Електричне поле Землі - Джерело енергії
У природі існує абсолютно унікальний альтернативне джерело енергії, екологічно чистий, поновлюваний, простий у використанні, який до цих пір ніде не використовується. Джерело цей - атмосферне електричний потенціал.
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.
Провідник в електричному полі
Встановимо на поверхні Землі металеву щоглу і заземлені її. Зовнішнє електричне поле моментально почне рухати негативні заряди (електрони провідності) вгору, до верхівки щогли, створюючи там надлишок негативних зарядів. А надлишок негативних зарядів на верхівці щогли створить своє електричне поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю. Настає момент, коли ці поля зрівняються по величині, і рух електронів припиняється. Це означає, що в провіднику, з якого зроблена щогла, електричне поле дорівнює нулю.
Так працюють закони електростатики.
Тепер неважко підрахувати різницю потенціалів між Землею і верхівкою щогли, наведену зовнішнім електричним полем (Рис.2.).
Покладемо висота щогли h = 100 м. Середня напруженість по висоті щогли Еср. = 100 В / м.
Тоді різниця потенціалів (ЕРС) між Землею і верхівкою щогли буде чисельно дорівнює: U = h * Eср. = 100 м * 100 В / м = 10 000 вольт. (1)
Це - абсолютно реальна різниця потенціалів, яку можна виміряти. Правда, звичайним вольтметром з проводами виміряти її не вдасться - в проводах виникне така сама е.р.с. як і в щоглі, і вольтметр покаже 0. Ця різниця потенціалів спрямована протилежно вектору напруженості Е електричного поля Землі і прагне виштовхнути електрони провідності з верхівки щогли вгору, в атмосферу. Але цього не відбувається, електрони не можуть покинути провідник. У електронів недостатньо енергії для того, щоб покинути провідник, з якого зроблена щогла. 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 щогли покинути цей провідник?
Відповідь проста: негативний заряд на верхівці щогли зменшиться, зовнішнє електричне поле всередині щогли вже не буде скомпенсировано і почне знову рухати електрони провідності вгору до верхнього кінця щогли. Значить, по щоглі потече струм. І якщо нам вдасться постійно видаляти надлишкові заряди з верхівки щогли, в ній постійно буде текти струм. Тепер нам досить розрізати щоглу в будь-якому, зручному нам місці і включити туди навантаження (споживач енергії) - і електростанція готова.
На рис.3 показана принципова схема такої електростанції. Під дією електричного поля Землі електрони провідності з землі рухаються по щоглі через навантаження і далі вгору по щоглі до емітера, який звільняє їх з поверхні металу верхівки щогли 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 своєму 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 верхівки щогли?
Найпростішим емітером може служити плоский диск з листового металу з безліччю голок, розташованих по його окружності. Він "насаджений" на вертикальну вісь і приведений в обертання.
При обертанні диска набігає вологе повітря зриває електрони з його голок і таким чином звільняє їх з металу.
Електростанція з подібним емітером вже існує. Правда, її енергію ніхто не використовує, з нею борються.
Це - вертоліт, який несе на довгому металевому стропі металеву конструкцію при монтажі високих будівель. Тут є все елементи електростанції, зображеної на рис.3, за винятком споживача енергії (навантаження). Емітером є лопаті гвинтів вертольота, які обдуваються потоком вологого повітря, щоглою служить довгий сталевий строп з металевою конструкцією. І робітники, які встановлюють цю конструкцію на місце, прекрасно знають, що торкатися до неї голими руками не можна - "вдарить струмом". І дейсвительно, вони в цей момент стають навантаженням в ланцюзі електростанції.
Безумовно, можливі і інші конструкції емітерів, більш ефективні, складні, засновані на різних принципах і фізичних ефектах см. Рис. 4-5.
Емітера в вигляді готового виробу зараз не існує. Кожен зацікавлений в цій ідеї змушений самостійно сконструювати собі свій емітер.
Найбільш перспективними представляються наступні конструкції емітерів.
Перший варіант виконання емітера
Молекула води має добре виражену полярність і може легко захопити вільний електрон. Якщо обдувати парою заряджену негативно металеву пластину, то пар буде захоплювати з поверхні пластини вільні електрони й переносити їх з собою. Емітер є щілинне сопло, уздовж якого поміщений ізольований електрод А і на який подається позитивний потенціал від джерела І. Електрод А і гострі краї сопла утворюють невелику заряджену ємність. Вільні електрони збираються на гострих краях сопла під впливом позитивного ізольованого електроду А. проходить через сопло пар зриває електрони з країв сопла і забирає їх у атмосферу. На рис. 4 зображено поздовжній перетин цієї конструкції. Оскільки електрод А ізольований від зовнішнього середовища, струму в ланцюзі джерела е.р.с. немає. І цей електрод потрібен тут тільки для того, щоб разом з гострими краями сопла створити в цьому проміжку сильне електричне поле і концентрувати електрони провідності на краях сопла. Таким чином, електрод А з позитивним потенціалом є свого роду активує електродом. Змінюючи на ньому потенціал, можна домогтися потрібної величини сили струму емітера.
Виникає дуже важливе питання - скільки пара потрібно подавати через сопло і чи не вийде так, що всю енергію станції доведеться витратити на перетворення води на пару? Проведемо невеликий підрахунок.
В одній граммолекуле води (18 мл) міститься 6,02 * 1023 молекул води (число Авогадро). Заряд одного електрона дорівнює 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемноживши ці величини, отримаємо, що на 18 мл води можна розмістити 96 000 кулони електричного заряду, а на 1 літрі води - більше 5 000 000 Кулон. А це означає, що при струмі 100 А одного літра води вистачить для роботи установки протягом 14 годин. Для перетворення в пар такої кількості води буде потрібно зовсім невеликий відсоток виробленої енергії.
