离子迁移率课件

事件描述型-晴天大气电场案例一、案例教学目标

1.了解大气电场的基本概念、大气气溶胶、电离源与宇宙射线相关知识；2.掌握大气电场的数值、雷电中的电荷从何而来以及晴天大气电流。3.学员能熟知晴天大气电场强度和晴天大气电流大小并且运用以解释雷电形成过程，雷电防护工程中数量等级。二、案例背景人们都知道地球有磁场，人们生活在无处不在的地球磁场中,人的睡眠、电子设备受其影响，如彩电的“跑彩现象”等。但是，大家很少知道人还生活在无处不在的大气电场中，甚至连有些大学教课书都很少清楚地提到过，因此，在某些精密测量中会出现找不出的“怪现象”，使人百思不得其解，实际上产生这种情况的原因是大气中存在着电场。三、案例教学过程设计1.案例解决重点晴天大气电场方向、强度；晴天大气电流大小。案例解决难点全球电路循环

2.多种方式引导学生进行思考、分析

课前：让学员搜集大气电场存在的真实经历。课中：结合电场理论知识对学生经历的真实案例进行分析。课后：布置相关习题，巩固学员对大气电场的理解。3.教学时间：4课时四、案例工作任务分解1.了解大气电场的基本概念2.分析雷电中的电荷从何而来以及晴天大气电流。3.学员能熟知晴天大气电场强度和晴天大气电流大小并且运用以解释雷电形成过程。五、思考题1.大气中电荷离子的来源2.晴天大气电场的方向3.描述电流（离子）在全球电路中的循环过程4.大气层分布

六、分析路径

1.思考方向：电场由电荷离子产生，那么大气中的离子从何而来？电场产生电流，电流在全球循环是如何形成回路的？2.可用理论、标准或工具：电场理论及电力线，电导率，大气气溶胶3.分析的路径：大气中的离子-晴天大气电场-电场方向-晴天大气电流-全球电路

七、案例相互衔接

本案例向学员阐述晴天大气电场的形成原因、过程以及雷暴参与全球电路循环过程，作为雷暴云的形成、云中电荷放电击穿形成闪电的基础铺垫。

八、案例评价考核方式

1.考核内容：晴天大气电场相关概念，全球电路2.考核方式：随堂提问、课后思考作业3.考核成绩评定：晴天大气电场 日常生活中有时可以观察到：在房屋的尖顶上、渔船的桅杆上、或高压电线上有淡紫色光笼罩，可以听到磁磁声，嗅到臭氧及氧化氮味道。 我亲身体会的高压电线下撑伞记。 它是一种尖端放电，发生在带电场曲率半径最小的表面位置附近，说明此处大气电场很不均匀，表现出大气中存在着电场。

电场强度的数值等于电位梯度。在直角坐标系中，也可表示为：

描述大气电场最常用的物理量，一个是电场强度E，另一个是电势V，二者的关系为：

另外，还可用几何图形形象化地描述大气电场，如图1.1，即用电力线表示静电场。

等位面：测出电场中电位相同的点，把这些点用一个面连接起来，这样的一个几何曲面就称为等位面。图1.1晴天大气电场的电力线图1.2晴天大气电场的等势面

电场强度E等于电势梯度，所以用等势（位）面的间距就可以表征电场强度E的数值变化。导体表面恒为等势面，所以地面有起伏，空中有导体物时，平行的平面等势面就发生弯曲如图1.2。

电力线与等位面相交处总是相互垂直，如果用单位矢量E表示等位面的法线，则上式就可简化为：为什么世间万物处于大气电场，而又安全无事呢大气的电阻率相当大，比如1010~1015级别Ω·m。土，石，水的电阻率101~105级别Ω·m。人体平均电阻2000Ω。金属电阻率10-8~10-6级别Ω·m。铜1.75×10-8Ω·m。电流喜欢走捷径，走电阻低的路。相应的，电场，等势面也会发生变化。地面上的万物，电阻率和大气相比，显得十分微不足道。因此，地面上的所有物体，改变了附近的电场线分布，也就是等势面分布。所以，地面上的所有物体，在地球诞生的时候，就已经形成等电位了。（局部，小范围分析，相对于大气）地面物体改变了局部电场强度（等势面）。同时，大气电阻太大，没有电流流过。只有电压，没有电流，就不会造成伤害。当然，如果大气电场过强，比如在闪电通道或雷电流经过的线路附近，就会发生击穿放电。此时，等势面不复存在。大气电场强度全球平均值130V/m。典型值100~150V/m。变化范围19~363V/m。陆地上差异很大，海洋很小。纬度变化：0~40°递增，40°~60°最大155V/m，60°~90°递减。大气电场强度规律大气电场日变化大陆简单型：单峰（13~19时）、单谷（2~6时）。一般为远离大城市的乡村。大陆复杂型：双峰（7~10时，18~21时）、双谷（2~6时，13~16时）。一般为大城市和工业区海洋极地型：单峰（18~21世界时）、单谷（2~6时）。一年内变化很小年变化：峰值在北半球的冬季，谷值在北半球的夏季。大陆型电场的成因：陆地上，气溶胶含量日变化大，使整层大气总电导率和整层晴天大气柱电阻（200Ω）的日变化也大。影响因素：整层大气电位差+整层晴天大气柱电阻（海平面至电离层）+晴天大气总电导率影响。大气电场与高度的关系因时因地而异，规律复杂。通常电场强度随高度呈指数衰减。在近地面处，电场受大地电极影响，近地大气带正电。四种晴天大气电场类型。1.随高度单调递减，数值始终为正。2.随高度单调递减，数值在低层为正，3~4km后，符号改变，数值为负。3.先递增，500~700m达最大值，随后递减。4.随高度变化较小，数值为正。

