离子迁移率

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。
大气电场强度E值与高度的关系 近似值之一
晴天大气带电粒子——离子
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
电力线与等位面相交处总是相互垂直，如果
Baidu Nhomakorabea
用单位矢量E表示等位面的法线，则上式就可简化
为：

V
E n
n
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。
• 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。
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
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。
图1.2 晴天大气电场的等势面
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。
• 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。
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
• 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。
• 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。
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%。
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。
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。
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。
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：
ur
ur
E V
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：
ur E


V
r i

V
r j

V
r k
x y z
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。