Меню

Воздух может проводить ток

Электрические токи в атмосфере

Помимо градиента потенциала, можно измерять и другую величину — ток в атмосфере. Плотность его мала: через каждый квадратный метр, параллельный земной поверхности, проходит около 10 -6 мка. Воздух, по-видимому, 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 лишним электроном, а порой лишенные одного из своих. Эти ионы не остаются одинокими; благодаря своему электрическому полю они обычно собирают близ себя другие молекулы. Каждый 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 ионы? Сперва думали, что ионы создает радиоактивность Земли. (Было известно, что излучение радиоактивных веществ делает воздух проводящим, ионизуя молекулы воздуха.) Частицы, выходящие из атомного ядра, скажем. Β-лучи, движутся так быстро, что они вырывают электроны у атомов, оставляя за собой дорожку из ионов. Такой взгляд, конечно, предполагает, что на больших высотах ионизация должна была бы становиться меньше, потому что вся радиоактивность — все следы радия, урана, натрия и т. д.— находится в земной пыли.

Маленькое изображениеЧтобы проверить эту теорию, физики поднимались на воздушных шарах и измеряли ионизацию (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 V. Вследствие проводимости воздуха они медленно разряжались; быстрота разрядки измерялась электрометром.) Этот непонятный результат был самым потрясающим открытием во всей истории атмосферного электричества. Открытие было столь важно, что потребовало выделения новой отрасли науки — физики космических лучей. А 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 они поддерживают снабжение воздуха ионами. Хотя ионы постоянно уносятся, космические частицы, врываясь из мирового пространства, то и дело сотворяют новые ионы.

Чтобы быть точными, мы должны отметить, что, кроме ионов, составленных из молекул, бывают и другие сорта ионов. Мельчайшие комочки почвы, подобно чрезвычайно тонким частичкам пыли, плавают в воздухе и заряжаются. Их иногда называют «ядрами». Скажем, когда в море плещутся волны, мелкие брызги взлетают в воздух. Когда такая капелька испарится, в воздухе остается плавать маленький кристаллик NaCl. Затем эти кристаллики могут привлечь к себе заряды и стать ионами; их называют «большими ионами».

Малые ионы, т. е. те, которые создаются космическими лучами, самые подвижные. Из-за того, что они очень малы, они быстро проносятся по воздуху, со скоростью около 1 см/сек в поле 100 в/м, или 1 в/см. Большие и тяжелые ионы движутся куда медленнее. Оказывается, что если «ядер» много, то они перехватывают заряды от малых ионов. Тогда, поскольку «большие ионы» движутся в поле очень медленно, общая проводимость уменьшается. Поэтому проводимость воздуха весьма переменчива — она очень чувствительна к его «засоренности». Над сушей этого «сора» много больше, чем над морем, ветер подымает с 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 земной поверхностью тоже меняется, потому что ток, текущий сверху вниз, в разных местах примерно одинаков, а изменения проводимости у земной поверхности приводят к вариациям поля.

Проводимость воздуха, возникающая в результате дрейфа ионов, также быстро увеличивается с высотой. Происходит 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 пройти в электрическом поле. В итоге на высоте проводимость резко подскакивает.

Сама плотность электрического тока в воздухе равна всего нескольким микромикроамперам на квадратный метр, но ведь на Земле очень много таких квадратных метров. Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно 1800 а. Этот ток, конечно, «положителен» — он переносит к Земле положительный заряд. Так что получается ток в 1800 а при напряжении 400 000 в. Мощность 700 Мвт!

Читайте также:  Магнитная индукция для участка прямого проводника с током

При таком сильном 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 держится? Чем поддерживается напряжение? И между чем и чем оно? На одном электроде Земля, а что на другом? Таких вопросов множество.

Маленькое изображениеЗемля заряжена 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. Это происходит на высоте около 50 км. Это еще не так высоко, как то, что называют «ионосферой», где имеется очень большое количество ионов, образуемых за счет фотоэффекта от солнечных лучей. Для наших целей можно, обсуждая свойства атмосферного электричества, считать, что на высоте примерно 50 км воздух становится достаточно проводящим и там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи. Положение дел изображено на фиг. 9.4. Вопрос в том, как держится там положительный заряд. Как он накачивается обратно? Раз он стекает на Землю, то должен же он как-то перекачиваться обратно? Долгое время это было одной из главных загадок атмосферного электричества.

