У звичайний день над пустельною рівниною або над морем електричний потенціал у міру підйому зростає з кожним метром приблизно на 100 в. У повітрі є вертикальне електричне поле Е величиною 100 в/м. Знак поля відповідає негативному заряду земної поверхні. Це означає, що на вулиці потенціал на рівні вашого носа на 200 в вищий, ніж потенціал на рівні п'яток! Можна, звісно, запитати: «Чому б не поставити пару електродів у повітрі за метр один від одного і не скористатися цими 100 в для електричного освітлення?» А можна й здивуватися: «Якщо справді між моїм носом і моєю п'яткою є напруга 200 в, то чому ж мене не б'є струмом, щойно я виходжу на вулицю?»
Спершу відповімо на друге запитання. Ваше тіло — доволі хороший провідник. Коли ви стоїте на землі, ви разом із нею утворюєте еквіпотенціальну поверхню. Зазвичай еквіпотенціальні поверхні паралельні землі (фіг. 9.1, а), але коли на землі опиняєтесь ви, вони зміщуються, і поле починає виглядати приблизно так, як показано на фіг. 9.1, б. Тож різниця потенціалів між вашою маківкою і п'ятками майже дорівнює нулю. Із землі на вашу голову переходять заряди й змінюють поле навколо вас. Частина з них розряджається іонами повітря, але іонний струм дуже малий, адже повітря — поганий провідник.
Як же виміряти таке поле, якщо воно спотворюється всім, що в нього потрапляє? Є кілька способів. Один спосіб — розташувати ізольований провідник на якійсь висоті над землею і не чіпати його доти, доки він не набуде потенціалу повітря. Якщо почекати достатньо довго, то навіть за дуже малої провідності повітря заряди стечуть із провідника (або натечуть на нього), зрівнявши його потенціал із потенціалом повітря на цьому рівні. Тоді ми можемо опустити його до землі й виміряти зміну його потенціалу. Інший, швидший спосіб — узяти як провідник відерце води, в якому є невеличка течія. Витікаючи, вода забирає надлишок заряду, і відерце швидко набуває потенціалу повітря. (Заряди, як ви знаєте, розтікаються по поверхні, а краплі води — це ті, що йдуть геть, «шматочки поверхні».) Потенціал відра можна виміряти електрометром.
Є ще спосіб прямого вимірювання градієнта потенціалу. Раз існує електричне поле, то має бути і поверхневий заряд на землі (σ = ε0Е). Якщо ми розмістимо біля поверхні землі плоску металеву пластинку А і заземлимо її, то на ній з'являться негативні заряди (фіг. 9.2, а). Якщо потім прикрити пластинку іншою заземленою провідною кришкою В, то заряди з'являться вже на кришці В, а на пластинці А зникнуть. Якщо ми виміряємо заряд, що перетікає з пластинки А на землю (скажімо, за допомогою гальванометра в колі заземлювального провода) в той момент, коли А закривають кришкою, то ми знайдемо густину поверхневого заряду, що був на А, а отже, і електричне поле.
Спершу відповімо на друге запитання. Ваше тіло — доволі хороший провідник. Коли ви стоїте на землі, ви разом із нею утворюєте еквіпотенціальну поверхню. Зазвичай еквіпотенціальні поверхні паралельні землі (фіг. 9.1, а), але коли на землі опиняєтесь ви, вони зміщуються, і поле починає виглядати приблизно так, як показано на фіг. 9.1, б. Тож різниця потенціалів між вашою маківкою і п'ятками майже дорівнює нулю. Із землі на вашу голову переходять заряди й змінюють поле навколо вас. Частина з них розряджається іонами повітря, але іонний струм дуже малий, адже повітря — поганий провідник.
Як же виміряти таке поле, якщо воно спотворюється всім, що в нього потрапляє? Є кілька способів. Один спосіб — розташувати ізольований провідник на якійсь висоті над землею і не чіпати його доти, доки він не набуде потенціалу повітря. Якщо почекати достатньо довго, то навіть за дуже малої провідності повітря заряди стечуть із провідника (або натечуть на нього), зрівнявши його потенціал із потенціалом повітря на цьому рівні. Тоді ми можемо опустити його до землі й виміряти зміну його потенціалу. Інший, швидший спосіб — узяти як провідник відерце води, в якому є невеличка течія. Витікаючи, вода забирає надлишок заряду, і відерце швидко набуває потенціалу повітря. (Заряди, як ви знаєте, розтікаються по поверхні, а краплі води — це ті, що йдуть геть, «шматочки поверхні».) Потенціал відра можна виміряти електрометром.
Є ще спосіб прямого вимірювання градієнта потенціалу. Раз існує електричне поле, то має бути і поверхневий заряд на землі (σ = ε0Е). Якщо ми розмістимо біля поверхні землі плоску металеву пластинку А і заземлимо її, то на ній з'являться негативні заряди (фіг. 9.2, а). Якщо потім прикрити пластинку іншою заземленою провідною кришкою В, то заряди з'являться вже на кришці В, а на пластинці А зникнуть. Якщо ми виміряємо заряд, що перетікає з пластинки А на землю (скажімо, за допомогою гальванометра в колі заземлювального провода) в той момент, коли А закривають кришкою, то ми знайдемо густину поверхневого заряду, що був на А, а отже, і електричне поле.
Зображення
Розглянувши способи вимірювання електричного поля в атмосфері, продовжимо тепер його опис. Вимірювання насамперед показують, що зі збільшенням висоти поле продовжує існувати, тільки стає слабшим. На висоті приблизно 50 км поле вже ледь-ледь помітне, так що більша частина зміни потенціалу (інтеграла від Е) припадає на малі висоти. Уся різниця потенціалів між поверхнею землі й верхом атмосфери дорівнює майже 400 000 в.