Влияние электричества на плодово ягодные растения. Jl

Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.

Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.

Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».

Характеристики атмосферного электричества

Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).

Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.

Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).

Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).

Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).

Откуда берется потенциал электрического поля Земли?

Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?

Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.

Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.

Молнии

Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).

Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.

Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.

8 февраля 2012 в 10:00

Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследовалось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возникают, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое происхождение - естественное и антропогенное. Естественные магнитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмущения охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнитные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнитного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные средства, линии электропередачи.

Частотный диапазон и длины волн некоторых источников электромагнитного излучения

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнитных волн — токи промышленной частоты (50 Гц). Так, напряженность электрического поля непосредственно под линией электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Исследования биологического воздействия электрического поля обнаружили, что уже при напряженности 1 кВ/м оно оказывает неблагоприятное влияние на нервную систему человека, что в свою очередь ведет к нарушениям эндокринного аппарата и обмена веществ в организме (меди, цинка, железа и кобальта), нарушает физиологические функции: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления, активность мозга, ход обменных процессов и иммунную активность.

Начиная с 1972 г. появились публикации, в которых рассматривалось влияние на людей и животных электрических полей с величинами напряженности более 10 кВ/м.

Напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию; напряженность электрического поля пропорциональна напряжению (заряду) и обратно пропорциональна расстоянию. Параметры этих полей зависят от класса напряжения, конструктивных особенностей и геометрических размеров высоковольтной ЛЭП. Появление мощного и протяженного источника электромагнитного поля приводит к изменению тех естественных факторов, при которых сформировалась экосистема. Электрические и магнитные поля могут индуцировать поверхностные заряды и токи в теле человека.

Исследования показали, что максимальный ток в теле человека, индуцированный электрическим полем, намного выше, чем ток, вызванный магнитным полем. Так, вредное воздействие магнитного поля проявляется лишь при его напряженности около 200 А/м, что бывает на расстоянии 1—1,5 м от проводов фазы линии и опасно только для обслуживающего персонала при работах под напряжением. Это обстоятельство позволило сделать вывод об отсутствии биологического влияния магнитных полей промышленной частоты на людей и животных, находящихся под ЛЭП Таким образом, электрическое поле ЛЭП является главным биологически действенным фактором протяженной электропередачи, который может оказаться барьером на пути миграции движения разных видов водной и сухопутной фауны.

Силовые линии электрического и магнитного полей воздействующих на человека, стоящего под воздушной линией электропередачи переменного тока

Исходя из конструктивных особенностей электропередачи (провисания провода) наибольшее влияние поля проявляется в середине пролета, где напряженность для линий сверх - и ультравысокого напряжения на уровне роста человека составляет 5 - 20 кВ/м и выше в зависимости от класса напряжения и конструкции линии.

У опор, где высота подвеса проводов наибольшая и сказывается экранирующее влияние опор, напряженность поля наименьшая. Так как под проводами ЛЭП могут находиться люди, животные, транспорт, то возникает необходимость оценки возможных последствий длительного и кратковременного пребывания живых существ в электрическом поле различной напряженности.

Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Копыто животных также является хорошим изолятором. Наведенный потенциал в этом случае может достигать 10 кВ, а импульс тока через организм при касании к заземленному предмету (ветке куста, травинке) 100 - 200 мкА. Такие импульсы тока безопасны для организма, но неприятные ощущения заставляют копытных животных избегать трассы высоковольтных ЛЭП в летнее время.

В действии электрического поля на человека доминирующую роль играют протекающие через его тело токи. Это определяется высокой проводимостью тела человека, где преобладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой.

В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимостью 0,1 мкА/см и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, существенно превышают плотность такого тока проводимости.

При плотностью тока проводимостью 1 мкА/см в глазах человека наблюдается мелькание световых кругов, более высокие плотности токов уже захватывают пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям.

В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зоне электрического поля значительной интенсивности, плотность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «подстилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин.

При максимальном токе, соответствующем Еmах == 15 кВ/м (6,225 мА), известной доле этого тока, втекающего через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см) плотность тока<0,1 мкА/см, что и подтверждает допустимость принятой напряженности 15 кВ/м под проводами воздушной линии.

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и магнитной индукцией внешнего поля, В. Вычисление плотности тока

осложняется тем, что его точный путь зависит от распределения проводимости у в тканях тела.

