Nesamovodivosť vzduchu. Experimentálne nastavenie

Ionizácia vzduchu

Atmosférický vzduch je zmesou mnohých plynných látok. Okrem kyslíka a dusíka, ktoré tvoria väčšinu vzduchu, obsahuje aj malé množstvá takzvaných inertných plynov, oxidu uhličitého a vodnej pary. Okrem uvedených plynov obsahuje vzduch ešte väčšie či menšie množstvo prachu a niektoré náhodné nečistoty. Kyslík, dusík a inertné plyny sa považujú za trvalé zložky vzduchu, pretože ich obsah vo vzduchu je všade takmer rovnaký. Naopak, obsah 2 CO, vodnej pary a prachu sa môže líšiť v závislosti od rôznych podmienok. Ako je známe, za normálnych podmienok tlaku a teploty sú rôzne plyny, ktoré tvoria vzduch, dielektriká.

Ak sú niektoré molekuly ionizované, plyn vedie prúd.

Keď hovoríme, že vzduch je ionizovaný, znamená to, že určitá veľmi veľká časť molekúl plynu vo vzduchu nesie elektrický náboj záporného alebo kladného znamienka. Všimnite si, že 1 cm 3 vzduchu za normálnych podmienok obsahuje 2 710 19 molekúl, priemerný počet ľahkých vzdušných iónov za prirodzených podmienok v rovnakom objeme je približne 500-700 párov.

Koncentrácia vzdušných iónov v atmosfére je vyjadrená počtom kladných a záporných iónov na 1 cm3. Vodivosť atmosféry teda pozostáva z polárnych vodivosti - pozitívnej a negatívnej, t.j.

- vodivosť atmosféry,

n – počet kladných a záporných vzdušných iónov,

k – pohyblivosť kladných a záporných vzdušných iónov,

Celková vodivosť atmosféry:
= + = nk e + n k e
Kde:

Celková vodivosť atmosféry

Pozitívna vodivosť atmosféry

Záporná vodivosť atmosféry

n - počet kladných vzduchových iónov

n - počet záporných vzduchových iónov

k - pohyblivosť kladných vzdušných iónov

k - pohyblivosť negatívnych vzdušných iónov

e – náboj vzduchových iónov rovný 4,810 -10 absolútnych elektrostatických jednotiek.
Hustotu vertikálneho atmosférického prúdu možno vyjadriť takto:
Ja =
Kde:

Celková vodivosť atmosféry,

I je hustota vertikálneho atmosférického prúdu,

Vertikálny potenciálny gradient.
Pomer kladných a záporných vzdušných iónov v blízkosti zemského povrchu je približne 1,2, t.j.
K= = 1,2
Kde:

K – koeficient unipolarity,

n je počet záporných vzduchových iónov.
Prítomnosť určitého prebytku kladných vzdušných iónov vo vzduchu sa vysvetľuje tým, že pôdny vzduch vychádzajúci cez pôdne kapiláry na nich zanecháva prevažne záporné vzdušné ióny. Ako je známe, vodivosť pôdneho vzduchu je 30-krát väčšia ako vodivosť atmosférického vzduchu.

Elektrická vodivosť atmosféry je v priemere 110 4 elektrických jednotiek.


Hustota vertikálneho vodivého prúdu atmosféry



Potenciálny gradient zemského elektrického poľa podlieha prudkým deformáciám v dôsledku rôznych nepravidelností na zemskom povrchu. Ekvipotenciálne plochy sa ohýbajú okolo prekážok a kondenzujú nad vyvýšenými objektmi. Vo vnútri budov je potenciálny gradient elektrického poľa nulový, vo vnútri budov nie je žiadne elektrické pole ani pri silných atmosféricko-elektrických javoch. Táto okolnosť sa berie do úvahy pri elektroefluviálnej metóde aeroionifikácie.

Vzhľadom na to, že atmosférický vzduch obsahuje okrem molekúl plynu aj suspendované pevné alebo kvapalné mikročastice, ktoré adsorbujú ľahké vzdušné ióny, možno ionizačnú rovnováhu vyjadriť nasledovne:
q = n + n - + n + N - + n+N0
Kde:

n je počet kladných vzduchových iónov,

N 0 - počet neutrálnych častíc.
Ale keďže počet suspendovaných mikročastíc je zvyčajne oveľa väčší ako počet ľahkých vzduchových iónov, ionizačnú rovnováhu možno znázorniť rovnicou:
q = n+ (n- + N- + N°) = / nt
Kde:

q je počet vzduchových iónov vytvorených na 1 cm 3 /s,

n je počet kladných vzduchových iónov,

n - počet záporných vzduchových iónov,

Rekombinačný koeficient ľahkých vzduchových iónov,

Koeficient kombinácie ľahkých vzduchových iónov s nabitými časticami,

N - - počet nabitých častíc,

N 0 - počet neutrálnych častíc,

t – časové obdobie,

n – celkový počet iónov,

/ je konštanta miznutia vzdušných iónov.
Zmena počtu vzdušných iónov v atmosférickom vzduchu so zmenou tvorby iónov je vyjadrená:

t – časové obdobie,

q je počet vzduchových iónov vytvorených na 1 cm 3 /s,

/ - neustále miznutie vzdušných iónov,

n je celkový počet iónov.
Pri absencii tvorby iónov počet iónov klesá s časom t podľa zákona:
n = n° e