大气电场强度E值与高度的关系近似值之一

如果在不同高度测量E，就可测出如图1.3所示的曲线。大气的电场强度数值由地面向上逐渐减少，到10Km以上，已减小到地面处的数值的3%。晴天大气带电粒子——离子雷电现象中的电荷是从何而来？因为大气中存在大量的尺度和质量不等的荷电粒子，也就是离子。大气中的气体分子和气溶胶是大气中荷电的基本载体。大气气溶胶气溶胶是悬浮在大气中的各种固态和液态微粒。尘埃、海盐、云雾、降水粒子都是气溶胶。自然界产生的气溶胶是由于风力及其他自然的（火山爆发的喷射物，森林大火产生的烟尘）或认为的力使存在于地面的离子离开地面进入大气或者是由于浸蚀、分解、风华、碎浪、泡沫等使碎屑离开固体表面或液体表面进入大气。气溶胶对大气化学有重要影响，对云雾和降水的形成，以及大气中的电过程有重要作用。气溶胶浓度和大气轻离子浓度呈反比。大气粒子尺度10-10m：原子或分子的半径10-7~10-6m：大气气溶胶尺度。10-5m：近似云滴尺度，也是大气气溶胶重要的粒子群。正常地表条件下，密度为2g/cm，此尺度粒子下降速度约为2cm/s。几分钟内，这些粒子在重力作用下消失于空气。10-4m：毛毛雨雨滴尺度，下降速度约为1cm/s10-3m：雨滴尺度。大气中每年约有4×1022个雨滴，大气中雨滴的浓度约为10-5/cm-3。10-2m：当直径为0.5cm时，雨滴下降时就会破碎。所以此尺度常为冰雹、雪团。10-1m：偶尔有这么大的冰雹。大气气体成分（体积）氮（N2）：78.084%氧（O2）：20.948%氩（Ar）：0.934%二氧化碳：0.034%水蒸气：（H2O）：0~0.2%-53°C积雨云高纬度地区的对流层顶高山低纬度地区的对流层顶10009008007006005004003002001009080