Так, удельную проводимость мозга определяют у=0,2 см/м, а сердечной мышцы у=0,25 см/м. Если принять радиус головы 7,5 см, а сердца 6 см, то произведение yR получается одинаковым в обоих случаях. Поэтому можно давать одно представление для плотности тока на периферии сердца и мозга.

Определено, что безопасная для здоровья магнитная индукция составляет около 0,4 мТл при частоте 50 или 60 Гц. В магнитных полях (от 3 до 10 мТл, f =10 - 60 Гц) наблюдалось возникновение световых мерцаний, аналогичных тем, которые возникают при надавливании на глазное яблоко.

Плотность тока, индуцированного в теле человека электрическим полем с величиной напряженности Е, вычисляется таким образом:

c различными коэффициентами к для области мозга и сердца.

Значение к=3-10-3 см/Гцм.

По данным немецких ученых напряженность поля, при которой вибрацию волос ощущают 5% испытуемых мужчин, составляет 3 кВ/м и для 50% мужчин, подвергшихся испытаниям, она равна 20 кВ/м. В настоящее время отсутствуют данные о том, что ощущения, вызванные действием поля, создают какое-либо неблагоприятное влияние. Что касается связи плотности тока с биологическим влиянием, то можно выделить четыре области, представленные в таблице.

Последняя область значения плотности тока относится к временам воздействия порядка одного сердечного цикла, т. е. приблизительно 1 с для человека Для более коротких экспозиций пороговые значения выше. Для определения порогового значения напряженности поля были выполнены физиологические исследования на людях в лабораторных условиях при напряженности от 10 до 32 кВ/м. Установлено, что при напряженности 5 кВ/м 80% людей не испытывают болевых ощущений при разрядах в случае касания заземленных предметов. Именно эта величина была принята в качестве нормативной при работах в электроустановках без применения средств защиты.

Зависимость допустимого времени пребывания человека в электрическом поле с напряженностью Е более порогового аппроксимируется уравнением

Выполнение этого условия обеспечивает самовосстановление физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологических изменений.

Ознакомимся с основными результатами исследований биологических влияний электрических и магнитных полей, проведенных советскими и зарубежными учеными.

Влияние электрических полей на персонал

Во время исследований на верхней части предплечья каждого рабочего закрепляли интегрирующий дозиметр. Установлено, что у рабочих на высоковольтных линиях среднее значение дневной экспозиции составило от 1,5 кВ/(м-ч) до 24 кВ/(м-ч). Максимальные значения отмечены в очень редких случаях. Из полученных данных исследования можно сделать вывод об отсутствии заметной взаимосвязи между экспозицией в полях и общим состоянием здоровья людей.

Воздушные ЛЭП и рак у детей

В жилых помещениях магнитное поле может создаваться бытовым электрооборудованием и электропроводкой, внешними подземными кабелями, а также воздушными ЛЭП. Исследуемые и контрольные объекты группировали в интервалах 25 м до воздушной ЛЭП, причем степень риска на расстоянии более 100 м от линии была принята за единицу.

Полученные результаты не подтверждают гипотезы о том, что магнитные поля промышленной частоты влияют на возникновения рака у детей.

Электростатическое влияние на волосяной покров человека и животных

Исследования проводились в связи с гипотезой о том, что влияние поля, ощущаемое поверхностью кожи, вызвано действием электростатических сил на волосы. В результате получено, что при напряженности поля в 50 кВ/м испытуемый ощущал зуд, связанный с вибрацией волос, что зарегистрировано специальными приборами.

Влияние электрического поля на растения

Опыты проводились в специальной камере в неискаженном поле с напряженностью от 0 до 50 кВ/м. Было выявлено небольшое повреждение ткани листьев при экспозиции от 20 до 50 кВ/м, зависящее от конфигурации растения и первоначального содержания влаги в нем. Омертвление ткани наблюдалось в частях растений с острыми краями. Толстые, с гладкой закругленной поверхностью растения не повреждались при напряженности 50 кВ/м. Повреждения являются следствием короны на выступающих частях растений. У наиболее слабых растений повреждения наблюдались уже через 1 - 2 ч после экспозиции. Важно, что у сеянцев пшеницы, имеющих очень острые концы, корона и повреждения были заметны при сравнительно низкой напряженности, равной 20 кВ/м. Это был самый низкий порог появления повреждений в исследованиях.

