Nesamoprovodljivost zraka. Eksperimentalna postavka

Ionizacija zraka

Atmosferski zrak je mješavina mnogih plinovitih tvari. Osim kisika i dušika, koji čine glavninu zraka, on sadrži i male količine tzv. inertnih plinova, ugljičnog dioksida i vodene pare. Osim navedenih plinova, zrak sadrži još veće ili manje količine prašine i neke slučajne nečistoće. Kisik, dušik i inertni plinovi smatraju se stalnim sastojcima zraka, budući da je njihov sadržaj u zraku gotovo posvuda isti. Naprotiv, sadržaj 2 CO, vodene pare i prašine može varirati ovisno o različitim uvjetima. Kao što je poznato, pod normalnim uvjetima tlaka i temperature, različiti plinovi koji čine zrak su dielektrici.

Ako su neke od molekula ionizirane, plin provodi struju.

Kada kažemo da je zrak ioniziran, to znači da neki vrlo veliki dio molekula plina u zraku nosi električni naboj negativnog ili pozitivnog predznaka. Imajte na umu da 1 cm 3 zraka u normalnim uvjetima sadrži 2.710 19 molekula; prosječan broj lakih zračnih iona u prirodnim uvjetima u istom volumenu je približno 500-700 parova.

Koncentracija zračnih iona u atmosferi izražava se brojem pozitivnih i negativnih iona u 1 cm3. Dakle, vodljivost atmosfere sastoji se od polarnih vodljivosti - pozitivne i negativne, tj.

- vodljivost atmosfere,

n – broj pozitivnih i negativnih zračnih iona,

k – pokretljivost pozitivnih i negativnih iona zraka,

Ukupna vodljivost atmosfere:
= + = nk e + n k e
Gdje:

Ukupna vodljivost atmosfere

Pozitivna atmosferska vodljivost

Negativna atmosferska vodljivost

n - broj pozitivnih zračnih iona

n - broj negativnih zračnih iona

k - pokretljivost pozitivnih zračnih iona

k - pokretljivost negativnih iona zraka

e – naboj iona zraka jednak 4,810 -10 apsolutnih elektrostatičkih jedinica.
Gustoća vertikalne atmosferske struje može se izraziti na sljedeći način:
ja =
Gdje:

Ukupna vodljivost atmosfere,

I je gustoća vertikalne atmosferske struje,

Vertikalni gradijent potencijala.
Omjer pozitivnih i negativnih zračnih iona u blizini zemljine površine je približno 1,2, tj.
K= = 1,2
Gdje:

K – koeficijent unipolarnosti,

n je broj negativnih zračnih iona.
Prisutnost određenog viška pozitivnih zračnih iona u zraku objašnjava se činjenicom da zrak iz tla, izlazeći kroz kapilare tla, ostavlja na njima pretežno negativne zračne ione. Kao što je poznato, vodljivost zraka u tlu je 30 puta veća od vodljivosti atmosferskog zraka.

Električna vodljivost atmosfere iznosi prosječno 110 4 električne jedinice.


Gustoća vertikalne vodljive struje atmosfere



Gradijent potencijala zemljinog električnog polja podvrgnut je oštrim izobličenjima zbog raznih nepravilnosti na zemljinoj površini. Ekvipotencijalne površine savijaju se oko prepreka i kondenziraju iznad uzdignutih objekata. Unutar zgrada gradijent potencijala električnog polja je jednak nuli, unutar zgrada nema električnog polja čak ni za vrijeme jakih atmosfersko-električnih pojava. Ova se okolnost uzima u obzir kod elektroefluvijalne metode aeroionifikacije.

Zbog činjenice da atmosferski zrak sadrži, osim molekula plina, i suspendirane čvrste ili tekuće mikročestice koje adsorbiraju lake ione zraka, ionizacijska ravnoteža može se izraziti na sljedeći način:
q = n + n - + n + N - + n+N0
Gdje:

n je broj pozitivnih zračnih iona,

N 0 - broj neutralnih čestica.
Ali budući da je broj suspendiranih mikročestica obično puno veći od broja lakih zračnih iona, ravnoteža ionizacije može se prikazati jednadžbom:
q = n + ( n - + N - + N 0) = / n t
Gdje:

q je broj formiranih zračnih iona po 1 cm 3 /s,

n je broj pozitivnih zračnih iona,

n - broj negativnih iona zraka,

Koeficijent rekombinacije lakih zračnih iona,

Koeficijent kombinacije lakih zračnih iona s nabijenim česticama,

N - - broj nabijenih čestica,

N 0 - broj neutralnih čestica,

t – vremensko razdoblje,

n – ukupan broj iona,

/ je konstanta nestanka zračnih iona.
Promjena broja zračnih iona u atmosferskom zraku s promjenom stvaranja iona izražava se:

t – vremensko razdoblje,

q je broj formiranih zračnih iona po 1 cm 3 /s,

/ - stalni nestanak aeroiona,

n je ukupan broj iona.
U nedostatku stvaranja iona, broj iona opada s vremenom t prema zakonu:
n = n 0 e