Priemernú životnosť ľahkých vzduchových iónov možno vyjadriť takto:

Početné merania počtu ľahkých vzdušných iónov uskutočnené v mnohých krajinách stovkami fyzikov, geofyzikov, meteorológov a lekárov nemožno považovať za absolútne spoľahlivé. Počítadlo vzduchových iónov Ebert, s ktorým boli tieto merania uskutočnené, nespĺňa požiadavky naň.

Technika merania počtu vzdušných iónov na jednotku objemu zatiaľ nedostala konečné a presné riešenie v dôsledku zložitého súboru faktorov sprevádzajúcich iónové procesy v atmosférickom vzduchu.

Ionizácia pozostáva zo štiepenia molekúl na elektrón a ión (náboj +). Keďže molekuly plynu a atómy sú pomerne stabilné, pre ionizáciu je potrebné pracovať proti interakčným silám medzi elektrónom a iónom. Táto práca sa nazýva ionizačné práce . Práca ionizácie závisí od povahy plynu a od energetického stavu elektrónu.

Práca ionizácie môže byť určená ionizačným potenciálom .
Ionizačný potenciál je potenciálny rozdiel, ktorý musí podstúpiť elektrón v zrýchľujúcom sa elektrickom poli, aby sa prírastok jeho energie rovnal ionizačnej práci.

, (1)

Ionizačný potenciál (eV),

Elektrónvolt (eV) je energia získaná časticou s nábojom rovným náboju elektrónu po prechode potenciálovým rozdielom 1 V. Táto extrasystémová jednotka energie je v súčasnosti schválená na použitie vo fyzike. 1eV= 1,6021892.10-19 J

Ionizačné práce,

e- elektrónový náboj.

(2)

m - hmotnosť elektrónu (kg)

V - rýchlosť elektrónov (m/s)

e- elektrónový náboj.
Ak je kinetická energia elektrónu:

, (2.1)

Energia W, ktorú elektrón získa pri prechode potenciálovým rozdielom U sa rovná:

W=eU (2,2)
A ionizačný potenciál (energia, ktorú má elektrón pri zrážke s iným elektrónom, ho môže ionizovať) sa rovná:

T+W, (2,3)
Potom dosadením (2.1) a (2.2) do (2.3) dostaneme:

U je potenciálny rozdiel, ktorým musí prejsť 1 elektrón,

aby mal dostatok energie na ionizáciu elektrónu, s ktorým sa zrazí.

e- elektrónový náboj,

m - hmotnosť elektrónu (kg),

V - rýchlosť elektrónov (m/s),

Ionizačný potenciál (eV).

V niektorých plynoch, ako je kyslík, oxid uhličitý, vodná para,

oddelený elektrón počas jedného z najbližších stretnutí s iným neutrálom

molekula sa s ním spojí a premení ho na elektronegatívny ión.

Dodatok, „pripojenie elektrónu k neutrálnej molekule, vedie k

V takýchto prípadoch k takému preskupeniu jej elektronického obalu, že v dôsledku toho sa energia molekuly, ktorá zachytila ​​ďalší elektrón, ukáže byť menšia ako energia neutrálnej molekuly o určité množstvo, ktoré sa nazýva energia elektrónovej afinity.

Pre väčšinu rôznych plynov sa pohybuje od 0,75 do 4,5 eV. V inertných plynoch - argón, neón, hélium, kryptón, xenón a tiež v dusíku - sa negatívne ióny neobjavujú.
Hodnoty niektorých molekúl rôznych zložiek atmosférického vzduchu sú uvedené v tabuľke 1.
Stôl 1.

Rýchlosť prechodu elektrónu (kilometre za sekundu) bez kolízií

potenciálny rozdiel U (volty) je určený výrazom:

Nahradením ionizačných potenciálov do tohto vzorca vidíme, že elektrón ionizuje molekuly plynu, keď je jeho rýchlosť vyššia ako 1000 km/s.

