Дослідження електричного поля Землі методом електричного зондування

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини, Україна

Кафедра фізики та інтегративних технологій навчання природничих наук

Краснобокий Ю.М., к. ф.-м. н. доцент

Ткаченко І.А., д.п.н., професор

Метод електричного зонду використовують для дослідження потенціалу електричного поля в різних точках рідкого або газоподібного діелектрика. Оскільки Земля оточена як рідкою (океани, моря), так і газовою (атмосфера) оболонками, це дає можливість застосувати електричний зонд для дослідження природи її електричного поля.

Електричний зонд являє собою мале металеве тіло (кінчик дроту, який виступає з діелектричної трубочки, кульку, диск тощо), яке з'єднане з кулькою електрометра, сферична оболонка якого заземлена. Зонд вводиться у ту точку середовища, потенціал якої необхідно виміряти. Очевидно, що електрометр покаже різницю потенціалів між стрілкою і оболонкою, або, що теж саме, між зондом і Землею.

Вимірюючи зондом потенціал ер у різних точках досліджуваного простору і обрахувавши його градієнт, за відомою формулою Е = -qradp, можна виміряти й напруженість наявного електричного поля [1, С. 239 - 241]. Проте, простіше і точніше напруженість поля визначається, якщо її вимірювати безпосередньо, що й буде продемонстровано у презентованому матеріалі.

Спочатку змоделюємо один із способів, який часто використовують у вигляді демонстраційного експерименту або лабораторної роботи у процесі вивчення фізики. Він полягає в наступному: дві, горизонтально розташовані, паралельні металеві пластини (повітряний плоский конденсатор) встановлюють перпендикулярно до напрямку силових ліній досліджуваного електричного поля. Пластини з'єднуються між собою через балістичний гальванометр, за допомогою якого можна виміряти величину заряду, що пройшов через таке електричне коло. Оскільки пластини з'єднані, то їх потенціали однакові, а напруженість електричного поля між ними дорівнює нулеві. Поле існує лише зовні пластин і зв'язане з поверхневою густиною а електричних зарядів співвідношенням Е = 4а (у газах різницею між векторами D і Е можна знехтувати). Якщо відстань між пластинами мала порівняно з їх розмірами, то можна також знехтувати впливом країв пластин, які спотворюють конфігурацію електричного поля, вважаючи величину а постійною. Після такого попереднього налаштування, пластини різко повертають на 90° у вертикальне положення. За цього через балістичний гальванометр проходить заряд q = Sa, де S - площа пластин. Вимірявши q, обраховують а, а потім і напруженість Е.

Подібні вимірювання показали, що земна куля заряджена негативно. Земне електричне поле змінюється з часом. Ці зміни можуть бути як регулярними (добовими, річними), так і нерегулярними. В середньому напруженість електричного поля біля самої поверхні Землі складає 130 ВІ м. Між двома рівнями по висоті на відстані зросту людини існує різниця потенціалів приблизно 200 В. Людина не відчуває цієї різниці потенціалів і її не вражає струм, тому що сама вона є добрим провідником електрики. Як і будь - який провідник, тіло людини сильно спотворює електричне поле. Електричні силові лінії спрямовані до поверхні тіла людини перпендикулярно, а еквіпотенціальні поверхні огинають її абсолютно так само, як вони огинають будь-який металевий предмет. Всі точки людини знаходяться під одним і тим же потенціалом.

Знаючи напруженість поля поблизу земної поверхні, можна підрахувати, що повний негативний заряд Землі складає біля 6-10⁵ Кл. На висоті 1 км напруженість земного поля зменшується приблизно до 40 ВІ м. На висоті 10 км поле не перевищує кількох вольт на метр. На висоті 50 км і вище земне поле стає ледь помітним. Більша частина падіння потенціалу припадає на малі висоти. Повна різниця потенціалів між поверхнею Землі і верхніми шарами атмосфери складає майже 400000 В. Ці дані показують, що земна атмосфера заряджена позитивно.

Повітря володіє електричною провідністю. Вона зумовлена йонами, які утворюються внаслідок йонізації молекул і атомів повітря космічними променями. Завдяки провідності в атмосфері течуть струми, які намагаються розрядити Землю. Середня густина струму порядку 10^-6 мкА/м². Повний електричний струм, який досягає земної поверхні, дорівнює приблизно 1800 А . Заряд Землі, як відзначалося вище, дорівнює ~ 6-10⁵ Кл. Використовуючи ці дані, легко підрахувати, що заряд Землі повинен був би зменшуватися у два рази приблизно через кожні 4 хвилини. Земля повинна була б повністю втратити свій заряд менш ніж за півгодини. Якщо ж цього не відбувається, то мабуть існують певні процеси, які безперервно заряджають Землю негативною електрикою і підтримують її середній заряд незмінним. Тривалий час залишалося загадкою, що це за процеси. На теперішній час, напевно, можна вважати встановленим, що заряд Землі підтримується грозовою діяльністю атмосфери. Роль атмосфери у формуванні приповерхневих явищ на Землі, у тому числі й грози, нами було проаналізовано в [2]. електричний зонд приповерхневий заряд гроза земля

Феномен грози є одним з дивовижних явищ природи. Хоч електрична природа блискавки давно встановлена, у теорії про атмосферну електрику ще дуже багато недослідженого і незрозумілого, що підкреслює його актуальність. Далеко не з'ясованим є навіть механізм виникнення електричних зарядів у атмосфері. Низка дослідників вважають, що заряд земної кулі підтримується блискавками, які пронизують простір між атмосферою і поверхнею Землі. З кожним ударом блискавки на Землю потрапляє в середньому 20-30 Кл негативної електрики. Ці дані були отримані в результаті наступного дослідження. За ясної погоди над поверхнею моря вимірювали електричний струм, який поширювався на Землю. Виявилося, що цей струм, якщо його усереднити по земній поверхні, зазнає добової варіації. Струм у максимумі приблизно на 15% більший від середньодобового струму. За цього його максимум припадає на 19-ту годину лондонського часу.

Таких же варіацій зазнає й напруженість земного електричного поля. Самим цікавим у цих дослідженнях виявилося те, що момент максимуму один і той же для всіх точок земної кулі не за місцевим часом, а за єдиним (наприклад, лондонським) часом. Пояснення цьому, дивному на перший погляд, факту знаходять у тому, що верхні шари атмосфери (йоносфера) дуже сильно йонізовані і володіють високою електропровідністю. Високу електропровідність має і морська вода, яка покриває 2/3 поверхні Землі. Таким чином, наявні дві добре електропровідні сферичні оболонки, між якими й збуджується електричне поле Землі, як між обкладками сферичного конденсатора. У самих цих оболонках через їх високу електропровідність не може виникнути надто суттєвої різниці потенціалів. З іншого боку також встановлено, що максимум грозової діяльності, усереднений по всій поверхні земної кулі, припадає також на 19-ту годину лондонського часу. Це й підтверджує гіпотезу про наявність зв'язку між грозовою діяльністю атмосфери і електричним полем Землі.

Використання методу електричного зонду

Список використаних джерел

1. Воловик П.М. (2005) Фізика: Підручник для університетів. Київ; Ірпінь: Перун.

2. Краснобокий Ю.М., Ткаченко І.А., Ільніцька К.С. (2005) Фізичні основи формування погоди та аномальних явищ у приповерхневій атмосфері Землі. Фізико-математична освіта, (3), 20 - 28.

Размещено на Allbest.Ru