Наиболее вероятный механизм повреждения ткани растений - тепловой. Поражение ткани появляется тогда, когда напряженность поля становится достаточно высокой, чтобы вызвать коронирование, и через кончик листка течет ток короны высокой плотности. Тепло, выделяемое при этом на сопротивлении ткани листа, приводит к гибели узкого слоя клеток, которые сравнительно быстро теряют воду, высыхают и сжимаются. Однако этот процесс имеет предел и процент высохшей поверхности растения невелик.

Влияние электрического поля на животных

Исследования проводились по двум направлениям: изучение на уровне биосистемы и изучение порогов обнаруженных влияний. Среди цыплят, помещенных в поле с напряженностью 80 кВ/м, отмечалась прибавка массы, жизнеспособность, низкая смертность. Порог восприятия поля измерялся на домашних голубях. Было показано, что голуби обладают каким-то механизмом для обнаружения электрических полей малой напряженности. Генетических изменений не наблюдалось. Отмечено, что животные, пребывающие в электрическом поле большой напряженности, могут испытывать мини-шок из-за посторонних факторов, зависящих от условий эксперимента, которые могут привести к некоторому беспокойству и возбуждению испытываемых.

В ряде стран имеются нормативные документы, ограничивающие предельные значения напряженности поля в зоне трасс воздушных ЛЭП. Максимальная напряженность 20 кВ/м была рекомендована в Испании, и такое же значение рассматривается в настоящее время как предельное в Германии.

Общественная осведомленность о влиянии электромагнитного поля на живые организмы продолжает расти, и некоторый интерес и беспокойство в связи с этим влиянием будут приводить к продолжению соответствующих медицинских исследований, особенно на людях, проживающих вблизи воздушных линий электропередачи.

Еще больше информации по этой теме:

В. И. Чехов "Экологические аспекты передачи электроэнергии"

В книге дана общая характеристика влияния воздушных линии электропередачи на окружающую среду. Рассматриваются вопросы расчета максимальной напряженности электрического поля под линией переменного тока и методы его уменьшения, отторжения земель под трассу линии, воздействия электромагнитного поля на людей, животный и растительный мир возникновения радио - и акустических шумов. Рассмотрены особенности воздействия на окружающую среду линий постоянного тока и кабельных линий сверхвысокого напряжения.

Последние публикации

Начнем с того, что индустрия сельского хозяйства разрушена до основания. Что дальше? Не пора ли собирать камни? Не пора ли объединить все творческие силы, чтобы дать селянам и дачникам те новинки, которые позволят резко поднять урожайность, сократить ручной труд, найти новые пути в генетике... Я бы предложил читателям журнала быть авторами рубрики "Для села и дачников". Начну с давней работы "Электрическое поле и урожайность."

В 1954 г., когда я был слушателем Военной академии связи в Ленинграде, страстно увлекся процессом фотосинтеза и провел интересное испытание с выращиванием лука на подоконнике. Окна комнаты, в которой я жил, выходили на север, и потому солнца луковицы получать не могли. Я высадил в два удлиненных ящика по пять луковиц. Землю брал в одном и том же месте для обоих ящиков. Удобрений у меня не было, т.е. были созданы как бы одинаковые условия для выращивания. Над одним ящиком сверху, на расстоянии полуметра (рис.1) расположил металлическую пластину, к которой прикрепил провод от высоковольтного выпрямителя +10 000 В, а в землю этого ящика воткнул гвоздь, к которому подсоединил "-" провод от выпрямителя.

Сделал это для того, что по моей теории катализа создание в зоне растений высокого потенциала приведет к увеличению дипольного момента молекул, участвующих в реакции фотосинтеза, И потянулись дни испытаний. Уже через недели две я обнаружил, что в ящике с электрическим полем растения развиваются более эффективно, чем в ящике без "поля"! Спустя 15 лет этот эксперимент повторили в институте, когда потребовалось добиться выращивания растений в космическом корабле. Там, находясь в замкнутом от магнитного и электрического полей, растения развиваться не могли. Пришлось создавать искусственное электрическое поле, и теперь на космических кораблях растения выживают. А если вы живете в железобетонном доме, да еще на верхнем этаже, разве ваши растения в доме не страдают от отсутствия электрического (да и магнитного) поля? Суньте гвоздь в землю цветочного горшка, а проводок от него подсоедините к очищенной от краски или ржавчины отопительной батареи. В этом случае ваше растение приблизится к условиям жизни на открытом пространстве, что очень важно для растений да и для человека тоже!

