Электрическая проводимость воздуха. Несамостоятельная проводимость воздуха. Экспериментальная установка. Решение уравнения для стационарных токов в двух предельных случаях. Развитие разряда в резко-неоднородных полях. Смотреть что такое "Проводимость атмо

Градиент электрического потенциала в атмосфере

В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъема возрастает с каждым метром примерно на 100 в. В воздухе имеется вертикальное электрическое поле Е величиной 100 в/м. Знак поля отвечает отрицательному заряду земной поверхности. Это означает, что на улице потенциал на уровне вашего носа на 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 в для электрического освещения? ” А можно и удивиться: “Если действительно между моим носом и моей пяткой имеется напряжение 200 в, то почему же меня не ударяет током, как только я выхожу на улицу? ”

Ваше тело - довольно хороший проводник. Когда вы стоите на земле, вы вместе с нею образуете эквипотенциальную поверхность. Обычно эквипотенциальные поверхности параллельны земле но когда на земле оказываетесь вы, то они смещаются, Так что разность потенциалов между вашей макушкой и пятками почти равна нулю. С земли на вашу голову переходят заряды и изменяют поле вокруг вас. Часть из них разряжается ионами воздуха, но ионный ток очень мал, ведь воздух плохой проводник.

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, пока он не приобретет потенциал воздуха. Если подождать довольно долго, то даже при очень малой проводимости воздуха заряды стекут с проводника (или натекут на него), уравняв его потенциал с потенциалом воздуха на этом уровне. Тогда мы можем опустить его к земле и измерить изменение его потенциала. Другой более быстрый способ - в качестве проводника взять ведерко воды, в котором имеется небольшая течь. Вытекая, вода уносит излишек заряда, 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, градиента потенциала. Раз существует электрическое поле, то должен быть и поверхностный заряд на земле (у = е0Е). Если мы поместим у поверхности земли плоскую металлическую пластинку А и заземлим ее, то на ней появятся отрицательные заряды Если затем прикрыть пластинку другой заземленной проводящей крышкой В, то заряды появятся уже на крышке В, а на 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 на А, а значит, и электрическое поле.

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 создают радиоактивность Земли. (Было известно, что излучение радиоактивных веществ делает воздух проводящим, ионизуя молекулы воздуха) Частицы, выходящие из атомного ядра, скажем в-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.

Чтобы 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 две пластины периодически заряжались до потенциала 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 создают 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!

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.

Земля 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 водящим и там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи. 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.

Любая 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 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 отношении это 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 поднимается, то падает на 15%.

Происхождение токов в атмосфере

Теперь нужно ответить на вопрос об источнике больших отрицательных токов, которые должны течь от “верха” к земной поверхности, чтобы поддержать ее отрицательный заряд. Где же те батареи, которые это делают? Это гроза или вернее молнии. Оказывается, вспышки молний не “разряжают” той разности потенциалов, о которой мы говорили (и как могло бы на первый взгляд показаться). Молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Если мы увидали молнию, то можно поспорить на десять против одного, что она привела на Землю большое количество отрицательных зарядов. Именно грозы заряжают Землю в среднем током в 1800 А электричества, которое затем разряжается в районах с хорошей погодой.

На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Их-то и можно считать теми батареями, которые накачивают электричество в верхние слои атмосферы и сохраняют разность потенциалов. А теперь учтите географию - полуденные грозы в Бразилии, тропические - в Африке и т.д. Ученые сделали оценки того, сколько молний ежесекундно бьет в Землю; нужно ли говорить, что их оценки более или менее согласуются с измерениями разности потенциалов: общая степень грозовой деятельности достигает на всей Земле максимума в 19.00 по лондонскому времени. Однако оценки грозовой деятельности делать очень трудно; сделаны они были только после того, как стало известно, что такие вариации должны существовать. Трудность заключается в том, что в океанах, да и повсюду в мире не хватает наблюдений, их мало, чтобы точно установить число гроз. Но те ученые, которые думают, что они “все учли правильно”, уверяют, что максимум деятельности приходится на 19.00 по гринвичскому среднему времени.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-12

Помимо градиента потенциала, можно измерять и другую величину - ток в атмосфере. Плотность его мала: через каждый квадратный метр, параллельный земной поверхности, проходит около . Воздух, по-видимому, не идеальный изолятор; из-за этой проводимости от неба к земле все время течет слабый ток, вызываемый описанным нами электрическим полем.

