Заряд земли положительный или отрицательный. Силы в природе

Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.

Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.

Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».

Характеристики атмосферного электричества

Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).

Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.

Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).

Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).

Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).

Откуда берется потенциал электрического поля Земли?

Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?

Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.

Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.

Молнии

Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).

Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.

Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.

Характеристики атмосферного электричества

Откуда берется потенциал электрического поля Земли?

Молнии

Электрическое поле Земли

естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.

Методика измерения Э. п. 3. определяется той средой, в которой наблюдается поле. Наиболее универсальный способ - определение разности потенциалов при помощи разнесённых в пространстве электродов. Этот способ применяется при регистрации земных токов (см. Теллурические токи), при измерении с летательных аппаратов электрического поля атмосферы, а с космических аппаратов - магнитосферы и космического пространства (при этом расстояние между электродами должно превышать Дебаевский радиус экранирования в космической плазме, т. е. составлять сотни метров).

Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие - приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей (см. Атмосферное электричество). Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно.

Существование электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера - Земля. В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки. В среднем осадки приносят положительных зарядов в 1,1-1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов из атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и отеканием зарядов с остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км 2 за год, можно характеризовать следующими данными:

Ток проводимости + 60 к/(км 2 ·год)

Токи осадков + 20 »

Разряды молний – 20 »

Токи с остриёв – 100 »

__________________________

Всего – 40 к/(км 2 ·год)

На значительной части земной поверхности - над океанами - токи с остриёв исключаются, и здесь будет положительный баланс. Существование статического отрицательного заряда на поверхности Земли (около 5,7․10 5 к ) говорит о том, что эти токи в среднем сбалансированы.

Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушный масс, ветры, турбулентность - всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо (см. Земной магнетизм) Примером может служить солнечно-суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мв /м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мв/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрического поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу.

Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является Солнечный ветер . При обтекании магнитосферы солнечным ветром возникает эдс Е = v ×b ⊥ , где b ⊥ - нормальная компонента магнитного поля на поверхности магнитосферы, v - средняя скорость частиц солнечного ветра.

Эта эдс вызывает электрические токи, замыкающиеся обратными токами, текущими поперёк хвоста магнитосферы (см. Земля). Последние порождаются положительными пространственными зарядами на утренней стороне хвоста магнитосферы и отрицательными - на его вечерней стороне. Величина напряженности электрического поля поперёк хвоста магнитосферы достигает 1 мв /м. Разность потенциалов поперёк полярной шапки составляет 20-100 кв.

Ещё один механизм возбуждения эдс в магнитосфере связан с коллапсом противоположно направленных силовых линий магнитного поля в хвостовой части магнитосферы; освобождающаяся при этом энергия вызывает бурное перемещение магнитосферной плазмы к Земле. При этом электроны дрейфуют вокруг Земли к утренней стороне, протоны - к вечерней. Разность потенциалов между центрами эквивалентных объемных зарядов достигает десятков киловольт. Это поле противоположно по направлению полю хвостовой части магнитосферы.

С дрейфом частиц непосредственно связано существование магнитосферного кольцевого тока вокруг Земли. В периоды магнитных бурь (См. Магнитные бури) и полярных сияний (См. Полярные сияния) электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.

Магнитогидродинамические волны, генерируемые в магнитосфере, распространяются по естественным волноводным каналам вдоль силовых линии магнитного поля Земли. Попадая в ионосферу, они преобразуются в электромагнитные волны, которые частично доходят до поверхности Земли, а частично распространяются в ионосферном волноводе и затухают, На поверхности Земли эти волны регистрируются в зависимости от частоты колебаний либо как магнитные пульсации (10 -2 -10 гц ), либо как очень низкочастотные волны (колебания с частотой 10 2 -10 4 гц ).

Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряжённость электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мв /км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков в /км. Взаимосвязанные переменные магнитное и электрическое поля Земли используют для электромагнитного зондирования в разведочной геофизике, а также для глубинного зондирования Земли.

