3. ELEKTROSTATICKÉ A MAGNETICKÉ POLE ZEME

Transcript

1 3. ELEKTROSTATICKÉ A MAGNETICKÉ POLE ZEME Elektrické javy sú prejavy existencie, pohybu a vzájomného pôsobenia elektrických nábojov. Existujú kladné a záporné elektrické náboje. Medzi dvoma nábojmi vzniká elektrické pole. Každý náboj je sprevádzaný elektrickým poľom, ktoré sa nachádza v jeho okolí. Pole náboja, ktoré je v pokoji sa nazýva elektrostatické. Elektrické pole možno znázorniť pomocou elektrických siločiar. Siločiary sú myslené čiary, ktoré vystupujú z povrchu kladne nabitého telesa a vstupujú kolmo na povrch záporne nabitého telesa. Obr. 3.1 Elektrické pole osamoteného kladného a záporného elektrického náboja. E Obr. 3.2 Elektrické pole medzi nesúhlasnými elektrickými nábojmi. 38

2 Obr. 3.3 Elektrické pole medzi súhlasnými elektrickými nábojmi. Rozdiel potenciálov medzi dvoma bodmi elektrického poľa je elektrické napätie udávané vo voltoch [V]. Meria sa voltmetrami. Ak medzi nabitými telesami preskočí iskra nastane výboj a elektrické pole zanikne. Intenzita elektrického prúdu je v ampéroch [A]. Pomer voltu a ampéru je ohm, čo je jednotka, ktorá udáva odpor vodiča. 3.1 Elektrické pole Zeme Každý elektrický náboj utvára okolo seba silové pôsobenie, ktoré sa nazýva elektrické pole. Ak je elektrický náboj v pohybe, vzniká elektrický prúd, ktorý je brzdený magnetickým poľom, pôsobiacim kolmo na elektrické pole. Aj v zemskej atmosfére môže vznikať elektrické pole premenou tepelnej energie na elektrickú s následným prenosom náboja. Je výsledkom neustáleho pohybu vzduchu vplyvmi jeho rozdielnej hustoty. Zem je nabitá záporne a kladné ióny prenikajú cez atmosféru do veľkých výšok. Medzi Slnkom a Zemou možno predpokladať existenciu elektrického termočlánku, pretože na Zem dopadá tepelná slnečná energia a zo Zeme vyteká elektrický prúd, nazývaný atmosferická elektrina. Vzduch je v neustálom pohybe, na zemskom povrchu sa ionizuje a náboj je vynášaný vzdušnými prúdmi do vyšších vrstiev atmosféry. Maximálna tvorba elektrického náboja je v rovníkovej oblasti z dôvodu maximálneho množstva slnečnej energie. Tieto obrovské elektrické náboje sa udržiavajú voči Slnku v stacionárnej polohe. 39

3 Vplyvom rotácie Zeme obiehajú okolo nej, a tak vzniká elektrický prúd. Toto elektrické pole akumulovaného náboja budí v zemskej kôre magnetické pole, ktoré sa nazýva magnetickým poľom Zeme. Štúdiom elektrického poľa Zeme, najmä atmosferickej elektriny a náboja Zeme sa zaoberá geoelektrina. Pri výskume sa merajú prírodné elektrické zemské prúdy a náboje. Umelo sa vytvárajú polia jednosmerného a striedavého prúdu, pomocou ktorých sa meria odpor pôdy a elektromagnetický potenciál na zistenie lokality napríklad rudných ložísk, vody atď. Podľa rozloženia potenciálu elektrického poľa Zeme možno skúmať: stavbu Zeme, procesy v spodných vrstvách atmosféry, procesy v ionosfére, procesy v magnetosfére, procesy v okolitom medziplanetárnom prostredí, procesy na Slnku. 3.2 Geoelektrické metódy Využívajú podzemné elektrické prúdy, ktoré majú vzťah k magnetickému poľu a na ktoré súčasne pôsobia rudné telesá. Dve elektródy, umiestnené v Zemi na označených miestach sú pripojené na milivoltmeter. Namerané odchýlky poukazujú na prítomnosť rudných ložísk. Iné metódy vyhľadávania ložísk nerastných surovín sú založené na znalosti prírodných elektrických prúdov, ktoré medzi povrchom a ložiskom vytvára presakujúca podzemná voda. Jej vzájomné pôsobenie s magnetickým poľom možno merať, a tak lokalizovať ložisko surovín. 3.3 Ionizácia vzduchu V atmosfére sa vždy nachádzajú elektricky nabité častice ióny. Vznikajú ionizáciou vzduchu. Vyvoláva ju elektromagnetické žiarenie zo Slnka a kozmické žiarenie v ionosfére. 40

