Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
возвратного удара; б - изменение напряженности электрического поля со
временем для ряда расстояний до возвратного
удара.
этому (3.25) несправедливо для измерений вблизи разряда;
магнитостатическое приближение разд. 3.3 при быстрых изменениях тока
также может быть несправедливым. На расстояниях свыше 100 км преобладает
радиационное поле. На промежуточных расстояниях все компоненты поля могут
вносить значительный вклад в общее поле. На рис. 3.11 показана ожидаемая
качественная форма трех компонент электрического ноля для возвратного
удара, переносящего отрицательный заряд к земле. Возвратный удар вызывает
монотонное увеличение диполь-ного момента М. На этом же рисунке показано
ожидаемое изменение общего электрического поля, вызванное возвратным
ударом, в зависимости от расстояния.
88
3. Измерения электрического и магнитного полей
З.б. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЕЙ
3.5.1. Электронные измерения напряженности электрического поля
Напряженность электрического поля в зависимости от времени может быть
измерена у поверхности земли путем измерения напряжения между антенной и
землей. Обсудим существенные особенности такого измерения. Рассмотрим
горизонтальную плоскостную антенну (рис. 3.12).
Рис. 3.12. а - плоскостная антенна, не присоединенная к измерительному
прибору; б - плоскостная антенна, присоединенная к
измерительному прибору.
Плоскость антенны ориентируется параллельно земной поверхности
перпендикулярно вектору электрического поля, т. е. вдоль
эквипотенциальной поверхности. Предполагается, что электрическое поле
однородно. Антенна расположена на высоте h над поверхностью земли. В
отсутствие нагрузки на антенну (рис. 3.12,а) электрическое поле вблизи
антенны равно Е (величина, которая существовала бы в отсутствие антенны),
а разность потенциалов между землей и антенной Vg = Eh. Паразитная
емкость между облаком и антенной равна Сс, между антенной и землей Cg,
где С^>Сс. Разность потенциалов между облаком и землей равна V. Облаком
мы называем эффективный центр заряда, который порождает Е. Разность
потен-
3.5. Аппаратура для измерения полей
89
циалов облако - земля делится между двумя емкостями Сс и Cg. Разность
потенциалов на Сg равна
у = V-&- . (3.26)
е Cg + Cc '
Учитывая, что Vg - Eh, можно записать
V = Eh CctC-- ¦ (3.27)
Когда измерительная RC-цепь, показанная
на рис. 3.12,6, присоединяется к антенне, измеряемый потенциал v
оказывается меньше Vg. Предположим, что R является очень большим
импедансом по сравнению с С, так что при определении v необходимо
учитывать только влияние С. Так как С и Сg включены параллельно,
напряжение
v = V ^-----------. (3.28)
Cg-\- Сс-\- с
Можно исключить неизвестное V подстановкой (3.27) в (3.28):
v = Eh гЛ+сСЛс - (3'29)
Поскольку Cg^>Cc, (3.29) с хорошей точностью равно
v = Eh-r^rr. (3.30)
Lg-f- С
Измеряемое напряжение пропорционально электрическому полю Е. Константы
пропорциональности могут быть измерены или вычислены. На практике ОСg, и
поэтому С можно использовать для контроля за величиной измеряемого
напряжения. Назначение R заключается в том, чтобы напряжение v
уменьшалось с постоянной времени R{C-{-Cg) или ЛС, если C^>Cg. Если
величину RC сделать больше, чем интересующие нас времена, влияние Л на
измерения может стать незначительным.
Китагава и Брук [39] описали две измерительные схемы для использования их
вместе с антенной. Первая, которую они назвали "измеритель электрического
поля (мед-
§6 3. Измерения электрическогб и магнитного полей
ленная антенна)", имела RC = 4с и полосу пропускания от постоянного тока
до 20 кГц *. Для измерения коэффициента усиления напряжения в диапазоне
80 дБ использовались пять различных величин С. Величина R изменялась от
107 до 1011 Ом. Выходное напряжение подавалось на осциллограф, работающий
в режиме непрерывной развертки, причем каждый последующий шаг несколько
смещен по вертикали по отношению к предыдущему шагу. Скорость развертки
обычно составляет 50 мс на 1 шаг, в результате чего на экране
осциллографа могут быть легко размещены несколько секунд. Время
разрешения составляет доли миллисекунды. Вторая схема, которую Китагава и
Брук назвали "измеритель изменения электрического поля (скоростная
антенна)", имеет RC = 70 мкс. Верхняя граничная частота превышает 1 МГц.
Сочетая эту схему с системой регистрации на пленку, Китагава и Брук
получили время разрешения 10 мкс. Более высокое время разрешения может
быть получено при использовании системы регистрации на магнитную ленту.
При помощи схемы скоростной антенны можно получить изображение очень
быстрых изменений поля, хотя точные его величины из-за экспоненциального
спада сигнала на сопротивлении R могут быть получены только для времен
много меньше 70 мкс. Одновременное использование измерителя
электрического поля и измерителя изменения этого поля позволяет
определить последнее во время всей вспышки молнии с хорошим временным
разрешением быстро протекающих изменений поля.