V závislosti od spôsobu ionizácie sa rozlišujú tieto typy ionizácie:

1) Fotoionizácia (vystavenie röntgenovému a gama žiareniu);

Je známe, že ionizácia vzduchu a tvorba čiastočných povrchových výbojov (PSD) môže nastať napríklad pri fotoionizácii. Aby vystavenie žiareniu viedlo k ionizácii vzduchu, musia byť splnené tieto podmienky:

s- rýchlosť svetla;

Vlnová dĺžka žiarenia;

h- Planckova konštanta;

Wi- ionizačná energia

Stanovením vlnovej dĺžky žiarenia pomocou vyššie uvedeného vzorca získame

 10–7 m alebo 103 Á.

Vlny s takouto dĺžkou ležia na hranici ultrafialového a röntgenového žiarenia (tzv. vákuové ultrafialové), zatiaľ čo viditeľné svetlo nemôže viesť k ionizácii vzduchu.

2) Ionizácia nárazom (náraz
A častice (elektrón, pozitrón);

1. 
   Tepelná ionizácia (zahriatie na vysokú teplotu).

4) Ionizácia elektrickým poľom. Aby sa v dôsledku elektrostatickej emisie vytvorili záporné a kladné ióny, je potrebné vonkajšie elektrické pole väčšie ako 1000 kV/cm. Tento typ ionizácie je najbežnejší a používa sa na umelú ionizáciu vzduchu v domácich priestoroch pomocou zariadení nazývaných ionizátory vzduchu. Ďalej budeme uvažovať o tomto type ionizácie.

V dôsledku všetkých týchto typov ionizácie sa objavujú prúdové nosiče. V tomto prípade hovoria o nesamovodivosť plynu. Ak v plyne vznikajú prúdové nosiče, ktoré sú spôsobené iba elektrickým poľom aplikovaným na plyn, nazýva sa vodivosť nezávislý.
Uvažujme závislý výboj plynu. Výtok plynu nazývaný prechod prúdu cez plyn.

Vplyvom externého ionizátora sa molekula plynu rozštiepi na elektrón a ión . Elektrón môže byť zachytený neutrálnou molekulou, ktorá sa stane iónom.

Počet párov ionizovaných molekúl na jednotku objemu V a za jednotku času t označovať podľa
. Časť ionizovaných molekúl rekombinovať, t.j. Neutralizácia opačných párov nastáva, keď sa stretnú.

Prítomnosť rekombinácie zabraňuje neobmedzenému zvyšovaniu počtu iónov v plyne a vysvetľuje nastolenie určitej koncentrácie iónov krátko po začiatku pôsobenia externého ionizátora.

Pravdepodobnosť stretnutia dvoch iónov opačných znamienok je úmerná počtu kladných aj záporných iónov. Preto je počet iónových párov rekombinujúcich za sekundu na jednotku objemu
úmerné druhej mocnine počtu iónových párov prítomných na jednotku objemu n:

Počet rekombinácií iónových párov (za sekundu na jednotku objemu).

r

n

Koncentrácia iónov v plyne:

Kde:

n je počet súčasne generovaných iónov v plyne

v – rekombinačný koeficient.

V neprítomnosti vonkajšieho poľa nastáva rovnováha: počet párov ionizovaných molekúl sa rovná počtu párov rekombinovaných molekúl, t.j.

, (3)
pričom počet iónových párov na jednotku objemu sa rovná:

.

V a za jednotku času t.

r– koeficient proporcionality.

n - počet iónových párov prítomných na jednotku objemu.

Pod vplyvom kozmického žiarenia a stôp rádioaktívnych látok prítomných v zemskej kôre má 1 cm 3 pri rovnovážnej koncentrácii iónov hodnotu rádovo
. Táto koncentrácia nie je dostatočná na to, aby spôsobila významnú vodivosť (čistý, suchý vzduch je veľmi dobrý izolant).
Ak, každú sekundu na elektródach ionizátora neutralizované
párov iónov, potom sa sila prúdu v obvode bude rovnať:

, (4)

ja

ionizátor,

S- oblasť elektród,

l

Prúd medzi elektródami ionizátora:

j – prúdová hustota

S je plocha každej elektródy v priestore, medzi ktorým prebieha efekt generovania iónov

Z výrazu (4) dostaneme, že koncentrácia iónových párov neutralizovaných na elektródach za jednotku času je rovná

, (5)

Počet iónových párov, ktoré sú neutralizované elektrodachionizérom,

ja - sila prúdu medzi vyžarovacími elektródami ionizátora,

- náboj prúdového nosiča (ión),

S- oblasť elektród,

l- vzdialenosť medzi elektródami;

j- súčasná hustota.

V prítomnosti prúdu bude podmienka iónovej rovnováhy napísaná nasledovne: E = Ohmov zákon získaný z výrazu (8).

j- súčasná hustota,

- merná elektrická vodivosť plynu,

E- sila poľa.

