Тема 6. Електричні та магнітні поля природного походження

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Електричні поля природного походження.

2. Вимірювання електричних полів.

3. Магнітне поле та його характеристики.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

Вступ

 

Електричне поле - часткова форма виявлення (нарівні з магнітним полем) електромагнітного поля, яка визначає дію на електричний заряд (з боку поля) сили, що не залежить від швидкості руху заряду.

Основною кількісною характеристикою електричного поля є напруженість електричного поля Е, яка в даній точці простору визначається відношенням сили F, що діє на заряд, розміщений у цій точці, до величини заряду q: Е = F/q.

У системі СІ напруженість електричного поля вимірюється в В/м.

 

1. Електричні поля природного походження

 

До складу атмосфери входять іони кисню, азоту та інших газів, а також вільні електрони. В нижній тропосфері кількість іонів обох знаків невисока - близько 500...700 пар/см3. Іони виникають в основному за радіоактивного випромінювання урану й радію, що знаходяться в земній корі. Але ці іони обліплені нейтральними молекулами води і рухливість їх мала. Вільні електрони існують недовго, бо приєднуються до інших частинок.

На великих висотах кількість іонів збільшується завдяки впливу космічного випромінювання, ультрафіолетового та корпускулярного випромінювання Сонця. Так, на висоті 20...25 км (стратосфера) спостерігається перший максимум іонізації, а саме - близько 104 пар/см3. Далі концентрація іонів зменшується, але на висоті 30 км (мезосфера) їх кількість становить теж 104 пар/см3. Причому кількість негативних іонів мала; в основному переважають позитивні іони та електрони. Приблизно з цієї висоти починається іоносфера - природне утворення розрідженої слабко іонізованої плазми, що перебуває у магнітному полі Землі і піддається впливу іонізуючого випромінювання Сонця. Іоносфера складається з кількох шарів, розташованих на різних висотах: верхній шар F відповідає основному максимуму іонізації; вночі він знаходиться на висоті 300...400 км, а вдень роздвоюється на шари F1 (160…200 км) іF2 (220…320 км). На висотах 90...450 км розміщений шар Е, а нижче 90 км - шар D. Іонний склад іоносфери відповідає трьом стадіям існування іонів - їх утворенню, перетворюванню та знищенню.

 

Блискавки

Наявність грозових хмар впливає на розподіл електричних зарядів. Згідно з сучасним уявленням, структура грозової хмари - тризарядна: в центрі хмари розташована основна зона негативного заряду, над нею - позитивного заряду, а під нею - інша, менша, але теж позитивно заряджена зона (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1. Тризарядна структура грозової хмари

 

Найбільш характерною особливістю зони негативного заряду хмари є те, що вона являє собою плаский (товщиною 1 км) шар на висоті 6 км, де температура повітря становить мінус 15оС (так звана температура реверсу). На цій висоті вода існує в трьох фазах - у вигляді рідини, льоду і пари. Верхня позитивно заряджена зона може мати товщину кілька кілометрів і досягати тропопаузи (13 км). Нижня зона настільки мала, що її впливом на формування електричного поля біля поверхні Землі можна знехтувати. В атмосфері за типових температурних режимів існують кристалики льоду та важкі частинки снігової крупи. Лабораторні дослідження показали, що при температурах більших ніж температура реверсу (висоти <6 км) частинки крупи, що падають, взаємодіють з кристаликами льоду і набувають позитивного заряду, а при температурах менших від температури реверсу (висоти >6 км) вони заряджаються негативно.

Вважається, що саме частинки крупи беруть участь у формуванні нижньої зони в тризарядній хмарі. Перед грозою напруженість електричного поля в неї може досягати 50000 в/м, а під час грози - 100000...300000 в/м.

Істотну роль в електризації грозових хмар відіграє конвекція - рух кристаликів льоду та снігової крупи вгору; причому, кристалики підіймаються швидше, що еквівалентно падінню крупи. Висхідний потік переносить переохолоджені краплини води вище граничної зони, забезпечуючи збільшення крупи. Як тільки хмара накопичить достатньо електричного заряду, при якому електричне поле здатне подолати діелектричну «міцність» атмосфери, виникає блискавка - іскровий розряд.

Блискавки переважно утворюються всередині основного негативного заряду.

У випадку розряду між хмарою та земною поверхнею блискавка складається з двох розрядів: один (лідер) прямує до земної поверхні, а інший (стример) поширюється вгору.