Prosječni životni vijek lakih zračnih iona može se izraziti na sljedeći način:

Brojna mjerenja broja lakih zračnih iona koja su u mnogim zemljama izvršile stotine fizičara, geofizičara, meteorologa i liječnika ne mogu se smatrati apsolutno pouzdanima. Ebertov brojač zračnih iona, s kojim su obavljena ova mjerenja, ne zadovoljava zahtjeve za to.

Tehnika mjerenja broja zračnih iona po jedinici volumena još nije dobila konačno i točno rješenje zbog složenog skupa čimbenika koji prate ionske procese u atmosferskom zraku.

Ionizacija sastoji se od cijepanja molekula na elektron i ion (naboj +). Budući da su molekule i atomi plina prilično stabilni, za ionizaciju je potrebno izvršiti rad protiv sila međudjelovanja između elektrona i iona. Ovo djelo se zove rad ionizacije . Rad ionizacije ovisi o prirodi plina i energetskom stanju elektrona.

Rad ionizacije može se odrediti ionizacijskim potencijalom .
Potencijal ionizacije je potencijalna razlika koju elektron mora podvrgnuti u ubrzavajućem električnom polju kako bi povećanje njegove energije bilo jednako ionizacijskom radu.

, (1)

Potencijal ionizacije (eV),

Elektron-volt (eV) je energija koju dobije čestica koja ima naboj jednak naboju elektrona nakon prolaska kroz potencijalnu razliku od 1 V. Ova izvansistemska jedinica energije trenutno je odobrena za upotrebu u fizici. 1eV= 1,6021892·10 -19 J

Ionizacijski rad,

e– naboj elektrona.

(2)

m - masa elektrona (kg)

V - brzina elektrona (m/sek.)

e– naboj elektrona.
Ako je kinetička energija elektrona:

, (2.1)

Energija W koju dobije elektron prolazeći kroz razliku potencijala U jednaka je:

W=eU (2.2)
A ionizacijski potencijal (energija koju posjeduje elektron pri sudaru s drugim elektronom može ga ionizirati) jednak je:

T+W, (2.3)
Zatim, zamjenom (2.1) i (2.2) u (2.3) dobivamo:

U je razlika potencijala kroz koju treba proći 1 elektron,

da ima dovoljno energije da ionizira elektron s kojim se sudari.

e– naboj elektrona,

m - masa elektrona (kg),

V - brzina elektrona (m/sek.),

Potencijal ionizacije (eV).

U nekim plinovima, kao što su kisik, ugljični dioksid, vodena para,

odvojeni elektron tijekom jednog od najbližih susreta s drugim neutralnim

molekula se spaja s njim, pretvarajući ga u elektronegativni ion.

Dodatno, “pripajanje elektrona na neutralnu molekulu dovodi do

U takvim slučajevima, do takvog preustroja svoje elektroničke ljuske da, kao rezultat, energija molekule koja je uhvatila dodatni elektron ispada manja od energije neutralne molekule za određeni iznos, što se naziva energija afiniteta prema elektronu.

Kreće se od 0,75 do 4,5 eV za većinu različitih plinova. U inertnim plinovima - argonu, neonu, heliju, kriptonu, ksenonu, a također iu dušiku - negativni ioni se ne pojavljuju.
Vrijednosti za neke molekule različitih komponenti atmosferskog zraka dane su u tablici 1.
Stol 1.

Brzina elektrona (kilometara u sekundi) koji prolazi bez sudara

potencijalna razlika U (volti) određena je izrazom:

Zamjenom potencijala ionizacije u ovu formulu vidimo da elektron ionizira molekule plina kada je njegova brzina veća od 1000 km/s.