Определённый вклад в Э. н. З. вносит контактная разность потенциалов между породами различной электропроводности (термоэлектрический, электрохимический, пьезоэлектрический эффекты). Особую роль при этом могут играть вулканические и сейсмические процессы.

Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 10 -6 а/м 2 . Эти токи могут быть использованы как естественные источники переменного магнитного поля для магнитовариационного зондирования на шельфе и в море.

Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза требует своего экспериментального подтверждения. Первые измерения показали, что напряженность электрического поля в околоземном межпланетном пространстве колеблется в пределах от десятых долей до нескольких десятков мв /м.

Лит.: Тихонов А. Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры, «Докл. АН СССР», 1950, т. 73, № 2; Тверской П. Н., Курс метеорологии, Л., 1962; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975.

Ю. П. Сизов.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Электрическое поле Земли" в других словарях:

электрическое поле Земли - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN Earth s electric field … Справочник технического переводчика

электрическое поле Земли

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической индукцией). Напряженность электрического поля у… … Современная энциклопедия

Атмосферное электричество совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость,… … Википедия

Электрическое поле - Демонстрация поля электростатического заряда. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Стационарное электрическое поле, создаваемое электрическими объёмными зарядами (См. Электрический объёмный заряд) в атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуцированными в атмосфере. Характеристики Э. п. а. напряжённость поля и …

Поле, 1) обширное, ровное, безлесное пространство. 2) В сельском хозяйстве участки пашни, на которые разделены площадь севооборота, а также внесевооборотные (запольные) участки, используемые для выращивания с. х. растений. 3) Ограниченный… … Большая советская энциклопедия

I Поле 1) обширное, ровное, безлесное пространство. 2) В сельском хозяйстве участки пашни, на которые разделены площадь Севооборота, а также внесевооборотные (запольные) участки, используемые для выращивания с. х. растений. 3)… … Большая советская энциклопедия

электрическое земное поле - Žemės elektrinis laukas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Earth’s electric field; geoelectric field vok. elektrisches Erdfeld, n; geoelektrisches Feld, n rus. электрическое земное поле, n; электрическое поле Земли, n pranc. champ… … Fizikos terminų žodynas

Электрическое поле Земли

Измерения электрометром показывают, что у поверхности Земли существует электрическое поле, даже если вблизи нет заряженных тел. Это означает, что наша планета обладает некоторым электрическим зарядом, т. е. представляет собой заряженный шар большого радиуса.

Исследование электрического поля Земли показало, что в среднем модуль его напряженности E = 130 В/м, а силовые линии вертикальны и направлены к Земле. Наибольшее значение напряженность электрического поля имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору она уменьшается. Следовательно, наша планета в целом обладает отрицательным зарядом, который оценивается величиной q = –3∙10 5 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием различных механизмов. Во-первых, дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие - отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Основным из механизмов является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Атмосферное электричество данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где преобладает действие глобальных факторов, рассматриваются как зоны «хорошей», или ненарушенной, погоды, а где преобладает действие локальных факторов - как зоны нарушенной погоды (районы гроз, осадков, пылевых бурь и др.).

Измерения показывают, что разность потенциалов между поверхностью Земли и верхним краем атмосферы равна примерно 400 кВ.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?

Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над Землей существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемых ионосферой . Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, т. е. фактически силовые линии земного электричества идут от ионосферы к поверхности Земли, как в сферическом конденсаторе, обкладками которого являются концентрические сферы.

Под действием электрического поля в атмосфере к Земле идет ток проводимости. Через каждый квадратный метр атмосферы перпендикулярно к земной поверхности в среднем проходит ток силой I ~ 10 –12 А (j ~ 10 –12 А/м 2). На всю поверхность Земли приходится ток силой примерно 1,8 кА. При такой силе тока отрицательный заряд Земли должен был бы исчезнуть в течение нескольких минут, однако этого не происходит. Благодаря процессам, идущим в земной атмосфере и вне ее, заряд Земли остается в среднем неизменным. Следовательно, существует механизм непрерывной электризации нашей планеты, приводящий к появлению у нее отрицательного заряда. Что же является такими атмосферными «генераторами», заряжающими Землю? Это дожди, метели, песчаные бури, торнадо, извержение вулканов, разбрызгивание воды водопадами и прибоем, пар и дым промышленных объектов и т.д. Но наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Как правило, облака в верхней части заряжены положительно, а в нижней части - отрицательно.

