Движение зарядов под воздействием электромагнитного поля Земли

[Ефимов И.]

  Академическая наука отвечает на поставленный вопрос экспериментально доказанным утверждением полной тождественности поля электрического заряда, как равномерно распределенного по сфере (по поверхности Земли), так и полностью сосредоточенного в центре этой сферы (в центре Земли). По этой причине (с учетом скомпенсированных зарядов на поверхности планеты и в ее стратосфере), Земля является электрически нейтральным объектом.
Потому для расчета силы, действующей на \(\alpha \)-частицу со стороны только поверхностного заряда нашей планеты, необходимо использовать формулу: \[F={1\over 4\pi \varepsilon_\circ \varepsilon}\cdot {q ~Q\over R^2} \] где \(\varepsilon_\circ \) – электрическая проницаемость вакуума
     \(\varepsilon \) – диэлектрическая проницаемость среды (в вашем случае – воздуха)
     \( q=2e\) – два элементарных заряда \(\alpha \)-частицы
     \( Q\approx 5\cdot 10^5\) Кл – суммарный заряд поверхности земного шара 
     \( R \) – радиус земного шара
Лично мне считать это дело в лом, но вам, полагаю, будет интересно сравнить результаты с анализом поверхностной напряженности в 130 В/м

Считаю:
F = 9∙10^9 Н∙м^2/Кл^2 *5,7∙10^5 Кл*3,218∙10^-19 Кл : (6,4∙10^6 м)^2 = 4∙10^-17 Н
Значение напряженности электрического поля вблизи поверхности Земли E = F : q  =4∙10^-17 Н :  3,218∙10^-19 Кл = 125Н/Кл = 125 В/м.
Расчет, произведенный в соответствии со вторым законом Ньютона, показывает:
а = F : m  =   4∙10^-17 Н :  6,645∙10^-27 кг =  6∙10^9 м/с^2 
Пришли к тому, с чего и начинали. А воз и ныне там        

Не высказать ли предположение, что второй закон Ньютона не применим к электродинамике, и предложить формулу, где будут приняты к расчету в данном случае - напряженность поля земли E и заряд альфа-частицы  q ? 
Например:   F = qE  из чего следует : a = E = F : q
                                       

[Е.А.Меркулов]

Считаю… в соответствии со вторым законом Ньютона…[/b]

Не понял.
Какое отношение имеет Второй (и даже Третий) закон Ньютона к силе взаимодействия электрических зарядов???
Считать силу взаимодействия зарядов надобно в соответствии с законом Кулона. И без всякой тама...

...напряженности электрического поля вблизи поверхности Земли E = F : q

А, затем, эту силу:  \(F_K= k{q_{\alpha}~ \cdot ~Q_{Земли}\over R^2}\)
сравнить с силой тяжести на поверхности Земли: \(F_H= G{m_{\alpha}~\cdot ~M_{Земли}\over R^2}\)
Радиус Земли из этого сравнения убирается и будет ясно каков вклад к естественному тяготению добавляет ваше электрическое "притяжение".

[Ефимов И.]

Не понял.
Какое отношение имеет Второй (и даже Третий) закон Ньютона к силе взаимодействия электрических зарядов???
Считать силу взаимодействия зарядов надобно в соответствии с законом Кулона. И без всякой тама... А, затем, эту силу:  \(F_K= k{q_{\alpha}~ \cdot ~Q_{Земли}\over R^2}\)
сравнить с силой тяжести на поверхности Земли: \(F_H= G{m_{\alpha}~\cdot ~M_{Земли}\over R^2}\)
Радиус Земли из этого сравнения убирается и будет ясно каков вклад к естественному тяготению добавляет ваше электрическое "притяжение".

Полагаю, что законы Ньютона вообще не имеют отношения к электродинамике.
Но из закона Кулона в данном примере следует, что альфа-частица притягивается зарядом Земли с силой  Fk = 4∙10^-17 Н
Если известна величина силы, то из второго закона Ньютона следует, повторюсь:  а = F : m  =   4∙10^-17 Н :  6,645∙10^-27 кг =  6∙10^9 м/с^2
Именно здесь кроется логическая ошибка. Но других вариантов решения я не встречал.
Хотел бы ознакомиться с другими вариантами

[Е.А.Меркулов]

Чему у вас получилось равно отношение:\[{F_K\over F_H}= {k\over G} \cdot { q_{\alpha} \cdot Q_{Земли} \over m_{\alpha}\cdot M_{Земли}}=?\]                                 

[Ефимов И.]