4 V nižších vrstvách atmosféry sú činiteľom ionizácie: rádioaktívne prvky plyny zemského pôvodu a kozmické žiarenie Pri ionizácií sa ióny oddeľujú od neutrálnych molekúl, spájajú sa s inými molekulami. Obsah iónov v jednotkovom množstve vzduchu sa zvyšuje s výškou (tu sa ióny kyslíka a dusíka správajú ako nabité ióny a prevažnú časť tvoria elektróny). Vplyv ionizácie na pohyb iónov je ovzdušie elektricky vodivé. V atmosfére sú prevažne kladne nabité elektrické náboje, nad zemským povrchom ich obsah nie je rovnaký, rozdiely vyrovnávajú telurické (zemské) prúdy v zemskej kôre. Sú to prírodné elektrické prúdy, ktoré sa vyskytujú v horných vrstvách zemskej kôry. Ich existencia závisí od zmien geomagnetického poľa Zeme a termoelektrických dejov v horninách. Rozlišujeme celoplanetárne a miestne telurické prúdy (ich priebeh zodpovedá rýchlosti zemskej rotácie). Meranie telurických prúdov má praktický význam pri výskume vrchného plášťa Zeme, hľadania sedimentálnych pánvi atď. Koncentrácia vzdušných iónov je kritériom čistoty ovzdušia, rovnajúca sa koeficientu unipolárnosti q = n n + (3.1) ak q < 1 potom je priaznivý stav v ovzduší Kladné ióny vznikajú trením medzi časticami mraku. Elektrické javy v ovzduší majú veľký vplyv na meteorológiu a klimatické procesy na Zemi. Viditeľná časť týchto javov sa nazýva elektrometeory blesk, polárna žiara, tiché výboje medzi predmetmi (vyčnievajúcimi predmetmi a búrkovými oblakmi. 41

5 1 - prírodné podzemné prúdy, 2 rudné teleso, 3 - elektródy, 4 meracie miesta, 5 milivoltmeter Obr. 3.4 Schéma geoelektrickej prieskumnej metódy Elektroklíma je daná množstvom iónov priestorového náboja a pôsobením elektrického poľa a elektrického prúdu. Intenzita elektrického poľa sa významne mení pred búrkou. Záporné ióny pôsobia na ľudský organizmus priaznivo. Kladné zase nepriaznivo. Prebytok kladných veľkých iónov je ukazovateľom zhoršujúcej sa kvality ovzdušia (normálne je v 1 cm kladných iónov). Elektrické pole Zeme ovplyvňuje aj počasie: búrky, blesky (elektrické výboje medzi oblakmi a Zemou) vznikajú v dôsledku triboelektriny. Blesk sa kvôli bezpečnosti zachytáva bleskozvodom, čo je oceľový alebo medený drôt so zemnením. Čím je bleskozvod vyššie umiestnený, tým z väčšieho priestoru priťahuje elektrické výboje. Okolo neho sa tvorí priestor (má tvar kužeľa a polomer sa rovná výške bleskozvodu), v ktorom sú všetky predmety chránené pred zasiahnutím. Blesky udierajú spravidla do objektov vyčnievajúcich nad okolím, preto je nebezpečné sa v búrke skrývať pod osamelým stromom, bezpečnejšie je v priehlbine terénu. Hlava plavca, ktorá vyčnieva z vody je pre blesk niekoľkonásobne vyvýšeným miestom. Auto chráni človeka pred bleskom, predstavuje totiž vodivú klietku, medzi diskami a cestou vzniká od jedného do viacerých oblúkov, ktoré umožnia elektrickému výboju preniknúť do zeme. 42