V druhej oblasti na krivke závislosti
lineárny vzťah medzi hustotou prúdu a napätím je narušený v dôsledku skutočnosti, že koncentrácia iónov v plyne klesá.

V tretej oblasti, počnúc od určitej hodnoty napätia, zostáva hustota prúdu konštantná, keď sa E zvyšuje, je to spôsobené tým, že pri konštantnej intenzite ionizácie v silných elektrických poliach všetky ióny vytvorené za jednotku času v plyne dosiahnu hodnotu. elektródy. Hodnota prúdovej hustoty sa nazýva prúdová hustota nasýtenia:

. (10)

J nás- hustota saturačného prúdu,

- náboj prúdového nosiča (ión),

Počet párov ionizovaných molekúl na jednotku objemu V a za jednotku času t,

l- vzdialenosť medzi elektródami.

Skutočná hodnota saturačného prúdu vo vzduchu je veľmi malá a je približne J nás =10 -15 Vozidlo 2 .

Za oblasťou nasýtenia leží oblasť prudkého nárastu prúdovej hustoty (na obr. 2 je táto oblasť znázornená prerušovanou čiarou). Tento nárast sa vysvetľuje tým, že od určitej hodnoty E elektróny generované externým ionizátorom dokážu počas svojej voľnej dráhy získať energiu dostatočnú na to, aby sa zrazili s molekulou a spôsobili jej ionizáciu, t.j.

, (11)
Kde
– kinetická energia elektrónu;
– práca ionizácie molekuly. Elektróny generované počas ionizácie, keď sú zrýchlené, zase spôsobujú ionizáciu. Dochádza tak k lavínovitému množeniu primárnych iónov, ktoré vznikajú vplyvom externého ionizátora. Proces však nestráca charakter nesebastačného výboja.

Vodivosť vzduchu, schopnosť vzduchu viesť elektrický prúd. P. a. je tvorený atmosférickými iónmi a zvyšuje sa so zvyšujúcou sa pohyblivosťou a koncentráciou týchto. Na základe tohto P. a. sa zvyšuje so zvyšovaním čistoty a ionizácie vzduchu a znižovaním jeho hustoty, čo vedie k závislosti P. a. z meteorologických vlastností.

So zvyšujúcou sa vlhkosťou, zvyšujúcimi sa koncentráciami prachových častíc, hmly a oblačnosti takmer všetkých druhov P. a. výrazne klesá; iba v búrkových oblakoch, kde je vysoká ionizácia, P. a. sa môže výrazne zvýšiť. Pod vplyvom priemyselného znečistenia sa P. a. vo všeobecnosti výrazne klesá, najmä veľmi výrazne v mestách, no okrem toho v strede Atlantiku klesla za 50-ročné obdobie takmer 2-krát. Jadrové výbuchy citeľne zvyšujú P. a. Priemerná hodnota špecifického P. a. pri povrchu pôdy 2,2?10-18 ohm-1?m-1.

Na rôznych miestach pôdy sa líši a mení sa v priebehu času. Denná amplitúda kmitov P. a. nad kontinentmi tvorí asi 20 % priemeru, ročne až 30 %; nad oceánmi sú tieto výkyvy menšie.

V čistej atmosfére P. a. rastie s výškou podľa exponenciálneho zákona, špecifické P. a. dosahuje 13?10-18 ohm-1?m-1 vo výške 6 km a až 300?10-18 ohm-1?m-1 vo výške 30 km. V ionosfére P. a. je spôsobená elektrónmi a je mnohonásobne väčšia ako P. a. v troposfére. Nešpecializovaný P. a. vo vrstve od povrchu pôdy po ionosféru sa rovná 0,5?10-2 ohm-1.

Pohyby objemových nábojov vo vzduchu (pozri Atmosférická elektrina) v dôsledku vzduchovej turbulentnej difúzie a pohybov vedú k účinkom podobným tým, ktoré vytvára P. a. v elektrickom poli. Na charakterizáciu týchto účinkov sa zavádzajú pojmy konvekčná a turbulentná vodivosť, resp.

Lit.: Chalmers J. A., Atmosférická elektrina, trans. z angličtiny, L., 1974; Imjanitov I.M., metódy a zariadenia na štúdium vzdušnej elektriny, M., 1957, kap. 7; Imjanitov I.M., Chubarina E.V., Shvarts Ya.M., Elektrina oblakov, L., 1971.

