýzy a unáša ich do atmosféry. Na obr. 4 znázorňuje pozdĺžny rez touto štruktúrou. Pretože elektróda A je izolovaná od vonkajšieho prostredia, prúd v obvode zdroja emf je Nie A táto elektróda je tu potrebná len na to, aby spolu s ostrými hranami dýzy vytvorila v tejto medzere silné elektrické pole a sústredila vodivé elektróny na okrajoch dýzy. Elektróda A s kladným potenciálom je teda druh aktivačnej elektródy. Zmenou potenciálu na ňom môžete dosiahnuť požadovanú hodnotu prúdu emitora.
Vzniká veľmi dôležitá otázka - koľko pary by sa malo dodávať cez trysku a ukáže sa, že všetka energia stanice bude musieť byť vynaložená na premenu vody na paru? Urobme si malý výpočet.
Jeden gram molekuly vody (18 ml) obsahuje 6,02 * 1023 molekúl vody (Avogadrove číslo). Náboj jedného elektrónu sa rovná 1,6 * 10 (- 19) Coulomb. Vynásobením týchto hodnôt zistíme, že na 18 ml vody je možné umiestniť 96 000 coulombov elektrického náboja a na 1 liter vody viac ako 5 000 000 coulombov. To znamená, že pri prúde 100 A stačí jeden liter vody na prevádzku inštalácie po dobu 14 hodín. Premena tohto množstva vody na paru bude vyžadovať veľmi malé percento vyrobenej energie.
Samozrejme, pripojiť elektrón ku každej molekule vody je sotva realizovateľná úloha, ale tu sme definovali hranicu, ku ktorej sa možno neustále približovať zlepšovaním dizajnu zariadenia a technológie.
Okrem toho výpočty ukazujú, že je energeticky výhodnejšie dýzou fúkať vlhký vzduch namiesto pary, čím sa jeho vlhkosť reguluje v požadovaných medziach.
Druhá verzia žiariča
Na vrchole stožiara je kovová nádoba s vodou. Nádoba je spojená s kovom stožiara spoľahlivým kontaktom. V strede nádoby je inštalovaná sklenená kapilára. Hladina vody v trubici je vyššia ako v nádobe. To vytvára efekt elektrostatického hrotu - maximálna koncentrácia nábojov a maximálna intenzita elektrického poľa sa vytvárajú v hornej časti kapiláry.
Vplyvom elektrického poľa voda v kapiláre stúpa a rozprašuje sa na malé kvapôčky, pričom so sebou berie záporný náboj. Pri určitej malej sile prúdu bude voda v kapiláre vrieť a para odnesie náboje. A to by malo zvýšiť prúd emitora.
V takejto nádobe môže byť inštalovaných niekoľko kapilárnych rúrok. Koľko vody je potrebné - pozri výpočty vyššie.
Tretie uskutočnenie žiariča. Vysielač iskier.
Keď sa iskrisko rozpadne, spolu s iskrou vyskočí z kovu oblak vodivých elektrónov.
Obrázok 5 znázorňuje schematický diagram žiariča iskier. Z vysokonapäťového generátora impulzov sú záporné impulzy vysielané na stožiar, kladné impulzy sú odosielané do elektródy, ktorá tvorí iskrisko s vrcholom stožiara. Ukazuje sa niečo podobné ako zapaľovacia sviečka v aute, ale dizajn je oveľa jednoduchší.
Vysokonapäťový generátor impulzov sa v podstate príliš nelíši od bežného plynového zapaľovača čínskej výroby pre domácnosť napájaného jednou AA batériou.
Hlavnou výhodou takéhoto zariadenia je možnosť regulácie prúdu emitora pomocou frekvencie vybíjania, veľkosti iskriska, môžete urobiť niekoľko iskier atď.
Generátor impulzov môže byť inštalovaný na akomkoľvek vhodnom mieste, nie nevyhnutne na vrchole stožiara.
Existuje však jedna nevýhoda - iskrové výboje vytvárajú rádiové rušenie. Vrch sťažňa s iskriskovými medzerami preto musí byť tienený valcovou sieťovinou, ktorá musí byť od sťažňa izolovaná.
Štvrtá verzia žiariča
Ďalšou možnosťou je vytvorenie žiariča na princípe priamej emisie elektrónov z materiálu žiariča. To si vyžaduje materiál s veľmi nízkou funkciou práce elektrónov. Takéto materiály existujú už dlho, napríklad pasta oxidu bárnatého - 0,99 eV. Možno je teraz niečo lepšie.
V ideálnom prípade by to mal byť supravodič izbovej teploty (RTSC), ktorý v prírode ešte neexistuje. Podľa rôznych správ by sa ale mala objaviť už čoskoro. Všetka nádej spočíva v nanotechnológii.
Stačí umiestniť kúsok CTSP na vrchol stožiara - a vysielač je pripravený. Pri prechode cez supravodič nenarazí elektrón na odpor a veľmi rýchlo získa energiu potrebnú na výstup z kovu (asi 5 eV).
A ešte jedna dôležitá poznámka. Podľa zákonov elektrostatiky je intenzita elektrického poľa Zeme najvyššia vo výškach - na vrcholoch kopcov, kopcov, hôr a pod. V nížinách, priehlbinách a priehlbinách je minimálna. Preto je lepšie takéto zariadenia stavať na najvyšších miestach a ďaleko od vysokých budov, prípadne ich inštalovať na strechy najvyšších budov.
Ďalším dobrým nápadom je zdvihnúť vodič pomocou balóna. Vysielač musí byť samozrejme nainštalovaný na vrchu balóna. V tomto prípade je možné získať dostatočne veľký potenciál pre spontánnu emisiu elektrónov z kovu, čo mu dáva formu otria, a preto v tomto prípade nie sú potrebné žiadne zložité žiariče.
Je tu ďalšia dobrá príležitosť získať žiarič. Elektrostatické lakovanie kovov sa používa v priemysle. Striekaná farba vylietavajúca zo striekacej pištole nesie elektrický náboj, vďaka ktorému sa usadí na lakovanom kove, na ktorý sa aplikuje náboj opačného znamienka. Technológia sa osvedčila.
Takéto zariadenie, ktoré nabíja striekanú farbu, je presne skutočným elektrickým žiaričom. poplatky. Zostáva len prispôsobiť ho vyššie opísanej inštalácii a v prípade potreby vody nahradiť náter vodou.
Je celkom možné, že vlhkosť vždy obsiahnutá vo vzduchu bude dostatočná na to, aby žiarič fungoval.
Je možné, že v priemysle existujú ďalšie podobné zariadenia, ktoré sa dajú ľahko premeniť na žiarič.
závery
V dôsledku nášho konania sme pripojili spotrebiteľa energie ku globálnemu generátoru elektrickej energie. Na záporný pól - Zem - sme sa pripojili pomocou bežného kovového vodiča (uzemnenie) a na kladný pól - ionosféru - pomocou veľmi špecifického vodiča - konvekčného prúdu. Konvekčné prúdy sú elektrické prúdy spôsobené usporiadaným transportom nabitých častíc. V prírode sú bežné. Sú to obyčajné konvekčné vzostupné prúdy, ktoré nesú záporné náboje do oblakov, a to sú tornáda (tornáda). ktoré ťahajú k zemi oblakovú hmotu vysoko nabitú kladnými nábojmi, sú to aj stúpajúce vzdušné prúdy v zóne intertropickej konvergencie, ktoré nesú obrovské množstvo negatívnych nábojov do horných vrstiev troposféry. A takéto prúdy dosahujú veľmi vysoké hodnoty.
Ak vytvoríme dostatočne účinný žiarič, ktorý dokáže uvoľniť povedzme 100 coulombov nábojov za sekundu (100 ampérov) z vrcholu stožiara (alebo niekoľkých stožiarov), potom sa výkon elektrárne, ktorú sme postavili, bude rovnať 1 000 000 watty alebo 1 megawatt. Celkom slušný výkon!
Takáto inštalácia je nevyhnutná v odľahlých osadách, na meteorologických staniciach a iných miestach vzdialených od civilizácie.
Z vyššie uvedeného možno vyvodiť tieto závery:
Zdroj energie je mimoriadne jednoduchý a ľahko sa používa.
Výstupom je najvhodnejší druh energie – elektrina.
