Фейнман - 05. Электричесво и магнетизм (1055667), страница 32
Текст из файла (страница 32)
й(ы вынуждены прийти к заключению, что представление о том, будто энергия сосредоточена в поле, не согласуется с предположением о существовании точечных зарядов. Один путь преодоления этой трудности — это говорить, что элементарные заряды (такпе, как электрон) на самом деле вовсе не точки, а небольшие зарядовые распределения. Но можно говорить и обратное: неправильность коренится в нашей теории электричества на очень малых расстояниях или в нашем представлении о сохранении энергии в каждом месте порознь.
Но каждая такая точка зрения все равно встречается с затруднениями. И их никогда еще не удавалось преодолеть; существуют они и по сей день. Немного позже, когда мы познакомимся с некоторыми дополнительными представлениями, такими, как импульс эчектромагнитного поля, мы более подробно поговорим об этих основных зрудностях в нашем понимании природы. Г.«ова «9 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В АТМОСФЕРЕ Щ 1. Хрпдпемм«злелч»«Р»«нескоро тлошеыцт«оьти в ипгшосфе1»е Б обычный день над пустынной равниной пап вад морем электрический поте|щиал по мере подъема возрастает с каждым ме»ром примерно ва 100 в. В воздухе имеется вертикальное алектрпческое поле Е величиной 100 е!ж.
Знак поля отвечает отрицательному заряду земной поверхности. Это означает, что на улице потенциал на уровне вашего носа ца 200 в выше, чем потенциал на уровне пяток! Можно, конечно, спросить; «Почему бы не поставить пару электродов на воздухе в метре друг от друга и не использовать эти 100 е для электрического освещения?» А можно и удивиться; «Если действительна можду моим носом и моей пяткой имеется напряжение 200 в, то почему же меня не ударяет током, как только я выхожу на улицу?» Сперва ответим на второй вопрос. Ваше тело — довольно хороший проводник.
Когда вы стоите на земле, вы вместе с нею образуете эквипотенцпальную поверхность. Обычно зквипотенциальяые поверхности параллельны земле (фиг. 9.1, ад но когда на земле оказываетесь вы, то они смещаются, и поле начинает выглядеть примерно так, как показано на фиг. 9.1, б. Так что разность потенциалов между вашея макушкой и пятками почти равна нулю. С земли па вашу голову переходят заряды и изменяют поле вокруг вас. «1асть из них разряжается ионами воздуха, но ионный ток очень мал, ведь воздух плохой проводяик. Как же измерить такое поле, раз оно искажается от всего, что в него попадает? Имеется несколько способов.
Один способ — расположить изолированный проводник на какой-то высоте над землей и не трогать его до тех пор, 1?г $1. Градиент электрического потенциала в атмосфере $2.Электрические токи в атмосфере 53. Происхождение токов в атмосфере $гк Грозы $5З1ехапизм разделения зарядов $6. Молния апов ееооо е юов/м ! в- юОв Земля Земля б и сд и г. 9 1 Распределение попсенщсала. а — над милее; б — овала осло вна, стоячего на ровном месте.
пока он не приобретет потенциал воздуха. Если подождать довольно долго, то даже при очень малой проводнмостк воздуха заряды стекут с проводника (или натеку1 на него), уравняв его потенциал с потенциалом воздуха на этом уровне. Тогда мы можем опустить его к земле н измерить изменение его лотепцвала. Другой оолее быстрый способ — в качестве проводника взять ведерко воды, в котором имеется небольшая течь. Вытекая, вода уносит излишек ааряда, и ведерко быстро приобретает потенциал воздуха. (Заряды, как вы знаете, растекаются по поверхности, а капли воды — это уходящие «куски поверхности».) Потенциал ведра можно измерить электрометром.
Имеется еще способ прямого измерения градиенща потенциала. Раз существует электрическое поле, то должен быть н поверхностный заряд на земле (а = е Е). Если мы поместим у поверхности земли плоскую металлическую пластинку А и заземлим ее, то на ней появятся отрицательные заряды (фиг. 9.2, а). Если затем прикрыть пластинку другой заземленной проводящей крышкой В, то заряды появятся уже на крышке В, а яа пластинке А исчезнут.
Если мы измерим заряд, перетекающий с пластинки А на землю (скажем, с помощью гальванометра в цепи заземляющего провода) в тот момент, когда А закрывают крышкой, то мы найдем плотность поверхностного заряда, бывшего па А, а значит, и электрическое поле. Рассмотрев способы измерения электрического поля в атмосфере, продолжим теперь его описание. Измерения прежде всего показывают, что с увеличением высоты поле продолжает существовать, только становится слабее.
На высоте примерно 50 клб поле уже еле-еле заметно, так что большая часть изменения потенциала (ннтеграла от Е) приходится на малые высоты. Вся равность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти 400 000 е. 173 Мемааесеееяая Заземление акрзсзаюагая /' пяаемона В Ф и з. р.к. Заземленная металлическая пластинка обладает зпем же поверхностпызс зарядом, что и земля (а); если пластинка прикрыта сверху заземленным проводником, на ней заряда непз (б). Э М. Элегггггугггчееггтге гтгоггы е ггтгглгосЯе?ге Помимо градиента потенциала, можно измерять н другую величину — ток в атмосфере. Плотность его мала: через каждый квадрагный метр, параллельный земной поверхности, проходит около 10 ' мка.
