Физика /1.Теоретическая физика
К.п.н. Мищик С.А.
Государственный морской университет имени
адмирала Ф.Ф.Ушакова ,
Россия
Системные задачи электричества моря и океана
прикладной физики морского флота
Системные задачи электричества моря и
океана прикладной физики морского флота отражают целостно-системное
моделирование основных элементов транспортных объектов. При этом возникает
ориентация на единство базисных характеристик предметных и исполнительных
условий относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: плотность
тока смещения в атмосфере океана; максимальная
удельная электропроводность области Е ионосферы; напряженность поля,
создаваемого биполярным грозовым облаком; плотность тока проводимости зимой в акватории
моря на морском флоте.
В процессе решения системных задач электричества
моря и океана прикладной физики морского флота необходимо применять основные
положения теории деятельности, системного анализа и теории формирования
интеллекта.
Системный анализ предполагает выполнение
последовательности системных аналитических действий: выделить объект анализа
–задачу электричества моря и океана прикладной физики морского флота (ЗЭМОПФМФ)
как систему; установить порождающую среду ЗЭМОПФМФ; определить уровни анализа ЗЭМОПФМФ;
представить целостные свойства ЗЭМОПФМФ относительно пространственных, и временных
характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ЗЭМОПФМФ;
установить структурные элементы уровня анализа ЗЭМОПФМФ; определить
системообразующие связи данного уровня анализа ЗЭМОПФМФ; представить
межуровневые связи анализа ЗЭМОПФМФ; выделить форму организации ЗЭМОПФМФ;
установить системные свойства и поведение ЗЭМОПФМФ.
Задача 1
Вычислить плотность тока смещения в атмосфере океана,
если за t = 10 мин электрическое поле изменилось от E1
= 76 В/м до E2 = 198 В/м. Сравнить с типичным
значением плотности тока проводимости.
Ответ: J см =
1,78·10 -12 А/м2.
Задача 2
Определить максимальную удельную электропроводность
области Е ионосферы днем, если критическая частота для этой области υ
= 4,82·106 Гц, а число
столкновений электронов составляет N = 105
с-1. Во сколько раз удельная электропроводность в области Е больше,
чем у поверхности Земли, где она равна в среднем λ = 2,2·10-14 См/м?
Ответ:
λ max =
1,22·10-14 См/м; k = 5,5·107 раз.
Задача 3
Тяжелый атмосферный ион массой m = 5·10-19
г находится в вертикальном электрическом поле над морем с напряженностью E = 120 В/м. В каком соотношении находятся сила тяжести
иона и кулоновская сила, действующая на ион со стороны электрического поля?
Ответ: mg/F k =
1:4000.
Задача 4
Какой должна быть интенсивность ионизации над
поверхностью океана, чтобы обеспечить постоянную концентрацию легких ионов
обеих знаков, равную n = 500 см-3 ? Прилипанием ионов к нейтральным
частицам пренебречь.
Ответ:
n/t = 0,35 см-3
·с-1 .
Задача 5
Вычислить напряженность поля, создаваемого биполярным
грозовым облаком Cb у поверхности
океана, под облаком и на расстоянии r = 10
км. Центр тяжести нижнего отрицательного заряда (—20 Кл) находится на высоте 3
км, центр тяжести верхнего положительного заряда ( + 20 Кл)—на высоте 7 км.
Вычислить напряженности, создаваемые отдельно положительным (а) и отрицательным
(б) зарядами, а также суммарную напряженность (в).
Ответ:
а)
150 В/м и 0,2 В/м; б) 40 000 В/м и 130 В/м;
в) 40 150
В/м и 130,2 В/м.
Задача 6
Вычислить энергию электрического поля нижнего 100-метрового
слоя атмосферы над поверхностью океана, приняв среднюю напряженность равной 100
В/м. Сравнить эту энергию с кинетической энергией, атмосферы, составляющей 4·1020
Дж.
Ответ:
2,3·109
Дж.
Задача 7
Определить величину электрического заряда, который индуцируется на поверхности паруса яхты.
Площадь поверхности паруса равна 17 м2. Напряженность электрического
поля атмосферы над морем 200 В/м.
Ответ:
3·10-8
Кл.
Задача 8
Определить плотность тока проводимости зимой в акватории
Балтийского моря, если среднее значение напряженности поля у поверхности моря
равно 250 В/м, а проводимость атмосферного воздуха 1,1·10-14 Ом-1·м-1 . Электричество
какого знака доставляет земной поверхности ток проводимости?
Ответ:
2,7·10-16
Кл А/см2.
Задача 9
При разряде молнии за 0,2 с напряженность
электрического поля над поверхностью моря изменилась от - 600 до +15 000 В/м.
Определить ток смещения, который возникнет на металлической крыше судовой
надстройки площадью 40 м2?
Ответ:
2,76·10-5
А.
Задача 10
Определить плотности горизонтальных токов: проводимости
и тока адвекции. Среднее значение проводимости атмосферного воздуха над
поверхностью моря равно 2·10-14 Ом-1·м-1, вертикальная составляющая напряженности поля
130 В/м, горизонтальная составляющая на 2 порядка меньше вертикальной; скорость
ветра 10 м/с и средний объемный заряд у поверхности моря равен 10-11 Кл/м3.
Ответ:
2,6·10-18
А/м2 ; 10-13 А/м2.
Задача 11
Определить время релаксации атмосферы у поверхности
океана и на высоте 50 км, если электропроводность воздуха на этих уровнях равна
2·10-14 Ом-1·м-1 и 34·10-14 Ом-1·м-1.
Ответ:
400 с ;
2,4·10-3 с.
Задача 12
Вертикальный профиль проводимости воздуха над
поверхностью океана можно представить экспоненциальным законом 
, где
λо = 2·10-14 Ом-1·м-1, z — высота в километрах, а = 0,4 км-1 .
Определить удельное сопротивление всей тропосферы. Средняя высота тропосферы 11
километров.
Ответ: 3·1012
Ом·м.
Задача 13
Определить концентрацию нейтральных ядер атомов
атмосферы над поверхностью океана, чтобы обеспечить постоянную концентрацию
легких ионов равную 300 см-3 при интенсивности ионизации 10 см-3·с-1 ?
Ответ:
2,74·104
см-3.
Задача 14
Определить уменьшение числа пар легких ионов в 1 м3
воздуха над поверхностью океана через 5 мин после прекращения ионизации
атмосферы в идеально чистом воздухе над океанской поверхностью, если в
начальный момент имелось по 5·108
ионов каждого знака.
Ответ:
97·106
пар ионов.