Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
Напряжение, индуцированное в рамочной антенне площадью А, ориентированной
перпендикулярно магнитному потоку, при изменении магнитной индукции равно
Vmr= А . (3.32)
at
где предполагается, что площадь А постоянна, а индукция В однородна по
площади. Таким образом, скорость изменения магнитной индукции можно
измерить, соединив рамочную антенну с осциллографом. Чтобы провести
непосредственное измерение магнитной индукции, антенна соединяется
последовательно с сопротивлением R и емкостью С. Уравнение для тока i,
текущего в такой схеме, имеет вид
t
А = Ri + JL Г i dt', (3.33)
dt C* J
о
где предполагается, что емкость первоначально не заряжена. Рассмотрим
случай, в котором RvlC выбраны таким образом, чтобы
t
idt', (3.34)
о
т. е. импеданс 1/ю С при синусоидальном сигнале мал по сравнению с R для
всех эффективных угловых частот со, вызванных изменяющимся магнитным
полем. Используя (3.34), можно решить (3.33) относительно тока
A dB
94
3. Измерения электрического и магнитного полей
Если выходной сигнал представляет собой напряжение на емкости, то сигнал
равен
t
Vc = Г dt' = В (t). (3.36)
с RC J dt' RC к '
о
Таким образом, магнитная индукция может быть найдена из (3.36) как
функция времени. Затем ее можно использовать в (3.19) для определения
тока молнии, если Н и D известны и удовлетворяются условия, необходимые
для справедливости уравнения (3.19). Магнитная рамочная антенна должна
быть хорошо экранирована от электрических полей.
Наряду с магнитной рамочной антенной с соответствующими цепями для
измерений можно использовать магнетометры (приборы для измерения
магнитной индукции), которые выпускаются промышленностью. Серийные
приборы имеют широкий диапазон чувствительности и временных
характеристик. Особый интерес представляет индукционный магнетометр,
использованный Вильямсом и Бруком [87 ] для измерений непрерывных токов и
токов лидера. Прибор чувствителен к изменению магнитного поля в 1^ (Ю-9
Вб/м2). Переходное время прибора 20 мс. Вильямс и Брук [87] сообщили, что
они создали индукционный магнетометр с переходным временем 1 мс.
3.6. РАННИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ;
ДИПОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОБЛАКА
Результаты первых измерений электростатических полей грозовых облаков и
изменений электростатического поля, вызванных молнией, приведены в
работах [2, 73, 89, 90]. Среди заключений, сделанных в результате этих
исследований, были следующие: 1) грозовое облако по существу. является
электрическим диполем с положительным зарядом, расположенным выше
отрицательного заряда; 2) обычная вспышка молнии между облаком и землей
переносит на землю отрицательный заряд, приводя к нейтрализации
электрического дипольного момента, равного ~100 Кл-км. В экспериментах,
выполненных Вильсоном [89, 90], а также Шонландом и Крейбом [73],
3.6. Ранние измерения электрического поля
95
использовались электрометры с золотыми лепестками (ранняя работа
Вильсона) или с разнообразными капиллярами. Эпплтон, Ватсон-Ватт и Герд
[2] наряду с оборудованием, аналогичным оборудованию Вильсона,
использовали антенну, присоединенную к осциллографу. Рассмотрим теорию и
результаты измерения, которые привели к двум вышеупомянутым выводам.
О том, что грозовое облако по существу является вертикальным
электрическим диполем с положительным зарядом в верхней части
(положительный диполь), мы узнаём из измерений постоянного
электростатического поля грозового облака в зависимости от D или из
измерений изменения поля. Как можно видеть из рис. 3.3, вдали от
грозового облака (в котором величины зарядов N и Р показаны равными, хотя
это равенство не было установлено точно) его постоянное электрическое
поле положительно; на расстоянии D, равном приблизительно 8 км, знак поля
меняется, и при меньших D поле отрицательно. Перемена знаков постоянного
поля была предсказана Вильсоном [90] на основе его измерений изменения
поля, а первое доказательство этому было приведено Шонландом и Крей-бом
[73].
Рассмотрим далее изменения электростатического поля, которые должны
ожидаться, если 1) во вспышке молнии к земле переносится отрицательный
заряд, 2) во вспышке молнии к земле переносится положительный заряд, 3)
вну-триоблачный разряд частично разрушает положительный электрический
диполь. Напомним, что по определению положительным электрическим полем на
земле называется поле от положительного заряда над землей. Если
положительный заряд разрушаетсяv то изменение поля отрицательно, т. е.
положительное поле уменьшается. Подобным образом, если разрушается
отрицательный заряд выше земли, то изменение поля положительно, т. е.
отрицательное поле уменьшается. Изменение электрического поля, измеренное
на земле в точке D и обусловленное переносом отрицательного заряда ISQn К
л с высоты Hn в облаке к земле, исходя из (3.3), равно
2 LQNBn
4я"" + ?>>)•/. '
ДЕт = + - ¦, • (3.37)
96
3. Измерения электрического и Магнитно&о полей
Это выражение положительно при всех величинах D. ЕслиD^>Hn , то
