Для школьников.
В предыдущей записи было сказано, что электростатическое поле Земли (разность потенциалов между точками атмосферы и Землёй) исследовалось с помощью устройства, названного пламенным зондом.
Опыты показали существование электрического поля Земли. А именно:
- между участками атмосферы (точками на разных расстояниях от поверхности Земли) существует разность потенциалов;
- поверхность Земли заряжена отрицательно (её отрицательный заряд равен 30000 Кл;
- у земной поверхности существует стационарное электрическое поле напряжённостью около 130 В/м;
- наибольшее значение напряжённость электростатического поля имеет в средних широтах, к полюсам и экватору она убывает;
- с высотой напряжённость поля уменьшается. На высоте 10 км она составляет несколько В/м;
- электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической проводимостью (наличием ионов в атмосфере). С высотой проводимость атмосферы возрастает. У земной поверхности проводимость атмосферы очень мала (как у изоляторов), на высоте 30 км она становится в 150 раз больше. Выше она растёт ещё быстрее благодаря ионизирующему действию Солнца, космическим лучам. Земля постоянно находится в потоке излучения Солнца.
Таким образом, исследования показали, что Земля является огромным проводящим шаром, заряженным отрицательно. Как и в любом заряженном шаре избыточные отрицательные заряды распределены по поверхности Земли (внутри земного шара электрического поля нет). Поверхность Земли является эквипотенциальной поверхностью. Силовые линии электростатического поля направлены к Земле. Мы находимся в электрическом поле (и довольно большом) напряжённостью 130 В/м.
На рис. а) пунктирными линиями показаны силовые линии электрического поля Земли (они направлены к Земле). Сплошными горизонтальными линиями показаны эквипотенциальные поверхности, они идут параллельно поверхности Земли, под прямым углом к силовым линиям. Показанное на рисунке расстояние между точками А и В - это рост человека. Разность потенциалов между точками А и В электрического поля Земли найдём через произведение напряжённости поля на расстояние А-В (рост человека). Получим разность потенциалов больше 200 В, то есть разность потенциалов между головой и ногами человека более 200 В.
Возникает вопрос: почему мы его не ощущаем, когда напряжение в розетке для нас опасно?
Ответ. Если мы прикоснёмся к полюсам электросети, то через тело пойдёт ток, что опасно (равновесия зарядов здесь нет, ведь ток - это направленное движение зарядов).
Дело в том, что тело человека тоже является проводником, а для проводника (заряженного и незаряженного) все точки поверхности при равновесии зарядов имеют одинаковый потенциал, то есть поверхность тела человека является эквипотенциальной поверхностью.
Появление человека в поле Земли между точками А и В искажает электрическое поле Земли (см. рисунок).
Одна из эквипотенциальных поверхностей совпадает с поверхностью тела человека и разность потенциалов между точками А и В на теле человека становится равной нулю. Это вызвано перераспределением заряда в теле человека, но это перемещение зарядов очень слабое и мы его не чувствуем.
Другие эквипотенциальные поверхности показаны на рис. б) сплошными линиями. Ближняя из них к человеку близка к форме тела человека.
Силовые линии электрического поля Земли замыкаются на отрицательные поверхностные заряды тела человека, они отрицательны и находятся в равновесии (человек стоит на Земле, поэтому имеет потенциал, равный потенциалу Земли).
Записанное выше объясняет, почему мы не ощущаем электрическое поле Земли, хотя оно довольно большое. Человек не ощущает электрическое поле Земли, потому что потенциал в любой точке поверхности тела человека одинаков.
Занятие 50. Как связаны между собой напряжённость и разность потенциалов электростатического поля?
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Электрометр - прибор для измерения разности потенциалов.
Следующая запись: Искровой разряд. Электрическая природа молнии.
Ссылки на другие занятия (до электростатики) даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (начиная с электростатики) даны в конце Занятии 45.