70605040302010臭氧层贝母云无线电探空气球17°C-3°C无线电波夜光云-113°C-83°CD层F层E层人造地球卫星宇宙火箭极光流星17°C外大气层热层中层平流层对流层电离源既然存在大气电场，上端电离层为正，地壳表面为负。如果没有电荷补充，全球电荷会在4分半内消耗殆尽。既然存在稳定的电场强度，就一定有源源不断的电荷产生。电离源实质：α，β，γ射线三大来源：地壳，大气，宇宙电离率定义：单位体积和单位时间内大气分子被电离源电离为正负离子对的数目。单位：离子对·cm-3·s-1。大气电离率取决于电离源的强度和大气的密度。地壳电离源地壳中有微量镭，钍、铀等放射性物质，辐射α射线、β射线、γ射线α射线电离能力强，贯穿能力差，很难辐射到离地面十几厘米的大气，忽略不计γ射线电离能力弱，贯穿能力很强，是主要电离源。电离率为3.2cm-3·s-1。占总量91%。β射线居中。电离率为0.3cm-3·s-1地壳射线强度在穿过大气时随高度增加迅速减小，对大气的电离率也随之减小。在0.5km高度地壳射线对大气的电离率为地面值的2%，到1km高度减小为地面值的0.1%左右。地壳中的放射线对大气的电离主要局限于离地面1km高度的大气层中。大气电离源大气中有微量氡，主要来源于地壳中的放射性物质以及工业排放的放射性污染物质。这些物质借助大气中的上升气流和湍流，扩散到离地约4~5km高度的大气中。大气中各射线在地面处的电离率：α=4.4cm-3·s-1；γ=0.15cm-3·s-1；β=0.03cm-3·s-1。上图为1m高度以下的贴地层大气中各种电离源所产生大气电离率随高度的分布。地壳辐射的α射线贯穿能力弱，衰减很快。大气中放射性物质含量随高度减小，电离率也随之减小。在0.5km高度大气中，放射线对电离率为地面数值的50%；1km--37%；5km--4%。大气中的放射性物质对大气电离主要局限于5km高度以下的大气。宇宙射线由能量为108~1020eV的高能质子组成。它们能穿透整层大气，不仅使大气电离，而且与大气分子碰撞，产生次宇宙射线。通过大气时受地磁场作用向地球两极偏转，所以宇宙射线随纬度增加而增大，电离率也随之增加。赤道1.5cm-3·s-1；40°~45°为1.9cm-3·s-1。宇宙射线的电离率随高度增加而迅速增大。0~0.5km高度范围内，宇宙射线的电离率占电离率的25%。1~2km，82%。3~4km，97%。5~6km，几乎99%。10~15km，达到最大值。15km以上，递减。离子迁移率定义：离子在单位电场强度下在大气介质中作等速运动的速率。物理量：k=v/E单位：cm2·V-1·s-1平均数值：1cm2·V-1·s-1~2cm2·V-1·s-1各种离子的半径和离子迁移率离子半径越小，迁移率越大轻离子迁移率比重离子迁移率大2个数量级以上大气电导率主要决定于大气轻离子迁移率大气离子的浓度陆地上平均浓度：正轻离子n﹢=750cm-3，负轻离子n﹣=650cm-3。海洋上平均浓度：正轻离子n﹢=600cm-3，负轻离子n﹣=500cm-3。变化范围102~103cm-3重离子浓度：102~104cm-3大气轻离子浓度和大气重离子浓度呈负相关大气离子浓度和高度的关系大气离子浓度随高度分布与大气电离率和气溶胶含量随高度的分布密切相关。1~2km高度以上的大气中，大气电离率随高度递增。10~15km高度达到最大值。随后递减。气溶胶含量随高度递减。轻离子浓度先增后减。重离子浓度全程递减。大气离子的日变化大气轻离子浓度通常在后半夜出现极大值，中午前后出现极小值，日落后又有极大值。重离子浓度相反。大气轻离子寿命概念：大气轻离子由生成到消亡的时间间隔。表示：Δt=n/q若大气轻离子浓度n=2.5×103cm-3，电导率10cm-3·s-1，则大气轻离子寿命为Δt=250s。电导率定义：大气离子在单位电场作用下产生运动而形成的电流密度值。（导电的能力）表示：λ/Ω-1·cm-1。λ=J/E=（A/m2）/（V/m）=Ω-1·m-1。平均值：2.3×10-16Ω-1·cm-1。变化范围：2×10-17~6×10-16Ω-1·cm-1。λ=λ﹢+λ﹣∝k·n（电导率正比于离子迁移率和离子浓度）轻离子迁移率比重离子大2个数量级，轻离子浓度比重离子小1个数量级。所以轻离子对大气电导率的贡献约占95%。污染越严重，电导率越小。日变化：后半夜极小值，中午前后极大值。电导率随高度增加而递增（宏观）。图P70

大气分子被射线电离成离子。大气电离子随时间的变化而移动，使大气电离子的空间分布不均匀。若同一浓度分布区正、负离子均匀分布，混合在一起，宏观大气不显电性。实际上，除电离源产生的正负离子对外，有云、雾、降水，树枝、花草、尖端放电产生的电荷，火山爆发、沙暴、雪暴、输电线路电晕放电、工厂排烟释放的带电离子等等。受电场、重力、对流等因素的非对称作用，大气中各处，正、负电荷分布不均匀，使任何局部空间都不是中性，显示有净的体电荷分布。大气体电荷大气电荷密度的表示：

若体积为V的大气中携带总的正电荷为Q+，负电荷为Q-，则大气体电荷密度为平均值：10-17C·cm-3。和高度关系：和大气电场强度类似。图P74日变化：很复杂。晴天大气电流大气中正负电荷的输送形成大气电流。电流密度：单位时间内通过某一单位面积的电量。J/（A·cm-2）。陆地平均值：2.3×10-16A·cm-2，海洋平均值：3.3×10-16A·c