Ovisno o tome kako se provodi ionizacija, razlikuju se sljedeće vrste ionizacije:

1) Fotoionizacija (izlaganje X-zrakama i gama-zrakama);

Poznato je da se ionizacija zraka i stvaranje parcijalnih površinskih pražnjenja (PSD) mogu dogoditi, primjerice, tijekom fotoionizacije. Da bi izloženost zračenju dovela do ionizacije zraka, moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:

S- brzina svjetlosti;

Valna duljina zračenja;

h- Planckova konstanta;

Wi- energija ionizacije

Određivanjem valne duljine zračenja gornjom formulom dobivamo

 10–7 m, odnosno 103 Å.

Valovi takve duljine leže na granici ultraljubičastog i rendgenskog zračenja (tzv. vakuumsko ultraljubičasto), dok vidljiva svjetlost ne može dovesti do ionizacije zraka.

2) Udarna ionizacija (udar
I čestice (elektron, pozitron);

1. 
   Toplinska ionizacija (zagrijavanje na visoku temperaturu).

4) Ionizacija električnim poljem. Da bi se negativni i pozitivni ioni formirali kao rezultat elektrostatske emisije, potrebno je vanjsko električno polje veće od 1000 kV/cm. Ova vrsta ionizacije je najčešća i koristi se za umjetnu ionizaciju zraka u kućanstvima, pomoću uređaja koji se nazivaju ionizatori zraka. Zatim ćemo razmotriti ovu vrstu ionizacije.

Kao rezultat svih ovih vrsta ionizacije pojavljuju se nositelji struje. U ovom slučaju govore o nesamoprovodljivost plin. Ako se u plinu pojavljuju nositelji struje, koji su uzrokovani samo električnim poljem primijenjenim na plin, nazivamo vodljivost nezavisna.
Razmotrimo ovisan plinsko pražnjenje. Plinsko pražnjenje zove se prolaz struje kroz plin.

Pod utjecajem vanjskog ionizatora dolazi do cijepanja molekule plina na elektron i ion . Elektron može uhvatiti neutralna molekula, koja će postati ion.

Broj parova ioniziranih molekula po jedinici volumena V i po jedinici vremena t označiti sa
. Dio ioniziranih molekula rekombinirati, tj. Neutralizacija suprotnih parova događa se kada se sretnu.

Prisutnost rekombinacije sprječava neograničeno povećanje broja iona u plinu i objašnjava uspostavljanje određene koncentracije iona kratko vrijeme nakon početka djelovanja vanjskog ionizatora.

Vjerojatnost susreta dva iona suprotnih predznaka proporcionalna je broju pozitivnih i negativnih iona. Prema tome, broj ionskih parova koji se rekombiniraju u sekundi po jedinici volumena
proporcionalan kvadratu broja ionskih parova prisutnih po jedinici volumena n:

Broj rekombinirajućih ionskih parova (u sekundi po jedinici volumena).

r

n

Koncentracija iona u plinu:

Gdje:

n je broj istovremeno generiranih iona u plinu

v – koeficijent rekombinacije.

U nedostatku vanjskog polja dolazi do ravnoteže: broj parova ioniziranih molekula jednak je broju parova rekombiniranih molekula, tj.

, (3)
odakle je broj ionskih parova po jedinici volumena jednak:

.

V i po jedinici vremena t.

r– koeficijent proporcionalnosti.

n - broj ionskih parova prisutnih po jedinici volumena.

Pod utjecajem kozmičkog zračenja i tragova radioaktivnih tvari prisutnih u zemljinoj kori, 1 cm 3 pri ravnotežnoj koncentraciji iona ima vrijednost reda veličine
. Ova koncentracija nije dovoljna da izazove značajnu vodljivost (čisti, suhi zrak je vrlo dobar izolator).
Ako, svake sekunde na elektrodama ionizatora neutralizirani
parova iona, tada će jakost struje u krugu biti jednaka:

, (4)

ja

ionizator,

S– područje elektrode,

l

Struja između elektroda ionizatora:

j – gustoća struje

S je površina svake elektrode u prostoru između kojeg se odvija učinak generiranja iona

Iz izraza (4) dobivamo da je koncentracija ionskih parova neutraliziranih na elektrodama u jedinici vremena jednaka

, (5)

Broj ionskih parova koje neutralizira elektrodahionizator,

ja - jakost struje između emitirajućih elektroda ionizatora,

– naboj nositelja struje (iona),

S– područje elektrode,

l– razmak između elektroda;

j– gustoća struje.

U prisutnosti struje, uvjet za ravnotežu iona bit će napisan na sljedeći način: E = Ohmov zakon dobiven iz izraza (8).

j– gustoća struje,

- specifična električna vodljivost plina,

E– jakost polja.