Но на этом мои испытания не закончились. Проживая в г.Кировограде, я решил развести на подоконнике помидоры. Однако зима наступила столь быстро, что я не успел выкопать на огороде кусты помидор, чтобы пересадить их в цветочные горшки. Мне попался примерзший куст с небольшим живым отросточком. Я принес его домой, поставил в воду и... О, радость! Через 4 дня от нижней части отростка выросли белые корешки. Я пересадил его в горшок, и, когда он вырос с отростками, стал таким же методом получать новые саженцы. Всю зиму я лакомился свежими помидорами, выращенными на подоконнике. Но меня преследовал вопрос: неужели возможно в природе такое клонирование? Возможно, подтверждали мне старожилы в этом городе. Возможно, но...

Я переехал в Киев и попытался таким же образом получить саженцы помидор. У меня ничего не получилось. И я понял, что в Кировограде мне удавался этот метод потому, что там, в то время, когда я жил, в водопроводную сеть пускали воду из скважин, а не из Днепра, как в Киеве. Грунтовые воды в Кировограде имеют небольшую долю радиоактивности. Вот это и сыграло роль стимулятора роста корневой системы! Тогда я приложил к верхушке отростка помидора +1,5 В от батарейки, а "-" подвел к воде сосуда, где стоял отросток (рис.2), и через 4 дня на отростке, находящемся в воде, выросла густая "борода"! Так мне удалось клонировать отростки помидор.

Недавно мне надоело следить за поливом растений на подоконнике, я сунул в землю полоску фольгированного стеклотекстолита и большой гвоздь. К ним подсоединил провода от микроамперметра (рис.3). Сразу отклонилась стрелка, потому что земля в горшке была сырая, и сработала гальваническая пара "медь - железо". Через неделю увидел, как ток стал падать. Значит, наступала пора полива... Кроме того, растение выбросило новые листочки! Так растения реагируют на электричество.

Электрическое поле Земли

Измерения электрометром показывают, что у поверхности Земли существует электрическое поле, даже если вблизи нет заряженных тел. Это означает, что наша планета обладает некоторым электрическим зарядом, т. е. представляет собой заряженный шар большого радиуса.

Исследование электрического поля Земли показало, что в среднем модуль его напряженности E = 130 В/м, а силовые линии вертикальны и направлены к Земле. Наибольшее значение напряженность электрического поля имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору она уменьшается. Следовательно, наша планета в целом обладает отрицательным зарядом, который оценивается величиной q = –3∙10 5 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием различных механизмов. Во-первых, дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие - отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Основным из механизмов является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Атмосферное электричество данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где преобладает действие глобальных факторов, рассматриваются как зоны «хорошей», или ненарушенной, погоды, а где преобладает действие локальных факторов - как зоны нарушенной погоды (районы гроз, осадков, пылевых бурь и др.).

Измерения показывают, что разность потенциалов между поверхностью Земли и верхним краем атмосферы равна примерно 400 кВ.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?

Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над Землей существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемых ионосферой . Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, т. е. фактически силовые линии земного электричества идут от ионосферы к поверхности Земли, как в сферическом конденсаторе, обкладками которого являются концентрические сферы.

Под действием электрического поля в атмосфере к Земле идет ток проводимости. Через каждый квадратный метр атмосферы перпендикулярно к земной поверхности в среднем проходит ток силой I ~ 10 –12 А (j ~ 10 –12 А/м 2). На всю поверхность Земли приходится ток силой примерно 1,8 кА. При такой силе тока отрицательный заряд Земли должен был бы исчезнуть в течение нескольких минут, однако этого не происходит. Благодаря процессам, идущим в земной атмосфере и вне ее, заряд Земли остается в среднем неизменным. Следовательно, существует механизм непрерывной электризации нашей планеты, приводящий к появлению у нее отрицательного заряда. Что же является такими атмосферными «генераторами», заряжающими Землю? Это дожди, метели, песчаные бури, торнадо, извержение вулканов, разбрызгивание воды водопадами и прибоем, пар и дым промышленных объектов и т.д. Но наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Как правило, облака в верхней части заряжены положительно, а в нижней части - отрицательно.

Тщательные исследования показали, что сила тока в атмосфере Земли максимальна в 19 00 и минимальна в 4 00 по Гринвичу.

