Пока Вы размышляете, размещу отрывок их лекций Феймона по физике.
В данной Вами ссылке кстати говорится о Феймановских лекциях очень положительно, в духе того, что это всемирно признаный источник знаний по теории электрического поля.
Я не собираюсь оспаривать, что наука по данному разделу за прошедшие годы достигла кое-каких результатов, но по моему мнению очень скромных.
За качество публикации, ответственности не несу, так как источник прошел многократное копирование, кого эта статья интересует более детально, поищите ее в Интернете сами.
Главы из курса лекций для ИСФ
Тема – Электромагнитное поле
1. Электричество в атмосфере
2. Электричество в живых организмах
3. Плазма
4. Магнитное поле Солнца
5. Магнитное поле Земли
1. Электричество в атмосфере [1]
Электрическое поле атмосферы
В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъ-
ёма возрастает с каждым метром на 100 В, т.е. в воздухе имеется вертикальное электрическое поле Е
= 100 В/ м. Земная поверхность заряжена отрицательно. Это не означает, что между ногами и голо-
вой человека разность потенциалов более 100 В: тело – довольно хороший проводник. Человек,
стоящий на земле, образует с ней эквипотенциальную поверхность, так как заряды с земли перехо-
дят на его голову. Поле вблизи земли, обычно параллельное ей (Рис.1,а), искажается и выглядит так,
как показано на рис.1,б.
а
+300 в
+200 в
Е=100В/М
+ 100 в
0
Земля
б
+300 в
+200 в
+100 в
Рис.1. Распределение потенциала.
Электрическое поле медленно ослабевает с высотой. На высоте 50 км оно уже еле заметно. Вся
разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти 400 тысяч вольт.
В этом поле к земле всё время течёт слабый электрический ток: через каждый квадратный метр па-
раллельной земле поверхности проходит около 10-6 мкА. Значит, атмосфера обладает проводимо-
стью, которая создаётся ионами. Каково их происхождение?
[1]Воздух ионизуется космическими лучами – заряженными частицами высоких энергий. Они
испускаются Солнцем и представляют собой ядра атомов, в основном протоны, и электроны. Это –
первичные космические лучи. Они находятся за пределами земной атмосферы. Энергия их огром-
на: на каждую частицу в среднем приходится 108 … 1013 эВ (для сравнения – средняя тепловая энер-
гия молекул газа при комнатной температуре кТ имеет величину порядка 10-2 эВ). Врываясь в атмо-
сферу Земли, первичные лучи сталкиваются с атомами азота и кислорода воздуха, отдают им свою
энергию, срывая с них электронные оболочки. Возникают электронно-ядерные ливни, ядра расщеп-
ляются до отдельных нуклонов. Это – вторичные космические лучи. Образуются широкие атмо-
сферные ливни. Поперечные размеры ливня более 1 км2 ; при энергиях первичных частиц свыше
1013 эВ ливень может содержать многие миллионы частиц, в основном электроны и позитроны.
Космические лучи постоянно снабжают воздух ионами («малые ионы»), которые окружаются
другими ионами, образуя заряженные «комочки», медленно движущиеся в электрическом поле Зем-
ли - так создаётся ток. Ионы могут образовываться и не только из молекул. Заряжаются частички
пыли, попадающие в воздух с земли. Их называют «ядрами». Мелкие брызги морской воды испаря-
ются, оставляя кристаллики NaCl. И они могут заряжаться, образуя «большие ионы». Малые ионы
проносятся в воздухе со скоростью 1 см /с в поле 100 В/м. Большие ионы и ядра движутся гораздо
медленнее.
Проводимость воздуха изменчива. Она очень чувствует его засорённость. С высотой она увели-
чивается по двум причинам: во-первых, с высотой растёт ионизация воздуха космическими лучами;
во-вторых, уменьшается плотность воздуха, увеличивается длина свободного пробега ионов в поле.
Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно 1800 А. Он перено-
сит к Земле положительные заряды. Мощность этого тока (т.е. энергия, переносимая за секунду) со-
ставляет при напряжении 400 кВ огромную величину – 700 миллионов ватт (700 мегаватт). При та-
ком токе отрицательный заряд земной поверхности должен бы очень быстро компенсироваться. По-
надобилось бы около получаса, чтобы разрядить всю Землю. Однако этого не происходит. Почему?
И ещё вопрос – поверхность Земли заряжена отрицательно, а что заряжено положительно? Между
чем создаётся напряжение 400 кВ ?
На высоте около 50 км над землёй проводимость воздуха так велика, что там существует практи-
чески проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи (это ещё не ионосфера - верхняя часть ат-
мосферы, сильно ионизованная под влиянием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярно-
го излучения Солнца [2]). Ток атмосферы меняется в течение суток примерно на ±15 % и достигает
максимального значения в 19.00 часов по лондонскому времени одновременно на всей Земле. Ми-
нимальное его значение – в 4.00 часа по тому же времени и тоже везде. Любые изменения потенциа-
ла и должны быть всемирными, если Земля окружена проводящей сферой.
Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями. Они заряжают Землю то-
ком в 1800 А электричества (ток – это заряд, протекающий в единицу времени), которое затем раз-
ряжается в районах с хорошей погодой. На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Оценка того,
сколько молний ежесекундно бьёт в Землю, показала, что максимум грозовой деятельности прихо-
дится на 19.00 часов по лондонскому времени. Что же такое гроза?
Гроза
В атмосфере Земли при подходящих условиях постоянно образуются грозовые ячейки – область
атмосферы, в которой происходят все основные грозовые процессы. Обычно возникает несколько
ячеек одна возле другой, и в каждой из них происходит одно и то же. На рис.2 очень упрощённо по-
казана ячейка в начале грозы.
При определённых условиях в некоторой области атмосферы возникает восходящий поток возду-
ха, убыстряющийся по мере подъёма. Тёплый и влажный воздух снизу поднимается, остывает и кон-
денсирует влагу. На рисунке крестиками обозначен снег, а точками – дождь. Восходящий поток до-
вольно велик, а капельки очень малы, поэтому ни снег, ни дождь не выпадают.
По мере того, как тёплый воздух поднимается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон.
Он прохладнее: Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло
вверх, поэтому с высотой температура воздуха уменьшается. Значит, поднимается не только тот воз-
дух, который был внизу, но и какое-то количество воздуха с разных сторон.
Теперь уже грозовая ячейка (туча) выглядит иначе - рис.3. Это – зрелая ячейка. В ней действует
очень сильная тяга вверх, достигающая на этой стадии высот в 10…15 км, а иногда и выше.
км
. .
8 -160С
. . .
. . . .
6,5 . . . . . -80С
. . . . .
. . .
5 . . . . . . . 00С
. . . .
. . . . .
3,5 . . . . +80С
. . .
2 +170С
Поверхность +280С
Земли
. Дождь
. Снег
Рис.2. Грозовая ячейка в ранней стадии развития.
км
12,5 -510С
.. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. ..
12 -380С
. .. . . .
. . . . . . . .
9,5 . . . -260С
. . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
8 . . . . . . -160С
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
6,5 . . . . . . . . . -80С
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
5 . . . . . . . . . . . . . . 0С
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . .
. . . . . .
3,5 . . . . . +80С
. . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
2 . . . . . . . . +170С
. . . .
Подпись: Поверхностный дождь
Поверхность Земли +280С
Рис.3. Созревшая грозовая ячейка (двойные точки – кристаллы льда)
Грозовой купол с происходящей в ней конденсацией громоздится над всей облачной грядой с быстротой, достигающей обычно 60 км/час.
По мере того, как водяной пар поднимается и конденсируется, возникают маленькие капельки,
которые быстро охлаждаются до температуры ниже нуля по Цельсию. Они переохлаждаются.