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. -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.

Фигура. 9.3. Измерение проводимости воздуха, вызываемой движением ионов.

Чтобы проверить эту теорию, физики поднимались на воздушных шарах и измеряли ионизацию (Гесс, в 1912г.). 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 потенциала . 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 . 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 в поле , или . 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.

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 . Этот ток, конечно, «положителен» - он переносит к Земле положительный заряд. Так что получается ток в при напряжении . Мощность !

Земля 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 . 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 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.

Фигура. 9.4. Типичные характеристики электрических свойств чистой атмосферы.

Любая 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 отношении это 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%.

Фигура. 9.3. Средняя суточная вариация градиента потенциала атмосферы в ясную погоду над океанами.

Ионизация воздуха

Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газообразных веществ. Кроме кислорода и азота, образующих основную массу воздуха, в его состав входят в небольшом количестве так называемые инертные газы, двуокись углерода и водяные пары. Помимо перечисленных газов, в воздухе содержится ещё большее или меньшее количество пыли и некоторые случайные примеси. Кислород, азот и инертные газы считаются постоянными составляющими частями воздуха, так как их содержание в воздухе практически повсюду одинаково. Наоборот, содержание 2 CO , водяных паров и пыли может изменяться в зависимости от различных условий. Как известно при обычных условиях давления и температуры различные газы, входящие в состав воздуха, являются диэлектриками.

В случае, если часть молекул ионизируется, то газ проводит ток.

Когда мы говорим, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая очень большая часть газовых молекул воздуха несёт электрический заряд отрицательно или положительного знака. Заметим что в 1 см 3 воздуха при нормальных условиях содержится 2,710 19 молекул, среднее число лёгких аэроионов в естественных условиях в том же объёме равно приблизительно 500-700 парам.

Концентрация аэроионов в атмосфере выражается числом положительных и отрицательных ионов в 1 см 3 . Отсюда, проводимость атмосферы состоит из полярных проводимостей – положительной и отрицательной, т.е.

- проводимость атмосферы,

n – число положительных и отрицательных аэроионов,

k – подвижность положительных и отрицательных аэроионов,

Полная проводимость атмосферы:
= + = nk e + n k e
где:

Полная проводимость атмосферы

Положительная проводимость атмосферы

Отрицательная проводимость атмосферы

n - число положительных аэроионов

n - число отрицательных аэроионов

k - подвижность положительных аэроионов

k - подвижность отрицательных аэроионов

e – заряд аэроиона равный 4,810 -10 абсолютных электростатических единиц.
Плотность вертикального тока атмосферы можно выразить так:
I =
где:

Полная проводимость атмосферы,

I- плотность вертикального тока атмосферы,

Вертикальный градиент потенциала.
Отношение положительных аэроионов к отрицательным близ поверхности земли равно приблизительно 1,2 т.е.:
K = = 1,2
где:

K – коэффициент униполярности,

n - число отрицательных аэроионов.
Присутствие в воздухе некоторого избытка положительных аэроионов объясняется тем, что почвенный воздух, выходя наружу через капилляры почвы, оставляет на них преимущественно отрицательные аэроионы. Как известно, проводимость почвенного воздуха в 30 раз больше проводимости воздуха атмосферного.

Электрическая проводимость атмосферы в среднем составляет 110 4 электрических едениц.

Плотность вертикального тока проводимости атмосферы

Градиент потенциала электрического поля земли претерпевает резкие искажения благодаря разным неровностям на земной поверхности. Эквипотенциальные поверхности огибают препятствия и сгущаются над возвышенными предметами. Внутри зданий градиент потенциала электрического поля равен нулю, электрическое поле внутри зданий отсутствует даже при сильных атмосферно-электрических явлениях. Это обстоятельство учитывается при электроэффлювиальном методе аэроионофикации.