I. M. Imjanitov.

Prečítajte si tiež:

Atmosférická elektrina. Blesk (rozprávaný fyzikom Vladimirom Byčkovom)

Atmosféra Zeme obsahuje neutrálne molekuly a atómy, kladné a záporné ióny a voľné elektróny. Vďaka obsahu elektricky nabitých častíc má atmosféra elektrickú vodivosť. K hlavným príčinným činiteľom elektricky nabitých častíc v atmosfére, alebo k hlavným ionizátorom atmosféry patrí kozmické žiarenie, slnečné a pozemské žiarenie. Kozmické žiarenie pozostáva z 90 % protónov, asi 7 % jadier hélia a všetky ostatné prvky tvoria 3 %. Častice kozmického žiarenia majú veľmi vysokú energiu (od 1 do 10 12 GeV), pri interakcii s atómami atmosféry tieto častice generujú výdatné spŕšky elektrónov a muzónov vysokých energií, ktoré dosahujú zemský povrch a prenikajú hlboko do zemskej kôry, a mezóny nižších energií, ktoré pohyb v atmosfére rozpadajú. Rýchle elektróny tiež strácajú energiu v atmosfére v dôsledku rôznych mechanizmov interakcie s hmotou a v konečnom dôsledku dochádza k spŕške voľných nabitých častíc, ktoré zabezpečujú elektrickú vodivosť atmosféry. Tento typ ionizácie atmosféry na hladine mora vytvára 2–4 ​​milióny iónových párov na 1 m 3 za 1 s. So stúpajúcou nadmorskou výškou na približne 18 km sa výkon kozmickej ionizácie zvyšuje úmerne s nárastom toku kozmického žiarenia.

Prevažná časť slnečné žiarenie Dosah UV a röntgenového žiarenia je absorbovaný v horných vrstvách atmosféry (nad 40 km). Tento proces je sprevádzaný ionizáciou atómov v atmosfére. Korpuskulárne slnečné žiarenie tiež ionizuje atmosféru na úrovne porovnateľné s tými, ktoré vytvára elektromagnetické žiarenie zo Slnka.

Žiarenie Zeme ionizuje atmosféru v bezprostrednej blízkosti zemského povrchu. Toto sa deje ch. spôsob v dôsledku vstupu produktov rádioaktívneho rozpadu ťažkých horninových prvkov zo zemskej kôry. Ióny sa tvoria v povrchovej vrstve atmosféry a následne sú transportované turbulentnou výmenou a vertikálnym pohybom do výšky 4-5 km. Zemské žiarenie vytvára v povrchovej vrstve atmosféry nad pevninou asi 5 miliónov párov iónov v 1 m 3 za 1 s nad hladinou morí a oceánov ich koncentrácia je neporovnateľne nižšia vzhľadom na zanedbateľný obsah rádioaktívnych látok v morskej vode.

V atmosfére vznikajú ióny aj v dôsledku jej znečistenia produktmi jadrového priemyslu a testovania jadrových zbraní, ako aj krátkovlnným žiarením z hviezd v dôsledku meteorických častíc a iných ionizátorov.

Spolu s ionizáciou v atmosfére dochádza k opačnému procesu - rekombinácia elektróny a ióny, ktorých rýchlosť nie je v rôznych výškach rovnaká. To isté platí o sile ionizátorov. Preto je vertikálny profil koncentrácie iónov a elektrónov v atmosfére zložitý.

Elektrická vodivosť atmosférického vzduchu závisí od koncentrácie nosičov kladných a záporných nábojov a ich pohyblivosti. Periodické výkyvy koncentrácie nosičov náboja sú veľmi zložité, ale zvyčajne v lete je ich koncentrácia pri zemskom povrchu vyššia ako v zime. V dennom cykle sa najvyššia koncentrácia iónov zvyčajne pozoruje ráno, najnižšia popoludní.

IONOSFÉRA. Ak je možné podľa teplotných zmien rozlíšiť 5 vrstiev, potom podľa stupňa ionizácie vzdušných plynov je atmosféra rozdelená na 4 vrstvy: D, E, F 1 a F 2. Ionizácia je spôsobená absorpciou slnečného žiarenia. Ultrafialové žiarenie ionizuje molekuly O 2 a N 2 . K vymiznutiu elektrónov a iónov môže dôjsť v dôsledku ich rekombinácie, ako aj prechodu do iného objemu umiestneného vedľa súčasného alebo oveľa ďalej. Preto koncentrácia elektrónov v danom mieste závisí od rýchlosti ionizácie, od rýchlosti rekombinácie a tiež od toho, koľko voľných elektrónov opustí daný jednotkový objem za jednotku času. Tento posledný proces sa nazýva. divergencia. Ako vidíme, povaha formovania ionosféry a jej správanie závisí od mnohých faktorov.

Je zrejmé, že pohyb atmosférického plynu ovplyvňuje zmenu koncentrácie elektrónov v ionosfére. Existujú však aj iné sily, ktoré uvádzajú elektróny do pohybu a prerozdeľujú koncentráciu elektrónov v ionosfére. Ide predovšetkým o elektrické a magnetické polia.