U drugom području na krivulji ovisnosti
linearni odnos između gustoće struje i napona narušen je zbog činjenice da se koncentracija iona u plinu smanjuje.

U trećem području, počevši od određene vrijednosti napona, gustoća struje ostaje konstantna kako raste E. To je zbog činjenice da, uz konstantan intenzitet ionizacije u jakim električnim poljima, svi ioni koji se formiraju u jedinici vremena u plinu dosežu elektrode. Vrijednost gustoće struje naziva se gustoća struje zasićenost:

. (10)

J nas– gustoća struje zasićenja,

– naboj nositelja struje (iona),

Broj parova ioniziranih molekula po jedinici volumena V i po jedinici vremena t,

l– razmak između elektroda.

Prava vrijednost struje zasićenja u zraku vrlo je mala i iznosi približno J nas =10 -15 Vozilo 2 .

Iza područja zasićenja nalazi se područje naglog povećanja gustoće struje (na slici 2 to je područje prikazano isprekidanom linijom). Ovo povećanje se objašnjava činjenicom da, počevši od određene vrijednosti E, elektroni koje generira vanjski ionizator uspijevaju tijekom svog slobodnog puta steći energiju dovoljnu da se sudare s molekulom i izazovu njezinu ionizaciju, tj.

, (11)
Gdje
– kinetička energija elektrona;
– rad ionizacije molekule. Elektroni nastali tijekom ionizacije, kada se ubrzaju, zauzvrat uzrokuju ionizaciju. Tako dolazi do lavinskog umnažanja primarnih iona koji nastaju pod utjecajem vanjskog ionizatora. Međutim, proces ne gubi karakter nesamoodrživog pražnjenja.

Vodljivost zraka, sposobnost zraka da provodi električnu struju. P. a. stvaraju atmosferski ioni i povećava se s povećanjem pokretljivosti i koncentracije potonjih. Na temelju ovog P. a. raste s povećanjem čistoće i ionizacije zraka te smanjenjem njegove gustoće, što dovodi do ovisnosti P. a. od meteoroloških karakteristika.

S povećanjem vlažnosti zraka, povećanjem koncentracije čestica prašine, magle i oblaka gotovo svih vrsta P. a. značajno se smanjuje; samo u grmljavinskim oblacima, gdje je ionizacija visoka, P. a. može primjetno porasti. Pod utjecajem industrijskog onečišćenja, P. a. općenito se značajno smanjuje, posebno vrlo snažno u gradovima, ali osim toga, u središtu Atlantika pao je gotovo 2 puta u razdoblju od 50 godina. Nuklearne eksplozije značajno povećavaju P. a. Prosječna vrijednost specifičnih P. a. na površini tla 2.2?10-18 ohm-1?m-1.

Različit je na različitim točkama Tla i mijenja se tijekom vremena. Dnevna amplituda oscilacija P. a. nad kontinentima čini oko 20% prosjeka, godišnje do 30%; nad oceanima su te fluktuacije manje.

U čistoj atmosferi P. a. raste s visinom po eksponencijalnom zakonu, specifični P. a. doseže 13?10-18 ohm-1?m-1 na visini od 6 km i do 300?10-18 ohm-1?m-1 na visini od 30 km. U ionosferi P. a. uzrokovan je elektronima i mnogo je puta veći od P. a. u troposferi. Nespecijalizirana P. a. u sloju od površine tla do ionosfere jednak je 0,5?10-2 ohm-1.

Kretanja volumetrijskih naboja u zraku (vidi Atmosferski elektricitet) zbog turbulentne difuzije zraka i kretanja dovode do učinaka sličnih onima koje stvara P. a. u električnom polju. Kako bi se opisali ti učinci, uvode se koncepti konvektivne i turbulentne vodljivosti.

Lit.: Chalmers J. A., Atmosferski elektricitet, trans. s engleskog, L., 1974.; Imyanitov I.M., Metode i uređaji za proučavanje zračnog elektriciteta, M., 1957, pogl. 7; Imyanitov I.M., Chubarina E.V., Shvarts Ya.M., Elektricitet oblaka, L., 1971.