6 45 45 Obr. 3.5 Bleskozvod Identický princíp má aj Farradayova klietka, kde elektrické pole preniká vákuom a všetkými nevodičmi. Kovovým uzemneným krytom možno odtieniť určitý priestor pred účinkami každého elektrického poľa. Elektrické pole Zeme spôsobuje aj vznik výbojov medzi človekom a predmetmi, ktoré majú iný potenciál než človek, Nebezpečenstvo vznikne hlavne vtedy, ak sa človek izolovaný od zeme dostáva do spätného kontaktu so zemou alebo kovovým predmetom. Potom vzniká výboj (bolesti) alebo iné dôsledky iskrového výboja Meranie elektrostatických polí a koncentrácie vzdušných iónov. Používajú sa elektrometrické metódy. Väčšina meracích metód je založená na princípe špeciálnych meracích kondenzátorov rôznych konštrukcií: detektor statických nábojov, kde meranie nábojov sa prevádza z merania napätia, meranie koncentrácie vzdušných iónov sa najčastejšie prevádza nasávacími sondami. 43

7 3.4 Úprava prostredia Nežiaduce prejavy elektrického poľa: vznikajú zápalné iskry, vznikajú elektrické rany a výboje, rušenie elektronických dejov, fyziologické a hygienické problémy, chemické narušovanie materiálov. Riešenie týchto problémov je v spôsobe odstraňovania elektrostatických nábojov: a) uzemňovaním strojov, b) zvyšovaním povrchovej a vnútornej elektrickej vodivosti (zvyšovaním vlhkosti vzduchu, chemickou úpravou povrchu, používaním polovodičových materiálov), c) ionizáciou vzduchu (používaním technických zariadení, ktoré generujú vzdušné ióny, napr. seroionizátory, ktoré pracujú na princípe využívajúcom alebo elektrické pole alebo radioaktívne poprípade ultrafialové žiarenie alebo hydrodynamický jav), d) antistatické látky (odevy alebo podlahoviny), e) neutralizátory, ktoré sa priemyselne používajú na neutralizovanie povrchu náboja (môžu byť: pasívne, aktívne, rádioaktívne). 3.5 Energetika S rozširovaním priemyslu stúpa aj spotreba elektrickej energie. S tým súvisí aj rozvoj elektrizačnej sústavy, ktorá spája elektrárne a miesta spotreby. Elektrizačné a rozvodové siete (vysokého a nízkeho napätia) nepriaznivo vplývajú na životné prostredie. Elektrické vedenia a elektrické stanice majú nepriaznivé väzby s okolitým prostredím. Ekologické vplyvy: zabratie pôdy a jej obmedzené využívanie, účinky elektromagnetického poľa, neestetickosť, vplyv na tvorbu ozónu a oxidov dusíka, akustické pôsobenie vedení vysokého napätia. 44

8 Tento problém z časti rieši použitie podzemných káblových vedení. 3.6 Magnetické pole Zeme Zem je v podstate veľkým guľovým magnetom. Magnetické pole Zeme má charakter dipólu - tyčového magnetu v strede Zeme (obr.3.6), je však o mnoho zložitejšie a ovplyvňujú ho javy na Slnku. Siločiary dipólového magnetického poľa veľmi dobre približujú magnetické pole planét slnečnej sústavy. Na severnej pologuli sa v prípade Zeme a Merkúra nachádza južný magnetický pól. V prípade Marsa a Jupitera je to naopak. Zemský magnetizmus je veľmi zložitý komplex javov a procesov. Veľkosť magnetického poľa Zeme závisí od jeho intenzity a smeru, magnetických vlastností telies, na ktoré pôsobí a iné. Magnetické pole je možné charakterizovať ako fyzikálne pole pôsobiace na magnetku, alebo magnetické látky, na vodiče, ktorými preteká elektrický prúd, alebo na pohybujúce sa elektrické náboje. Látky, ktoré majú schopnosť ovplyvňovať magnetické pole sa nazývajú magnetiká. Magnetiká, umiestnené v magnetickom poli sa zmagnetizujú a tvoria vlastné pole s určitou hodnotou indukcie. Ak smer indukcie je zhodný so smerom pôvodného magnetického poľa, ide o látky (prostredie) paramagnetické, ak je smer opačný potom je pole diamagnetické. Vplyv magnetického poľa na feromagnetické látky (s vyššou magnetickou indukciou) je následovný: vyvoláva silové účinky na telesá z feromagnetických látok, spôsobuje zmeny vo vnútri telesa - ostáva v nich zvyškový remanentný magnetizmus, aj keď na nich už magnetické pole nepôsobí. Tento jav sa využíva pri poznávaní magnetického poľa Zeme a jeho zmeny v jednotlivých geologických epochách, pri výskume pohybu kontinentov, atď. 45