Zdroj je šetrný k životnému prostrediu: žiadne emisie, žiadny hluk atď.
Inštalácia je mimoriadne jednoduchá na výrobu a obsluhu.
Výnimočne nízke náklady na vyrobenú energiu a mnoho ďalších výhod.
Elektrické pole Zeme podlieha výkyvom: v zime je silnejšie ako v lete, dosahuje maximum denne o 19. hodine GMT a závisí aj od poveternostných podmienok. Tieto výkyvy však nepresahujú 20 % jeho priemernej hodnoty.
V niektorých zriedkavých prípadoch sa za určitých poveternostných podmienok môže sila tohto poľa niekoľkonásobne zvýšiť.
Počas búrky sa elektrické pole mení v širokom rozsahu a môže zmeniť smer na opačný, ale to sa deje na malej ploche priamo pod búrkovým článkom.
Kurilov Jurij Michajlovič
Elektrické pole Zeme, prirodzené elektrické pole Zeme ako planéty, ktoré sa pozoruje v pevnom tele Zeme, v moriach, v atmosfére a magnetosfére. E. položka 3. je spôsobená zložitým komplexom geofyzikálnych javov. Rozloženie potenciálu poľa nesie určité informácie o štruktúre Zeme, o procesoch prebiehajúcich v nižších vrstvách atmosféry, v ionosfére, magnetosfére, ako aj v blízkom medziplanetárnom priestore a na Slnku.
Technika merania elektrónovej hustoty 3. je určená prostredím, v ktorom je pole pozorované. Najuniverzálnejšou metódou je určenie rozdielu potenciálov pomocou elektród rozmiestnených v priestore. Táto metóda sa používa pri zaznamenávaní zemných prúdov (pozri. Telurické prúdy ), pri meraní elektrického poľa atmosféry z lietadla a z kozmickej lode - magnetosféry a vesmíru (v tomto prípade musí vzdialenosť medzi elektródami prekročiť Polomer skríningu Debye v kozmickej plazme, t.j. stovky metrov).
Existencia elektrického poľa v zemskej atmosfére je spojená najmä s procesmi ionizácie vzduchu a priestorového oddeľovania kladných a záporných elektrických nábojov vznikajúcich pri ionizácii. K ionizácii vzduchu dochádza pod vplyvom kozmických lúčov ultrafialového žiarenia zo Slnka; žiarenie rádioaktívnych látok prítomných na povrchu Zeme a vo vzduchu; elektrické výboje v atmosfére a pod. Mnohé atmosférické procesy: konvekcia, tvorba oblakov, zrážky a iné - vedú k čiastočnému oddeleniu rozdielnych nábojov a vzniku atmosférických elektrických polí (viď. Atmosférická elektrina ). V porovnaní s atmosférou je povrch Zeme negatívne nabitý.
Existencia atmosférického elektrického poľa vedie k vzniku prúdov, vybitie atmosféry elektrického „kondenzátora“ - Zeme. Zrážky zohrávajú významnú úlohu pri výmene nábojov medzi zemským povrchom a atmosférou. V priemere zrážky prinášajú 1,1-1,4 krát viac pozitívnych nábojov ako negatívnych. Únik náloží z atmosféry sa dopĺňa aj vplyvom prúdov spojených s bleskom a tokom náloží z hrotitých predmetov (bodov). Bilancia elektrických nábojov privedených na zemský povrch s plochou 1 km 2 za rok možno charakterizovať nasledujúcimi údajmi:
Vodivý prúd + 60 k/(km 2 roky)
Zrážkové prúdy + 20 "
Výboje blesku – 20 »
Prúdy z tipov - 100 "
__________________________
Celkom – 40 k/(km 2 roky)
Na významnej časti zemského povrchu – nad oceánmi – sú prúdy z hrotov vylúčené a bude tu pozitívna bilancia. Existencia statického záporného náboja na povrchu Zeme (asi 5,7 × 10 5 Komu) naznačuje, že tieto prúdy sú v priemere vyrovnané.
Elektrické polia v ionosfére sú spôsobené procesmi vyskytujúcimi sa v horných vrstvách atmosféry aj v magnetosfére. Slapové pohyby vzdušných hmôt, vetry, turbulencie - to všetko je zdrojom generovania elektrického poľa v ionosfére v dôsledku hydromagnetického dynamo efektu (viď. Zemský magnetizmus ) Príkladom je slnečno-denný elektrický prúdový systém, ktorý spôsobuje denné zmeny magnetického poľa na povrchu Zeme. Veľkosť intenzity elektrického poľa v ionosfére závisí od polohy pozorovacieho bodu, dennej doby, celkového stavu magnetosféry a ionosféry a aktivity Slnka. Pohybuje sa od niekoľkých jednotiek až po desiatky mv/m, a vo vysokej zemepisnej šírke ionosféra dosahuje sto alebo viac mv/m. V tomto prípade prúd dosahuje stovky tisíc ampérov. V dôsledku vysokej elektrickej vodivosti plazmy ionosféry a magnetosféry pozdĺž siločiar magnetického poľa Zeme sa elektrické polia ionosféry prenášajú do magnetosféry a magnetosférické polia sa prenášajú do ionosféry.
Jedným z priamych zdrojov elektrického poľa v magnetosfére je slnečný vietor. Keď slnečný vietor prúdi okolo magnetosféry, vzniká emf E= v´ b^ , kde b ^ - normálna zložka magnetického poľa na povrchu magnetosféry, v- priemerná rýchlosť častíc slnečného vetra.
Toto emf spôsobuje elektrické prúdy, ktoré sú uzavreté spätnými prúdmi prúdiacimi cez chvost magnetosféry (pozri obr. Zem ). Tie sú generované kladnými priestorovými nábojmi na rannej strane magnetotailu a zápornými na jeho večernej strane. Intenzita elektrického poľa cez magnetotail dosahuje 1 mv/m. Potenciálny rozdiel na polárnej čiapočke je 20-100 sq
Ďalší mechanizmus excitácie emf v magnetosfére je spojený s kolapsom opačne smerovaných magnetických siločiar v chvostovej časti magnetosféry; uvoľnená energia v tomto prípade spôsobuje rýchly pohyb magnetosférickej plazmy smerom k Zemi. V tomto prípade sa elektróny pohybujú okolo Zeme smerom k rannej strane, protóny - smerom k večernej strane. Potenciálny rozdiel medzi stredmi ekvivalentných vesmírnych nábojov dosahuje desiatky kilovoltov. Toto pole má opačný smer ako pole chvostovej magnetosféry.
Existencia magnetosférického prstencového prúdu okolo Zeme priamo súvisí s driftom častíc. Počas obdobia magnetické búrky A polárne svetlá elektrické polia a prúdy v magnetosfére a ionosfére zažívajú významné zmeny.
Magnetohydrodynamické vlny generované v magnetosfére sa šíria prirodzenými vlnovodnými kanálmi pozdĺž siločiar magnetického poľa Zeme. Pri vstupe do ionosféry sa premieňajú na elektromagnetické vlny, ktoré čiastočne dosahujú zemský povrch a čiastočne sa šíria v ionosférickom vlnovode a sú tlmené na zemskom povrchu, tieto vlny sa zaznamenávajú v závislosti od frekvencie oscilácií alebo ako magnetické pulzácie (10 -). 2-10 Hz), alebo ako veľmi nízkofrekvenčné vlny (oscilácie s frekvenciou 10 2 -10 4 Hz).
Striedavé magnetické pole Zeme, ktorého zdroje sú lokalizované v ionosfére a magnetosfére, indukuje elektrické pole v zemskej kôre. Sila elektrického poľa v povrchovej vrstve kôry sa mení v závislosti od umiestnenia a elektrického odporu hornín, v rozsahu od niekoľkých jednotiek po niekoľko stoviek mv/km, a pri magnetických búrkach zosilnie na jednotky a dokonca aj desiatky V/km. Prepojené striedavé magnetické a elektrické polia Zeme sa využívajú na elektromagnetické sondovanie v prieskumnej geofyzike, ako aj na hĺbkové sondovanie Zeme.
Istý prínos pre ekonomickú vedu. Z. zavádza rozdiel kontaktných potenciálov medzi horninami s rôznou elektrickou vodivosťou (termoelektrické, elektrochemické, piezoelektrické efekty). Vulkanické a seizmické procesy môžu v tomto zohrávať osobitnú úlohu.
