|
|
электрическое поле земли. электрическое поле земли и его применение. Электрическое поле земли,и его применение
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Некоммерческое Акционерное общество «Восточно-Казахстанский Университет имени Сарсена Аманжолова»
Реферат
на тему:
«Электрическое поле земли,и его применение»
Выполнила: Нурланкызы.Ш
Проверил: Павлов А. М.
2020-2021г
Содержание
1.Что такое электрическое поле земли ?
2.Электрические явления 3.Как появляется гроза?
4.Молний Кататумбо
5.Почему зимой нет грозы, грома и молнии? 6.Особенное место
Что такое электрическое поле земли ?
Наша Земля и другие планеты имеют как магнитное поля, так и электрическое. О том что Земля имеет электрическое поле, было известно лет 150 тому назад. Электрический заряд планет в солнечной системе создается Солнцем благодаря эффектам электростатической индукции и ионизации вещества планет. Магнитное поле образуется за счет осевого вращения заряженных планет. Среднее магнитное поле Земли и планет зависит от средней поверхностной плотности отрицательного электрического заряда, угловой скорости осевого вращения и радиуса планеты. Поэтому Землю (и другие планеты), по аналогии с прохождением света через линзу, следует рассматривать как электрическую линзу, а не источник электрического поля.
Значит, Земля связана с Солнцем с помощью электрической силы, само Солнце связано с центром Галактики с помощью магнитной силы, а центр Галактики связан с центральным сгущением галактик посредством электрической силы.
Как и в любом заряженном конденсаторе, в земном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м.
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.
Электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием различных механизмов. Во-первых, дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие — отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Основным из механизмов является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.
Атмосферное электричество данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где преобладает действие глобальных факторов, рассматриваются как зоны «хорошей», или ненарушенной, погоды, а где преобладает действие локальных факторов — как зоны нарушенной погоды (районы гроз, осадков, пылевых бурь и др.).
Измерения показывают, что разность потенциалов между поверхностью Земли и верхним краем атмосферы равна примерно 400 кВ.
Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?
Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над Землей существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемых ионосферой. Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, т. е. 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. Через каждый квадратный метр атмосферы перпендикулярно к земной поверхности в среднем проходит ток силой I 10–12 А (j
10–12 А/м2). 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 заряжены положительно, а в нижней части — отрицательно.
Тщательные исследования показали, что сила тока в атмосфере Земли максимальна в 1900 и минимальна в 400 по Гринвичу.
Океан во время шторма представляет собой огромное поле, усыпанное остриями и ребрами, на которых концентрируются отрицательные заряды и напряженность электрического поля Земли. Испаряющиеся молекулы воды в таких условиях легко захватывают отрицательные заряды и уносят их с собой. А электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона двигает эти заряды вверх, добавляя воздуху подъемную силу.Таким образом, глобальный электрический генератор Земли расходует часть своей мощности на усиление атмосферных вихрей на планете - ураганов, штормов, циклонов и пр. Кроме того, такой расход мощности никак не сказывается на величине электрического поля Земли.
Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 30% от его среднего значения. В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.Во время грозы электрическое поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади, непосредственно под грозовой ячейкой и в течение короткого времени.
Электрические явления Грозовые тучи постоянно обмениваются разрядами. При этом сила тока в 1 млн раз слабее силы тока в молнии.
Шаровая молния - светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление. Существование шаровой молнии не подтверждено официальной наукой, до сих пор она не была зарегистрирована научной аппаратурой (магнитометрами, тепловизорами или качественной видеоаппаратурой). Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени также не представлено. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде.
Молнии
Долгое время считалось, что около 1800 гроз, одновременно происходящих на Земле, дают ток силой
2 кА, который компенсирует потери отрицательного заряда Земли за счет токов проводимости в зонах «хорошей» погоды. Однако оказалось, что ток гроз значительно меньше указанного и необходимо учитывать процессы конвекции по всей поверхности Земли.
В зонах, где напряженность поля и плотность объемных зарядов наибольшие, могут зарождаться молнии. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между облаком и Землей или между соседними облаками. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи силой от 3 кА до 200 кА.
Выделяют два класса линейных молний: наземные (ударяющие в Землю) и внутри- облачные. Средняя длина молниевых разрядов обычно составляет несколько километров, но иногда внутриоблачные молнии достигают 50-150 км.
Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами, имеющимися в небольшом количестве. Под действием электрического поля электроны приобретают значительные скорости по направлению к Земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии. По мере продвижения лидера к Земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Если не дать возникнуть стримеру .
Обычное явление — многоканальные молнии. Они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов.
Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом.
Разряды молний сопровождаются видимым электромагнитным излучением. При нарастании силы тока в канале молнии происходит повышение температуры до 104 К. Изменение давления в канале молнии при изменении силы тока и прекращение разряда вызывает звуковые явления, называемые громом.
Грозы с молниями происходят практически по всей планете, за исключением ее полюсов и засушливых районов.
Таким образом, систему «Земля - атмосфера» можно считать непрерывно работающей электрофорной машиной, осуществляющей электризацию поверхности планеты и ионосферы.
Молнии издавна являлись для человека символом «небесного могущества» и источником опасности. С выяснением природы электричества человек научился защищаться от этого опасного атмосферного явления с помощью молниеотвода.
Первый в России молниеотвод был сооружен в 1856 г. над Петропавловским собором в Санкт-Петербурге после того, как молния дважды ударила в шпиль и подожгла собор.
Как появляется гроза?
Для того, чтобы понять, почему в зимнее время года мы не сталкиваемся с грозами, необходимо разобраться в самом мехаИтак, для того чтобы в небе образовался грозовой фронт, необходимо несколько составляющих:
Влага, которая содержится в воздухе. Когда воздух в тёплое время года поднимается вверх, происходит его охлаждение. Благодаря этому влага, находящаяся в воздухе, превращается в совсем маленькие капельки и преобразуется в облако.