Молнии

Долгое время считалось, что около 1800 гроз, одновременно происходящих на Земле, дают ток силой ~ 2 кА, который компенсирует потери отрицательного заряда Земли за счет токов проводимости в зонах «хорошей» погоды. Однако оказалось, что ток гроз значительно меньше указанного и необходимо учитывать процессы конвекции по всей поверхности Земли.

В зонах, где напряженность поля и плотность объемных зарядов наибольшие, могут зарождаться молнии. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между облаком и Землей или между соседними облаками. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи силой от 3 кА до 200 кА.

Выделяют два класса линейных молний: наземные (ударяющие в Землю) и внутри- облачные. Средняя длина молниевых разрядов обычно составляет несколько километров, но иногда внутриоблачные молнии достигают 50-150 км.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами, имеющимися в небольшом количестве. Под действием электрического поля электроны приобретают значительные скорости по направлению к Земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов - стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии . По мере продвижения лидера к Земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Если не дать возникнуть стримеру (рис. 126), то удар молнии будет предотвращен. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода (рис. 127).

Обычное явление - многоканальные молнии. Они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов (рис. 128).

Рис. 128. Многоканальная молния

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом.

Разряды молний сопровождаются видимым электромагнитным излучением. При нарастании силы тока в канале молнии происходит повышение температуры до 10 4 К. Изменение давления в канале молнии при изменении силы тока и прекращение разряда вызывает звуковые явления, называемые громом.

Грозы с молниями происходят практически по всей планете, за исключением ее полюсов и засушливых районов.

Таким образом, систему «Земля - атмосфера» можно считать непрерывно работающей электрофорной машиной, осуществляющей электризацию поверхности планеты и ионосферы.

Молнии издавна являлись для человека символом «небесного могущества» и источником опасности. С выяснением природы электричества человек научился защищаться от этого опасного атмосферного явления с помощью молниеотвода.

Первый в России молниеотвод был сооружен в 1856 г. над Петропавловским собором в Санкт-Петербурге после того, как молния дважды ударила в шпиль и подожгла собор.

Мы с вами живем в постоянном электрическом поле значительной напряженности (рис. 129). И, казалось бы, между макушкой и пятками человека должна существовать разность потенциалов ~ 200 В. Почему же при этом по телу не проходит электрический ток? Это объясняется тем, что тело человека является хорошим проводником, и вследствие этого некоторый заряд с поверхности Земли переходит на него. В результате поле вокруг каждого из нас изменяется (рис. 130) и наш потенциал становится равным потенциалу Земли.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2008. - С. 142-145.

Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследова­лось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возника­ют, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое проис­хождение- естественное и антропогенное. Естественные маг­нитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмуще­ния охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнит­ные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнит­ного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифици­рованные транспортные средства, линии электропередачи (рис. 2.1).

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнит­ных волн-токи промышленной частоты (50 Гц). Так, на­пряженность электрического поля непосредственно под лини­ей электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Исследования биологического воздействия электрического поля обнаружили, что уже при напряженности 1 кВ/м оно оказывает неблагоприятное влияние на нервную систему чело­века, что в свою очередь ведет к нарушениям эндокринного аппарата и обмена веществ в организме (меди, цинка, желе­за и кобальта), нарушает физиологические функции: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления, актив­ность мозга, ход обменных процессов и иммунную актив­ность.

Начиная с 1972 г. появились публикации, в которых рас­сматривалось влияние на людей и животных электрических полей с величинами напряженности более 10 кВ/м.

Напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию; напряженность электрического поля пропорциональна напряжению (заряду) и обратно пропорциональна расстоянию. Парамегры этих по­лей зависят от класса напряжения, конструктивных особен­ностей и геометрических размеров высоковольтной ЛЭП. По­явление мощного и протяженного источника электромагнит­ного поля приводит к изменению тех естественных факторов, при которых сформировалась экосистема. Электрические и магнитные поля могут индуцировать поверхностные заряды и токи в теле человека (рис. 2.2). Исследования показали,

что максимальный ток в теле человека, индуцированный этектрическим полем, намного выше, чем ток, вызванный магнитным полем. Так, вредное воздействие магнитного поля проявляется лишь при его напряженности около 200 А/м.чго бывает на расстоянии 1-1,5 м от проводов фазы линии и опасно только для обслуживающего персонала при работах под напряжением. Это обстоятельство позволило сделать вы^-вод об отсутствии биологического влияния магнитных полей промышленной частоты на людей и животных, находящихся под ЛЭП Таким образом, электрическое поле ЛЭП является главным биологически действенным фактором протяженной электропередачи, который может оказаться барьером на пу­ти миграции движения разных видов водной и сухопутной фауны.