Elektrické polia v moriach sú indukované striedavým magnetickým poľom Zeme a vznikajú aj vtedy, keď sa vodivá morská voda (morské vlny a prúdy) pohybuje v magnetickom poli. Hustota elektrických prúdov v moriach dosahuje 10 -6 auto 2 . Tieto prúdy môžu byť použité ako prirodzené zdroje striedavých magnetických polí na magnetické variácie znejúce na polici a na mori.
Otázka elektrického náboja Zeme ako zdroja elektrického poľa v medziplanetárnom priestore nie je úplne vyriešená. Predpokladá sa, že Zem ako planéta je elektricky neutrálna. Táto hypotéza si však vyžaduje experimentálne potvrdenie. Prvé merania ukázali, že intenzita elektrického poľa v blízkozemskom medziplanetárnom priestore sa pohybuje od desatín do niekoľkých desiatok mv/m.
Lit.: Tikhonov A.N. O určovaní elektrických charakteristík hlbokých vrstiev zemskej kôry, „Doc. Akadémia vied ZSSR", 1950, roč. 73, č. 2; Tverskoy P.N., Kurz meteorológie, Leningrad, 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Solar-Terrestrial Physics, trans. z angličtiny, časť 2, M., 1975.
Yu P. Sizov.
Veľká sovietska encyklopédia M.: "Sovietska encyklopédia", 1969-1978
Prirodzeným stavom telies na povrchu Zeme – atómov a molekúl a veľkých kusov hmoty – je elektrická neutralita. Ak však elektroskop nabíjate, po chvíli stratí všetok svoj náboj, bez ohľadu na to, aká starostlivá je izolácia. To znamená, že vo vzduchu okolo nás je množstvo nabitých častíc – iónov a prachových častíc. Guľôčka elektroskopu do seba „nasáva“ ióny opačného znamienka z atmosféry a stáva sa neutrálnou.
Vysoko nad nami sa tiahne hrubá vrstva vysoko ionizovaného plynu – ionosféra. Začína niekoľko desiatok kilometrov od povrchu Zeme a dosahuje výšku štyristo kilometrov. Elektroskopom to nenájdete. Objav ionosféry si vyžiadal vynález rádia. Vrstva vysoko ionizovaného plynu dobre vedie elektrinu a podobne ako kovový povrch odráža rádiové vlny s vlnovou dĺžkou presahujúcou 30 metrov. Ak by okolo Zeme nebolo žiadne ionosférické „zrkadlo“, krátkovlnná rádiová komunikácia by bola možná len v rámci viditeľnosti.
Traja dodávatelia
Takže okolo nás a nad nami sú ióny. Ale sú krátkodobé. Náhodné stretnutie odlišných iónov - a prestanú existovať. To znamená, že musia existovať nejaké nepretržite fungujúce procesy, ktoré dodávajú ióny.
Takíto dodávatelia sú traja. V blízkosti zemského povrchu sa nachádza žiarenie rádioaktívnych prvkov obsiahnutých v malých množstvách v zemskej kôre. Vo vysokých nadmorských výškach - ultrafialové žiarenie zo Slnka. A napokon celou hrúbkou atmosféry zhora nadol prenikajú prúdy veľmi rýchlo nabitých častíc – kozmického žiarenia. Malá časť z nich pochádza zo Slnka a zvyšok - z hlbín vesmíru našej Galaxie.
Niekedy z povrchu Slnka vyrážajú obzvlášť silné prúdy nabitých častíc. Vo výške niekoľko stoviek kilometrov nad Zemou ich elektromagnetické polia excitujú atómy a spôsobujú, že vyžarujú svetlo. Potom vidíme polárnu žiaru. Odohrávajú sa hlavne vo vysokých zemepisných šírkach a obyvatelia miernych pásiem takmer nikdy nemajú možnosť vychutnať si úžasne krásnu hru svetelných stĺpov trblietajúcich sa všetkými farbami dúhy.
Blesk
Ale každý pozná búrku. Obludné nahromadenie elektriny jedného znamenia v oblaku spôsobuje iskrenie, ktorého dĺžka niekedy presahuje desiatky kilometrov. Blesk, ktorý svojvoľne mení svoju dráhu v závislosti od vodivosti vzduchu a predmetov, do ktorých zasiahne, často vytvára výrazné efekty. Najúžasnejšie z nich sú uvedené v knihe „Atmosféra“ od francúzskeho astronóma Flammariona.
„Žiadna divadelná hra, žiadne triky nemôžu konkurovať,“ píše Flammarion, „s bleskom v prekvapení a podivnosti jej účinkov to vyzerá ako nejaká zvláštna látka, niečo medzi nevedomými silami prírody a vedomou dušou človeka je to nejaký druh ducha, rafinovaný a rozmarný, prefíkaný a zároveň hlúpy, jasnovidný alebo slepý, má vôľu alebo je nútený, pohybuje sa z jedného extrému do druhého, hrozný a nepochopiteľný, nemôžete ho chytiť . jeho, nepochybne, rovnako ako naše, sa zdajú byť len rozmarmi, ale v skutočnosti podliehajú niektorým nemenným zákonom, ale doteraz sme nemohli pochopiť a upáliť človeka na mieste len ho šetrí, ale ani sa nedotkne jeho šiat, ktoré zostali nedotknuté, bez toho, aby mu spôsobil najmenšiu ujmu, na inom mieste ukradne mince bez toho, aby si poškodil peňaženku. Potom odtrhne zlátenie z lustra a prenesie ho na omietkové steny; potom si vyzuje topánky a topánky odhodí desať metrov nabok, potom nakoniec v jednej dedine prevŕta stoh tanierov v strede a navyše striedavo cez dva kusy... Aký môže byť poriadok? usadiť sa tu“.
Nasledujúci zoznam uvádza asi sto rôznych prípadov. Napríklad: „Jednému veľmi chlpatému mužovi, ktorého zastihla búrka neďaleko E., blesk oholil vlasy na pásiky pozdĺž celého tela, stočil ich do guľôčok a zapichol ich hlboko do lýtkových svalov.“ Alebo ešte raz: „V lete 1865 sa lekár z predmestia Viedne, doktor Drendinger, vracal domov zo železnice, keď vystupoval z vozňa, ukázalo sa, že mu ho ukradli.
Táto kabelka bola z korytnačiny a na jednom jej vrchnáku bol vykladaný oceľový monogram lekára: dva prepletené D.
Po čase privolali lekára k cudzincovi, ktorého „zabil“ blesk a našli ho v bezvedomí pod stromom. Prvá vec, ktorú si lekár všimol na pacientovom stehne, bol jeho vlastný monogram, ako keby ho práve odfotografovali. Môžete posúdiť jeho prekvapenie! Pacienta oživili a previezli do nemocnice. Tam lekár povedal, že pacientova peňaženka z korytnačiny musí byť niekde vo vreckách pacienta, čo sa ukázalo ako celkom fér. Predmetom bol ten istý zlodej, ktorý ukradol peňaženku a elektrina ho poznačila a roztavila kovový monogram."
Je zvláštne, že v štatistikách, ktoré uvádza Flammarion, je počet zabitých žien takmer trikrát nižší ako počet mužov. To sa, samozrejme, nevysvetľuje galantnosťou bleskov, ale jednoducho tým, že v tých časoch (začiatkom 20. storočia) vo Francúzsku muži častejšie robili poľné práce.
Nedávno americké noviny informovali o prípade hodnom Flammariona. Blesk udrel do chladničky a vyprážal v nej kura, ktoré bolo následne bezpečne vychladené, keďže chladnička zostala v prevádzkovom stave.
O spoľahlivosti všetkých citovaných prípadov možno, samozrejme, pochybovať, nemožno však súhlasiť s tým, že blesk je skutočne schopný robiť zázraky. Nie vždy je možné ich vysvetliť. Výboj trvá len asi stotisícinu sekundy a na jeho pozorovanie v takýchto výnimočných prípadoch neexistuje žiadna príprava. Je nemožné opakovať udalosť neskôr: nevytvoríte presne ten istý blesk, nehovoriac o iných podmienkach.
