Ö

Elektriska fält

Mellan jorden och de övre delarna av atmosfären finns en spänning på 400 000 volt som skapar ett statiskt elektriskt fält på ungefär 100 volt per meter (V/m) vid jordytan.1 Mellan huvudet och fötterna finns det alltså en spänning i luften på nära 200 volt, nästan som i ett vanligt vägguttag. Att spänningen finns där beror på att luft leder ström så väldigt dåligt och det gör också att man inte får någon elektrisk stöt.

Naturens elektriska fält1


Styrka V/m Frekvens Hz
Normalt 100 0
Storm Några 1000 0

Konstgjorda elektriska fält


Styrka V/m Frekvens Hz
TCO-normen 500 0
TCO-normen 10 5–2000

Det är endast de gamla tjocka TV-apparaterna och bildskärmarna som skapar statiska elektriska fält i någon betydande omfattning. Kläder kan också göra det, särskilt av syntetmaterial, men mätningar saknas.

Även om naturen och elledningarna i hemmen ger en liknande styrka på de elektriska fälten kan de ändå inte jämföras. Fälten från elledningarna växlar riktning och styrka 100 gånger per sekund medan de naturliga kan variera stort men från plats till plats och mellan olika tider på dagen. När variationerna i naturens elektriska fält är så långsamma bör det betraktas som statiskt, det vill säga utan variationer.

Elektriska potentialen relativt jordytan

Spänningen jämförd med jordytan på 1, 2 och 3 meters höjd.

Spänningen relativt jordytan med människa

Allt som leder ström bättre än luft och står på marken, som människor, träd och hus, flyttar upp jordytan och förskjuter spänningsnivåerna uppåt. Går man in i en skog minskar det elektriska fältet när "jordytan" går i höjd med trädtopparna.

100 volt per meter för atmosfärens elektriska fältstyrka är ett genomsnitt uppmätt vid havsytan. Fältstyrkan visar stora variationer mellan olika platser men den finns alltid där så något måste fördela en spänning jämnt över jorden. Genom kosmisk strålning skapas joner och fria elektroner högre upp i atmosfären. Ju fler desto högre upp man kommer och desto bättre blir luftens ledningsförmåga. På ungefär 5 mils höjd skapas tillräckligt mycket joner och fria elektroner för att luften ska få en ledningsförmåga som räcker för att fördela ström och få en jämn spänning på 400 000 volt mot marken runt hela jorden.2

Att det finns en spänning och att luften ändå leder en gnutta ström även vid markytan betyder att det borde flyta lite ström genom atmosfären. Och det gör det. Men det är 10 miljondels miljondelar av en ampere per kvadratmeter3 (pA/m2) så det krävs ström från över 3 miljarder kvadratmeter markyta för att hålla en LED-lampa på 7 Watt lysande. Ström går alltid i slutna kretsar så den ström som kommer ner måste ha kommit upp någonstans annars skulle den ta slut.

Atmosfärens spänning och ström vid vackert väder

Det är endast på den höga höjden som atmosfären leder ström relativt bra. Ju längre ner i atmosfären man kommer desto färre joner och fria elektroner finns det och då minskar ledningsförmågan så det är bara en ytterst svag ström som når marken. Dessutom bara vid vackert väder med blå himmel.

Åskmoln

Åskmoln. De övre delarna är positivt laddade och de nedre negativt med ett mindre positivt område. De starkaste laddningarna finns i molnets mellersta delar. Regnet kan ha en negativ eller positiv laddning beroende på vilken del av molnet det kommer ifrån8.

Åskväder

Spänningskällan till atmosfärens elektriska fält är åskväder. 9 blixtar av 10 som träffar markytan lämnar negativa laddningar till jordklotet som blir negativt laddat.4 Atmosfärens högre lager blir då positivt laddade i förhållande till jorden.

Under dygnet varierar strömmen som flyter ner till jordytan c:a 15 procent upp och ner från medelvärdet. Och den är alltid högst mellan klockan sex och sju i London – normaltid, inte sommartid.5 Vid den tiden har de afrikanska åskvädren haft hela eftermiddagen på sig att pumpa upp spänningen mellan jordytan och de övre delarna av atmosfären.6

Ett åskmoln blir aldrig 5 mil högt och når inte upp till det elektriskt ledande lagret i atmosfären som fördelar spänningen över jordytan. Tropiska åskmoln kan bli över 1,5 mil höga7 och uppenbarligen räcker det.


Fotnoter
  1. Colin Price. ELF Electromagnetic Waves from Lightning: The Schumann Resonances.  Atmosphere 2016, 7(9), 116; https://doi.org/10.3390/atmos7090116. Sid 4.
  2. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Avsnitt 9–2
  3. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Avsnitt 9–2.
  4. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Avsnitt 9–3.
  5. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Avsnitt 9–3.
  6. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Figur 9–5.
  7. SMHI. Åska.
  8. The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 9: Electricity in the Atmosphere. Figur 9–11.