Ввиду того, что атмосферный воздух содержит, кроме газовых молекул, также и взвешенные в нём твёрдые или жидкие микрочастицы, адсорбирующие лёгкие аэроионы, ионизационное равновесие может быть выражено так:
q = n + n - + n + N - + n + N 0
где:

n - число положительных аэроионов,

N 0 - число нейтральных частиц.
Но так как число взвешенных микрочастиц обычно значительно больше числа лёгких аэроионов, ионизационное равновесие может быть представлено уравнением:
q = n + ( n - + N - + N 0) = / n t
где:

q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,

n - число положительных аэроионов,

n - число отрицательных аэроионов,

Коэффициент рекомбинации лёгких аэроионов,

Коэффициент соединения лёгких аэроионов с заряженными частицами,

N - - число заряженных частиц,

N 0 - число нейтральных частиц,

t – промежуток времени,

n – общее количество ионов,

/ - постоянная исчезновения аэроионов.
Изменение числа аэроионов в атмосферном воздухе при изменении ионообразования выражается:

t – промежуток времени,

q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,

/ - постоянная исчезновения аэроионов,

n – общее количество ионов.
В случае отсутствия ионообразования число ионов убывает со временем t по закону:
n = n 0 e

Средняя продолжительность существования лёгких аэроионов может быть выражена так:

Многочисленные измерения числа лёгких аэроионов воздуха, произведённые во многих странах сотнями физиков, геофизиков, метеорологов и врачей, нельзя признать безусловно достоверными. Счётчик аэроионов Эберта, с помощью которого произведены эти измерения, далеко не удовлетворяют предъявляемым к нему требованиям.

Методика измерения числа аэроионов в единице объёма до сих пор не получила окончательного и точного решения вследствие сложного комплекса факторов, сопутствующих ионным процессам в атмосферном воздухе.

Ионизация состоит в расщеплении молекул на электрон и ион (заряд +). Так как молекулы и атомы газа довольно устойчивы, то для ионизации нужно совершить работу против сил взаимодействия между электроном и ионом. Работа эта называется работой ионизации . Работа ионизации зависит от природы газа и от энергетического состояния электрона.

Работу ионизации можно определить потенциалом ионизации .
Потенциалом ионизации называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации.

, (1)

Потенциал ионизации (эВ),

Электрон-вольт (эВ) - энергия, которую приобретает частица, имеющая заряд, равный заряду электрона, прошедшая разность потенциалов 1 В. Эта внесистемная единица энергии в настоящее время допущена к применению в физике. 1эВ = 1,6021892·10 -19 Дж

Работа ионизации,

e – заряд электрона.

(2)

m- масса электрона (кг.)

V- скорость электрона (м/сек.)

e – заряд электрона.
Если кинетическая энергия электрона равна:

, (2.1)

Энергия W, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов U равна:

W=eU (2.2)
А потенциал ионизации (энергия, обладая которой электрон при столкновении в другим электроном сможет ионизировать его) равна:

T+W, (2.3)
То подставив (2.1) и (2.2) в (2.3) получим:

U – разность потенциалов, которую необходимо пройти 1 электрону,

чтобы обладать энергией, достаточной для ионизации электрона, с которым он столкнётся..

e – заряд электрона,

m- масса электрона (кг.),

V- скорость электрона (м/сек.),

Потенциал ионизации (эВ).

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды,

отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной

молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.

Присоединение, «прилипанием электрона к нейтральной молекуле приводит в

подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону.

Она колеблется у большинства различных газов 0,75--4,5 эВ. В инертных газах - в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте - отрицательные ионы не возникают.
Значения для некоторых молекул различных компонентов атмосферного воздуха приведены в таблице 1.
Таблица 1.

Газ	Потенциал ионизации (эВ)
Ar	15.8
N 2	15.6
H 2	15.4
CO 2	14.4
CO	14.1
SO 2	13.1
H 2 O	12.6
O 2	12.5
NO 2	11.0
NO	9.5

Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений

разность потенциалов U (вольт), определяется выражением:

Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.

В зависимости от того, каким образом производится ионизация, различают следующие виды ионизации:

1) Фотоионизация (воздействие рентгеновскими Х-лучами и гамма-лучами);

Известно, что ионизация воздуха и образование частичных поверхностных разрядов (ЧПР) могут произойти, например, при фотоионизации. Чтобы воздействие излучения привело к ионизации воздуха, должно выполняться условие

с - скорость света;

Длина волны излучения;

h - постоянная Планка;

Wи - энергия ионизации

Определяя длину волны излучения по приведенной формуле, получим

 10–7 м, или 103 Å.

Волны с такими длинами лежат на границе ультрафиолетового и рентгеновского излучений (так называемый вакуумный ультрафиолет), видимый же свет не может привести к ионизации воздуха.