Маленькое изображениеЛюбая информация на этот счет может дать ключ к загадке или по крайней мере хоть что-то сообщить о ней. Вот одно интересное явление: если мы измеряем ток (а он, как мы знаем, устойчивее, чем градиент потенциала), скажем над морем, и при тщательном соблюдении предосторожностей, очень аккуратно все усредняем и избавляемся от всяких ошибок, то мы обнаруживаем, что остаются все же какие-то суточные вариации. Среднее по многим измерениям над океанами обладает временной вариацией примерно такой, какая показана на фиг. 9.5. Ток меняется приблизительно на ±15% и достигает наибольшего значения в 7 часов вечера по лондонскому времени. Самое странное здесь то, что, где бы вы ни измеряли ток — в Атлантическом ли океане, в Тихом ли или в Ледовитом, — его часы пик бывают тогда, когда часы в Лондоне показывают 7 вечера! Повсюду во всем мире ток достигает максимума в 19.00 по лондонскому времени, а минимума — в 4.00 по тому же времени. Иными словами, ток зависит от абсолютного земного времени, а не от местного времени в точке наблюдения. В одном отношенииэто все же не так уж странно; это вполне сходится с нашим представлением о том, что на самом верху имеется очень большая горизонтальная проводимость, которая и исключает местные изменения разности потенциалов между Землей и верхом. Любые изменения потенциала должны быть всемирными, и так оно и есть. Итак, теперь мы знаем, что напряжение «вверху» с изменением абсолютного земного времени то подымается, то падает на 15%.

Источник



Почему птиц не бьёт током на проводах?

Человек

Линии электропередач находятся, как известно, под высоким напряжением (от 1000 вольт и выше), значит, прикасаться к ним нельзя. Вот почему-то птиц, выбирающих провода для отдыха и общения, это обстоятельство совершенно не тревожит. Как же им удаётся оставаться целыми и невредимыми?

Почему птицы не погибают, когда сидят на линиях электропередач?

Электрический ток — это поток движущихся электронов, направленное движение зарядов. Чтобы привести их в действие, необходимо создать разность потенциалов.

Ток движется от точки с большим количеством заряженных частиц к точке с меньшим их количеством. Разница между ним и создаёт напряжение. Этими точками выступают либо два провода, либо провод и земля. Закон природы требует уравнять количество заряженных частиц в этих точках. Именно это перемещение из точки в точку и есть электрический ток.

Берём провод, находящийся под напряжением, и берём птицу, парящую в воздухе. Воздух — диэлектрик, то есть проводить ток он не может. Когда птичка садится на провода, с ней ничего не происходит. Между проводом и птицей нет тока. Электрический круг не замыкается, ток не проходит, птица остаётся живой и здоровой.

Почему птиц не бьёт током на проводах?

Сев на провод под напряжением (потенциалом), птица сама приобретает потенциал. Для возникновения тока нужна была бы другая точка с меньшим потенциалом, а птицу окружает лишь воздух. Раз нет других проводящих предметов, то и ток через птичку не будет течь.

Читайте также:  Максимальная кратность трансформаторов тока

Может ли птицу ударить током?

Несмотря на то, что птицы могут спокойно сидеть на проводах, это ещё не является гарантией их безопасности. Любая птица может умереть при некоторых условиях.