Исходя из конструктивных особенностей электропередачи (провисания провода) наибольшее влияние поля проявляет­ся в середине пролета, где напряженность для линий сверх- и ультравысокого напряжения на уровне роста человека со­ставляет 5-20 кВ/м и выше в зависимости от класса напря­жения и конструкции линии (рис. 1.2). У опор, где высота подвеса проводов наибольшая и сказывается экранирующее влияние опор, напряженность поля наименьшая. Так как под проводами ЛЭП могут находиться люди, животные, тран­спорт, то возникает необходимость оценки возможных пос­ледствий длительного и кратковременного пребывания живых существ в электрическом поле различной напряженности. Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Копыто животных также является хорошим изолятором. На­веденный потенциал в этом случае может достигать 10 кВ, а импульс тока через организм при касании к заземленно­му предмету (ветке куста, травинке) 100-200 мкА. Такие импульсы тока безопасны для организма, но неприятные ощущения заставляют копытных животных избегать трассы высоковольтных ЛЭП в летнее время .

В действии электрического поля на человека доминирую­щую роль играют протекающие через его тело токи. Это оп­ределяется высокой проводимостью тела человека, где преоб­ладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой. В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимо­стью 0,1 мкА/см 2 и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, сущест­венно превышают плотность такого тока проводимости. При />1 мкА/см 2 в глазах человека наблюдается мелькание све­товых кругов, более высокие плотности токов уже захватыва­ют пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям. В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зо­не электрического поля значительной интенсивности, плот­ность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «под­стилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин. При максимальном токе, соответствующемЕтах ==l5 кВ/м (6,225 мА); известной доле этого тока, втекающе­го через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см 2) плотность токаj <0,1 мкА/см 2 , что и под­тверждает допустимость принятой в СССР напряженности 15 кВ/м под проводами воздушной линии.

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и маг­нитной индукцией внешнего поля, В. Вычисление плотности тока

осложняется тем, что его точный путь зависит от распределе­ния проводимости у в тканях тела.

Так, удельную проводимость мозга определяют =0,2 см/м, а сердечной мышцы==0,25 см/м. Если принять радиус головы 7,5 см, а сердца 6 см, то произведение R по­лучается одинаковым в обоих случаях. Поэтому можно да­вать одно представление для плотности тока на периферии сердца и мозга.

Определено, что безопасная для здоровья магнитная ин­дукция составляет около 0,4 мТл при частоте 50 или 60 Гц. В магнитных полях (от 3 до 10 мТл; f =10-60 Гц) наблю­далось возникновение световых мерцаний, аналогичных тем, которые возникают при надавливании на глазное яблоко.

Плотность тока, индуцированного в теле человека элект­рическим полем с величиной напряженности Е, вычисляется таким образом:

с различными коэффициентами k для области мозга и серд­ца. Значениеk =3  10 -3 см/Гцм. По данным ученых ФРГ напряженость поля, при которой вибрацию волос ощущают 5% испытуемых мужчин, составляет 3 кВ/м и для 50% муж­чин, подвергшихся испытаниям, она равна 20 кВ/м. В насто­ящее время отсутствуют данные о том, что ощущения, выз­ванные действием поля, создают какое-либо неблагоприятное влияние. Что касается связи плотности тока с биологическим влиянием, то можно выделить четыре области, представлен­ные в табл. 2.1

Последняя область значения плотности тока относится к временам воздействия порядка одного сердечного цикла, т. е. приблизительно 1 с для человека Для более коротких экс­позиций пороговые значения выше. Для определения порогового значения напряженности по­ля были выполнены физиологические исследования на людях в лабораторных условиях при напряженности от 10 до 32 кВ/м. Установлено, что при напряженности 5 кВ/м 80%

Таблица 2.1

людей не испытывают болевых ощущений при разрядах в случае касания заземленных предметов. Именно эта величи­на была принята в качестве нормативной при работах в электроустановках без применения средств защиты. Зависи­мость допустимого времени пребывания человека в электри­ческом поле с напряженностью Е более порогового аппрокси­мируется уравнением

Выполнение этого условия обеспечивает самовосстановле­ние физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологичес­ких изменений.

Ознакомимся с основными результатами исследований биологических влияний электрических и магнитных полей, проведенных советскими и зарубежными учеными .