Чему у вас получилось равно отношение:\[{F_K\over F_H}= {k\over G} \cdot { q_{\alpha} \cdot Q_{Земли} \over m_{\alpha}\cdot M_{Земли}}=?\]                                 

Полагаю, что получится точно так же, как и у Вас.
Не думаю, что это отношение добавит ясности в обсуждаемом вопросе

[Е.А.Меркулов]

\(\approx 3\cdot 10^8\) Действительно, интересно.
Я весьма критически отношусь к любой информации с интернетовских помоек (интернетовских просторов, по-вашему), но иллюстрация ниже, все-таки, вполне достойно (на мой взгляд) отражает движение быстрых заряженных частиц в магнитном поле Земли.



Характер этого движения основан на "наматывании" траектории движения зарядов на силовые линии магнитного поля нашей планеты. И по подобным спиралям положительные заряды (протоны, альфа-частицы…) направляются к северному полюсу планеты, а отрицательные (главным образом, электроны) – к южному. Различие их масс приводит к тому, что полярные сияния над Ледовитым океаном выглядят на 3 порядка эффектнее, чем над Антарктидой.
Однако интересующее вас движение альфа-частиц внутри обкладок "глобального конденсатора", определяется преимуществом электрических сил над магнитными. И, строго говоря, к магнитному полю Земли имеет очень отдаленное отношение, которым, в первом приближении, вообще, можно пренебречь.

Следует добавить, что и напряженность магнтного поля Земли не оказывает заметного влияния на движение заряженных частиц

[Е.А.Меркулов]

Таким образом направленное вниз ускорение должно быть 6∙10^9 м/с^2, а это наглядно опровергается экспериментом.

Следует отметить, что размеры экспериментальных установок (\(\ell\)) малы для быстро летящих (\(v\)) заряженных частиц и потому их отклонение от прямолинейного пути (в экспериментах, длящихся микроскопические доли секунды: \(\Delta t=\ell/v\)) мало заметны.
Так, что ни о какой "наглядности опровержения" не стоит говорить, не имея расчетов величины этого отклонения:\[\Delta \ell={a\over 2}\cdot \Delta t^2\]Вопрос, в сущности, лишь о скорости ваших \(\alpha\)-частиц.

[VPD]

Можно ли это считать вашим ответом на поставленный в теме вопрос?

   Ну, нельзя же так тупить!
   Путь альфа-частицы с энергией 4Мэв "от рождения до смерти" - 25 мм.
   Отклонение  траектории движения частицы от прямолинейного  в сторону  Земли составляет 0, 25 микрон!
   В каком опыте это можно зафиксировать?
   Вы, Ефимов И., выдающийся болван.

[Е.А.Меркулов]

Вообще-то, "выдающийся болван" тот у кого, по наитию...

...Путь альфа-частицы с энергией 4Мэв "от рождения до смерти" - 25 мм.

Ибо, цифра "от рождения до смерти" явно берется с потолка.
А "смерть альфа-частицы" - уже само по себе болванное словосочетание.

[VPD]

Ибо, цифра "от рождения до смерти" явно берется с потолка.

Из справочника

А "смерть альфа-частицы" - уже само по себе болванное словосочетание.

  Умничаете? Кавычки видите?  Очевидно же это разговорное выражение, а не термин.

[Ефимов И.]

Следует отметить, что размеры экспериментальных установок (\(\ell\)) малы для быстро летящих (\(v\)) заряженных частиц и потому их отклонение от прямолинейного пути (в экспериментах, длящихся микроскопические доли секунды: \(\Delta t=\ell/v\)) мало заметны.
Так, что ни о какой "наглядности опровержения" не стоит говорить, не имея расчетов величины этого отклонения:\[\Delta \ell={a\over 2}\cdot \Delta t^2\]Вопрос, в сущности, лишь о скорости ваших \(\alpha\)-частиц.

Вот наконец-то конкретный комментарий по теме

Принято считать, что начальная скорость альфа-частиц в опыте Резеофорда 10^7 м/с
Действительно, отклонение частиц от горизонтальной траектории будут визуально незаметны.
Ссылку на этот опыт я сделал неудачно, тем не менее вопрос остаётся открытым, следует только переформатировать:
Почему ионы атомов, находящиеся в атмосфере, не устремляются к земной поверхности с ускорением ?


