Електричне поле землі - джерело енергії
У природі існує унікальний альтернативне джерело енергії. екологічно чистий, поновлюваний, простий у використанні, який до цих пір ніде не використовується. Джерело цей - електричне поле Землі.
Нижче викладається спосіб отримання енергії з цього джерела. Спосіб заснований на властивостях електричного поля Землі і на базових законах електростатики.
Атмосферний електрику
Наша планета в електричному відношенні являє собою подобу сферичного конденсатора, зарядженого приблизно до 300 000 вольт. Внутрішня сфера - поверхня Землі - заряджена негативно, зовнішня сфера - іоносфера - позитивно. Ізолятором служить атмосфера Землі. (Рис.1)
Через атмосферу постійно протікають іонні і конвективні струми витоку конденсатора, які досягають багатьох тисяч ампер. Але незважаючи на це різниця потенціалів між обкладинками конденсатора не зменшується.
А це значить, що в природі існує генератор (G), який постійно поповнює витік зарядів з обкладок конденсатора. Таким генератором є магнітне поле Землі, яке обертається разом з нашою планетою в потоці сонячного вітру.
Щоб скористатися енергією цього генератора, потрібно якимось чином підключить до нього споживач енергії.
Підключитися до негативного полюса - Землі - просто. Для цього досить зробити надійне заземлення. Підключення до позитивного полюса генератора - іоносфері - є складним технічним завданням, вирішенням якої ми і займемося.
Як і в будь-якому зарядженому конденсаторі, в нашому глобальному конденсаторі існує електричне поле. Напруженість цього поля розподіляється дуже нерівномірно по висоті: вона максимальна у поверхні Землі і складає приблизно 150 В / м. З висотою вона зменшується приблизно за законом експоненти і на висоті 10 км складає близько 3% від значення у поверхні Землі.
Таким чином, майже все електричне поле зосереджено в нижньому шарі атмосфери, у поверхні Землі. Вектор напруженості ел. поля Землі E спрямований в загальному випадку вниз. У своїх міркуваннях ми будемо використовувати тільки вертикальну складову цього вектора. Електричне поле Землі, як і будь-який електричне поле, діє на заряди з певною силою F. яка називається кулоновской силою. Якщо помножити величину заряду на напруженість ел. поля в цій точці, то отримаємо саме величину кулоновской сили Fкул. . Ця кулоновская сила штовхає позитивні заряди вниз, до землі, а негативні - вгору, в хмари.
Електричне поле Землі є потенційним полем як і будь-який ел. поле. Кожній точці цього поля відповідає свій потенціал. Точки з однаковим потенціалом утворюють еквіпотенціальні поверхні.
Провідник в електричному полі
Встановимо на поверхні Землі вертикальний металевий провідник і заземлити його. Нехай верхня точка провідника знаходиться на на якомусь рівні U потенціалу ел. поля Землі. Електричне поле Землі відповідно до законів електростатики почне рухати електрони провідності вгору, до верхньої точки провідника, створюючи там надлишок негативних зарядів. Такий рух електронів буде тривати до тих пір, поки у верхній точці провідника не виникне потенціал -U. рівний за величиною і протилежний за знаком потенціалу U ел. поля Землі, на якому розташована верхня точка цього провідника.
Цей негативний потенціал -U повністю компенсує позитивний потенціал U ел.поле Землі і весь провідник, включаючи і його верхню точку, набуває потенціал Землі, який ми приймаємо за нуль.
Але надлишок негативних зарядів у верхній точці провідника створить своє електричне поле.
Ми отримали систему з двох ел. полів: ел. поля Землі E1 і ел. поля надлишкових зарядів у верхній точці провідника E2.
На рис. 2 зображені вектори напруженості цих полів.
Вектори напруженості ел. поля Землі E1 поблизу провідника скрізь однакові за величиною і напрямком.
Вектори же напруженості ел. поля провідника в різних точках поля мають різну величину і напрямок. На рис. 2 праворуч зображено вектори напруженості E2 цього ел. поля. Вони сходяться у верхній точці провідника, де зосереджені надлишкові електрони провідності.
Згідно з принципом суперпозиції ел. полів напруженість результуючого ел. поля дорівнює геометричній сумі напруженостей кожного з цих полів.
Зверніть увагу: нижче верхньої точки провідника вектори напруженості E1 і E2 цих двох полів спрямовані в протилежних напрямках. Тут вони компенсують один одного і в провіднику ел. поле дорівнює нулю.
Вище верхньої точки провідника вектори напруженості цих двох полів спрямовані в одному напрямку - вниз. Тут вони складаються і дають сумарну напруженість ел. поля.
Якщо ми складемо геометрично ці вектори і проведемо еквіпотенціальні лінії в кожній точці поля, то отримаємо картину, зображену на рис. 3.
На рис. 3 зображено сумарне ел. поле в перерізі вертикальною площиною, що проходить через провідник. Примітно, що потенціал провідника у всіх його точках дорівнює нулю і в той же час на верхній точці провідника сконцентрована велика напруженість сумарного ел. поля Землі і провідника.