Звичайно, причепити до кожної молекулі води електрон - завдання навряд чи здійсненне, але ми тут визначили межу, до якого можна постійно наближатися, удосконалюючи конструкцію пристрою і технології.
Крім того, розрахунки показують, що енергетично вигідніше продувати через сопло не пара, а вологе повітря, регулюючи його вологість в потрібних межах.
Другий варіант виконання емітера
На вершині щогли встановлений металевий посуд з водою. Посудина з'єднаний з металом щогли надійним контактом. В середині судини встановлена скляна капілярна трубка. Рівень води в трубці вище, ніж в посудині. Це створює електростатичний ефект вістря - у верхній частині капілярної трубки створюється максимальна концентрація зарядів і максимальна напруженість електричного поля.
Під дією електричного поля вода в капілярної трубці підніметься і буде розпорошуватися на дрібні крапельки, несучи з собою негативний заряд. При певній невеликій силі струму вода в капілярної трубці закипить, і вже пар буде нести заряди. А це повинно збільшити струм емітера.
В такому посудині можна встановити кілька капілярних трубок. Скільки буде потрібно води - розрахунки см. Вище.
Третій варіант виконання емітера. Іскровий емітер.
При пробої іскрового проміжку разом з іскрою з металу вискакує хмара електронів провідності.
На рис.5 показана принципова схема іскрового емітера. Від генератора високовольтних імпульсів негативні імпульси надходять на щоглу, позитивні - на на електрод, який утворює іскровий проміжок з верхівкою щогли. Виходить щось подібне автомобільної свічки запалення, але по влаштуванню значно простіше.
Генератор високовольтних імпульсів принципово мало чим відрізняється від звичайної побутової газової запальнички китайського виробництва з живленням від однієї пальчикової батарейки.
Головна перевага такого пристрою - можливість регулювати струм емітера за допомогою частоти розрядів, величини іскрового проміжку, можна зробити кілька іскрових проміжків і пр.
Генератор імпульсів можна встановити в будь-якому зручному місці, зовсім не обов'язково на верхівці щогли.
Але існує один недолік - іскрові розряди створюють радіоперешкоди. Тому верхівку щогли з іскровими проміжками потрібно екранувати циліндричної сіткою, обов'язково ізольованою від щогли.
Четвертий варіант виконання емітера
Ще одна можливість - створити емітер на принципі прямої емісії електронів з матеріалу емітера. Для цього потрібен матеріал з дуже низькою роботою виходу електрона. Такі матеріали існують давно, наприклад, паста з оксиду барію-0,99 ев. Можливо, зараз є щось краще.
В ідеалі це має бути комнатнотемпературний надпровідник (КТСП), яких поки не існує в природі. Але за різними повідомленнями він повинен скоро з'явитися. Тут вся надія на нанотехнології.
Досить помістити на верхівку щогли шматок КТСП - і емітер готовий. Проходячи по надпровідники, електрон не зустрічає опору і дуже швидко набуває енергію, необхідну для виходу з металу (близько 5 ев.)
І ще одне важливе зауваження. За законами електростатики іапряженность електричного поля Землі найбільш висока на височинах - на вершинах пагорбів, сопок, гір і т. П. У низинах, впадинах і поглибленнях вона мінімальна. Тому такі пристрої краще будувати на найвищих місцях і подалі від високих будівель або ж встановлювати їх на дахах найвищих будівель.
Ще хороша ідея - підняти провідник за допомогою аеростата. Емітер, звичайно, потрібно встановлювати на верху аеростата. В такому випадку можна отримати досить великий потенціал для мимовільної емісії електронів з металу, надавши йому форму отрія, і, отже, ніяких складних емітерів в цьому випадку не буде потрібно.
Існує ще одна хороша можливість отримати емітер. У промисловості застосовується електростатична фарбування металу. Розпорошена фарба, вилітаючи з розпилювача, несе на собі електричний заряд, в силу чого і осідає на офарблює метал, на який подається заряд протилежного знака. Технологія відпрацьована.
Такий пристрій, яке заряджає розпорошену фарбу, як раз і є справжнім емітером ел. зарядів. Залишається тільки пристосувати його до описаної вище установці і замінити фарбу водою, якщо виникне необходімомть в воді.
Цілком можливо, що вологи, завжди міститься в повітрі, буде досить для роботи емітера.
Не виключено, що в промисловості існують і інші подібні пристрої, які легко можна перетворити в емітер.
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. Це і звичайні конвективні висхідні потоки, які несуть негативні заряди в хмари, це і смерчі (торнадо). які тягнуть до землі сильно заряджену позитивними зарядами хмарну масу, це і висхідні потоки повітря у внутрішньотропічній зоні конвергенції, які забирають величезну кількість негативних зарядів у верхні шари тропосфери. І такі струми досягають дуже великих значень.
Якщо ми створимо досить ефективний емітер, який зможе звільняти з верхівки щогли (або декількох щогл), покладемо, 100 кулонів зарядів в секунду (100 ампер.), То потужність побудованої нами електростанції (См.уравненіе 1) буде дорівнює 1000 000 ват або 1 мегават. Цілком гідна потужність!
Така установка незамінна у віддалених поселеннях, на метеостанціях і інших віддалених від цивілізації місцях.
• З вищесказаного можна зробити наступні висновки:
• Джерело енергії є виключно простим і зручним у використанні.
• На виході отримуємо найзручніший вид енергії - електроенергію.
• Джерело екологічно чистий: ніяких викидів, ніякого шуму і т.п.
• Установка виключно 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 20% 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.