Смотрим в википедии:
На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400—1000 км), а ещё выше — ионы водорода (протоны) и в небольших количествах — ионы атомов гелия.
Расчет показывает, что положительно заряженные ионы атомов гелия Не+ на высоте 1000 км должны притягиваться к земной поверхности с силой 1,94∙10^-17 Н и стартовать вниз с начальным ускорением 2,91∙10^9 м/с^2 , но этого не происходит
То же самое с ионами других атомов
Аналогичная ситуация с электронами. Смотрим в википедии:
На высотах 100—120 км практически всегда наблюдается слой ES, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный, получивший название спорадический. Особенностью этого подслоя является отражение радиоволн зондирования, соответствующее необычно высокой для области E концентрации электронов (ne ≥ 10^5 см^−3)
Получается, что электроны должны стартовать в открытый космос с умопомрачительными ускорениями, но и этого не происходит
Отдельный вопрос - каким образом в одном кубическом сантиметре могут удерживаться вместе более 100 000 штук электронов ? Но это уже повод для другой темы

Получается, что VPD был частично прав, делая мне замечания, вот только не надо указывать, что я ничего не понимаю. Хотелось бы ознакомиться с мнением тех, кто понимает всё

[Е.А.Меркулов]

Никак не могу пройти мимо шедеврального домысла упёртого бездаря:

Путь альфа-частицы с энергией 4Мэв "от рождения до смерти" - 25 мм.

Альфа-частица с энергией 4 МэВ (от рождения) должна двигаться со скоростью (поправьте, если ошибаюсь) примерно 7 тыс.км. в секунду. Для простоты полагаем размер экспериментальной установки для нее, длиною в 1 метр. Тогда "из конца в конец" этой установки, наша альфа-частица прошмыгнет за одну семимиллионную часть секунды:
\(\Delta t={1\over 7}\cdot 10^{-6}\)
И это не смотря на то, что по высосанной из пальца (и это в лучшем случае) версии от VPD, альфа-частица обязана (не ясно, также, кому именно, она обязана) сдохнуть на двадцать пятом миллиметре своего жизненного пути.
Полагаем, что все время пребывания в нашей экспериментальной установке, альфа-частица находилась под действием ускорения:
\(a=6\cdot 10^9\)
направленного поперек ее движения. И, таким образом, отклонилась от своей изначально прямолинейной трассы на величину:
\[\Delta \ell={a\over 2}\cdot \Delta t^2= 6\cdot 10^{-5} \] Другими словами, на 0,06 мм. Чисто теоретически, такую величину экспериментально уловить вроде бы, как и можно. Хотя, я с трудом себе представляю, как это реализовать на практике, имея дело с пучком альфа-частиц. Причем, с пучком, имеющим тенденцию к рассеиванию.

p.s.
Извините, ошибся. При расчете скорости \(\alpha\)-частицы, взял ее массу в массах электрона, а не в МэВ/с²
\(v=9.8\cdot 10^6\) м./сек.

[Ефимов И.]

Никак не могу пройти мимо шедеврального домысла упёртого бездаря:  Альфа-частица с энергией 4 МэВ (от рождения) должна двигаться со скоростью (поправьте, если ошибаюсь) примерно 7 тыс.км. в секунду. Для простоты полагаем размер экспериментальной установки для нее, длиною в 1 метр. Тогда "из конца в конец" этой установки, наша альфа-частица прошмыгнет за одну семимиллионную часть секунды:
\(\Delta t={1\over 7}\cdot 10^{-6}\)
И это не смотря на то, что по высосанной из пальца (и это в лучшем случае) версии от VPD, альфа-частица обязана (не ясно, также, кому именно, она обязана) сдохнуть на двадцать пятом миллиметре своего жизненного пути.
Полагаем, что все время пребывания в нашей экспериментальной установке, альфа-частица находилась под действием ускорения:
\(a=6\cdot 10^9\)
направленного поперек ее движения. И, таким образом, отклонилась от своей изначально прямолинейной трассы на величину:
\[\Delta \ell={a\over 2}\cdot \Delta t^2= 6\cdot 10^{-5} \] Другими словами, на 0,06 мм. Чисто теоретически, такую величину экспериментально уловить вроде бы, как и можно. Хотя, я с трудом себе представляю, как это реализовать на практике, имея дело с пучком альфа-частиц. Причем, с пучком, имеющим тенденцию к рассеиванию.