Ale v zásade nie je všetko také tajomné, ako sa Flammarionovi zdalo. Nakoniec sa to všetko týka tak bežných účinkov prúdu, ako je teplo, elektromagnetické polia a chemické reakcie. Len prúd je obrovský: desiatky alebo dokonca stovky tisíc ampérov.
Hlavnou vecou nie je pochopiť nespočetné množstvo zvláštností. Musíme pochopiť, ako sa elektrický náboj hromadí v búrkovom oblaku. Čo spôsobuje elektrifikáciu vodných kvapiek a prečo sú náboje opačného znamienka vo vnútri oblaku priestorovo oddelené? Tu ešte nie je všetko úplne jasné.
Po prvé, neexistuje jediný mechanizmus na nabíjanie kvapiek.
Takýchto mechanizmov je spoľahlivo známych viacero a ťažko posúdiť, ktorý z nich hrá hlavnú úlohu. Tu sú dve z nich. V elektrickom poli Zeme (už sme spomenuli, že zemeguľa je negatívne nabitá) sa polarizuje kvapka vody. V spodnej časti sa hromadí kladný náboj a v hornej časti záporný. Keď spadne veľká kvapka, zachytáva prevažne záporné vzduchové ióny a získava elektrický náboj. Kladné ióny sú unášané nahor stúpajúcim prúdom vzduchu.
Ďalším mechanizmom je nabíjanie kvapiek, keď sú rozdrvené prichádzajúcimi prúdmi vzduchu. Malé špliechania sú nabité záporne a sú nesené nahor, zatiaľ čo veľké špliechania, nabité kladne, padajú dole.
Oba tieto mechanizmy zabezpečujú nabíjanie kvapiek a priestorové oddelenie nábojov opačného znamienka vo vnútri oblaku. Typicky sa záporný náboj hromadí v spodnej časti búrkového mraku (okrem malej, kladne nabitej oblasti) a kladný náboj sa hromadí v hornej časti.
Oveľa horšia situácia je s vysvetlením guľového blesku, ktorý sa občas objaví po silnom výboji lineárneho blesku. Zvyčajne ide o svietiacu guľu s priemerom 10 - 20 centimetrov. Často pripomína „stredne veľké mačiatko schúlené do klbka a váľajúce sa bez pomoci nôh“. Guľový blesk môže pri dotyku predmetov explodovať a spôsobiť značné zničenie.
Guľový blesk je snáď jediný makroskopický jav na Zemi, ktorý stále nemá spoľahlivé vysvetlenie. V laboratóriu nie je možné získať sférický výboj. To je celá podstata.
Oheň svätého Elma
Pred búrkou alebo počas nej často na hrotoch a ostrých rohoch vysoko vyvýšených predmetov blikajú strapcovité kužele svetla. Tento pomalý a pokojný výboj sa od pradávna nazýval oheň svätého Elma.
Od Titusa Livyho si môžete prečítať aj to, že keď Lysanderova flotila opustila prístav, aby zaútočila na Aténčanov, na stožiaroch admirálovej galéry sa rozsvietili svetlá. Starí ľudia považovali výskyt svetiel Elma za dobré znamenie.
Zvlášť často sú svedkami tohto javu horolezci. Niekedy sú nielen kovové predmety, ale aj konce vlasov na hlave zdobené malými svietiacimi chocholmi. Ak zdvihnete ruku, môžete cítiť charakteristický pocit pálenia ako elektrický prúd, ktorý vám tečie z prstov. Často cepíny začnú bzučať ako veľký čmeliak.
St. Elmo's Fire nie je nič iné ako forma korónového výboja, ktorý sa dá ľahko vyrobiť v laboratóriu. Nabitý oblak indukuje na povrchu Zeme pod ním elektrické náboje opačného znamienka. Na špičkách sa hromadí obzvlášť veľký náboj. Keď intenzita elektrického poľa dosiahne kritickú hodnotu 30 000 V/cm, začne výboj. Elektróny vytvorené v blízkosti hrotu v dôsledku obvyklej ionizácie vzduchu sú urýchlené poľom a pri zrážke s atómami a molekulami ich ničia. Počet elektrónov a iónov sa zvyšuje ako lavína a vzduch začína žiariť.
Elektrický náboj Zeme
Búrkový mrak si dlho neudrží náboj. Udrie pár bleskov a mrak sa vybije. Náboj zemegule, ak si nedáte pozor na drobné výkyvy, zostáva nezmenený. Na povrchu Zeme nie je elektrické pole také malé: 130 V/m. Na prvý pohľad je to dosť zvláštne. Vďaka atmosférickým iónom vzduch vedie elektrinu a výpočty ukazujú, že asi za pol hodiny by sa zemeguľa mala úplne vybiť. Hlavný problém teda nie je zistiť pôvod náboja, ale pochopiť, prečo nezmizne.
Obnovenie náboja Zeme má dva dôvody. Najprv udrie blesk. Na Zemi sa denne vyskytne viac ako 40 000 búrok a každú sekundu zasiahne Zem asi 1 800 bleskov. Spodná časť oblaku nesie záporný náboj, a preto úder blesku predstavuje prenos určitej časti zápornej elektriny do zemegule.
Zároveň pri búrke vznikajú prúdy z početných špicatých predmetov (oheň sv. Elma), ktoré odstraňujú kladný náboj z povrchu zeme.
Je ťažké nájsť rovnováhu, ale vo všeobecnosti sa zdá, že sa ciele stretávajú. Strata negatívneho náboja v oblastiach zemského povrchu, nad ktorými je jasná obloha, je kompenzovaná prílevom negatívnych nábojov v miestach, kde zúria búrky.
Kde sa vzal náboj Zeme a prečo je záporný? Tu musíme špekulovať. Podľa Frenkela najprv malý náboj vznikol z náhodných príčin. Potom začal rásť vďaka „mechanizmu búrky“, o ktorom sa diskutovalo, až kým sa nenastolila dynamická rovnováha, ktorá existuje dodnes.
Poplatok môže byť spočiatku kladný. Potom by kvapky vody v búrkovom mraku boli polarizované inak a blesk by Zemi dodal kladný náboj. Vo všeobecnosti by bolo všetko rovnaké ako teraz, ale zmenili by sa iba úlohy kladných a záporných nábojov.
Magnetické pole Zeme upútalo pozornosť ľudí oveľa skôr ako elektrické pole. Zisťuje sa mimoriadne jednoducho, no jeho úloha v živote našej planéty sa zďaleka neobmedzuje len na pomoc jej obyvateľom nájsť správnu cestu pomocou kompasu v šírom oceáne, tajge či púšti.
Ak elektrické pole prakticky nepresahuje spodné vrstvy atmosféry, potom magnetické pole siaha do 20 - 25 polomerov zeme. Až v nadmorskej výške 100 000 kilometrov prestáva hrať nápadnú úlohu, blíži sa k veľkosti poľa medziplanetárneho priestoru.
Magnetické pole tvorí tretí „pancierový pás“ obklopujúci Zem spolu s atmosférou a ionosférou. Oko nedovoľuje prúdom kozmických častíc priblížiť sa k Zemi, pokiaľ ich energia nie je príliš vysoká. Len v oblasti magnetických pólov môžu tieto častice voľne prenikať do atmosféry.
Vo vysokých nadmorských výškach je magnetické pole malé, ale pokrýva obrovské oblasti vesmíru. Pôsobením na nabitú časticu po dlhú dobu výrazne mení svoju trajektóriu. Namiesto priamky sa okolo siločiar vinie špirála. Pozdĺž siločiar magnetické pole poháňa častice smerom k pólom. Niekedy však, ak je rýchlosť častice vysoká, nestihne urobiť ani jeden obrat a vtedy sa môžeme baviť len o zakrivení trajektórie.
V súlade s Ampérovým zákonom nie je častica letiaca pozdĺž siločiary ovplyvnená magnetickým poľom. Preto môžu častice voľne lietať k pólom, odkiaľ sa siločiary vejárajú. Nie je prekvapujúce, že korpuskulárne prúdy zo Slnka spôsobujú, že horné vrstvy vzdušného oceánu žiaria hlavne na póloch.
Mimochodom, tieto prúdy častíc samy o sebe vytvárajú významné magnetické polia a spôsobujú „magnetické búrky“, počas ktorých sa strelka kompasu začne bezmocne pohybovať.