Тщательные исследования показали, что сила тока в атмосфере Земли максимальна в 19 00 и минимальна в 4 00 по Гринвичу.

Молнии

Долгое время считалось, что около 1800 гроз, одновременно происходящих на Земле, дают ток силой ~ 2 кА, который компенсирует потери отрицательного заряда Земли за счет токов проводимости в зонах «хорошей» погоды. Однако оказалось, что ток гроз значительно меньше указанного и необходимо учитывать процессы конвекции по всей поверхности Земли.

В зонах, где напряженность поля и плотность объемных зарядов наибольшие, могут зарождаться молнии. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между облаком и Землей или между соседними облаками. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи силой от 3 кА до 200 кА.

Выделяют два класса линейных молний: наземные (ударяющие в Землю) и внутри- облачные. Средняя длина молниевых разрядов обычно составляет несколько километров, но иногда внутриоблачные молнии достигают 50-150 км.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами, имеющимися в небольшом количестве. Под действием электрического поля электроны приобретают значительные скорости по направлению к Земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов - стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии . По мере продвижения лидера к Земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Если не дать возникнуть стримеру (рис. 126), то удар молнии будет предотвращен. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода (рис. 127).

Обычное явление - многоканальные молнии. Они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов (рис. 128).

Рис. 128. Многоканальная молния

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом.

Разряды молний сопровождаются видимым электромагнитным излучением. При нарастании силы тока в канале молнии происходит повышение температуры до 10 4 К. Изменение давления в канале молнии при изменении силы тока и прекращение разряда вызывает звуковые явления, называемые громом.

Грозы с молниями происходят практически по всей планете, за исключением ее полюсов и засушливых районов.

Таким образом, систему «Земля - атмосфера» можно считать непрерывно работающей электрофорной машиной, осуществляющей электризацию поверхности планеты и ионосферы.

Молнии издавна являлись для человека символом «небесного могущества» и источником опасности. С выяснением природы электричества человек научился защищаться от этого опасного атмосферного явления с помощью молниеотвода.

Первый в России молниеотвод был сооружен в 1856 г. над Петропавловским собором в Санкт-Петербурге после того, как молния дважды ударила в шпиль и подожгла собор.

Мы с вами живем в постоянном электрическом поле значительной напряженности (рис. 129). И, казалось бы, между макушкой и пятками человека должна существовать разность потенциалов ~ 200 В. Почему же при этом по телу не проходит электрический ток? Это объясняется тем, что тело человека является хорошим проводником, и вследствие этого некоторый заряд с поверхности Земли переходит на него. В результате поле вокруг каждого из нас изменяется (рис. 130) и наш потенциал становится равным потенциалу Земли.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2008. - С. 142-145.

Глобальный конденсатор

В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.

Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).

Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.

А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли , которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.

Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.

Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.

Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.

Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.

Проводник в электрическом поле

Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.

Так работают законы электростатики.

Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.

Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)

Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.

Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?

Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.

На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.

Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?

Конструкция эмиттера

Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.

При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.

Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.

Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.

Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.

В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.

Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.

Первый вариант исполнения эмиттера

Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.

Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.

В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.

Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.

Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.

Второй вариант исполнения эмиттера

На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.

Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.

В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.

Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.

При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.

На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.

Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.

Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.

Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.

Четвертый вариант исполнения эмиттера

Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.

В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.

Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)

И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.

Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.

Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.

Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.

Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.

Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.

Выводы

В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.

Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!

Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.

На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.

Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.

Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.

Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.

В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.

Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.

Курилов Юрий Михайлович