По каким причинам у Земли возникает электрическое поле?

По дисциплине "Концепции современного естествознания"

На тему: «Электрические явления в атмосфере Земли»

Введение...……....……………………………………………………...…...... с. 3

По каким причинам у Земли возникает электрическое поле?…................. с. 4

Что такое ионосфера? Почему она образуется вблизи поверхности Земли?.………………………...……………….........………………………..……….. с. 5

Куда направлены силовые линии электрического поля Земли?…..........… с. 6

Примеры электрических явлений в атмосфере Земли.……....……............. с. 7

Каковы причины полярных сияний?…………….........………...………….. с. 9

Что такое молния? Как она возникает?……………………..………..….… с. 11

Как появляется гром? Почему есть интервал между молнией и громом? с. 13

Как работает молниеотвод?.……………………………………….........….. с. 15

Зачем «заземляют» бытовые приборы?……...………......……………….... с. 17

Как уберечься от молнии? ………………………….………………………. с. 18

Заключение. …………………………………..……………………………… с. 21

Список литературы. …....……………………………………..……………... с. 23

Прежде чем вдаваться в разъяснение такого понятия, как «Электрические явления в атмосфере», следует дать определения каждому из его составляющих.

В толковом словаре термину атмосфера дается следующее определение: «Атмосфера — это газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования, начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие — азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1".

Электрические явления в толковых словарях трактуются следующим образом: «Электричество в атмосфере, или, более научно — Атмосферное электричество — это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере».

Итак, изучение «Электрических явлений в атмосфере» мы начнём с самого начала, с самых азов.

По каким причинам у Земли возникает электрическое поле?

Электрическое поле Земли —этоестественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Электрическое поле 3емли обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.

Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция, образование облаков, осадки и другие — приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей.

Что такое ионосфера? Почему она образуется вблизи поверхности Земли?

Ионосфера —слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км и состоящий в основном из ионизированных главным образом облучением Солнца атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризованность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушный масс, ветры, турбулентность — всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо. Примером может служить солнечно-суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мв / м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мв/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрические поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу.

Куда направлены силовые линии электрического поля Земли?

Исследование электрического поля Земли показало, что в среднем модуль его напряженности E = 130 В/м, а силовые линии вертикальны и направлены к Земле. Наибольшее значение напряженность электрического поля имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору она уменьшается. Следовательно, наша планета в целом обладает отрицательным зарядом, который оценивается величиной q = –3∙10⁵ Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?

Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, то есть фактически силовые линии земного электричества идут от ионосферы к поверхности Земли, как в сферическом конденсаторе, обкладками которого являются концентрические сферы.

Под действием электрического поля в атмосфере к Земле идет ток проводимости. На всю поверхность Земли приходится ток силой примерно 1,8 кА. При такой силе тока отрицательный заряд Земли должен был бы исчезнуть в течение нескольких минут, однако этого не происходит. Благодаря процессам, идущим в земной атмосфере и вне ее, заряд Земли остается в среднем неизменным. Следовательно, существует механизм непрерывной электризации нашей планеты, приводящий к появлению у нее отрицательного заряда. Что же является такими атмосферными «генераторами», заряжающими Землю? Это дожди, метели, песчаные бури, торнадо, извержение вулканов, разбрызгивание воды водопадами и прибоем, пар и дым промышленных объектов и т.д. Но наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Как правило, облака в верхней части атмосферы заряжены положительно, а в нижней части — отрицательно.

Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприёмника, непосредственно принимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Молниеприёмник необходим для приёма разряда молнии. Располагается он как можно выше над защищаемым сооружением. Может представлять собой металлический штырь, сеть из проводящего материала или металлический трос, натянутый над защищаемым объектом.

Токоотвод служит проводником для электрического заряда молнии от молниеприёмника до заземлителя. Обычно представляет собой провод достаточно большого сечения.

Заземлитель — проводник или несколько соединённых между собой проводников, находящихся в соприкосновении с грунтом; обычно представляет собой металлическую плиту, заглублённую в землю.

Молниеотвод стоит и возвышается над тем, что защищает. И чем выше он возвышается, тем больший радиус защищает от попадания молний. На первый взгляд в этом и состоит его работа — «возвышаться над». Условно говоря, можно мысленно нарисовать конус с вершиной у снования принимающего стержня, и углом наклона образующей около 40°. Находясь внутри этого конуса можно обезопасить себя полностью. Так как прохождение там молнии — это событие практически невозможное. Особая удача для молнии — это воткнуться в землю. Земля не почувствует какого-либо изменения своего электрического заряда. Земля — это место где электрический потенциал всегда равен нулю. То есть можно считать что мятущийся электрический заряд попадая в землю практически исчезает.

Но на пути к земле молния может что-то поджечь. Предсказать путь прохождения молнии от точки со своим потенциалом до точки с нулевым потенциалом в условно однородном воздухе невозможно, зато можно с помощью молниеотвода по крайней мере обозначить такое место с нулевым потенциалом искусственно. Молния обрушится в это место, а там оказывается еще не земля. В этом, собственно, и весь секрет.

Другими словами, работа молниеотвода заключается в том, что на достаточной высоте он создаёт место такое же привлекательное для молнии как земля (с нулевым потенциалом), электрически соединённое с землёй, но имеющее под собой безопасное пространство.

Известно, что бояться надо не грома, а молнию. И хотя статистика говорит, что гибель от удара молнии случается крайне редко, нельзя недооценивать эту опасность.