2) Ионизация соударения (воздействие
и частицами (электрон, позитрон);

Термическая ионизация (нагревание до высокой температуры).

Вероятность термической ионизации воздуха при нормальной атмосферной температуре Т = 20 °C ничтожно мала. Степень ионизации воздуха, т. е. отношение числа ионизированных частиц к общему их количеству в единице объема при температуре Т = 10 000 К, составляет 0,02 Поэтому при такой низкой степени ионизации возникновение термической ионизации невозможно.

4) Ионизация электрическим полем. Для того чтобы образовались отрицательные и положительные ионы в результате электростатической эмиссии, необходимо внешнее электрическое поле напряженностью более 1000 кВ/см. Этот вид ионизации наиболее распространим и его применяют для искусственной ионизации воздуха в бытовых помещениях, при помощи приборов, которые называются аэроионизаторы. Далее мы будем рассматривать этот вид ионизации.

В результате всех этих видов ионизации возникают носители тока. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа. Если носители тока возникают в газе, которые обусловлены только приложенным к газу электрическим полем, проводимость называется самостоятельной .
Рассмотрим несамостоятельный газовый разряд. Газовым разрядом называется прохождение тока через газ.

Под действием внешнего ионизатора происходит расщепление молекулы газа на электрон и ион . Электрон может быть захвачен нейтральной молекулой, которая превратится в ион.

Число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t обозначим через
. Часть ионизированных молекул рекомбинируют , т.е. происходит нейтрализация разноименных пар при их встрече.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов
пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n :

Количество рекомбинирующих пар ионов (за секунду в единице объема).

Концентрация ионов в газе:

где:

n – число одновременно генерируемых ионов в газе

v – коэффициент рекомбинации.

При отсутствии внешнего поля наступает равновесие: число пар ионизированных молекул равно числу пар рекомбинированных молекул, т.е.

, (3)
откуда число пар ионов в единице объема равно:

.

V и в единицу времени t .

r – коэффициент пропорциональности.

n - число имеющихся в единице объема пар ионов.

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре в 1 см 3 при равновесной концентрации ионов значение порядка
. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость (чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором).
Если, каждую секунду на электродах ионизатора нейтрализуется
пар ионов, то сила тока в цепи будет равна:

, (4)

Ионизатора,

S – площадь электродов,

Ток между электродами ионизатора:

j – плотность тока

S – площадь каждого электрода в пространстве, между которыми имеет место эффект генерации ионов

Из выражения (4) получим, что концентрация пар ионов, нейтрализованных на электродах в единицу времени равна

, (5)

Количество пар ионов которые нейтрализуется на электродахионизатора,

I - сила тока между излучающими электродами ионизатора,

– заряд носителя тока (иона),

S – площадь электродов,

l – расстояние между электродами;

j – плотность тока.

При наличии тока условие равновесия ионов запишется следующим образом:E = Закон Ома полученый из выражения (8).

j – плотность тока,

- удельная электропроводность газа,

E – напряженность поля.

Во второй области на кривой зависимости
линейная зависимость между плотностью тока и напряженностью нарушается вследствие того, что концентрация ионов в газе убывает.

В третьей области, начиная с некоторого значения напряженности плотность тока остается постоянной при увеличении Е. Это связано с тем, что при неизменной интенсивности ионизации в сильных электрических полях все ионы, образовавшиеся в единицу времени в газе достигают электродов. Значение плотности тока при этом называется плотностью тока насыщения :

. (10)

J нас – плотность тока насыщения,

– заряд носителя тока (иона),

Число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t ,

l – расстояние между электродами.

Реальное значение тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно J нас =10 -15 А/м 2 .

За областью насыщения лежит область резкого возрастания плотности тока (на рис. 2 эта область изображена штриховой линией). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е , порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию, т.е.

, (11)
где
– кинетическая энергия электрона;
– работа ионизации молекулы. Возникшие при ионизации электроны, разогнавшись, вызывают в свою очередь ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, возникших при воздействии внешнего ионизатора. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда.

Газы в нормальном состоянии являются хорошими диэлектриками (например чистый, неионизированный воздух). Однако, если газы содержат в себе влагу с примесью органических и неорганических частиц и при этом они ионизированы, то они проводят электричество.

