Электрическое поле Земли: 200 вольт над вашей головой, которые вы не замечаете

Приветствуем всех поклонников физики и увлекательных экспериментов! Знаете ли вы, что наша планета обладает отрицательным зарядом, а средняя напряженность электрического поля около её поверхности составляет около 130 В/м? Получается, что на уровне человеческого роста возникает перепад потенциалов примерно в 200 В — однако мы абсолютно этого не замечаем. В чём же кроется причина? Разъяснят авторы проекта GetAClass Алексей Колчин и Андрей Щетников.

Это наш юбилейный, пятый материал на SE7ENе. Выражаем искреннюю благодарность за ваши просмотры, плюсы и комментарии! Напоминаем, что наш проект является некоммерческим, поэтому любая, даже скромная помощь каждого из вас позволяет нам продолжать создавать контент и публиковать его в свободном доступе. Присоединяйтесь к числу наших бустеров, мы будем вам искренне признательны! Желаем увлекательного чтения:)

Итак, почему же скачок напряжения в 200 В остается для нас незаметным? Ответ прост: человеческий организм выступает в роли проводника, и когда мы стоим босыми ногами на земле, наш потенциал полностью выравнивается с земным. Как и в любом другом проводнике, внутри нас электрическое поле полностью отсутствует, поэтому мы ничего и не чувствуем. Тем не менее, происходит перераспределение зарядов, в результате чего наша голова приобретает отрицательный заряд.

Но как исследователям удалось зафиксировать это поле? Разумеется, мы можем установить две металлические пластины на разной высоте с интервалом в 1 метр — в таком случае между ними возникнет разность потенциалов в 130 В.

Однако как произвести замеры? Если подключить стандартный вольтметр, прибор ничего не зафиксирует: заряды перераспределяются настолько стремительно, что измерительный прибор просто не успеет отреагировать. Именно поэтому для определения напряженности земного электрического поля требуются более изощрённые технические решения.

Как измерить напряжённость электрического поля Земли

Поскольку накопленный пластинами заряд крайне мал, а при их замыкании происходит мгновенный разряд, базовая идея заключается в том, чтобы коммутировать пластины (замыкать и размыкать их) как можно динамичнее, добиваясь получения измеримого электрического тока.

К примеру, можно взять одну пластину, заземлить её посредством проводника, а затем совершать ею колебательные движения вверх-вниз, фиксируя возникающий в проводе ток.

Другой вариант — поочередно замыкать две пластины, меняя их местами, и также отслеживать параметры тока. Очевидно, что технически проще воплотить эту схему, разместив пластины на вращающемся роторе, соединенном с цепью через щёточный узел.

Существует и еще один прибор, напоминающий миниатюрную мельницу, где пластины выполнены в виде чередующихся по окружности секторов, соединенных через один.

Поверх них располагается обтюратор, приводимый в движение электродвигателем. Этот элемент поочередно экранирует различные группы секторов от земного электрополя, благодаря чему заряды циркулируют между ними. Поскольку образующийся переменный ток крайне мал, в цепь между секторами внедряется высокоомный резистор, с которого и считывается итоговое напряжение.

Мы сконструировали действующий макет такого аппарата. Разумеется, замерить естественное поле Земли внутри жилого помещения, где сильны электромагнитные помехи от проводки 220 В, не получится, однако кое-что интересное мы продемонстрируем. Электродвигатель вращает обтюратор, выводы от секторов подключены к резистору номиналом 330 кОм, а показатели снимаются с помощью гальванометра.

Обтюратор вращается, и регистрируемый сигнал представляет собой не что иное, как сетевые наводки 220 В, от которых в условиях квартиры никуда не деться.

Теперь поднесем к устройству наэлектризованную пластиковую трубу — мы тут же увидим заметное усиление сигнала. Это и есть искусственное электрическое поле, создаваемое трубой вблизи установки: приближаем предмет — сигнал растет, удаляем — затихает. Следовательно, наш демонстрационный стенд функционирует корректно.

Чтобы зафиксировать подлинное поле нашей планеты, прибор необходимо вынести на открытый воздух, обеспечить автономное питание от источника постоянного тока и настроить частотную фильтрацию сигнала — тогда мы и получим те самые приблизительно 130 В/м в ясные дни (в грозовую погоду напряженность может многократно возрастать).

Земля как конденсатор

Начнем с расчетов: опираясь на показатель приземного электрического поля в 130 В/м, определим суммарный заряд Земли. Для этого поверхностную плотность заряда (ε₀E) умножим на общую площадь поверхности нашей планеты (S). Произведя вычисления, обнаружим, что земной шар обладает отрицательным зарядом в 500 000 Кл.

Любопытно, что при удалении от поверхности электрическое поле быстро угасает и практически сходит на нет на отметке 10 км. Это свидетельствует о том, что атмосфера содержит равный по модулю положительный заряд в 500 000 Кл, образуя вместе с земной поверхностью гигантский конденсатор.