Обычно вокруг есть центры кристаллизации – наподобие кристалликов NaCl или пылинок. Капельки
превращаются в кристаллы льда. Начинается быстрое образование и накопление крупных частиц
льда. Когда они становятся достаточно тяжёлыми, они начинают падать сквозь восходящий воздух.
Падая, они увлекают немного воздуха. Начинается противоток воздуха - вниз. Если он начался, он
уже не может прекратиться. Воздух полным ходом мчится вниз. Когда он доходит до нижней части
ячейки, начинается дождь. Кроме того, достигнув земной поверхности, относительно холодный воз-
дух растекается во все стороны. Поэтому перед самой грозой начинает дуть холодный ветер, пред-
вещающий бурю.
В то мгновение, когда начинается дождь, возникает противоток воздуха. В тот же момент возни-
кают электрические явления.
Через полчаса - час грозовая ячейка становится такой, как показано на рис.4. Тяга вверх прекра-
тилась – больше нет тёплого воздуха, и поддерживать её нечем. Какое-то время ещё идёт дождь, всё
становится спокойнее. На больших высотах ветры дуют в разные стороны, поэтому верх грозовой
тучи обычно принимает вид наковальни. Ячейке пришёл конец.
км
.. .. .. ..
.. .. .. .. .. .. ..
12,5 .. .. .. .. .. -510С
.. .. .. .. ..
.. .. .. .. .. ..
11 Дрейф в этой области слабее, чем 3 м/с -380С
.. .. .. .. .. ..
. .. .. .. .. ..
. . . . . . . .
9,5 . . . .. . . . .. -260С
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
8 -160С
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
6,5 . . . . . . . . . . . -80С
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
5 . . . . . . . . . . . 00С
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . .
3,5 +80С
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
2 +170С
. . . . .
Подпись: Легкий поверхностный дождь
. . . .
Поверхность Земли +280С
Рис.4. Полная фаза грозовой ячейки
.
Как возникают электрические заряды, приводящие к вспышкам молнии?
Согласно многочисленным экспериментам распределение зарядов в грозовой ячейке напоминает
то, что изображено на рис.5. Верх ячейки заряжен положительно, а низ – отрицательно.
Рис.5. Распределение электричества в созревшей грозовой ячейке
Здесь 1 – центр положительных зарядов, 2 – центр отрицательных зарядов, 3 – область отрицатель-
ного дождя, 4 – небольшой центр положительного заряда в области сильного дождя. (В нижней час-
ти тучи наблюдается небольшой участок с положительным зарядом. Происхождение и роль этого
участка пока неясны). Плюс вверху и минус внизу – туча представляет собой батарею, способную
зарядить Землю отрицательным зарядом. Положительные заряды находятся на высоте 6…7 км над
землёй, где температура достигает -200 С, а отрицательные – на высоте 3…4 км, где температура от
00 С до –100 С.
Заряда нижней части тучи хватает на то, чтобы создать между ней и земной поверхностью раз-
ность потенциалов в 20, 30 и даже 100 млн вольт, т.е. гораздо больше, чем 0,4 млн вольт (400 кВ)
при ясном небе. Воздух пробивается, возникает грозовой разряд. При пробое отрицательный заряд с
нижней части тучи переносится зигзагами молнии на Землю. Молния бьёт между тучей и Землёй,
или между двумя тучами, или между разными частями одной тучи. С каждой независимой вспыш-
кой – с каждым ударом молнии с неба низвергается 20…30 кулон электрического заряда. Заряд тучи
восстанавливается по экспоненциальному закону с постоянной времени порядка 5 секунд. Вспышки
следуют друг за другом нерегулярно, но время восстановления заряда тучи одно и то же – порядка
5 с. Значит, в грозовой «динамомашине» течёт ток примерно в 4 А. Атмосфера – это огромная бы-
стродействующая машина.
Причина разделения зарядов в туче пока неясна, но наиболее приемлемое представление – теория
Вильсона – основано на движении капель воды в электрическом поле атмосферы.