Цікаво навести параметри блискавки: середня тривалість – 10-3сек., електричний струм - до 100 000 А, температура в розряді - 27600°С, довжина блискавки - 3...16 км, діаметр - 1,3...2,5 см.

 

Північне сяйво

У 1958 р. команда дослідників, очолювана Джеймсом ван Алленом, використовуючи дані супутника «Експлорер 1», виявила наявність радіаційних поясів, що оточують земну кулю. Ці пояси утворюються зарядженими частинками (електронами й протонами), захопленими неоднорідним магнітним полем Землі. Траєкторії руху частинок мають спіралеподібну форму. Всі заряджені частинки надходять від Сонця або зірок; загальна назва їх - космічні промені. На полюсах ці частинки стикаються з іншими атомами, утворюючи випромінювання світла, яке називають північним сяйвом (Aurora Borealis на Північному полюсі, Aurora Australis - на Південному).

2. Вимірювання електричних полів

 

Методи вимірювання електричних полів в атмосфері можна поділити на три класи:

І. Оцінка напруженості поля за різницею потенціалів між електродами, що перебувають у полі.

ІІ. Вимірювання величини заряду, що індуктується полем на поверхні провідника:

          Е= πσ,         (6.1)

де σ- поверхнева густина заряду.

ІІІ. Аналіз впливу поля на рух електронів або іонів.

 

Розглянемо основні методи вимірювань електричних полів природного походження.

Ракетний сенсор застосовується для вимірювання зовнішнього електричного поля. Ракета довжиною 1,5 м і діаметром 70 мм (рис. 6.2) обертається навколо поздовжньої осі; корпус ракети, таким чином, являє собою ротор.

 

Рис. 6.2. Ракетний сенсор для вимірювання зовнішнього електричного поля

 

Електричне поле замикається крізь вікна на корпусі ракети на тонких електродах, що виконують функції статорів. Сигнали з кожної пари протилежно розташованих електродів надають інформацію щодо напруженості електричного поля.

Циліндричний сенсор, що установлюється на літаку в носовій та боковій частинах фюзеляжу, складається з двох напівциліндрів, розділених тефлоновим ізолятором. Під час польоту сенсор обертається, і електричне поле викликає появу змінних зарядів на обох циліндрах; ці заряди сприяють появі електричного струму, який через ємність підсилюється, обробляється та аналізується. Система здатна вимірювати електричні поля в діапазоні 10 В/м....500 кВ/м.

Алті-електрограф складається з сенсора, розміщеного на балоні, що заповнюється газом. Сенсор - це дві алюмінієві сфери, що виконують ще й функції передавальної антени (рис. 6.3).

 

 

Рис. 6.3. Альті-електрограф:

а) розміщення приладу на балоні, заповненому газом; б) будова приладу

 

Усередині сфер є радіопередавач, аналогово-цифровий перетворювач, мікропроцесор, система живлення. За допомогою двигуна сфери обертаються навколо горизонтальної осі з частотою 2,5 Гц. Електричне поле викликає появу зарядів протилежної полярності на поверхні сфер. Крім того, система двох сфер обертається навколо вертикальної осі завдяки дії вентилятора. Таке подвійне обертання дає можливість вимірювати всі компоненти електричного поля. Загалом сигнал передавача модулюється за амплітудою, яка залежить від електричного поля, що вимірюється.

 

3. Магнітне поле та його характеристики

 

Магнітне поле - силове поле, яке діє на електричний заряд, що рухається, та на тіла, що мають магнітні властивості.

Магнітне поле характеризується вектором магнітної індукції В і напруженістю магнітного поля Н.

 

Магнітне поле Землі

Природне силове поле, виникнення якого зумовлене джерелами, що містяться в Землі і навколоземному просторі, називається магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі має постійну (≈99%) і змінну (≈1%) складові. За формою воно нагадує поле диполя, центр якого зміщений відносно центру Землі, вісь нахилена до осі обертання Землі на 11,5° (рис. 6.4). Середня величина магнітної індукції поблизу земної поверхні становить ≈5 ∙ 10 -5 Тл, а напруженість магнітного поля спадає від магнітних полюсів (55,7 А/м) до магнітного екватора (33,4 А/м).

Магнітне поле Землі утворює магнітосферу - область навколоземного простору, фізичні властивості, розміри й форма якої визначаються магнітним полем Землі та її взаємодією з потоками заряджених частинок від Сонця. Магнітосфера простягається на 70...80 тис. км у напрямку до Сонця і на багато мільйонів кілометрів у протилежному напрямку.

 

Рис. 6.4. Магнітне поле Землі

 

 

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»