Итак, самым опасным в этом отношении районом является сельская местность — 90% всех несчастных случаев происходят именно здесь. Очень часто жертвами молнии становятся отдельно стоящие предметы. Отсюда первое правило — никогда не прячьтесь от молнии под одиноко стоящим деревом, под высокими металлическими конструкциями, помните, молния никогда не попадает в кустарник, лучше спрячьтесь под ним.

Вторая по опасности местность — вода и берега водоемов. Не находитесь в воде во время грозы, не разбивайте палатку на открытом берегу водоема, чтобы не стать мишенью молнии. А самое безопасное место — сухие равнины, ложбины между холмами.

1. ветер не даст вам представления о том, куда движется гроза, грозы, вопреки всякой логике, часто идут против ветра;

2. расстояние от грозы до места вашей дислокации можно определить по времени между вспышкой молнии и раскатом грома (1 секунда — расстояние 300−400 метров, 2 секунды — 600−800 метров, 3 секунды — 1000 м);

3. перед началом грозы обычно наблюдается либо отсутствие ветра, либо ветер меняет направление.

Определив, что гроза движется по направлению к вам, посмотрите, насколько ваше положение «безопасно»:

1. мокрая одежда и тело повышают опасность поражения молнией;

2. ваш лагерь, расположенный на выпуклых формах рельефа, имеет больше шансов стать объектом поражения, нежели лагерь, расположенный в низине;

3. ищите укрытия в лесу среди невысоких деревьев, в горах — в 3−8 метрах от высокого «пальца» 10−15 метров, на открытой местности — в сухой ямке, канаве;

4. песчаная и каменистая почва безопаснее глинистой;

5. признаки повышенной опасности: шевеление волос, жужжание металлических предметов, разряды на острых концах снаряжения.

10. хранить металлические предметы в палатке;

Если во время грозы на стенах вашей комнаты наблюдаются оранжевые отсветы, немедленно захлопните форточку, возможно это шаровая молния.

Шаровая молния — это шар, диаметром от 10 до 35 сантиметров (хотя встречаются и километровые экземпляры). Зачастую имеет желтый цвет, температура его от 100 до 1000 градусов, а вес 5−7 граммов. Шаровая молния предпочитает проникать в дома. Ученым пока не известно, являются ли стёкла надежной защитой от неё. Она умеет проникать в различные щели (розетки, домофоны и т. д.), но вот вылетать из них она, скорее всего, не будет. Срок жизни этого явления науке также не известен (от 30 секунд до нескольких дней). Смерть шаровой молнии сопровождается взрывом, распадением на несколько частей или постепенным угасанием.

Тактика поведения при столкновении с шаровой молнией:

1. если в помещении шаровая молния, не хватайтесь за железные предметы;

3. не пытайтесь выгнать ее веником или книгой;

4. стойте, не двигаясь, сохраняйте спокойствие.

Предположив, что электрическая искра и молния – одно и то же, американский физик Б. Франклин подробно описал, как провести опыт, доказывающий это.

Франклин произвел свой опыт, доказывающий электрическое происхождение молнии в июне 1752 г. Описание этого классического опыта, чтобы избежать неточностей и искажений, приведено в цитате знаменитого французского астронома Камилла Фламмариона по его книге «Атмосфера», изданной в 1900 году.

«Франклин, действительно, возымел дерзкую мысль искать молнии в облаках, так как убедился еще предварительно, что остроконечный металлический шест, поднятый на большую высоту, привлекает электричество из грозовой тучи. Он с большим нетерпением ждал постройки высокой колокольни в Филадельфии; но, наконец, это ему надоело, и он решил попробовать другое средство, более подручное и не менее действенное. Так как дело было только в том, чтобы поднять металлическое острие на большую высоту, к самым грозовым облакам, то Франклину пришло в голову, что простой бумажный змей, которым играют дети, вполне и с выгодой может заменить собою колокольню. Взяв с собой поэтому шелковый платок, две крестообразно связанные палочки и длинную веревку, он вместе с сыном отправился за город попытать счастья. Из опасения быть осмеянным, как это всегда случается при неудачах, он хранил свое предприятие в строгой тайне. Пустили змея. Многообещавшие облака, которые в это время проходили, не произвели никакого эффекта. Все было покойно – ни искры, никаких проявлений электричества. После долговременного ожидания, однако же, волокна веревки стали то подниматься, то опускаться, как бы притягиваемые и отталкиваемые. Ободренный этим, Франклин подставил палец к концу веревки и получил искру, за которою последовали другие. Таким образом, в первый раз гений человека поймал молнию».

Данное открытие дало толчок в изучении не только молнии, но и электрических явлений атмосферы в целом. В последнее время интерес к электрическим явлениям в атмосфере также резко возрос. Прежде всего, это обусловлено пониманием атмосферного электричества как важного фактора окружающей среды, тесно взаимосвязанного с другими составляющими природного комплекса планеты и воздействующего на жизнедеятельность человека. Очевидны следующие эффекты: выведение из строя систем электронного обеспечения, воздействие на авиацию, пожароопасность и совершенствование методов контроля этих эффектов. Можно не сомневаться, что активная работа здесь не только поможет разобраться со «старыми» загадками атмосферного электричества, но и принесет множество новых открытий, как когда-то опыт Франклина.

Тихонов А. Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры, «Докл. АН СССР», 1950, т. 73, № 2; Тверской П. Н., Курс метеорологии, Л., 1962; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975.

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2008. — С. 142-145

Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты М.: ФИЗМАТЛИТ,2001. —320 с.

Научный интернет портал о физике http://www.physic-in-web.ru/

Интернет словарь и энциклопедия http://dic.academic.ru/