При этом воздушная среда выступает отличным, но не абсолютным изолятором, из-за чего этот планетарный конденсатор постоянно разряжается. Замеренная средняя плотность тока утечки у поверхности земли составляет около 2 пА/м². Полная сила тока, полученная умножением этой плотности на площадь планеты, равна 1800 А.

Зная общий запас заряда и величину тока утечки, нетрудно рассчитать время полной разрядки такого конденсатора. Оно составляет всего 300 секунд, или 5 минут. Тем не менее, практика показывает, что система неизменно остается заряженной. Возникает закономерный вопрос: за счет каких механизмов происходит подзарядка и каков источник питающей энергии?

Как грозы заряжают земной конденсатор

Выясняется, что поддержание атмосферного конденсатора в заряженном состоянии обеспечивают грозовые процессы, а первоисточником энергии здесь выступает Солнце. Нагревая солнечными лучами сушу и океаны, оно инициирует мощные восходящие потоки теплого влажного воздуха. Поднимаясь выше, воздушные массы остывают, запуская конденсацию водяного пара.

На большой высоте пар кристаллизуется в мельчайшие ледяные крупинки, которые уносятся еще выше (высота стандартного грозового облака достигает 10–12 км). Сталкиваясь и слипаясь, ледяные образования утяжеляются и устремляются вниз под действием силы тяжести.

Таким образом образуются разнонаправленные потоки: легкие микрочастицы устремляются ввысь, а тяжелые — падают к земле. В результате трибоэлектризации (электризации трением) нижний ярус облака заряжается отрицательно, а верхний — положительно.

Пионером этой модели стал британский физик Чарльз Вильсон — создатель знаменитой камеры Вильсона. Согласно его концепции, грозовая туча представляет собой гигантский диполь. И хотя в глобальном масштабе Земля заряжена отрицательно, в зоне непосредственно под грозой на поверхности наводится выраженный положительный заряд.

Разность потенциалов между тучей и поверхностью планеты способна достигать 100 млн В — этого вольтажа достаточно для электрического пробоя и возникновения молнии. Типичный разряд молнии переносит на землю отрицательный заряд около 20 Кл.

Опираясь на исторические наблюдения и современные спутниковые данные, ученые подсчитали, что ежесекундно по всему миру сверкает порядка 100 молний. Это формирует зарядный ток силой около 2000 А, который полностью компенсирует утечки, сохраняя земной заряд стабильным. Следовательно, грозовые облака функционируют как естественные генераторы, непрерывно питающие планетарный конденсатор.

Куда девается положительный заряд — и почему это сложнее, чем кажется

Облако поляризовано: основание заряжено отрицательно, верхушка — положительно. Происходит разряд молнии, и отрицательный заряд устремляется к земле — но что происходит с положительным зарядом на вершине тучи? Ведь для восстановления системы необходима подзарядка обеих обкладок конденсатора — и атмосферной, и земной. Каким же образом положительные ионы распределяются по всей толще атмосферы?

Здесь важно учесть фактор, который мы опустили в упрощенной модели: электропроводность воздуха возрастает с высотой. Это обусловлено воздействием космических лучей, ионизирующих атмосферные газы. Хотя плотность воздуха с удалением от поверхности падает, интенсивность ионизации увеличивается, формируя слой с максимальной проводимостью на высоте около 18 км — как раз на уровне верхней границы грозового фронта. Именно по этому проводящему слою и растекается положительный заряд.

Разумеется, физика атмосферы — дисциплина глубокая и многогранная, и мы представили лишь базовое приближение процессов атмосферного электричества. Главная сложность этой науки заключается в том, что подавляющее большинство явлений невозможно воспроизвести в лаборатории. Исследователям приходится опираться на натурные экспедиции, глобальную статистику и раскрывать тайны гроз, как это описано в знаменитой книге Даниила Гранина «Иду на грозу».

Вопрос напоследок: почему над океанами так мало гроз?

В завершение предлагаем вам поразмышлять над нашим традиционным вопросом. Взгляните на карту глобального распределения грозовой активности.

Мы видим, что над сушей грозы фиксируются регулярно, особенно в Центральной Африке. В то же время над акваториями морей и океанов они случаются крайне редко — хотя, казалось бы, в тропических широтах присутствуют все предпосылки: мощный солнечный нагрев, высокая влажность и постоянный подъем теплых воздушных масс от водной глади. И тем не менее, грозовые штормы там — большая редкость. Как вы можете это объяснить? Делитесь своими гипотезами в комментариях.

К сожалению, команда проекта физически не успевает обрабатывать комментарии на всех сторонних ресурсах GetAClass. Поэтому под этой публикацией мы предлагаем вам пообщаться друг с другом, а если вы хотите пообщаться с Алексеем и Андреем напрямую, добро пожаловать в наше сообщество на YouTube!

Видеоролик, легший в основу данной статьи:

 

Источник