9 Obr. 3.6 Siločiary dipólového magnetického poľa 3.7 Polarita geomagnetického poľa GMP Poloha magnetických pólov Zeme sa neustále mení. Magnetické póly neležia priamo oproti sebe, určujú sa ako plochy, nie body. Magnetická os zviera s osou rotácie uhol asi 11 stupňov, nevedie cez stred Zeme, (Obr. 3.7). V priebehu existencie Zeme sa vyskytli zmeny polarity prepólovanie (vo veľkých časových intervaloch 10 4 rokov, na Slnku každých 11 rokov). Magnetický pól sa od objavenia v roku 1831 na severnej pologuli presunul takmer 400 km na sever a na južnej pologuli o vyše 700 km na severozápad. Zloženie geomagnetického poľa: z permanentného poľa (99%) podmieňuje pohyby elektricky vodivých látok vo vrchných vrstvách Zeme (intenzita magnetického poľa je [A.m -1 ]), z premenného poľa (1%) ktoré podmieňujú elektrické prúdy v ionizovaných častiach zemskej atmosféry a v magnetosfére. 46

10 os rotácie 11 o magnetická os Obr. 3.7 Magnetická os Zeme 3.8 Magnetosféra Magnetosféra je oblasť nad povrchom Zeme, v ktorej sa prejavuje jej magnetické pole. V dôsledku pôsobenia slnečného vetra elektricky nabitých častíc je toto magnetické pole deformované do tvaru slzy, obr Slnečný vietor naráža na geomagnetické pole na nárazovej vlne a obteká ju. Radiačné Van Allenove pásy sú oblasťami vysokej radiácie. Vonkajšie pásy sú tvorené slnečnými elektrónami, vonkajšie časticami kozmického žiarenia. Na nočnej strane tvorí magnetosféru magnetický chvost, ktorý je dlhý niekoľko miliónov kilometrov. 3.9 Intenzita GMP Celková intenzita geomagnetického poľa sa označuje vektorom F, ktorého smer aj veľkosť sa geograficky mení, obrázok 3.9. Na území Európy dosahuje v súčasnej dobe asi 37 A.m -1 na juhu a 40 A.m -1 na severe. 47

11 3. Elektrostatické a magneticé pole Zeme Rázová vlna Slnečný vietor S Van Allenove radiačne pásy Magnetický chvost J Neutrálna vrstva Magnetopauza Obr. 3.8 Magnetosféra Na našom území smeruje vektor intenzity pod uhlom inklinácie I asi 65 od vodorovnej roviny do Zeme, v smere k severu. Vektor intenzity geomagnetického poľa je možné rozložiť do troch zložiek X, Y a Z. Geomagnetické pole vyjadrujeme spravidla troma meranými veličinami: magnetickou deklináciou D, horizontálnou intenzitou H a vertikálnou intenzitou Z. Orientačné hodnoty týchto zložiek sú uvedené v tabuľke 3.1 Tab. 3.1 Hodnoty zložiek geomagnetického poľa Zložka na póloch na rovníku na Slovensku μt A/m μt A/m μt A/m F H Z D Neurčitá I ±