Саме це ел. поле і прагне вирвати електрони провідності з верхньої точки провідника. Але у електронів недостатньо енергії для того, щоб покинути провідник. Ця енергія називається роботою виходу електрона з провідника і для більшості металів вона складає менше 5 МеВ - величина досить незначна. Але електрон в металі не може придбати таку енергію між зіткненнями з кристалічною решіткою металу і тому залишається на поверхні провідника.
Виникає питання: що станеться з провідником, якщо ми допоможемо надлишковим зарядів на верхівці провідника покинути цей провідник?
Відповідь проста: негативний заряд на верхівці провідника зменшиться, зовнішнє електричне поле всередині провідника вже не буде скомпенсировано і знову почне рухати електрони провідності вгору до верхнього кінця провідника. Значить, по ньому потече струм. І якщо нам вдасться постійно видаляти надлишкові заряди з верхньої точки провідника, в ньому постійно буде текти струм. Тепер нам досить розрізати провідник в будь-якому, зручному місці і включити туди навантаження (споживач енергії) - і електростанція готова.
На рис. 4 показана принципова схема такої установки.
Під дією електричного поля Землі електрони провідності з землі рухаються по провіднику через навантаження і далі вгору до емітера, який звільняє їх з поверхні металу верхівки провідника і відправляє їх у вигляді іонів у вільне плавання по атмосфері. Електричне поле Землі в повній відповідності з законом Кулона піднімає їх вгору до тих пір, поки вони на свем шляху не будуть нейтралізовані позитивними іонами, які завжди опускаються вниз з іоносфери під дією того ж поля.
Таким чином, ми замкнули електричне коло між обкладинками глобального електричного конденсатора, який в свою чергу підключений до генератора G. і включили в цей ланцюг споживач енергії (навантаження). Залишається вирішити одне важливе питання: яким чином видаляти надлишкові заряди з верхньої точки провідника?
Для цього потрібно пристрій, який би допомагало електронам провідності покинути провідник - випромінювач електронів або емітер.
Емітер може бути побудований на базі високовольтного генератора невеликої потужності, який здатний створити коронний розряд навколо випромінюючого електрода на верхівці провідника.
Такі високовольтні генератори використовуються в промисловості в димоулавлівателях, іонізатори повітря, установках для електростатичного забарвлення металів і різних побутових приладах.
Генератор створює навколо випромінювача електронів провідності іскровий, коронний або кистьовий розряд. Такий розряд є провідним плазмовим каналом, по якому електрони провідності вільно стікають в атмосферу вже під дією ел.поле Землі.
Анімацію і опис такого розряду дивіться ТУТ.
Для цієї ж мети можна використовувати трансформатор або котушку Тесли.
У 1891 році Нікола Тесла створив свій знаменитий високочастотний високовольтний трансформатор, який він використовував для експериментів і демонстрації своїх дослідів.
Зараз цей пристрій називають котушкою Тесли (Tesla coil). У промисловості цей винахід не знайшло застосування. Воно використовується головним чином для всякого роду атракціонів.
Під час роботи котушки в її вторинній обмотці створюється напруга в кілька мільйонів вольт, яке іонізує повітря і створює різні електричні розряди - стримерний, іскрові або коронний розряд в залежності від вхідної напруги.
Канали цих розрядів в іонізованому повітрі являюся хорошим провідником для електронів провідності, які прагнуть вирватися з металу провідника в атмосферу. І електрони провідності по каналах розрядів легко залишають провідник і йдуть в атмосферу вже під дією ел. поля Землі, яке концентрується на верхній точці провідника.
Форму і інтенсивність розряду котушки можна в певних межах регулювати від слабкого коронного до потужного дугового залежно від інтенсивності ел. поля Землі і необхідної потужності установки.
Оцінка потужності установки
Нехай верхня точка провідника знаходиться на висоті 100 м. Середня напруженість ел. поля по висоті провідника Еср. = 100 В / м.
Тоді різниця потенціалів ел. поля між Землею і верхньою точкою провідника буде чисельно дорівнює:
Точно такий же величини буде і негативний компенсуючий потенціал у верхній точці провідника. Це - абсолютно реальна різниця потенціалів між землею і верхньою точкою провідника, яку можна виміряти. Правда, звичайним вольтметром з проводами виміряти її не вдасться - в проводах виникне така сама е.р.с. як і в провіднику, і вольтметр покаже 0.
Сила струму в провіднику залежить в основному від ефективності роботи емітера. Якщо за допомогою емітера ми зможемо отримати струм 10 А. то повна потужність установки складе 100 кВт.
При роботі емітера звільнені електрони накопичуються в атмосфері над емітером і створюють негативно заряджене хмара. Ел. поле цієї хмари направлено проти ел. поля Землі і зменшує його. При наявності вітру хмара зноситься вітром і його вплив буде незначним. У відсутності вітру це хмара видаляється лише кулоновскими силами ел. поля над емітером, утворюючи конвективную струмінь, спрямовану вгору. В цьому випадку сила струму установки буде обмежуватися силою струму конвективного струменя.