Во всех газах еще до воздействия на них электрического напряжения всегда имеется некоторое количество электрически заряженных частиц - электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. Это могут быть заряженные частицы газа, а также заряженные частицы твердых и жидких веществ - примесей, находящихся, например, в воздухе.

Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами) : космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.

Электропроводимость газов зависит главным образом от степени их ионизации, которая может быть осуществлена различными способами. В основном ионизация газов осуществляется в результате отщепления электронов от нейтральной молекулы газа.

Выделившийся из молекулы газа электрон перемешается в междумолекулярном пространстве газа, и здесь в зависимости от рода газа он может сохранить относительно долго "самостоятельность" своего движения (например, в таких газах, кик водород H 2 , азот N 2 ) или, наоборот, быстро проникнуть в нейтральную молекулу, превратив ее в отрицательный ион (например, в кислороде).

Наибольший эффект ионизации газов достигается путем облучения их рентгеновыми, катодными лучами или лучами, испускаемыми радиоактивными веществами.

Атмосферный воздух летом весьма интенсивно ионизируется под влиянием солнечных лучей. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на его ионах, образуя мельчайшие капельки воды, заряженные электричеством. В конечном итоге из отдельных электрически заряженных капелек воды образуются грозовые тучи, сопровождаемые молниями, т. с. электрическими разрядами атмосферного электричества.

Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы - положительные ионы .

Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или через некоторое время они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы .

Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии. Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных (электронов) и положительно заряженных (ионов) частиц воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией .

Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы - напряженности электрического поля .

Под действием этих сил электроны у и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе .

Ток в газе будет тем больше, чем разного диэлектрика больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля.

Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.

Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой .

Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика

Вольтамперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.

С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа - электронами и ионами.

С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.

Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и молекулами газа очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа .

В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления газа и возрастанием .

Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших тех значений, при которых возникает процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (1020 омх см), а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал (tg δ ≈ 10 -6 ). Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях и .

В любой изоляционной конструкции в качестве элемента изоляции присутствует в той или иной мере воздух или какой-либо иной газ. Провода воздушных линий (ВЛ), шины распределительных устройств, выводы трансформаторов и различных аппаратов высокого напряжения отделены друг от друга промежутками, единственной изолирующей средой в которых является воздух.

Нарушение электрической прочности таких конструкций может произойти как путем пробоя диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы, так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика.

В отличие от пробоя изолятора, который приводит к полному выходу его из строя, разряд вдоль поверхности обычно повреждением не сопровождается. Следовательно, если изоляционную конструкцию выполнить таким образом, чтобы напряжение перекрытия по поверхности или разрядные напряжения в воздухе были меньше пробивных напряжений изоляторов, то фактическая электрическая прочность таких конструкций будет определяться электрической прочностью воздуха.

В указанных выше случаях воздух имеет значение как естественная газовая среда, в которой находятся изоляционные конструкции. Наряду с этим воздух или иной газ часто применяется в качестве одного из основных изоляционных материалов при выполнении изоляции кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, как влияют на электрическую прочность газа различные факторы, такие, как форма и длительность действия напряжения, температура и давление газа, характер электрического поля и т. п.

Атмосфера Земли в своем составе имеет нейтральные молекулы и атомы, положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Вследствие содержания электрически заряженных частиц атмосфера обладает электропроводностью. К числу основных возбудителей электрически заряженных частиц в атмосфере, или основных ионизаторов атмосферы, относятся космические лучи, солнечная и земная радиации. Космические лучи на 90% состоят из протонов, около 7% ядер гелия и на долю всех остальных элементов приходится 3%. Частицы космических лучей обладают очень большой энергией (от 1 до 10 12 ГэВ), при взаимодействии с атомами атмосферы эти частицы порождают обильные ливни электронов и мюзонов больших энергий, которые достигают земной поверхности и проникают в глубь земной коры, и мезонов меньших энергий, которые при движении в атмосфере распадаются. Быстрые электроны также теряют свою энергию в атмосфере в результате различных механизмов взаимодействия с веществом, и в конечном итоге возникают ливни свободных заряженных частиц, обеспечивающих электрическую проводимость атмосферы. Этот вид ионизации атмосферы на уровне моря создает 2– 4 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с. С ростом высоты примерно до 18 км мощность космической ионизации увеличивается пропорционально росту потока космических лучей.

