5a. Электричество и магнетизм - Ричард Фейнман

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.

Фиг. 9.1. Распределение потенциала.

а — над землей; б — около человека, стоящего на ровном месте.

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 (0 = e0Е). Если мы поместим у по­верхности земли плоскую металлическую пластинку А и зазем­лим ее, то на ней появятся отрицательные заряды (фиг. 9.2, а). 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.

Рассмотрев способы измерения электрического поля в ат­мосфере, продолжим теперь его описание. Измерения прежде всего показывают, что с увеличением высоты поле продолжает существовать, только становится слабее. На высоте примерно 50 км поле уже еле-еле заметно, так что большая часть измене­ния потенциала (интеграла от Е) приходится на малые высоты. Вся разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти

400 000 в.

Фиг. 9.2. Заземленная металлическая пла­стинка обладает тем же поверхностным зарядом, что и земля (а); если пластинка прикрыта сверху заземленным проводником, на ней заряда нет (б).

§ 2. 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. b-лучи, движутся так быстро, что они вырывают электроны у атомов, оставляя за собой дорожку из ионов.

Фиг. 9.3. Намерение проводимости воздуха, вызываемой движением 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 pacmem! (Прибор был похож на изо­браженный на фиг. 9.3. 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 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!

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 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?