I. M. Imjanitov.

Pročitajte također:

Atmosferski elektricitet. Munje (pripovijeda fizičar Vladimir Bychkov)

Zemljina atmosfera sadrži neutralne molekule i atome, pozitivne i negativne ione i slobodne elektrone. Zbog sadržaja električki nabijenih čestica atmosfera ima električnu vodljivost. Glavni uzročnici električno nabijenih čestica u atmosferi, odnosno glavni ionizatori atmosfere, su kozmičke zrake, sunčevo i zemaljsko zračenje. Kozmičke zrake sastoje se od 90% protona, oko 7% od jezgri helija, a svi ostali elementi čine 3%. Čestice kozmičkih zraka imaju vrlo visoku energiju (od 1 do 10 12 GeV), u interakciji s atmosferskim atomima te čestice generiraju obilne pljuskove elektrona i muzona visokih energija, koji dopiru do površine zemlje i prodiru duboko u zemljinu koru, te mezone. nižih energija, koje kretanje u atmosferi razgrađuje. Brzi elektroni također gube svoju energiju u atmosferi kao rezultat različitih mehanizama interakcije s materijom, au konačnici dolazi do pljuskova slobodnih nabijenih čestica koje osiguravaju električnu vodljivost atmosfere. Ova vrsta ionizacije atmosfere na razini mora stvara 2-4 milijuna ionskih parova po 1 m 3 u 1 s. Kako se visina povećava na otprilike 18 km, snaga kozmičke ionizacije raste proporcionalno porastu toka kozmičkih zraka.

Pretežni dio solarno zračenje UV i X-zrake se apsorbiraju u gornjim slojevima atmosfere (iznad 40 km). Ovaj proces prati ionizacija atmosferskih atoma. Korpuskularno sunčevo zračenje također ionizira atmosferu do razina usporedivih s onima koje stvara elektromagnetsko zračenje Sunca.

Zemaljsko zračenje ionizira atmosferu u neposrednoj blizini Zemljine površine. Ovo se događa gl. način zbog ulaska iz zemljine kore produkata radioaktivnog raspada teških stijenskih elemenata. Ioni nastaju u površinskom sloju atmosfere, a zatim se turbulentnom izmjenom i vertikalnim kretanjem transportiraju do visine od 4-5 km. Zemaljsko zračenje stvara oko 5 milijuna pari iona u površinskom sloju atmosfere iznad kopna u 1 m 3 u 1 s, a iznad površine mora i oceana njihova je koncentracija neusporedivo manja zbog zanemarivog sadržaja radioaktivnih tvari u morskoj vodi.

Ioni u atmosferi nastaju i kao posljedica njezina onečišćenja proizvodima nuklearne industrije i testiranja nuklearnog oružja, kao i kratkovalnog zračenja zvijezda, zbog čestica meteora i drugih ionizatora.

Zajedno s ionizacijom u atmosferi se događa i obrnuti proces - rekombinacija elektrona i iona, čija brzina nije ista na različitim visinama. Isto vrijedi i za snagu ionizatora. Stoga je vertikalni profil koncentracije iona i elektrona u atmosferi složen.

Električna vodljivost atmosferskog zraka ovisi o koncentraciji nositelja pozitivnih i negativnih naboja i njihovoj pokretljivosti. Periodične fluktuacije koncentracije nositelja naboja vrlo su složene, no obično je ljeti njihova koncentracija u blizini površine zemlje veća nego zimi. U dnevnom ciklusu najveća koncentracija iona obično se opaža ujutro, a najmanja poslijepodne.

IONOSFERA. Ako se po promjenama temperature može razlikovati 5 slojeva, onda se po stupnju ionizacije zračnih plinova atmosfera dijeli na 4 sloja: D, E, F 1 i F 2. Ionizacija je uzrokovana apsorpcijom sunčevog zračenja. Ultraljubičasto ionizira molekule O 2 i N 2 . Nestanak elektrona i iona može se dogoditi kao rezultat njihove rekombinacije, kao i prijelaza u drugi volumen koji se nalazi uz trenutni ili mnogo dalje. Stoga koncentracija elektrona na danom mjestu ovisi o brzini ionizacije, o brzini rekombinacije, a također io tome koliko slobodnih elektrona napušta danu jedinicu volumena po jedinici vremena. Ovaj posljednji proces se zove. divergencija. Kao što vidimo, priroda formiranja ionosfere i njezino ponašanje ovise o mnogim čimbenicima.

Očito je da kretanje atmosferskog plina utječe na promjenu koncentracije elektrona u ionosferi. Ali postoje druge sile koje pokreću elektrone i preraspodjeljuju koncentraciju elektrona u ionosferi. To su prvenstveno električna i magnetska polja.