Водяная капля падает в электрическом поле напряжённостью 100 В/ м, при этом в ней наводится
дипольный момент – положительный заряд внизу, отрицательный вверху. Медленно движущийся в
воздухе большой ион, приближаясь к капле снизу, или оттолкнётся от неё, если он положителен, или
притянется к ней, если он отрицателен. На капле накапливается отрицательный заряд, она переносит
его в нижнюю часть тучи. Положительные ионы сдуваются к её вершине восходящими потоками
воздуха. Верхней части капли положительные ионы не успевают коснуться, их проносит мимо под-
нимающийся вверх воздух. Быстрые ионы тоже не успевают коснуться капли.
Однако больших ионов не так много в воздухе, чтобы создать заряд наблюдающейся величины.
Должны создаваться дополнительные источники больших ионов. Возможно, что как только начина-
ется разделение зарядов, развиваются очень сильные электрические поля, в которых происходит ионизация воздуха.
Итак, из-за того, что во время грозы существуют воздушные течения, ионы и капли воды – поло-
жительные и отрицательные ионы – разделяются. Положительные заряды уносятся вверх, к куполу
тучи, а отрицательные при ударах молнии скатываются на Землю. Положительные входят в высокие
слои хорошо проводящего воздуха и расходятся над всей Землёй.
Молния
Качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки, молния –
это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же пути.
Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более отрицателен, чем земная по-
верхность под ней. Отрицательный заряд (электроны) устремляются к Земле. Всё начинается со све-
тящегося комка – «ступенчатого лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. На снимках
можно видеть вначале небольшое светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстро катящееся
вниз со скоростью 1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует
пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после новый шаг и т.д.
Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле по пути, показанному на рис. 6.
Облако
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Рис.6. Образование ступенчатого лидера.
Лидер наполнен отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстро движущимися зарядами ли-
дера и становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся поверхности земли,
получается как бы проводящая проволока, которая тянется до самой тучи и полна отрицательного
электричества. Теперь отрицательные заряды из тучи мчатся на землю: сначала соскакивают элек-
троны нижней части лидера, оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электро-
ны из более верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь отрица-
тельный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу вниз. Так что видимая
нами молния (как будто движение положительного заряда) бьёт от земли вверх (Рис. 7). Это и есть
основной разряд – обратная вспышка. Она вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое,
приводя к быстрому расширению воздуха, производит громовой удар.
Облако
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Рис.7. Обратная молния мчится по следу, образованному лидером.
Ток в пике молнии достигает 10000А и уносит около 20 кулон электричества.
Спустя несколько сотых долей секунды, когда обратная молния уже исчезла, вниз пикирует но-
вый лидер – «тёмный лидер», который движется уже без остановок. Весь путь сверху донизу он про-
ходит одним броском по прежнему следу, потому что здесь хватает ионов воздуха для того, чтобы
этот путь оказался самым лёгким. Новый лидер вновь полон отрицательного заряда. В мгновение,
когда он касается почвы, появляется обратная молния, катящаяся по тому же пути.
Иногда после одной из остановок лидер начинает ветвиться, образовав две ступеньки, - обе идут
вниз, но разными путями. Если одна из ветвей коснётся земли намного раньше другой, то яркая об-
ратная молния идёт по ней. Когда она на своём пути достигает начала второй ветви, отрицательный
заряд начинает выкачиваться из этой второй ветви, как будто молния идёт по ней вниз. Одновремен-
но идёт вверх молния по первичному пути лидера. Если обе ветви достигают почвы почти одновре-
менно, то тёмный лидер может избрать себе путь по второй ветви. Тогда первая вспышка видна в
одном месте, а вторая – в другом.
Когда ступенчатый лидер оказывается примерно в 100 м от почвы, поле становится таким силь-
ным, что оттуда навстречу ему поднимается электрический разряд. Если в этом месте есть высокий
предмет, то при приближении лидера начинается разряд с этого предмета. Молния стремится бить
именно в такие места.
1. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике.т.5, МИР, М.,1977
2.Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.,Наука, 1968