Давайте в той теме об опыте Резерфорда забудем.
Попытаемся понять, почему ионы атомов и свободные электроны, находящиеся в атмосфере, не движутся с теми ускорениями, как это получается из приведенных расчетов

[Е.А.Меркулов]

В этой задаче слишком много внешних факторов, требующих учета.
Разделение электрических зарядов происходит не только в атмосфере Земли, но и в недрах нашей планеты. Причем, в последнем случае, подобное разделение носит ярко выраженный несимметричный характер, обеспечивающий наличие у Земли магнитного поля. И, в первую очередь, следует рассматривать причины разделения зарядов, а не их последствия. Важно, также, понимание причин, препятствующих незамедлительной рекомбинации разделенных зарядов.

[VPD]

...
Попытаемся понять, почему ионы атомов и свободные электроны, находящиеся в атмосфере, не движутся с теми ускорениями, как это получается из приведенных расчетов

  Наоборот, они могут  двигаться с намного большими ускорениями, чем те, что вы получили в своём  примере.
   1. Альфа-частица с энергией 4МэВ с начальной скоростью Vн =2*10⁷м/с и конечной, равной тепловому движению молекул воздуха Vк ≈ 500 м/с на пути от излучения из атома и до поглощения или нейтрализации в водухе l = 2,5*10^-2 м  https://ru.wikipedia.org/wiki/Альфа-частица замедляется с ускорением g ≈ 10¹⁶ м/с.
  2.Время  возникновении альфа-частицы при распаде ⁸Be очевидно  меньше периода полураспада бериллия-8 Δt =10⁻¹⁶с, https://elementy.ru/time/nuclear/nuclear-2.html в котором она возникает .
    При начальной скорости частицы такой же величины, как примере п.1, альфа-частица  будет иметь   ускорение не менее   g = 10²³ м/с.
   Гигантские, с точки зрения человека,  ускорения в микромире, вовсе не нонсенс.
   Думаю, что дело, не в величине ускорения частицы, а в величине  энергии, обладающей частицей. Она мала по отношению к энергии, располагаемой таким макро-телом, как, например,  тело хомо сапиенс ...
 

[Ефимов И.]

В этой задаче слишком много внешних факторов, требующих учета.
Разделение электрических зарядов происходит не только в атмосфере Земли, но и в недрах нашей планеты. Причем, в последнем случае, подобное разделение носит ярко выраженный несимметричный характер, обеспечивающий наличие у Земли магнитного поля. И, в первую очередь, следует рассматривать причины разделения зарядов, а не их последствия. Важно, также, понимание причин, препятствующих незамедлительной рекомбинации разделенных зарядов.

На днях предоставилась возможность лично задать свой вопрос ученому-физику довольно высокого ранга. Преподавателю, который преподавал в том числе и электродинамику.
Получил прмерно такой же ответ. Честно говоря - я ничего не понял, но в итоге пришли к заключению, что вопрос остаётся открытым.
По поводу напряженности на поверхности Земли 125 В/м он высказал предположение, что это довольно большая величина. Я высказал предположение, что очень маленькая.
Вопрос: Какое предположение ближе к реальности?  Будут ли другие мнения?
Вот что такое напряженность гравитационного поля 9,81 м/с^2 я понимаю, и буквально чувствую собственной задницей, пока сижу за компьютером.
Кто бы подсказал, как понять и почувствовать напряженность электрического поля 125В/м  ???

[Ефимов И.]

  Наоборот, они могут  двигаться с намного большими ускорениями, чем те, что вы получили в своём  примере.

Лично мне никогда такого наблюдать не приходилось


 

   Думаю, что дело, не в величине ускорения частицы, а в величине  энергии, обладающей частицей.

Да, дело не в ускорении.
Поскольку тема касается движения зарядов под воздействием электроманитного поля Земли, то ускоренного движения заряженных частиц и объектов наблюдать не приходится на любых высотах.
Если под энергией подразумевается величина электрического заряда, тогда так оно и есть

[CASTRO]

воздух откачать не пробовали?

[Ефимов И.]

воздух откачать не пробовали?

Не пробовал, но думаю, что и в вакууме электрческое поле Земли не окажет заметного влияния на движение заряженных объектов

[CASTRO]

Не пробовал, но думаю, что и в вакууме электрческое поле Земли не окажет заметного влияния на движение заряженных объектов

Зато в вакууме у альфа-частицы пробег будет какой угодно, а не жалкие микроны.