Radiačné pásy Zeme, objavené pomerne nedávno pomocou vesmírnych rakiet, nie sú nič iné ako nabité častice nie príliš vysokých energií, zachytené magnetickou pascou nastraženou našou planétou. Je to magnetické pole, ktoré drží roje nabitých častíc vo vysokých nadmorských výškach, ako sú halo obklopujúce Zem. Elektróny dominujú vo vonkajšom páse a protóny dominujú vo vnútornom páse, kde je intenzita poľa väčšia. Pre lety astronautov vo veľkých výškach predstavujú tieto pásy skutočné nebezpečenstvo.
Globe - sférické dynamo
Pôvod pozemského magnetizmu je ešte mätúcejšia otázka ako pôvod elektrického poľa. Nedá sa vysvetliť nahromadením zmagnetizovaných hornín. Frenkelova zaujímavá myšlienka, prednesená relatívne nedávno, nám zjavne umožňuje niečo pochopiť. Zemské jadro je generátor elektrického prúdu, fungujúci na princípe samobudenia, ako bežné dynamo.
Pravdepodobne pre vás nebude ťažké zapamätať si, o aký princíp ide. V dynamách vzniká prúd, keď sa vodiče pohybujú v magnetickom poli, ktoré je samo vytvárané rovnakým prúdom. Ak najprv nie je prúd, potom sa pri určitej rýchlosti otáčania objaví a začne sa zvyšovať. Koniec koncov, vždy existuje malé zvyškové pole. Vytvára prúd, ktorý mierne zvyšuje magnetické pole. Vďaka tomu sa zvyšuje prúd a následne magnetické pole atď., až do určitej limitnej hodnoty.
Aby sme mohli prirovnať zemeguľu ku generátoru, musíme najprv predpokladať, že zemské jadro je tekuté a schopné viesť elektrický prúd. V týchto predpokladoch nie je nič neuveriteľné. Odkiaľ však môžu pochádzať pohyby vodivých hmôt jadra? Dynamom jednoducho roztočíme armatúru, ale tu nie sú žiadne vonkajšie vplyvy.
Dá sa však nájsť východisko. V dôsledku rádioaktívneho rozpadu nestabilných prvkov by mala byť teplota v strede jadra o niečo vyššia ako na jeho okraji. Z tohto dôvodu dochádza ku konvekcii: teplejšie hmoty zo stredu jadra sa rútia nahor a chladnejšie klesajú nadol. Ale Zem sa otáča a rýchlosť hmôt na povrchu jadra je väčšia ako v jeho hĺbke. Preto stúpajúce fluidné prvky spomaľujú rotáciu vonkajších vrstiev jadra, zatiaľ čo klesajúce prvky naopak zrýchľujú vnútorné vrstvy. V dôsledku toho sa vnútorná časť jadra otáča rýchlejšie ako vonkajšia a zohráva úlohu rotora generátora, zatiaľ čo vonkajšia časť zohráva úlohu statora.
V takomto systéme, ako ukazujú výpočty, je možné samobudenie a výskyt vírivých elektrických prúdov významnej veľkosti.
Tieto prúdy podľa Frenkelovej hypotézy vytvárajú okolo Zeme magnetické pole!
Energia na udržanie prúdu sa čerpá z rádioaktívneho zahrievania látky, čo vytvára konvekčné prúdy v jadre.
Ťažko povedať, či je to tak aj v skutočnosti. V každom prípade je správnejšie nazývať Zem „veľkým dynamom“ ako „veľkým magnetom“, ako sa to robí v mnohých knihách.
Magnetické pole obklopuje nielen Zem, ale môže existovať aj okolo iných planét a hviezd. Vtláča „pečiatku“ do svetelných vĺn vyžarovaných atómami Slnka a hviezd, čím dáva fyzikom príležitosť objaviť samých seba.
Mesiac, ako ukázali merania našich a amerických vedcov, nemá magnetické pole. Nemá ho ani Venuša. Mars môže mať magnetické pole, ale je veľmi slabé, najmenej 1000-krát slabšie ako Zem. Toto bolo vytvorené pomocou našich vesmírnych orbitálnych staníc Mars 2 a Mars 3.
Vesmírna elektrodynamika
Keď sme začali hovoriť o magnetických poliach planét a hviezd, potichu sme vstúpili do novej oblasti, do oblasti kozmickej elektrodynamiky. Stále je tu málo spoľahlivé; oveľa menej ako rôzne hypotézy. Ale veľa, čo bolo včera ešte zaujímavým odhadom, sa dnes stáva takmer spoľahlivým faktom. Hlavná vec je, že sa ukázalo, že elektromagnetické sily nehrajú vo vesmíre malú úlohu, ako sa predtým predpokladalo.
Búrlivý povrch a atmosféra Slnka... Obrovské jazyky horúcej hmoty stúpajú nahor. Víchrice a tornáda veľkosti našej planéty. Búrky, nepretržité búrky, ale ohnivé, iskrivé. Búrky nielen hmoty, ale aj magnetického poľa.
Niekedy sa čierne škvrny vynárajú z hlbín Slnka v pároch. Magnetické pole v týchto oblastiach sa zvyšuje tisíckrát.
Obrovské sily niekedy vyvrhujú zo Slnka celé zväzky nabitých častíc. Po prekonaní gravitačnej príťažlivosti narazia do zemskej atmosféry rýchlosťou niekoľko tisíc kilometrov za sekundu.
Pre fyzika je ťažké rozlíšiť tu nejaký vzor, nejaký druh poriadku. Je ťažké pochopiť podstatu síl v rotujúcej hmote. Toto sa deje ďaleko, veľmi ďaleko a vôbec sa to nepodobá tomu, čo môžeme vidieť na našej planéte.
Ťažké, ale nie nemožné. Pri teplotách, ktoré existujú na Slnku, nemôžu existovať neutrálne atómy ani neutrálne molekuly. Jednoducho nemôžu prežiť, tak ako nemôže prežiť parný rušeň, ktorý v plnej rýchlosti narazí do protiidúceho vlaku.
A takýto plne ionizovaný plyn alebo plne ionizovaná plazma, ako hovoria fyzici, dokonale vedie elektrický prúd. To umožňuje, aby sa elektromagnetické sily rozvinuli a preukázali svoju silu v novom poli.
V magnetickom poli vo vnútri pohybujúcej sa vysokoteplotnej plazmy sú excitované elektrické prúdy značnej veľkosti. Vďaka dobrej vodivosti nemajú tendenciu tlmiť. Preto v médiu, spolu s obvyklými elastickými silami, sily magnetickej interakcie prúdov nadobúdajú nemenej dôležitosť. A ak pohyb jednoduchého prostredia popisujú zákony hydrodynamiky, tak tu vládne magnetická hydrodynamika.
Sme, samozrejme, ešte veľmi ďaleko od pochopenia všetkého, čo sa deje na Slnku. Existuje však istota, že hlavné javy, od vyvrhnutia celých más hmoty až po objavenie sa slnečných škvŕn, sú spôsobené magnetickými interakciami.
A nielen to! Medzihviezdny plyn je vysoko ionizovaný žiarením. Jeho hustota je nízka (1 častica na centimeter kubický), ale to je kompenzované obrovskou veľkosťou oblakov. Elektrické prúdy a teda aj magnetické polia v nich nemožno ignorovať.
Pohybujúce sa oblaky vypĺňajú celú Galaxiu, a preto je celá Galaxia vyplnená magnetickým poľom. A nielen samotná Galaxia, ale aj susedné oblasti vesmíru.
Magnetické polia tu nie sú silné a nemôžeme ich vnímať priamo. Ale vieme, že existujú! Odkiaľ?
Rádiové vyžarovanie galaxie a kozmického žiarenia
Ak by sme videli rádiové vlny, potom by na oblohe nezažiarili jedno, ale tri Slnká (presnejšie „rádiové slnká“). Jedna z nich je v súhvezdí Cassiopeia, druhá je v Labute a nakoniec je to naše obyčajné Slnko *. Okrem toho by sme si však všimli veľa menej jasných „rádiových sĺnk“ a slabého rozptýleného „rádiového svetla“, ktoré k nám prichádza zo všetkých kútov Galaxie a dokonca aj zo zdanlivo prázdnych miest priľahlých k nej.
