Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
Шонланд Б. Ф. Дж., Ходжес Д. В. и Колле не Н., Развивающаяся молния, ч.
5. Сравнение фотографического и электрического исследований процесса
разряда, Proc. Roy. Soc. (London), A166, 56-75 (1938).
В этой главе сначала рассмотрим теорию и экспериментальные методы,
используемые для изучения свойств молнии на основании измерений
электрического и магнитного полей, связанных с молнией. Затем рассмотрим
результаты исследования электрического и магнитного полей, а также их
связи с результатами оптических исследований разряда молнии.
3.2. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Напряженность электрического поля Е на расстоянии г от положительного
точечного заряда в воздухе или вакууме равна
Е = Q \ ¦ В/м. (3.1)
70
3. Измерения электрического и магнитного полей
где аг - единичный вектор, направленный от заряда вдоль г, ?0 -
диэлектрическая проницаемость вакуума (которая по существу равна
диэлектрической проницаемости атмосферного воздуха). В системе МКС
(4тс?0)-1" "9 -109. Если источником поля является отрицательный точечный
заряд, то поле должно быть направлено к заряду и уравнение (3.1) должно
иметь знак минус перед правой частью. Уравнение (3.1) описывает также
напряженность электрического поля снаружи сферически симметричного
распределения зарядов с общим зарядом Q (разд. 7.3.1).
В результате измерений было найдено, что вектор электрического поля
хорошей погоды над поверхностью земли направлен к центру земли, т. е.
земля заряжена отрицательно, а атмосфера выше поверхности земли -
положительно. Напряженность электрического поля хорошей погоды у земли
составляет приблизительно 100 В/м. В литературе в большинстве случаев
электрическое поле хорошей погоды определяется как положительное. Поэтому
условимся, что электрическое поле земли считается положительным, если оно
обусловлено положительным зарядом выше ее поверхности, т. е. если вектор
поля направлен к земле; электрическое поле отрицательно, если оно
обусловлено отрицательным зарядом выше поверхности земли, т. е. если
вектор поля направлен от земли. Эта терминология будет использована при
обсуждении электрических полей, вызванных зарядами гроз.
Конфигурация заряда, которую мы сейчас рассмотрим, будет служить основой
для вычисления электрического поля на земле, вызываемого зарядами гроз
выше земли. В модели, которая будет использоваться, земля рассматривается
как ровная проводящая плоскость, а центры грозового заряда - как точечные
заряды или как сферически симметричные распределения зарядов. Вычислим
напряженность электрического поля, обусловленную точечным положительным
зарядом +(2, помещенным на расстоянии Н выше проводящей плоскости. Такая
конфигурация показана на рис. 3.1. Влияние зарядов, индуцированных на
проводящей плоскости, может быть воспроизведено замещением плоскости
отрицательным зарядом-изображением -Q, помещенным на расстоянии Н ниже
3.2. Электростатика
71
плоскости. Величина напряженности электрического поля на уровне плоскости
и расстоянии D по плоскости от каждого заряда равна, согласно (3.1),
Q
Ап 80 (Я2 + Я2)
(3.2)
Одцако вектор электрического поля для каждого из зарядов имеет разные
направления. Общее электрическое поле
+ Q
\
Н
' + <?
Рис. 3.1. Схема для расчета напряженности электрического поля на
расстоянии D от положительного точечного заряда -\-Q, расположенного на
высоте Я над проводящей плоскостью.
получается сложением векторов. Электрические поля могут быть разложены на
компоненты, параллельные и перпендикулярные плоскости. Параллельные
компоненты равны по величине и противоположны по направлению, поэтому их
сумма равна нулю. Следовательно, горизонтальное поле на плоскости
отсутствует. (Электрическое поле на любой проводящей поверхности всегда
перпендикулярно этой поверхности.) Перпендикулярные компоненты
положительны (в смысле принятой в предыдущем абзаце терминологии) и для
получения общей напряженности электрического поля непосредственно
складываются. Перпендикулярный компонент поля, обусловленный каждым из
точечных зарядов, находится умножением общего
72
3. Измерения электрического и магнитного полей
поля, обусловленного этим зарядом, на sin 0= Н1(Н2-\--j-D2)1/*. Таким
образом, общее электрическое поле равно
2 QH
^общ
(3.3)
4л е0 (Я2 + jD2)*/2
Его направление перпендикулярно плоскости и положительно.
H/D
Рис . 3.2. Напряженность электрического поля для конфигурации заряда,
приведенной на рис. 3.1. Чтобы получить напряженность электрического поля
в В/м, величину, приведенную на графике, необходимо умножить на Q •
109}D2.
Если высота Н заряда +Q изменяется, то поле в точке D будет проходить
через максимум, как это показано на рис. 3.2. Это изменение поля
объясняется с физической точки зрения. Если высота Н очень мала, то
электрическое поле в D будет иметь малый вертикальный компонент
(вертикальный компонент является общим полем), так как 0 мало. Когда Н
увеличивается, вертикальный компонент тоже увеличивается. Поле будет