Ionosférické vrstvy boli pôvodne objavené pri experimentoch so šírením rádiových vĺn. Krátkovlnné rádiové vlny vyžarované smerom nahor sa vracali na Zem a odrážali sa v hornej atmosfére nejakou elektrickou clonou. Potom sa zistilo, že táto obrazovka bola vrstva elektrónov. Existuje aj vrstva kladných iónov, ale vzhľadom na ich pomerne veľkú hmotnosť

Ryža. 24. Efekt vrstvy E ionosférou o šírení rádiových vĺn.

neovplyvňujú šírenie rádiových vĺn. Jedna z týchto vrstiev bola objavená v nadmorskej výške 300 km (táto výška sa mení v závislosti od ročného obdobia, zemepisnej šírky, dennej doby a iných faktorov). Ide o vrstvu, ktorá je označená symbolom F. Vo výške asi 100 km bola objavená ďalšia ionosférická vrstva, tzv. E (ťažká vrstva) . Táto vrstva je ako obrovské zrkadlo, od ktorého sa odrážajú rádiové vlny. Pri tom sa môžu šíriť ďalej, než by sa očakávalo, keby sa šírili bez odrazu.

Potom sa zistilo, že pod vrstvou E boli tiež voľné elektróny, aj keď v menšom množstve ako vyššie. Táto vrstva sa nazýva vrstva D a jej hlavný vplyv na šírenie rádiových vĺn spočíva v tom, že pohlcuje krátkovlnné rádiové vlny.

Silný vplyv elektromagnetického žiarenia na ionosféru umožňuje vytvárať geofyzikálna zbraň. USA má na Aljaške a v Nórsku anténne polia pre vysokofrekvenčné elektromagnetické ovplyvňovanie atmosféry, schopné spôsobiť búrky, výboje atď. Jedna taká inštalácia bola aj v Rusku, ale v zime nevypúšťali vodu z potrubia  všetko prasklo.

Elektrickú vodivosť vzduchu objavil Coulomb (v roku 1785). Pozorovaním straty elektriny z izolovaných vodičov dospel k záveru, že časť elektriny sa nestratila cez izolátory, ale priamo do ovzdušia. Schopnosť akéhokoľvek materiálu viesť elektrický prúd je určená prítomnosťou voľných nábojov v ňom a možnosťou ich pohybu. Vzduch tvoria hlavne molekuly - dusík N 2 - s ionizačnou energiou 15,5 eV, kyslík - O 2 - 12,5 eV, voda - H 2 O - 12,6 eV, oxid uhličitý - CO 2 - 14,4 eV.

Disociačná energia molekúl plynu, ktoré tvoria vzduch, leží v rozmedzí 10 - 20 e.v. Pri izbovej teplote je energia tepelného pohybu molekúl oveľa menšia a rovná sa 0,025 e.v. Preto je vodivosť vzduchu v prirodzených podmienkach určená kozmickým žiarením a prirodzeným žiarením pozadia, pod vplyvom ktorého sa vo vzduchu vytvárajú voľné elektróny, atómové a molekulárne ióny.

Vo vzduchu sa zvyčajne vytvorí okolo 1000 kusov. elektróny a ióny v 1 cm 3 za 1 sekundu. Niektoré elektróny a ióny sa rýchlo rekombinujú, zatiaľ čo iné sa držia neutrálnych molekúl a vytvárajú negatívne ióny s dlhou životnosťou. V rovnováhe objem plynu zvyčajne obsahuje až 10 9 iónov/m 3 . Pohyblivosť elektrónov pri normálnom tlaku je? ? . Vodivosť vzduchu v dôsledku prirodzenej ionizácie je teda ~10 - 1 4 S/m. Treba poznamenať, že za normálnych podmienok je pohyblivosť elektrónov vo vzduchu o tri rády väčšia ako pohyblivosť iónov, v dôsledku toho elektróny takmer úplne určujú vodivé vlastnosti. Preto, vzhľadom na to, budeme hovoriť hlavne o elektronickej vodivosti.

Ohmov zákon však platí pre vzduch iba pri nízkych elektrických poliach. Keď sa intenzita poľa zvyšuje, dochádza k saturácii prúdu, prúd má tendenciu k určitej konštantnej hodnote - všetky vytvorené voľné elektróny prichádzajú k elektródam. Tento proces je podrobne opísaný v. Obrázok 1 ukazuje typickú charakteristiku prúdového napätia plynu. Lineárny úsek zodpovedá nízkym silám poľa, pri ktorých je splnený Ohmov zákon, horizontálny úsek zodpovedá saturačnému prúdu, exponenciálny nárast prúdu v treťom úseku zodpovedá vzniku lavínového mechanizmu na disociáciu molekúl vzduchu pod vplyv elektrického poľa (podrobnejšie popísané nižšie).