  1. Когда птица садится на провода под напряжением, её не ударит током при условии, что обе её лапки находятся на одном и том же проводе.
  2. Если во время приземления у птицы в клюве будет находиться какой-то предмет, который проводит электричество (проволока, влажная ветка), то её почти наверняка убьёт током.
  3. Почти наверняка птица погибнет, если во время приземления на провода соприкоснётся крыльями между проводами фазы или заземлённой опорой. В этом случае происходит что-то вроде короткого замыкания: тело птицы подвергается удару током в несколько тысяч ампер, шансы выжить у неё практически равны нулю.
  4. Если воздух влажный, ионизированный, а напряжение в проводах высокое, птичку тоже может ударить током: такой воздух способен проводить электрический ток.
  5. Если в процессе отдыха птица прикоснётся к столбу, она станет проводником между разными потенциалами, а, значит, её ждёт удар током.
  6. В ветреную погоду птица случайно может коснуться другого провода, то есть она станет проводником.

Почему пернатые так любят сидеть на проводах?

Раз птицам может грозить удар током, а то и смерть, то почему же их так тянет посидеть на линиях электропередач? Этому есть простые и очевидные объяснения.

  1. Они, в отличие от людей, попросту не знают о том, что провода — не самое безопасное место.
  2. Птицы в воздухе чувствуют себя в большей безопасности, чем на земле. Здесь их не смогут достать кошки и другие наземные хищники.
  3. Пернатые часто вьют гнёзда на проводах. Причина во многом перекликается с предыдущей: чтобы защитить своё потомство от врагов, птицы вьют гнёзда подальше от земли.

При этом пернатые хорошо ощущают электромагнитные поля. Они никогда не сядут на высоковольтные линии напряжением свыше 200 киловольт из-за возникающих вокруг них магнитных полей. Птицы способны улавливать так называемые коронные разряды, возникающие при ионизации воздуха под воздействием электромагнитных полей вдоль ЛЭП. Благодаря такой уникальной особенности птицы разумно подходят к выбору насеста.

Что произойдёт, если человек повиснет на проводах?

Организм человека на 70% состоит из воды, и даже 0,1 ампер тока могут стать для него смертельными (вода проводит ток). Когда он подвергается удару током, достаточно доли секунды, чтобы электричество достигло сердца и нарушило его работу либо вызвало остановку.

Теоретически человек может прикоснуться к проводу под напряжением и не погибнуть, но для этого он должен, подобно птице, подлететь к кабелю. Если бы у него были крылья, вполне вероятно (но это не точно), реакция была бы такой же, как и у птиц, то есть — никакой реакции. Человек, как и птица, тоже стал бы потенциалом.

Представим, что человек стоит на земле и прикасается к оголённому проводу. Что с ним случится? Его ударит током. Человек стоит на земле, то есть становится проводником тока от одного потенциала к другому. Земля — это потенциал с минимумом зараженных частиц, провод — с максимумом.

При касании с проводом человека, стоящего на земле, круг замыкается и проходит ток. То есть человек стоит и одновременно связан с двумя потенциалами, а птица летает и касается только одного потенциала — провода.

В Интернете можно найти ролики, где показано, как парашютисты приземляются на линии электропередач. При правильном поведении они остаются в живых и, дождавшись отключения электроэнергии, благополучно спускаются на землю.

Работу с проводами, обслуживание линий электропередач проводят электромонтёры, которые используют специальное снаряжение и оборудование, обеспечивающее их полную безопасность.

Источник

Строение атмосферы. Мы знаем, что воздух не проводит электрического тока

date image2015-05-13
views image1222

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Мы знаем, что воздух не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешних воздействий воздух может быть проводником. Например, достаточно быстрые заряженные частицы ионизуют атомы газов, составляющих воздух, т.е. выбивают из этих атомов электроны. В результате процесса ионизации нейтральный атом превращается в две частицы: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный ион, который гораздо тяжелее электрона. Так в воздухе появляются свободные носители заряда, которые могут перемещаться в электрическом поле и обусловливают проводимость. Ионизация воздуха может происходить не только под действием быстрых частиц, но и под влиянием некоторых других воздействий. В частности, ультрафиолетовое излучение также может, проходя через воздух, приводить к ионизации атомов и создавать таким путем проводимость.