* (Slnko je obyčajná hviezda a len jeho blízkosť k nám mu umožňuje konkurovať v „rádiovom jase“ prvým dvom zdrojom, ktoré sú nesmierne silnejšie ako Slnko.)
Niektoré rádiové vlny vznikajú zrážkami nabitých častíc horúceho plynu. Ide o tepelné (bremsstrahlung) žiarenie. Nemôže nám povedať nič o magnetických poliach Galaxie. Ale je tu ešte jedna, netepelná časť, ktorej kolískou je magnetické pole. Obaľuje rýchle kozmické elektróny a tieto elektróny otáčajúc sa v špirále vyžarujú elektromagnetické vlny, rovnako ako šialene rotujúci brúsik okolo seba rozptyľuje iskry, ak sa jeho povrchu dotknete čepeľou noža. Dá sa tvrdiť, že tam, kde sa rodia rádiové vlny, sú nevyhnutne magnetické polia!
Odkiaľ sa však vo vesmíre berú rýchle elektróny? Vyžarujú sa nimi rádiové emisie a tam, kde sú obzvlášť silné zdroje rádiových vĺn, musíme hľadať vesmírne urýchľovače. To znamená, že tie vzdialené silné „rádiové slnká“, o ktorých sa diskutovalo, sú hlavne také kozmické urýchľovače.
Sme zvyknutí na pokojné hlbiny jasnej nočnej oblohy. Nič sa nezdá také neotrasiteľné a večné ako „harmonický zbor“ nebeských telies. Vo všeobecnosti je to takto. Ale niekedy sa stanú katastrofy; katastrofy čisto kozmických rozmerov. Hviezda, ktorá si miliardy rokov žila svoj normálny život, sa zrazu z neznámych príčin začne obludne nafukovať. (Ak by sa to stalo nášmu Slnku *, veľmi skoro by sa v ňom nachádzali obežné dráhy všetkých planét.) Jas hviezdy (nazýva sa supernova) sa stomiliónkrát zvýši a možno ju vidieť v obloha za bieleho dňa. Postupne jasnosť klesá a na mieste hviezdy zostáva hmlistý oblak, niekedy ťažko rozoznateľný ďalekohľadom.
* (Takýto výbuch Slnku naozaj nehrozí. Jeho hmotnosť je príliš malá.)
Dúfame, že každý viac-menej chápe, aké napätie je v elektrickej sieti. Tu má slovo napätie presne rovnaký význam.
V Galaxii s miliardami hviezd sa takéto prepuknutie pozoruje raz za 100 - 200 rokov. Od vynálezu ďalekohľadu sa neobjavila ani jedna supernova.
Takže „rádiové slnká“ sú väčšinou pozostatky supernov. Len v smere súhvezdia Labuť pravdepodobne pozorujeme stopy ešte silnejšej katastrofy; výbuch celej galaxie podobnej tej našej.
Možno si predstaviť, že nabité častice (elektróny, protóny a atómové jadrá) dostanú svoje počiatočné zrýchlenie z obrovskej rázovej vlny sprevádzajúcej výbuch supernovy. Následne začnú pôsobiť elektromagnetické sily. Zvyšujúce sa magnetické polia vyvolávajú elektrické pole. Toto pole možno nie je také veľké, ale vďaka svojim kozmickým rozmerom urýchľuje jednotlivé častice na energie, ktoré ešte nie sú dostupné pre urýchľovače vytvorené človekom.
Niektoré kozmické žiarenie dodávajú menej silné indukčné elektrické polia Slnka a iných hviezd.
Pravdepodobne existuje ďalší mechanizmus urýchľovania kozmických častíc. Keď sa pohybujúci sa magnetizovaný oblak medzihviezdneho plynu stretne s rýchlou časticou, dôjde k procesu podobnému zrážke dvoch guľôčok. Len úlohu obyčajných elastických síl zohráva interakcia častice s indukčným elektrickým poľom generovaným magnetickým poľom pohybujúcim sa spolu s plynom. Pri takejto zrážke by sa mala zvýšiť energia častice, rovnako ako sa to stáva pri zrážke ľahkej gule s veľmi ťažkou. Po veľkom počte zrážok môže častica získať významnú energiu.
Náhodné magnetické polia Galaxie nielen urýchľujú, ale aj rozptyľujú kozmické častice. Vďaka tomu už na Zem dorazia rovnomerne zo všetkých strán, a nielen z tých miest, kde sú zrýchlené. Letia k nám supervýkonné častice, pravdepodobne zo susedných galaxií.
Nemôžeme tvrdiť, že všetko na svete sa deje tak a len tak, ako sme vám práve povedali. Toto je len najprirodzenejší obraz elektromagnetických javov vo vesmíre z moderného pohľadu. Je napísaná, ako vidíte, veľmi veľkými ťahmi. A to sa stalo nielen preto, že obraz je veľmi veľký. Podrobnosti o javoch zostávajú nejasné pre samotných umelcov-vedcov. A „farba“ na obraze ešte „nezaschla“: obraz bol vytvorený pomerne nedávno, pred niekoľkými rokmi, a iba jeho celistvosť nám dáva nádej, že je v zásade správny.
Kým sa vo vesmíre odohrávali majestátne úkazy, ktoré tomu prislúchali, v jednom z moskovských apartmánov bol „malý priateľský tím“ (ako sa autori nazývali) rozpoltený rozpormi. V čase, keď už boli práce na knihe v plnom prúde, bolo autorom jasné, že ich pozície sa, mierne povedané, úplne nezhodujú.
Podstata sporu, ako je zrejmé z nasledujúceho, umožňuje priradiť jednému zo spoluautorov meno Krotky (skr. TO) a za druhým - Shrew (skrátene S).
TO. Vieš ako veľmi si ťa vážim! Ale čo robíš?
Namiesto ležérneho príbehu o podstate síl vy, keď ste sa zmenili na archivára, úzkostlivo, s zbytočnými detailmi, registrujete všetky prejavy elektromagnetických síl, ktoré poznáte. Navyše v knihách hľadáte opisy prejavov síl, ktoré, prepáčte, vôbec nepoznáte.
Je to to, o čom náš čitateľ sníval pri kúpe knihy? Čo myslíte, potrebuje ďalšiu učebnicu?
S. Prepáčte, ale keďže kniha nie je schválená ministerstvom, nie je to zatiaľ učebnica. A okrem toho, nesľúbili sme si, že sa porozprávame o silách v prírode? Znamená to o silách, ktoré obklopujú každého z nás. Nedá sa to, nedá sa obísť trenie, pružnosť, chemické sily a pod.. Veď nepíšeme pre mladých filozofov, ktorí chcú vedieť len základy a nezaujíma ich, čo sa deje okolo nás, nad nami a pod nami. nás každý deň.
TO. Verím, že máte veľké úmysly. Ale ak pôjdete svojou cestou, budete sa musieť napríklad porozprávať nielen o trení v kvapalinách všeobecne, ale aj o trení gule, valca, kocky atď. Potom sa všetko vyrieši.
Samozrejme, trochu preháňam, ale nepochybne máte túžbu veci vyriešiť.
S. Čo navrhujete konať podľa starého vtipu, v ktorom učený syn udivoval svojich rodičov a všetkých naokolo extrémnou vedeckou lakonickosťou svojich odpovedí? Odpovedal na všetky otázky: čo, ako a prečo, stručne - toto je elektrina.
A mali by sme napísať: elasticita je elektrina; trenie je tiež elektrina; chemické sily sú elektrické sily atď.
TO. A pozri, čo máš. Tu je štruktúra plynov spolu s kvapalinami (ktorá je známa každému) a vlastnosti síl v kryštáloch (ktoré málokto vie, ale takmer nikoho nezaujímajú)...
Ak o nich chcete ešte písať, napíšte. Ale píšte tak, aby čitateľ nezaspal alebo neodhodil knihu niekam ďaleko.
S. Áno, musíte pochopiť, že je to ťažké, veľmi ťažké.
Zaujímavejšie a jednoduchšie je písať napríklad o teórii relativity ako o chemických silách. Okrem toho o každom type elektromagnetickej sily treba napísať celú knihu. Aj keď chcem byť stručný, je ťažké nebyť nudný.