Ionosferski slojevi prvotno su otkriveni u eksperimentima na širenju radiovalova. Kratkovalni radio valovi emitirani prema gore vratili su se na Zemlju, reflektirajući se u gornjoj atmosferi pomoću neke vrste električnog zaslona. Tada je otkriveno da je taj ekran sloj elektrona. Postoji i sloj pozitivnih iona, ali zbog njihove relativno velike mase

Riža. 24. Efekt sloja E ionosfera na širenje radiovalova.

ne utječu na širenje radio valova. Jedan od tih slojeva otkriven je na nadmorskoj visini od 300 km (ta visina varira ovisno o godišnjem dobu, zemljopisnoj širini, dobu dana i drugim čimbenicima). To je sloj koji je označen simbolom F. Na visini od oko 100 km otkriven je još jedan sloj ionosfere, nazvan sloj E ( Heaviside sloj) . Ovaj sloj je poput golemog zrcala od kojeg se reflektiraju radio valovi. Pritom se mogu širiti dalje nego što bi se očekivalo da se šire bez refleksije.

Tada je utvrđeno da ispod E sloja također postoje slobodni elektroni, iako u manjim količinama nego iznad. Taj se sloj naziva sloj D, a njegov glavni učinak na širenje radio valova je da apsorbira kratkovalne radio valove.

Snažan utjecaj elektromagnetskog zračenja na ionosferu omogućuje stvaranje geofizičko oružje. SAD ima antenska polja na Aljasci i u Norveškoj za visokofrekventni elektromagnetski utjecaj na atmosferu, koji može izazvati oluje, pražnjenja itd. U Rusiji je također bila jedna takva instalacija, ali zimi nisu ispuštali vodu iz cijevi  sve je puklo.

Električnu vodljivost zraka otkrio je Coulomb (1785.). Promatrajući gubitak električne energije iz izoliranih vodiča, došao je do zaključka da se dio električne energije gubi ne kroz izolatore, već izravno u zrak. Sposobnost bilo kojeg materijala da provodi električnu struju određena je prisutnošću slobodnih naboja u njemu i mogućnošću njihova kretanja. Zrak se uglavnom sastoji od molekula - dušika N 2 - s energijom ionizacije od 15,5 eV, kisika - O 2 - 12,5 eV, vode - H 2 O - 12,6 eV, ugljičnog dioksida - CO 2 - 14,4 eV.

Energija disocijacije molekula plina koje čine zrak nalazi se u rasponu od 10 - 20 e.v. Na sobnoj temperaturi energija toplinskog gibanja molekula mnogo je manja i iznosi 0,025 e.v. Stoga je vodljivost zraka u prirodnim uvjetima određena kozmičkim zračenjem i prirodnim pozadinskim zračenjem pod čijim utjecajem u zraku nastaju slobodni elektroni, atomski i molekularni ioni.

Obično se u zraku formira oko 1000 komada. elektrona i iona u 1 cm 3 u 1 sekundi. Neki elektroni i ioni brzo se rekombiniraju, dok se drugi lijepe za neutralne molekule, tvoreći dugovječne negativne ione. U ravnoteži, volumen plina obično sadrži do 10 9 iona/m 3 . Pokretljivost elektrona pri normalnom tlaku je? ? . Stoga je vodljivost zraka zbog prirodne ionizacije ~10 - 1 4 S/m. Treba napomenuti da je u normalnim uvjetima pokretljivost elektrona u zraku tri reda veličine veća od pokretljivosti iona; kao rezultat toga, elektroni gotovo u potpunosti određuju vodljiva svojstva. Stoga ćemo, s obzirom na to, uglavnom govoriti o elektronskoj vodljivosti.

Ali Ohmov zakon primjenjiv je na zrak samo pri niskim električnim poljima. S povećanjem jakosti polja dolazi do zasićenja strujom, struja teži određenoj konstantnoj vrijednosti – svi nastali slobodni elektroni dolaze na elektrode. Ovaj proces je detaljno opisan u. Slika 1 prikazuje tipičnu strujno-naponsku karakteristiku plina. Linearni dio odgovara niskim jakostima polja pri kojima je zadovoljen Ohmov zakon, vodoravni dio odgovara struji zasićenja, eksponencijalni porast struje u trećem dijelu odgovara pojavi lavinskog mehanizma za disocijaciju molekula zraka pod utjecaj električnog polja (opisano detaljnije u nastavku).