Воздух, по-виднмому, не идеальный изолятор; из-за этой проводимости от неба к земле все время течет слабый ток, вызываемый описанным нами электрическим полем. Почему атмосфера имеет проводимость? Потому что в ней среди молекул воздуха попадаются ионы, например, молекулы кислорода, порой снабженные лнюним электроном, а порой лишенные одного нз своих. Эти ионы не остаются одинокими; благодаря своему электрическому полю они обычно собирают близ себя другие молекулы. Кагггдый ион тогда становится маленьким комочком, который вместе с другими такими же комочками дрейфует в поле, медленно двигаясь вверх или вниз, создавая ток, о котором мы говорили.
Откуда же берутся ианъП Сперва думали, что ионы создает радиоактивность Земли. (Было известно, что излучение радиоактивных веществ делает воздух проводящим, ноннзуя молекулы воздуха.) Частицы, выходящие из атомного ядра, скажем гз-лучи, движутся так быстро, что они вырывают электроны у Ф и г, д.з. Пгиерение ироводи.»воти во«духа, еигиваетой движением ионов. Электр«оетр атомов, оставляя за собой дорожку из ионов. Такой взгляд, конечно, предполагает, что на больших высотах ионизация должна была бы становиться меныпе, потому что вся радиоактивность — все следы радия, урана, натрия и т.
д. — находится в земной ныли. Чтобы проверить эту теориео, физики поднимались на воздушных шарах и»измеряли ионнзацию (Гесс, в 1912 г.). Выяснилось, что все происходит как раз наоборот — ионизация на единицу объема с высотой растет! (Прибор был похож на изображенный на фиг. 9.3. Две пластины периодически заряжались до потедциала»г. Вследствие проводимости воздуха они медленно разрял ались; быстрота разрядки измерялась электрометром.) Этот непонятный результат был самым потрясающим открытиом во всей истории атмосферного электричества. Открытие оыло столь важно, что потребовало выделения новой отрасли науки— физики космических лучей.
Л само атмосферное электричество осталось среди явлений менее удивительных. Ионизация, видимо, порождалась чем-то вне Земли; поиски этого неземного источника привели к открытию космических лучей. Мы не будем сейчас говорить о них и только скажем, что именно опи поддерживают снабжение воздуха ионами.
Хотя ионы постоянно уносятся, космические частицы, врываясь из мирового пространства, то и дело сотворяют новые ионы. «1тобы быть точными, мы должны отметить, что, кроме ионов, составленных пз молекул, бывают н другие сорта ионов. Мельчайшие комочки почвы, подобно чрезвычайно тонким частичкам пыли, плавают в воздухе и заряя;а«отса. Их иногда называют «ядрами». Скажем, когда в море плещутся волны, мелкие брызги взлетают в воздух. Когда такая капелька испарится, в воздухе остается плавать л«аленький крпсталлик ЫаС1. Затем эти кристаллики могут привлечь к себе заряды и стать ионами; их называеот «большимн ионами». Малые ионы, т.
е. те, которые создаютсн космическими лучами, самые подвижные. Из-за того, что они очень малы, они быстро проносятся по воздуху, со скоростью около 1 ем/сек в поле 100 вlм, или 1 в7см. Большие и тяжелые ионы движутся куда медленнее. Оказывается, что если «ядер» много, то они перехватывают заряды от малых ионов. Тогда, поскольку «большие 175 попы» движутся в поле очень медленно. общая проводимость уменьшается.
11озтому проводимость воздуха весьма переменчива — она очень чувствительна к его «засоренностп». Над сушек этого «сора» много больше, чем над морем, ветер подымает г земли пыль, да и человек тоже всячески загрязняет воздух. Нет ничего удивительного в том, что день ото дня, от момента к моменту, от одного места к другому проводимость близ земной поверхности значительно меняется. Электрическое поле в каждой точке над земноп поверхностью тоже »меняется, потому что ток, текущий сверху вниз, в разных л«естах примерно одинаков, а изменения проводимости у земной поверхности приводят к вариациям полн. 1!роводимость воздуха, возникающая в результате дрейфа ионов, также быстро увеличивается с высотой.
11роксходит это по двум причинам. Во-первых, с высотой растет ионизация воздуха космическими лучами. Во-вторых, по мере падения плотности воздуха увеличивается свободный пробег ионов, так что до столкновения им удается дальше проитн в электрическом поле. В итоге на высоте проводимость резко подскакивает. Сама плотность электрического тока в воздухе равна всего нескольким микромиьроамперам на квадратный метр, но ведь на Земле очень иного таких квадратных метров.
Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно 1800 а. Этот ток, конечно, «положителен» вЂ” он переносит к Земле положительный заряд. Так что получается ток в 1800 а прп напряжении 400 000 в. Мощность 700 Мат! При таком сильно»«токе отрицательный заряд Земли должен был бы вскоре исчезнуть. Фактически понадобилось бы только около получаса, чтобы разрядить всю Землю. Но с момента открытия в атмосфере электрического поля прошло куда больше получаса.
Как же оно деря«ится? Чем поддерживается напряжение? И между чем и чем оно? На одном электроде Земля, а что на другом? Таких вопросов множество. Земля зарин«еяа отрицательно, а потенциал в воздухе положителен. На достаточно большой высоте проводимость так велика, что вероятность изменений напряжения по горизонтали становится равной нулю. Воздух при том масштабе времени, о котором сейчас идет речь, фактически превращается в проводник.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