12 3. Elektrostatické a magneticé pole Zeme Sever Geografický poludník Magnet X D H I Y Východ F Z K stredu Zeme H horizontálna intenzita, Z vertikálna intenzita, D magnetická deklinácia, I magnetická inklinácia, t.j. uhol, pod ktorým smeruje vektor intenzity od vodorovnej roviny k severu. Obr. 3.9 Zložky geomagnetického poľa 3.10 Magnetické mapy a geomagnetické búrky Magnetické mapy poskytujú informácie o skutočnom rozložení magnetického poľa na zemskom povrchu, Robia sa mapy izolínií: F,H,X,Y,Z sa nazývajú izodynamy, izolínie deklinácií izogony, izolínie inklinácií izoklíny. Geomagnetické búrky sú veľké, niekoľkodňovo trvajúce zmeny geomagnetického poľa. 49

13 3. Elektrostatické a magneticé pole Zeme 3.11 Meranie magnetického poľa Magnetické merania sa nazývajú magnetometria. Rozdeľuje sa na: a) meranie magnetických polí: technických, zemského magnetizmu: pozemné a vzdušné. b) meranie vlastností látok: technických: dia, para a feromagnetických látok hornín Magnetometria využíva metódy: magnetostatické, elektroindukčné, elektrodynamické a iné. Meracie prístroje: magnetometre: kvantové, protónové, supravodivé, koercimetre Elektromagnetické vlny Vzájomné rušivé pôsobenie jednotlivých zariadení, ktoré emitujú elektromagnetické vlny, dokladuje nebezpečenstvo pre zdravie ľudí a pre životné prostredie. Rádiové vlny, desiatky rokov považované za neviditeľného pomocníka, sú používané v najrozličnejších oblastiach: telekomunikácie, mobilná komunikácia, používanie PC a internetu, pre prácu polície, technických služieb, požiarnikov alebo lekárov ako aj v domácnostiach a úradoch (biela, čierna a sivá technika). Elektromagnetické vlny však môžu zapríčiniť fyzickú nepohodu, narúšanie spánku, alergie, srdcové poruchy, nervové poruchy a precitlivenosť na zmeny počasia, ale tiež rakovinu a genetické defekty. Termín elektrosmog je odvodený z anglických výrazov smoke (dym, výpary) a fog (hmla) z čoho je smog. Kým smog je chemická agresívna zmes hmly a vzduchu vplývajúca na ľudí a životné prostredie, elektrosmog znamená dopad elektromagnetických vĺn na životné prostredie. Implikácie sú úplne 50

14 3. Elektrostatické a magneticé pole Zeme iné ak rádiové vlny ak nie sú emitované, tak škodlivý účinok elektrosmogu je zastavený, zatiaľ čo chemické komponenty smogu pokračujú v činnosti aj po ukončení ich produkcie. Pri interakcii elektromagnetického poľa (EMP) a ľudského organizmu je potrebné si uvedomiť niektoré základné poznatky. Elektromagnetické vlny sa šíria vo voľnom priestore rýchlosťou svetla, ohýbajú sa, lámu, rozptyľujú a sú polarizované. Príčinou rôznych podmienok šírenia sú len rozdielne pomery vlnových dĺžok k rozmerom prostredia alebo k časticiam hmoty, prípadne rozdielny obsah energie. EMP ako fyzikálny faktor interakcie s biologickou štruktúrou je definované rovnicami matematickej fyziky. Rýchlosť šírenia môžeme vyjadriť: ν = c ε μ r r (3.2) kde: c - rýchlosť šírenia svetla ε r relatívna permitivita prostredia μ r relatívna permeabilita prostredia Z hľadiska pôsobenia EMP na organizmus, živé tkanivo predstavuje nehomogénne dielektrikum charakterizované komplexnou vodivosťou: σ k = σ + jωε (3.3) kde: σ k - komplexná vodivosť σ - reálna zložka komplexnej vodivosti ω - uhlová rýchlosť ε - stratový činiteľ imaginárnej zložky σ k Rovnako nie je zanedbateľné vytvorenie EMP živými organizmami. V tejto súvislosti sa hovorí o elektrických, magnetických a elektromagnetických prejavoch života. Na základe poznatkov z biofyziky, biokybernetiky, bioinformatiky, molekulárnej genetiky, bioenergetiky, kvantovej biochémie, bioelektrochémie a synergetiky je možné študovať zložitý jav akým je biologické žiarenie. 51