Akékoľvek rovnovážne plynné médium, vrátane vzduchu, je popísané množstvom parametrov používaných pri výpočte charakteristík elektrického výboja v plyne. Týmito parametrami sú: koncentrácia molekúl alebo atómov plynu n, ktorý sa rovná počtu častíc na jednotku objemu, tlaku plynu R, teplota plynu T. Tieto veličiny sú spojené stavovou rovnicou.

Okrem potenciálneho gradientu je ďalšou veličinou, ktorú možno merať, prúd v atmosfére. Jeho hustota je nízka: okolo 10 -6 mikrónov prechádza každým štvorcovým metrom rovnobežne so zemským povrchom. Vzduch zjavne nie je dokonalým izolantom; Kvôli tejto vodivosti tečie z neba na zem stále slabý prúd, spôsobený elektrickým poľom, ktoré sme opísali.

Prečo má atmosféra vodivosť? Pretože v ňom, medzi molekulami vzduchu, sú ióny, napríklad molekuly kyslíka, niekedy vybavené dodatočným elektrónom a niekedy zbavené jedného vlastného. Tieto ióny nezostávajú osamotené; Vďaka svojmu elektrickému poľu majú tendenciu zhromažďovať v ich blízkosti ďalšie molekuly. Každý ión sa potom stane malou hrudkou, ktorá sa spolu s ďalšími podobnými hrudkami unáša do poľa, pomaly sa pohybuje nahor alebo nadol a vytvára prúd, o ktorom sme hovorili.

Odkiaľ prišli? ióny? Najprv si mysleli, že ióny vznikli rádioaktivitou Zeme. (Bolo známe, že žiarenie z rádioaktívnych látok robí vzduch vodivým ionizáciou molekúl vzduchu.) Povedzme častice vychádzajúce z atómového jadra. Lúče beta sa šíria tak rýchlo, že odstraňujú elektróny z atómov a zanechávajú za sebou stopu iónov. Tento názor samozrejme predpokladá, že vo vyšších nadmorských výškach by sa ionizácia zmenšila, pretože všetka rádioaktivita – všetky stopy rádia, uránu, sodíka atď. – sa nachádza v zemskom prachu.

Aby fyzici otestovali túto teóriu, vzlietli v balónoch a zmerali ionizáciu (Hess, v roku 1912). Ukázalo sa, že všetko sa deje práve naopak - ionizácia na jednotku objemu s výškou rastie! (Zariadenie bolo podobné ako na obr. 9.3. Dve platničky sa periodicky nabíjali na potenciál V. V dôsledku vodivosti vzduchu sa pomaly vybíjali, rýchlosť vybíjania bola meraná elektrometrom.) Tento nepochopiteľný výsledok bol najúžasnejším objavom v celej histórii atmosférickej elektriny. Objav bol taký dôležitý, že si vyžiadal vytvorenie nového odvetvia vedy – fyziky kozmického žiarenia. A samotná atmosférická elektrina zostala medzi menej prekvapivými javmi. Ionizáciu zrejme vytvorilo niečo mimo Zeme; hľadanie tohto nadpozemského zdroja viedlo k objavu kozmického žiarenia. Nebudeme o nich teraz hovoriť a povieme len, že práve ony podporujú prísun iónov do ovzdušia. Aj keď sú ióny neustále unášané, kozmické častice, ktoré vyrážajú z kozmického priestoru, neustále vytvárajú nové ióny.

Aby sme boli presní, musíme poznamenať, že okrem iónov zložených z molekúl existujú aj iné typy iónov. Drobné zhluky pôdy, ako extrémne jemné čiastočky prachu, sa vznášajú vo vzduchu a nabíjajú sa. Niekedy sa im hovorí „jadrá“. Napríklad, keď vlny špliechajú v mori, malé špliechanice vyletia do vzduchu. Keď sa takáto kvapôčka odparí, vo vzduchu zostane plávať malý kryštál NaCl. Tieto kryštály potom môžu priťahovať náboje a stať sa iónmi; nazývajú sa „veľké ióny“.

Najpohyblivejšie sú malé ióny, t. j. tie, ktoré vytvára kozmické žiarenie. Pretože sú také malé, rýchlo sa pohybujú vzduchom rýchlosťou asi 1 cm/s v poli 100 V/m alebo 1 V/cm. Veľké a ťažké ióny sa pohybujú oveľa pomalšie. Ukazuje sa, že ak existuje veľa „jadier“, zachytávajú náboje z malých iónov. Potom, keďže sa „veľké ióny“ v poli pohybujú veľmi pomaly, celková vodivosť klesá. Preto je vodivosť vzduchu veľmi premenlivá - je veľmi citlivá na svoje „upchávanie“. Tohto „odpadu“ je nad pevninou oveľa viac ako nad morom, vietor dvíha zo zeme prach a ľudia tiež všemožne znečisťujú ovzdušie. Nie je prekvapujúce, že zo dňa na deň, z okamihu na okamih, z jedného miesta na druhé sa vodivosť v blízkosti zemského povrchu výrazne mení. Elektrické pole v každom bode nad zemským povrchom sa tiež mení, pretože prúd tečúci zhora nadol je na rôznych miestach približne rovnaký a zmeny vodivosti v blízkosti zemského povrchu vedú k variáciám v poli.