Читайте также:  Работа электрического тока можно рассчитать по формуле

Верхние слои атмосферы все время испытывают целый ряд воздействий, приводящих к ионизации атомов. Это жесткая часть солнечного излучения (ультрафиолетовые и более короткие волны), поглощаемая в верхней атмосфере и вызывающая ионизацию. Это и потоки частиц, идущих на Землю от Солнца. Они также производят ионизацию в атмосфере. Это и космическое излучение, приходящее на Землю из далеких областей, находящихся за пределами нашей Галактики. Все эти и некоторые другие факторы и приводят к тому, что атмосфера на большой высоте представляет собой ионизованный газ, способный проводить электрический ток. Проводящая среда поглощает и отражает электромагнитные волны. Теория распространения радиоволн в проводящей атмосфере очень сложна, потому что плотность и проводимость атмосферы меняется с высотой, кроме того, ионизованный газ в верхней атмосфере находится под воздействием магнитного поля Земли, и это обстоятельство необходимо учитывать — ионизованный газ в магнитном поле приобретает такие оптические свойства, как двоякопреломление, т.е. в каждом данном направлении в такой среде могут распространяться две волны одной частоты, но с разными фазовыми скоростями, причем вектор поляризации у одной из этих двух волн вращается вправо, а у другой — влево.

В 1902 английский математик Оливер Хевисайд и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Наблюдения на мировой сети станций позволили получить глобальную картину изменения ионосферы. Было установлено, что концентрация ионов и электронов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются области, или слои, где она достигает максимума. Таких слоев в ионосфере несколько они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации ионосферы. Ночью он поднимается до высот 300—400 км, а днём (преимущественно летом) раздваивается на слои F1 и F2 с максимумами на высотах 160—200 км и 220—320 км. На высотах 90—150 км находится область Е, а ниже 90 км

Рис. 1.3. Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн
в зависимости от частоты и времени суток.

На высотах областей D и Е часто наблюдают кратковременные необычайно узкие слои повышенной ионизации (так называемые спорадические слои Es), состоящие в основном из ионов металлов Mg + , Fe + , Ca + и др. За счёт Es возможно дальнее распространение телевизионных передач. Признанной теорией образования слоев Es является так называемая теория «ветрового сдвига», по которой в условиях магнитного поля движения газа в атмосфере «сгоняют» ионы к области нулевой скорости ветра, где и образуется слой Es.

Источник

Ученые придумали электростанцию, генерирующую ток из воздуха

 Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs

Инженер-электроник Цзюнь Яо и микробиолог Дерек Лавли из университета Массачусетса в Амхерсте разработали устройство, способное генерировать электричество из воздуха, вернее, из влаги, которая в нем содержится, пишет Phys.org.

В качестве результата своих исследований ученые представили опытный образец — прототип Air-gen, как назвали они свое изобретение. Он непрерывно производил буквально из воздуха порядка 0,5 вольт.

Фото: City University of Hong Kong/ Nature

Фото: City University of Hong Kong/ Nature

Интересно, что 17 таких прототипов могли бы запитать мобильный телефон. Так что в ближайшее время мобильные устройства можно будет заряжать даже в пустыне Сахара, там, где не проведено электричество.

Прибор представляет собой пневматический генератор с электропроводящими белковыми нанопроводами толщиной менее десяти микрон. Вода конденсируется на верхней стороне устройства и вступает в реакцию с белками, разлагаясь на заряженные ионы. Заряды накапливаются, создают разницу потенциалов и вызывают направленное движение свободных электронов между двумя пластинками — то есть электрический ток.

Непрерывность процесса обеспечивают почвенные бактерии Geobacter, которые используют электричество для окисления и утилизации органических веществ и производят проводящие ток «нанонити» из белковых молекул.

Новая технология является экологически чистой, возобновляемой и недорогой. По словам разработчиков, она может генерировать электроэнергию даже там, где воздух обладает низкой влажностью. Air-gen не требует энергии солнца, воды или ветра и может быть эффективной даже во внутренних помещениях.

Ученые считают, что эта инновация может иметь большое значение для развития возобновляемых источников энергии. Вполне возможно, что пропитка стен краской, созданной по принципу Air-gen, согреет дом без применения традиционных источников тепла. Опыт может пригодиться также для работ по управлению климатом и в медицине.

Источник