Потоки воздуха. Для того, чтобы облако из обыкновенного кучевого превратилось в настоящую грозовую тучу, необходимы восходящие потоки тёплого воздуха, которые исходят от нагретой земли. Данные потоки увлекают за собой более лёгкие и быстрые мелкие капли влаги, которые на своём пути сталкиваются к крупными, опускающимися вниз. Во время этих столкновений происходит электризация, и частички влаги получают свои заряды: мелкие – положительный, а крупные – отрицательный.
Перепад давления. Это именно тот элемент, который заставляет ту самую влагу проливаться на землю в виде дождя. Перепад возникает из-за того, что мелкие капли, несущие в себе положительный разряд, собираются в верхней части облака. А более крупные, заряд которых отрицательный, движутся к низу. Таким образом облако оказывается центром образования электрической энергии. Далее отрицательный заряд из тучи направляется в землю, а это значит, что происходит такое явление, как молния.
Молний Кататумбо
Это природное явление, возникающее над местом впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Феномен выражается в возникновении свечения на высоте около пяти километров без сопровождающих акустических эффектов. Молнии появляются ночью (140—160 раз в год) и разряды длятся около 10 часов. В сумме получается около 1,2 миллиона разрядов в год.
Молнии видно с расстояния до 400 километров. Их даже использовали для навигации, из-за чего явление также известно под названием «Маяк Маракайбо».
Почему зимой нет грозы, грома и молнии?
Внимательно изучив весь процесс образования грозового фронта, мы сможем легко ответить на этот вопрос. Дожди, гром и молнии зимой – явление крайне редкое, практически невозможное, так как ни один из перечисленных выше факторов не соответствует данному времени года.
В зимнее время воздух сложно назвать влажным, так как холода препятствуют образованию излишка воды в атмосфере. Любая избыточная влага в воздухе благодаря низким температурам мгновенно замораживается и выпадает на землю осадками в виде снега;
Перепады давления и температуры тоже не происходят так же часто, как в тёплое время года, ведь отсутствует движение потоков холодного и тёплого воздуха;
Одним из основных факторов, из-за которых капли влаги в атмосфере электризуются, что приводит к образованию грозы, — это энергия. А основным источником энергии является, конечно же, солнечный свет, которого недостаточно в зимнее время.
Итак, самый главной причиной того, что зимой не бывает гроз, молний и грома является недостаток солнечного тепла. Именно из-за этого воздух становится холодным, что препятствует образованию лишней влаги в атмосфере.
Кроме того, в это время года земля значительно остывает, соответственно, тёплые воздушные потоки не поднимаются вверх и не происходит перепада давления.
Бывает ли гроза зимой?
Несмотря на то, что, как уже было сказано, образование грозового фронта в холодное время года практически невозможно, метеорологии известны множества исключений из этого правила. Эти исключения чаще всего можно наблюдать на южных территориях, находящихся недалеко от больших водных массивов.
Воздушные потоки и циклоны нередко могут приносить со стороны бассейнов океанов и морей мощные воздушные массы, полные влаги. В таком случае образование грозы просто неизбежно. Однако данное явление нельзя наблюдать очень часто.Кроме того, нередко в таких краях можно найти и горные образования, что тоже сильно влияет на поведение воздушных масс. Когда тёплые и влажный воздух, принесённый с моря, сталкивается с горным массивов, он преодолевает его, стремительно охлаждаясь. Эти условия лучше всего подходят для конденсации, и во время её образования появляются облака.
Однако они не всегда становятся грозовыми, иногда застывая наверху. В этом случае мы можем наблюдать привычный красивый пейзаж: горная вершина, утопающая в пенистых белых облаках.
Снежная гроза
Ещё одним примером появления грома и молний во время зимы является образование снежной или снеговой грозы.
Снежная гроза – очень редкое метеорологическое явление, наблюдать которое – настоящее везения с точки зрения науки. Однако обычным людям подобная непогода приносит скорее неудобство.
Главное отличие снеговой грозы от любой другой заключается в том, что столкнуться с ней можно только в зимнее время года. Кроме того, во время этого явления вместо ливневого дождя начинается сильный снег, сопровождаемый раскатами грома, молниями и сильными порывами ветра, несущими ледяную крошку.
К счастью, такую пургу и метель можно встретить довольно редко, поэтому больших проблем эта непогода не приносит.
Особенное место
Несмотря на все аномалии, на всей планете грозы закономерно появляются чаще летом, чем зимой. Однако есть одно особенное мест на Земле, которое не подчиняется этому правилу.
На территории северо-западного побережья Японского моря зимой грозовой фронт можно встретить гораздо чаще, чем летом. Это связано с тем, что в холодное время года здесь происходит столкновение двух противоположных воздушных масс: сухой и холодной, приносимой из Восточной Сибири, и влажной и тёплой, которая идёт со стороны Цусимского пролива. В результате их столкновения образуются тяжёлые низкие облака, сильно вытянутые по горизонтали, которые позже превращаются в грозовые.
Молнии здесь тоже имеют свои особенности. Они образуются гораздо ниже и несут в более мощный заряд, в раз превосходящий тот, который заключён в обычных молниях. Количество молний здесь также превосходит среднестатистическое, однако, к счастью, по большей части они не доходят до земли и ударяют в море.
Таким образом, обычные грозы зимой – явление достаточно редкое. Чтобы произошло образование грозы в холодное время года, необходим целый ряд факторов, которые обычно не так просто соединить вместе в данный период. Однако существуют и некоторые исключения, которые, к счастью, случаются довольно редко.
|
|
|
Скачать 323.8 Kb.