Bilo koji ravnotežni plinoviti medij, uključujući zrak, opisuje se nizom parametara koji se koriste u proračunu karakteristika električnog izboja u plinu. Ti parametri su: koncentracija molekula ili atoma plina n, jednak broju čestica po jedinici volumena, tlak plina R, temperatura plina T. Ove su veličine povezane jednadžbom stanja.

Osim gradijenta potencijala, još jedna veličina koja se može mjeriti je struja u atmosferi. Njegova gustoća je niska: oko 10 -6 mikrona prolazi kroz svaki četvorni metar paralelno s površinom zemlje. Zrak očito nije savršen izolator; Zbog ove vodljivosti, slaba struja cijelo vrijeme teče od neba do zemlje, uzrokovana električnim poljem koje smo opisali.

Zašto atmosfera ima vodljivost? Jer u njemu, među molekulama zraka, postoje ioni, na primjer, molekule kisika, ponekad opremljeni dodatnim elektronom, a ponekad lišeni vlastitog. Ti ioni ne ostaju sami; Zahvaljujući svom električnom polju, oni teže okupiti druge molekule u svojoj blizini. Svaki ion tada postaje mala kvržica, koja zajedno s drugim sličnim kvržicama odluta u polje, polako se krećući gore ili dolje, stvarajući struju o kojoj smo govorili.

Odakle dolaze? ioni? Isprva su mislili da su ioni stvoreni radioaktivnošću Zemlje. (Bilo je poznato da zračenje radioaktivnih tvari čini zrak vodljivim ionizirajući molekule zraka.) Čestice koje izlaze iz atomske jezgre, recimo. Beta zrake putuju tako brzo da skidaju elektrone s atoma, ostavljajući za sobom trag iona. Ovo stajalište, naravno, pretpostavlja da bi na većim visinama ionizacija postala manja, jer je sva radioaktivnost - svi tragovi radija, urana, natrija, itd. - u zemljinoj prašini.

Kako bi testirali ovu teoriju, fizičari su poletjeli balonima i izmjerili ionizaciju (Hess, 1912.). Ispostavilo se da se sve događa upravo suprotno - ionizacija po jedinici volumena s visinom rastući! (Uređaj je bio sličan onome prikazanom na sl. 9.3. Dvije su ploče povremeno nabijene do potencijala V. Zbog vodljivosti zraka polagano su se praznile; brzina pražnjenja je mjerena elektrometrom.) Ovaj neshvatljivi rezultat bilo je najnevjerojatnije otkriće u cijeloj povijesti atmosferskog elektriciteta. Otkriće je bilo toliko važno da je zahtijevalo stvaranje nove grane znanosti - fizike kozmičkih zraka. A sam atmosferski elektricitet ostao je među manje iznenađujućim fenomenima. Ionizaciju je očito generiralo nešto izvan Zemlje; potraga za ovim nezemaljskim izvorom dovela je do otkrića kozmičkih zraka. Nećemo sada o njima i samo ćemo reći da su oni ti koji potpomažu opskrbu zraka ionima. Iako se ioni neprestano odnose, kozmičke čestice, izbijajući iz kozmičkog prostora, neprestano stvaraju nove ione.

Točnije, moramo napomenuti da, osim iona koji se sastoje od molekula, postoje i druge vrste iona. Sićušne grudice zemlje, poput iznimno sitnih čestica prašine, lebde u zraku i postaju naelektrizirane. Ponekad se nazivaju "nukleusi". Na primjer, kada valovi zapljuskuju more, male kapljice lete u zrak. Kada takva kapljica ispari, mali kristal NaCl ostaje lebdjeti u zraku. Ti kristali tada mogu privući naboje i postati ioni; nazivaju se "veliki ioni".

Najpokretljiviji su mali ioni, tj. oni koje stvaraju kozmičke zrake. Budući da su tako mali, brzo putuju zrakom, brzinom od oko 1 cm/sek u polju od 100 V/m, odnosno 1 V/cm. Veliki i teški ioni kreću se puno sporije. Ispada da ako ima puno "jezgri", tada one presreću naboje od malih iona. Zatim, budući da se "veliki ioni" kreću vrlo sporo u polju, ukupna vodljivost opada. Stoga je vodljivost zraka vrlo promjenjiva - vrlo je osjetljiva na njegovo "začepljenje". Ovog “smeća” ima puno više nad kopnom nego nad morem, vjetar diže prašinu s tla, a ljudi također zagađuju zrak na sve moguće načine. Nije iznenađujuće da se iz dana u dan, iz trenutka u trenutak, s jednog mjesta na drugo, vodljivost u blizini Zemljine površine značajno mijenja. Električno polje u svakoj točki iznad zemljine površine također se mijenja, jer je struja koja teče odozgo prema dolje približno ista na različitim mjestima, a promjene vodljivosti u blizini zemljine površine dovode do varijacija u polju.