TO. O teórii relativity je nielen zaujímavejšie písať, ale aj čítať.
S. Nuž, nech je táto časť knihy encyklopédiou, ale encyklopédiou, napriek tomu (lichotím si) vhodnejšou na nie príliš vyčerpávajúce čítanie.
TO. Vidím, že pretrvávaš. Ale vo vašom príbehu okrem iného nie je ani elementárna konzistencia. Po kozmickom žiarení chcete prejsť rovno k elektrickým rybám.
S. No a čo? Ryby, teda ryby. Koho nezaujímajú, nemusí ich čítať.
A vo všeobecnosti, prečo v predslove nenapíšeme, že každý čitateľ si môže vybrať z častí kapitoly „Elektromagnetické sily v akcii“ len tie, ktoré ho zaujímajú. V najhoršom prípade túto kapitolu vôbec nečítajte.
TO. Hmm...keďže si taký tvrdohlavý, zdá sa, že toto je naozaj jediná možnosť.
S. Nebuď príliš naštvaný. Je tam aj editor. Povie: zahoď to všetko - vyhodíme to.
Elektrická ryba
Takže elektrická ryba. Ide o jedinečné stvorenia, ktoré sa od svojich druhov líšia tým, že nesú živé galvanické prvky. Elektrický prúd, ktorý produkujú, slúži ako prostriedok obrany alebo útoku.
Je zaujímavé, že medzi fosílnymi rybami bolo oveľa viac elektrických rýb ako medzi živými rybami. Ukázalo sa, že explicitné použitie elektromagnetických síl nie je také efektívne ako zlepšenie síl, ktoré sa prejavujú implicitne: predovšetkým svalových.
Najvýraznejším predstaviteľom plemena, ktoré nás zaujíma, je elektrický rejnok. Táto ryba, ktorá žije v teplých moriach, váži okolo 100 kilogramov a dosahuje dĺžku okolo dvoch metrov. Jeho elektrické orgány, umiestnené po stranách hlavy, vážia viac ako pol kila. Neunavený rejnok je schopný produkovať prúd 8 ampérov pri napätí 300 voltov. To predstavuje vážne nebezpečenstvo pre ľudí.
Od elektrických rýb ťažko očakávať veľkú citlivosť na prúd. Vskutku, rejnok ľahko znáša stres, ktorý je pre ostatné ryby smrteľný.
Elektrické orgány rejnoka sú svojou štruktúrou prekvapivo podobné batérii galvanických článkov. Pozostávajú z početných dosiek zostavených do stĺpcov (sériové spojenie prvkov), ktoré sú umiestnené vedľa seba v mnohých radoch (paralelné zapojenie).
Jedna strana dosky je hladká a nesie záporný náboj. Druhá, s vyčnievajúcimi papilami, je kladne nabitá. Podľa očakávania je celé zariadenie uzavreté v elektricky izolačnej tkanine.
Nebudeme sa pokúšať ponoriť sa do mechanizmu generovania elektromotorickej sily v orgánoch rejnoka, rovnako ako sme kedysi nerozumeli princípu fungovania konvenčného galvanického článku (budeme sa riadiť K-ovými radami). Stále je tu veľa neznámeho. S istotou možno povedať len jednu vec: činnosť elektrických orgánov je založená na chemických silách, ako v galvanickom článku.
Rovnako nebudeme rozširovať okruh našich známych medzi elektrickými rybami.
Nemožno nespomenúť ďalšieho pozoruhodného obyvateľa Nílu - mormyrusa alebo vodného slona. Táto ryba je vybavená úžasným lokátorom. V spodnej časti jeho chvosta sa nachádza generátor striedavého elektrického prúdu, ktorý vysiela impulzy s frekvenciou niekoľkých stoviek vibrácií za sekundu. Okolité predmety skresľujú elektromagnetické pole okolo mormyrusu, čo okamžite zaznamená prijímacie zariadenie na jeho chrbte. Citlivosť lokátora je nezvyčajne vysoká. Mormyrus sa nedá chytiť do siete. V akváriu sa začne ponáhľať, len čo mu niekoľkokrát prejdete hrebeňom cez vlasy.
Ako lokátor funguje, zatiaľ nebolo objasnené. Dúfame, že podrobné štúdium tejto problematiky pomôže nadviazať podvodnú elektromagnetickú komunikáciu, ktorá zatiaľ nebola možná z dôvodu vysokého útlmu elektromagnetických vĺn vo vode.
Povaha nervového impulzu
Nakoniec, rejnok a ryby, ktoré sa im páčia, so všetkými ich elektrickými zariadeniami nie sú ničím iným ako rozmarom prírody. Príroda prisúdila voľnej elektrine v živých organizmoch neporovnateľne významnejšiu úlohu. Táto elektrina slúži komunikačným linkám, ktoré prenášajú „telegramy“ do mozgu zo zmyslov o všetkom, čo sa deje vo vonkajšom svete, a reakcia mozgu nariaďuje všetky svaly a všetky vnútorné orgány.
Nervy prenikajú celým telom viac či menej dokonalých živých bytostí a vďaka nim telo pôsobí ako jeden celok, niekedy pôsobí až s úžasným zámerom. Akonáhle je nerv vedúci k svalu prerezaný, stane sa paralyzovaný, rovnako ako motorový valec prestane fungovať, ak sa preruší drôt prenášajúci prúdové impulzy do zapaľovacej sviečky.
Toto nie je len povrchné prirovnanie. Od čias Galvaniho sa zistilo, že signál prenášaný do nervových vlákien (nervový impulz) je krátkodobý elektrický impulz. Pravda, situácia zďaleka nie je taká jednoduchá, ako by si niekto myslel. Nerv nie je pasívny kanál s vysokou vodivosťou, ako obyčajný kovový drôt. Skôr pripomína to, čo sa v technike nazýva reléové vedenie, kedy sa prichádzajúci signál prenáša len do susedných úsekov vedenia, kde sa zosilní a až potom sa posúva ďalej, tam sa opäť zosilní atď. signál môže byť prenášaný bez útlmu na veľké vzdialenosti, napriek prirodzenému útlmu.
čo je nerv? Od R. Gerarda sa dočítate: „Keby sa pavúk, ktorého vidíme zo zeme visieť na pavučinovom vlákne vo výške šesťposchodovej budovy, zmenšil asi o ďalší dvadsaťnásobok (vrátane vlákna, na ktorom visí), veľmi by sa podobala na nervovú bunku alebo neurón. Telo nervovej bunky sa nelíši od iných buniek ani veľkosťou, ani žiadnymi inými znakmi... Neurón však, na rozdiel od obyčajných, ľahostajných buniek. má nielen bunkové telo - vysiela tenké vláknité štruktúry na výskum do vzdialených častí tela Väčšina procesov prebieha na krátke vzdialenosti... Jeden tenký proces s priemerom menším ako 0,01 milimetra. , akoby posadnutý túlasťou, siaha od neurónu do obrovských vzdialeností, meraných v centimetroch a dokonca metroch.
Všetky neuróny centrálneho nervového systému sú zhromaždené v mozgu a mieche, kde tvoria šedú hmotu... A so zvyškom tela ich spájajú len dlhé procesy - axóny. Zväzky týchto axónov alebo axiálne výbežky, ktoré vychádzajú z nervových buniek blízko seba, tvoria nervy." Špeciálna látka, myelín, obaľuje tenkú vrstvu okolo väčšiny axónov, rovnako ako izolačná páska ovinutá okolo elektrického vodiča.
Samotný axón si môžeme zjednodušene predstaviť ako dlhú valcovú trubicu s povrchovou membránou, ktorá oddeľuje dva vodné roztoky rôzneho chemického zloženia a rôznych koncentrácií. Membrána je ako stena s veľkým počtom pootvorených dverí, cez ktoré sa ióny roztokov pretláčajú len veľmi ťažko. Najúžasnejšie a nepochopiteľné je, že elektrické pole „zatvára tieto dvere“ a jeho oslabením sa otvárajú širšie.
V kľudovom stave je vo vnútri axónu nadbytok iónov draslíka; vonku - ióny sodíka. Záporné ióny sú sústredené hlavne na vnútornom povrchu membrány, a preto je nabitá záporne, zatiaľ čo vonkajší povrch je nabitý kladne.