Особливості електричного поля
Ел. поле над земною поверхнею володіє такими особливостями, які обов'язково потрібно враховувати.
Над рівною поверхнею, що підстилає такий, як море або широка рівнина, еквіпотенціальні поверхні поля розташовані приблизно паралельно один одному, як показано на рис. 2 зліва.
Але як тільки в ньому з'являється заземлений провідник, це поле змінюється і стає приблизно таким, як показано на рис. 3.
Ефект виходить таким, як ніби це поле піднялося і повисло на верхівці цього провідника. Еквіпотенціальні лінії над провідником сконценторіровалісь, а значить збільшився вектор напруженості ел. поля.
У той же час біля основи провідника ел. поле зменшилася. Якщо два заземлених провідника розташовані недалеко один від одного, то ел. поле буде виглядати приблизно так, як показано на рис. 6.
Все ел. поле розташовується вище заземлених провідників. Між цими провідниками у земної поверхні ел. поле близьке до нуля.
Такими провідниками є дерева, лінії ел. передач, високі будівлі, і, звичайно, всі міські будинки.
Отже, в умовах міста провідник з емітером необхідно підняти вище дахів міських будинків і всякого роду антен, флагштоків, дерев і шпилів, розташованих поблизу. Ще надійніше підняти провідник і емітер на аеростаті.
Про потужність глобального генератора
Така установка відбирає потужність у глобального генератора.
У зв'язку з цим виникає одне дуже важливе питання - як відіб'ється повсюдне широке використання таких установок на електричному полі Землі?
Чи не призведе це до ослаблення ел. поля Землі?
У нас немає можливості заміряти потужність цього генератора. Але за деякими непрямими ознаками можна судити про його потужності.
На Землі постійно вирують кілька ураганів, тропічних штормів і безліч циклонів. За сучасними уявленнями і оцінками приблизно третину потужності урагану доводиться на його електричну складову.
Що ж це таке - електрична складова потужності урагану?
Потужність урагану пропорційна обсягу і швидкості підйому теплого повітря в його теплової вежі - центральної області урагану.
Такий підйом повітря проіскодіт в основному за рахунок різниці щільності повітря на периферії урагану і в його центрі - теплової вежі, але не тільки. Частина підйомної сили (приблизно одну третину) забезпечує електричне поле Землі.
Вся справа в тому, що випаровується з поверхні штормового океану вода забирає з собою величезну количесво негативних зарядів.
З точки зору електростатики штормовий океан являє собою величезне поле, засіяне вістрями і ребрами, на яких концентруються негативні заряди і напруженість ел. поля Землі. Це - електростатичний ефект вістря.
Випаровуються молекули води в таких умовах легко захоплюють негативні заряди і забирають їх з собою. А електричне поле Землі в повній відповідності з законом Кулона рухає ці заряди вгору, додаючи повітрю підйомну силу.
І ця добавка складає близько третини повної підйомної сили, а значить і потужності урагану. Таким чином глобальний електричний генератор витрачає частину своєї потужності на посилення атмосферних вихорів на планеті - ураганів, штормів, циклонів і ін.
Але такий витрата потужності ніяк не позначається на величині електричного поля Землі.
Якщо врахувати, що потужність середнього урагану перевищує потужність всіх електростанцій світу, то можна зробити висновок, що широке і повсюдне використання цієї енергії ніяк не позначиться на електричних параметрах нашої планети.
В результаті наших дій ми підключили споживач енергії до глобального генератору електричної енергії. До негативного полюса - Землі - ми підключилися за допомогою звичайного металевого провідника (заземлення), а до позитивного полюса - іоносфері - за допомогою вельми специфічного провідника - конвективного струму.
Конвективні струми - це електричні струми, обумовлені впорядкованим перенесенням заряджених частинок. У природі вони зустрічаються часто. Найпотужніші з них - це урагани і висхідні потоки повітря у внутрішньотропічній зоні конвергенції, які забирають величезну кількість негативних зарядів у верхні шари тропосфери.
З вищесказаного можна зробити наступні висновки:
Джерело енергії є простим і зручним у використанні.
На виході отримуємо найзручніший вид енергії - електроенергію.
Джерело екологічно чистий: ніяких викидів, ніякого шуму і т.п.
Установка проста у виготовленні і експлуатації.
Виняткова дешевизна одержуваної енергії і ще маса інших достоїнств.
Електричне поле Землі піддається коливанням: взимку воно сильніше, ніж влітку, щодня воно досягає максимуму в 19 годин за Гринвічем, також залежить від стану погоди. Але ці коливання не перевищують 30% від його середнього значення.
У деяких рідкісних випадках при певних погодних умовах напруженість цього поля може збільшитися в кілька разів.
Під час грози ел.поле змінюється у великих межах і може змінити напрям на протилежний, але це відбувається на невеликій площі безпосередньо під грозовий осередком і протягом короткого часу.
Курилов Юрій Михайлович,
Інженер-судноводій, Харків