Vodljivost zraka, koja je posljedica pomaka iona, također se brzo povećava s visinom. To se događa iz dva razloga. Prvo, ionizacija zraka kozmičkim zrakama raste s visinom. Drugo, kako se gustoća zraka smanjuje, slobodni put iona se povećava, tako da mogu putovati dalje u električnom polju prije sudara. Kao rezultat toga, na visini vodljivost naglo skače.

Gustoća električne struje u samom zraku jednaka je samo nekoliko mikro-mikroampera po četvornom metru, ali takvih četvornih metara na Zemlji ima jako puno. Ukupna električna struja koja dopire do Zemljine površine je približno 1800 A. Ova struja je, naravno, "pozitivna" - prenosi pozitivan naboj na Zemlju. Dakle, rezultat je struja od 1800 A pri naponu od 400 000 V. Snaga 700 MW!

Uz tako jaku struju, negativni naboj Zemlje uskoro bi trebao nestati. Zapravo, bilo bi potrebno samo oko pola sata da se isprazni cijela Zemlja. Ali od otkrića električnog polja u atmosferi prošlo je mnogo više od pola sata. Kako se drži? Kako se održava napetost? A između čega i što je? Zemlja je na jednoj elektrodi, a što na drugoj? Mnogo je takvih pitanja.

Zemlja je negativno nabijena, ali je potencijal u zraku pozitivan. Na dovoljno velikoj nadmorskoj visini, vodljivost je tolika da vjerojatnost horizontalnih promjena napona postaje nula. Zrak se, u vremenskoj skali o kojoj sada govorimo, zapravo pretvara u vodič. To se događa na visini od oko 50 km. To još nije tako visoko kao ono što se naziva "ionosfera", gdje postoji vrlo velik broj iona proizvedenih zbog fotoelektričnog učinka sunčevih zraka. Za naše potrebe, kada raspravljamo o svojstvima atmosferskog elektriciteta, možemo pretpostaviti da na visini od oko 50 km zrak postaje dovoljno vodljiv i da postoji praktički vodljiva sfera iz koje struje teku prema dolje. Stanje stvari je prikazano na sl. 9.4. Pitanje je kako se tamo održava pozitivni naboj. Kako se pumpa natrag? Budući da teče na Zemlju, onda se mora nekako ispumpati natrag? Dugo je to bila jedna od glavnih misterija atmosferskog elektriciteta.

Bilo koja informacija o ovom pitanju može dati trag misteriju, ili nam barem reći nešto o tome. Evo jednog zanimljivog fenomena: ako mjerimo struju (a ona je, kao što znamo, stabilnija od potencijalnog gradijenta), recimo iznad mora, i uz pažljivo poštivanje mjera opreza, vrlo pažljivo sve usrednjimo i riješimo se svih grešaka , tada nalazimo da još uvijek postoje neke dnevne varijacije. Prosjek mnogih mjerenja nad oceanima ima vremensku varijaciju približno kao što je prikazano na sl. 9.5. Struja varira za otprilike ±15% i doseže najveću vrijednost u 19 sati po londonskom vremenu. Najčudnija stvar ovdje je da, gdje god mjeriš struja - bilo u Atlantskom oceanu, Tihom oceanu ili Arktičkom oceanu - njeni vršni sati nastupaju kada sati na London emisije u 19 sati! Diljem svijeta struja doseže svoj maksimum u 19 sati po londonskom vremenu, a minimum u 4 sata po londonskom vremenu. Drugim riječima, struja ovisi o apsolutnom zemaljskom vremenu, i ne od domaćih vrijeme na mjestu promatranja. U jednom pogledu to ipak nije tako čudno; ovo je sasvim u skladu s našom idejom da na samom vrhu postoji vrlo velika horizontalna vodljivost, koja isključuje lokalne promjene u potencijalnoj razlici između Zemlje i vrha. Svaka promjena kapaciteta mora biti u cijelom svijetu, i tako je. Dakle, sada znamo da napon "gore" s promjenom apsolutnog zemaljskog vremena ili raste ili pada za 15%.