Vodivosť vzduchu, ktorá je výsledkom unášania iónov, sa tiež rýchlo zvyšuje s nadmorskou výškou. To sa deje z dvoch dôvodov. Po prvé, ionizácia vzduchu kozmickým žiarením sa zvyšuje s nadmorskou výškou. Po druhé, s klesajúcou hustotou vzduchu sa voľná dráha iónov zväčšuje, takže sa môžu pred zrážkou pohybovať ďalej v elektrickom poli. Výsledkom je, že vo výške vodivosť prudko vyskočí.

Hustota elektrického prúdu v samotnom vzduchu sa rovná iba niekoľkým mikroampérom na meter štvorcový, ale takýchto metrov štvorcových je na Zemi veľa. Celkový elektrický prúd dosahujúci zemský povrch je približne 1800 A. Tento prúd je, samozrejme, „pozitívny“ – prenáša kladný náboj na Zem. Výsledkom je prúd 1800 A pri napätí 400 000 V. Výkon 700 MW!

Pri takomto silnom prúde by mal negatívny náboj Zeme čoskoro zmiznúť. V skutočnosti by vybitie celej Zeme trvalo len asi pol hodiny. Od objavu elektrického poľa v atmosfére však uplynulo oveľa viac ako pol hodiny. Ako to drží? Ako sa udržiava napätie? A medzi čím a čím to je? Zem je na jednej elektróde a čo na druhej? Takýchto otázok je veľa.

Zem je nabitá záporne, ale potenciál vo vzduchu je kladný. V dostatočne vysokej nadmorskej výške je vodivosť taká veľká, že pravdepodobnosť horizontálnych zmien napätia je nulová. Vzduch, v časovom meradle, o ktorom teraz hovoríme, sa v skutočnosti mení na vodič. K tomu dochádza v nadmorskej výške asi 50 km. To ešte nie je také vysoké ako to, čo sa nazýva „ionosféra“, kde sa v dôsledku fotoelektrického efektu slnečných lúčov vytvára veľmi veľké množstvo iónov. Pre naše účely, keď diskutujeme o vlastnostiach atmosférickej elektriny, môžeme predpokladať, že vo výške asi 50 km sa vzduch stáva dostatočne vodivým a existuje prakticky vodivá guľa, z ktorej prúdia smerom nadol. Stav veci je znázornený na obr. 9.4. Otázka je, ako sa tam udrží kladný náboj. Ako to pumpuje späť? Keďže prúdi na Zem, musí sa nejako čerpať späť? Po dlhú dobu to bola jedna z hlavných záhad atmosférickej elektriny.

Akékoľvek informácie o tejto záležitosti môžu poskytnúť kľúč k záhade, alebo nám o nej aspoň niečo povedať. Tu je jeden zaujímavý jav: ak meriame prúd (a ten, ako vieme, je stabilnejší ako potenciálny gradient), povedzme nad morom a pri dôslednom dodržiavaní opatrení všetko veľmi starostlivo spriemerujeme a zbavíme sa všetkých chýb , potom zistíme, že stále existujú nejaké denné variácie. Priemer mnohých meraní nad oceánmi má časové kolísanie približne tak, ako je znázornené na obr. 9.5. Prúd sa mení približne o ±15 % a najvyššiu hodnotu dosahuje o 19:00 londýnskeho času. Najzvláštnejšie tu je, kdekoľvek meriate prúdu – či už v Atlantickom oceáne, Tichom oceáne alebo Severnom ľadovom oceáne – jeho vrcholné hodiny nastávajú, keď sú hodiny o hod Londýn predstaví o 19:00! Na celom svete prúd dosahuje maximum o 19:00 londýnskeho času a minimum o 4:00 londýnskeho času. Inými slovami, prúd závisí od absolútneho pozemského času a nie od miestnehočas v mieste pozorovania. V istom ohľade to napokon nie je také zvláštne; to je celkom v súlade s našou predstavou, že na samom vrchole je veľmi veľká horizontálna vodivosť, ktorá vylučuje lokálne zmeny v potenciálnom rozdiele medzi Zemou a vrcholom. Akákoľvek zmena kapacity musí byť celosvetová, a tak to aj je. Takže teraz vieme, že napätie „nad“ so zmenou absolútneho pozemského času buď stúpa alebo klesá o 15%.