Преобладающая часть солнечной радиации УФ- и рентгеновского диапазонов поглощается в верхних слоях атмосферы (выше 40 км). Этот процесс сопровождается ионизацией атомов атмосферы. Корпускулярное солнечное излучение также ионизирует атмосферу в пределах, сравнимых с теми, которые создаются электромагнитным излучением Солнца.

Земная радиация ионизирует атмосферу в непосредственной близости у поверхности Земли. Это происходит гл. образом за счет поступления из земной коры продуктов радиоактивного распада тяжелых элементов горных пород. Ионы образуются в приземном слое атмосферы, а затем турбулентным обменом и вертикальным движением переносятся до высоты 4-5 км. Земная радиация создает в приземном слое атмосферы над сушей около 5 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с, над поверхностью морей и океанов их концентрация несравненно меньше из-за ничтожно малого содержания радиоактивных веществ в морской воде.

В атмосфере ионы образуются также в результате ее загрязнения продуктами атомной промышленности и испытаний ядерного оружия, а также коротковолнового излучения звезд, за счет метеорных частиц и др. ионизаторов.

Наряду с ионизацией в атмосфере происходит обратный процесс – рекомбинация электронов и ионов, скорость которой неодинакова на различных высотах. Это же относится и к мощности ионизаторов. Поэтому вертикальный профиль концентрации ионов и электронов в атмосфере имеет сложный характер.

Электрическая проводимость атмосферного воздуха зависит от концентрации носителей положительных и отрицательных зарядов и их подвижности. Периодические колебания концентрации носителей заряда имеют весьма сложный характер, но обычно летом их концентрация вблизи земной поверхности выше, чем зимой. В суточнолм ходе наибольшая концентрация ионов обычно наблюдается в утренние часы, наименьшая – во второй половине дня.

ИОНОСФЕРА. Если по изменению температуры можно различить 5 слоев, то по степени ионизации газов воздуха атмосфера подразделяется на 4 слоя:D,E,F 1 иF 2 . Ионизация вызвана поглощением солнечной радиации. Ультрафиолет ионизирует молекулы О 2 иN 2 . Исчезновение электронов и ионов может происходить в результате их рекомбинации, а также перехода в другой объем, расположенный по соседству с данным или значительно дальше. Поэтому электронная концентрация в данном месте зависит от скорости ионизации, от скорости рекомбинации, а также от того, какое количество свободных электронов уйдет из данного единичного объема в единицу времени. Этот последний процесс наз. дивергенцией. Как видим, природа образования ионосферы и ее поведение зависят от многих причин.

Очевидно, что движение атмосферного газа влияет на изменение электронной концентрации в ионосфере. Но существуют и другие силы, которые приводят в движение электроны и перераспределяют электронную концентрацию в ионосфере. Это в первую очередь электрические и магнитные поля.

Первоначально ионосферные слои были обнаружены в экспериментах по распространению радиоволн. Излученные вверх радиоволны коротковолнового диапазона возвращались к Земле, будучи отраженными в верхней атмосфере неким электрическим экраном. Затем было установлено, что этим экраном служит слой электронов. Там же находится и слой положительных ионов, но они из-за их относительно большой массы

Рис. 24. Влияние слоя Е ионосферы на распространение радиоволн.

не влияют на распространение радиоволн. Один из таких слоев был обнаружен около высоты 300 км (эта высота меняется в зависимости от сезона, широты, времени суток и др. факторов). Это тот слой, который обозначен символом F. На высоте около 100 км был обнаружен еще один ионосферный слой, названный слоемЕ (слой Хивисайда). Этот слой подобен гигантскому зеркалу, от которого отражаются радиоволны. При этом они могут распространяться дальше, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись без отражения.

Затем было установлено, что ниже слоя Е также имеются свободные электроны, хотя и в меньших количествах, чем выше. Этот слой назван слоем D, и главное его влияние на распространение радиоволн заключается в том, что в нем радиоволны коротковолнового диапазона поглощаются.

Мощное воздействие электромагнитным излучением на ионосферу позволяет создать геофизическое оружие. США имеют на Аляске и в Норвегии антенные поля для высокочастотного электромагнитного воздействия на атмосферу, способного вызывать бури, разряды и т.д. В России также была одна такая установка, но зимой не слили воду из труб  все полопалось.