Pri podráždení nervu dochádza k čiastočnej depolarizácii membrány (pokles nábojov na jej povrchoch), čo vedie k zníženiu elektrického poľa v nej. V dôsledku toho sa „dvierka“ mierne otvoria pre ióny sodíka a začnú prenikať do vlákna. Nakoniec sa vnútro axónu na tomto mieste nabije kladne.
Takto vzniká nervový impulz. Presne povedané, ide o napäťový impulz * spôsobený tokom prúdu cez membránu.
* (Dúfame, že každý viac-menej chápe, aké napätie je v elektrickej sieti. Tu má slovo napätie presne rovnaký význam.)
V tejto chvíli sa „otvárajú dvere“ pre ióny draslíka. Prechádzajúc na povrch axónu postupne obnovujú napätie (asi 0,05 voltu), ktoré mal nevybudený nerv.
Zároveň niektoré ióny zo susednej oblasti „prelomia dvere susedov“. Kvôli tomu aj tu pole začína slabnúť a celý proces sa opakuje v novom úseku axónu. Výsledkom je, že nervový impulz sa pohybuje pozdĺž nervu človeka do mozgu bez vyblednutia rýchlosťou asi 120 metrov za sekundu.
Ióny sodíka a draslíka, vytlačené zo svojich domovov počas prechodu pulzu, sa v dôsledku chemických procesov, ktorých mechanizmus zatiaľ nie je objasnený, postupne vracajú priamo cez stenu.
Je vecou obdivuhodného prekvapenia, že všetko správanie vyšších živočíchov, všetko tvorivé úsilie ľudského mozgu je v konečnom dôsledku založené na týchto extrémne slabých prúdoch a najjemnejších, mikroskopických chemických reakciách.
Bioprúdy mozgu
Tu sa dotýkame svätyne živej prírody – ľudského mozgu. Elektrické procesy prebiehajú v mozgu nepretržite. Ak sú na čelo a zadnú časť hlavy umiestnené kovové platne, pripojené cez zosilňovač k záznamovému zariadeniu, potom je možné zaznamenávať nepretržité elektrické oscilácie mozgovej kôry *. Ich rytmus, tvar a intenzita výrazne závisia od stavu človeka.
* (Oscilácie sa pozorujú nielen v ľudskom mozgu, ale aj v mozgu zvierat.)
V mozgu človeka, ktorý pokojne sedí so zatvorenými očami a na nič nemyslí, sa vyskytuje asi 10 vibrácií za sekundu. Keď človek otvorí oči, mozgové vlny zmiznú a znova sa objavia, keď sú oči zatvorené. Keď človek zaspí, rytmus vibrácií sa spomaľuje. Podľa povahy vibrácií môžete veľmi presne určiť okamih začiatku a konca sna.
Pri ochoreniach mozgu sa povaha elektrických oscilácií mení obzvlášť prudko. Patologické výkyvy pri epilepsii teda môžu slúžiť ako istý príznak choroby.
To všetko dokazuje, že mozgové bunky sú v stave neustálej aktivity a veľké množstvo z nich, ako hovorí Gerard, „vibruje spolu ako husle veľkého orchestra“. Nervové impulzy vstupujúce do mozgu nesledujú dobre vychodené chodníčky, ale menia celý obraz o distribúcii vibrácií v mozgovej kôre.
Vzorec elektrickej aktivity v mozgu sa mení s vekom počas života a učenia.
Treba vychádzať z toho, že elektrické vibrácie nesprevádzajú len prácu mozgu ako hluk – pohyb auta, ale sú najdôležitejším momentom celej jeho životnej činnosti. V elektronickom počítači, schopnom vykonávať jednotlivé funkcie mozgu ešte lepšie ako on sám, sú to elektromagnetické procesy, ktoré určujú všetku prácu.
Treba zdôrazniť, že každý vnem, každá myšlienka vôbec nezodpovedá svojej vlastnej, špecifickej vibrácii. Podľa tvaru elektrických vibrácií zatiaľ nevieme určiť, na čo človek myslí.
Zatiaľ nevieme, aké funkcie tieto procesy v mozgu vykonávajú. Jasne ale ukazujú, že materiálnym základom myslenia sú elektromagnetické procesy v najorganizovanejšej hmote, ktorú príroda na našej planéte vytvorila.
Skúsenosti ukazujú, že elektromer pripojený k sonde dáva znateľné odchýlky, aj keď v blízkosti nie sú žiadne špeciálne nabité telesá. V tomto prípade platí, že čím vyšší je bod nad zemským povrchom, tým väčšia je odchýlka elektromera. To znamená, že existuje potenciálny rozdiel medzi rôznymi bodmi v atmosfére umiestnenými v rôznych výškach, t. j. v blízkosti zemského povrchu je elektrické pole. Zmena potenciálu s výškou je v rôznych obdobiach roka a pre rôzne oblasti rôzna a má priemernú hodnotu v blízkosti zemského povrchu okolo 130 V/m. Keď pole stúpa nad Zem, rýchlo slabne a už vo výške 1 km je jeho intenzita len 40 V/m a vo výške 10 km sa stáva zanedbateľne slabým. Znak tejto zmeny zodpovedá negatívnemu náboju Zeme. Preto po celý čas žijeme a pracujeme v viditeľnom elektrickom poli (pozri cvičenie 29.1).
Experimentálne štúdie v tejto oblasti a zodpovedajúce výpočty ukazujú, že Zem ako celok má negatívny náboj, ktorého priemerná hodnota sa odhaduje na pol milióna coulombov. Tento náboj sa udržiava približne nezmenený v dôsledku množstva procesov v zemskej atmosfére a mimo nej (v globálnom priestore), ktoré ešte nie sú úplne pochopené.
Prirodzene vyvstáva otázka: ak je na povrchu Zeme vždy záporný náboj, kde sa potom nachádzajú zodpovedajúce kladné náboje? Kde začínajú siločiary elektrického poľa, ktoré končia na zemskom povrchu? Je ľahké vidieť, že tieto kladné náboje sa nemôžu nachádzať nikde veľmi ďaleko od Zeme, ako napríklad na Mesiaci, hviezdach alebo planétach. Ak by to tak bolo, potom by pole v blízkosti Zeme malo rovnaký vzhľad ako pole izolovanej gule na obr. 50. Sila tohto poľa by klesala nepriamo úmerne so štvorcom vzdialenosti od stredu Zeme (a nie od zemského povrchu). Ale polomer Zeme je približne 6400 km, a preto zmena vzdialenosti od stredu Zeme o niekoľko kilometrov alebo niekoľko desiatok kilometrov by zmenila intenzitu poľa len zanedbateľne. Skúsenosti ukazujú, ako sme uviedli vyššie, že sila elektrického poľa Zeme veľmi rýchlo klesá so vzdialenosťou od nej. To naznačuje, že kladný náboj, zodpovedajúci zápornému náboju Zeme, sa nachádza niekde v nie príliš vysokej nadmorskej výške nad zemským povrchom. Vrstva kladne nabitých (ionizovaných) molekúl bola totiž objavená vo výške niekoľko desiatok kilometrov nad Zemou. Objemový kladný náboj tohto „oblaku“ nábojov kompenzuje záporný náboj Zeme. Z tejto vrstvy smerujú siločiary zemského elektrického poľa na zemský povrch.
Ryža. 50. Ekvipotenciálne plochy (plné čiary) a siločiary (prerušované čiary) nabitej gule vzdialené od iných predmetov. Vo vnútri lopty nie je žiadne pole, rovnako ako vo vnútri akéhokoľvek vodiča.
29.1. Keďže pole pri Zemi má intenzitu asi 130 V/m, tak medzi bodmi, kde sa nachádza hlava a nohy každého z nás, by malo byť napätie nad 200 V. Prečo toto pole necítime? , pričom dotyk pólov batérie alebo 220 V siete je veľmi bolestivý a môže byť dokonca nebezpečný?
29.2. Merania elektrickou sondou ukazujú, že nárast potenciálu s výškou pri povrchu Zeme je v priemere 100 V/m. Za predpokladu, že toto pole je spôsobené nábojom Zeme, vypočítajte náboj umiestnený na zemeguli za predpokladu, že polomer Zeme je 6400 km.
