Все різноманіття електричних явищ, що відбуваються в атмосфері Землі, дає, що отримала найбільшу поширене в цей час, теорія Пельтьє-Екснера. Відповідно до цієї теорії, земну кулю містить великий надлишок негативної електрики, яким заряджені і всі предмети, що знаходяться на ньому. Звідси випливає, що електричне поле, що оточує Землю, має мати негативний потенціал, поступово зменшується в міру віддалення вгору від поверхні. Якщо прийняти потенціал на поверхні Землі рівним нулю, то в атмосфері буде поступово зростаючий позитивний заряд, що дійсно і спостерігається у високих шарах атмосфери. У шарах ж, близьких до поверхні Землі постійно присутні в атмосфері пари води і пил, наелектризовані негативно, повинні зменшувати напруженість поля і порушувати правильність його розподілу. Відповідно до цієї теорії добовий і річний хід атмосферної електрики залежить від кількості пара, що перебуває в атмосфері. Слід зазначити, що до недавнього часу атмосферне повітря вважалося дуже хорошим діелектриком, і тільки роботи новітнього часу показали, що повітря при деяких особливих умовах стає провідним (при нагріванні, при розріджування, під дією іонізуючого випромінювання та т.д.). Електричні струми повітря часом досягають і в середніх широтах значної сили, особливо вони великі в полярних країнах. В кінці вісімдесятих років минулого століття було відкрито і вивчено явище електроактінічності. Це явище полягає в тому, що під впливом ультрафіолетових променів провідник, заряджений негативною електрикою, швидко втрачає свій заряд. У атмосферні явища це проявляється в тому, що дія ультрафіолетових променів, які знаходяться в
Мал. 20.1. Атмосфера замлі, як діелектрик сферичного конденсатора.
сонячному спектрі, сприяє переходу негативного заряду Землі в атмосферу. Дослідження показали, що актинічний радіація має річний і добовий хід, зворотний ходу потенціалу, як це і було очікувано. У термінах статичної електрики, наша планета 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. На Рис. 1.20. Умовно показаний такий сферичний конденсатор.
Напруженість електричного поля нашої планети становить біля поверхні приблизно 130 г / м. З висотою напруженість цього поля падає. На висоті 10 км значення напруженості поля становить близько 3% від його значення у поверхні Землі. 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. Щоб скористатися енергією цього зарядженого конденсатора, потрібно підключити до нього споживач енергії. Для підключення до негативного полюса - Землі досить зробити надійне заземлення. Підключення до позитивного полюса генератора - до іоносфери - є складним технічним завданням, рішенням якої займаються багато дослідників. Один з проектів по використанню енергії атмосферної електрики полягав в наступному. На поверхні Землі встановлюється металева щогла з хорошим заземленням. Конструкція такого пристрою показано на Рис. 20.2. При висоті щогли h = l 00 метрів, різниця потенціалів між Землею і верхівкою щогли буде чисельно дорівнює приблизно 10 000 вольт. Під впливом зовнішнього електричного поля негативні заряди (електрони) починають рухатися 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. Однак, якщо видаляти електрони з вершини щогли, то електричне поле всередині щогли НЕ БУДЕ компенсовані в ній постійно буде текти струм.
У цьому випадку досить розрізати щоглу в будь-якому місці і включити туди навантаження. Для видалення надлишкових електронів передбачалося кілька способів. Один з таких способів грунтується в наступному, якщо обдувати потоком пара заряджену негативно металеву пластину, то пара буде захоплювати з поверхні пластини частина вільних електронів і нести їх з собою. Пропонована конструкція показано на Рис. 20.3. На цьому Рис. З - струмінь пара; Е - джерело напруги; А - іонізуючий ізольований електрод. Емітер є щілинний сопло, на якому вміщено ізольований електрод А. На цей електрод подається позитивний потенціал від джерела Е. проходить через сопло пари, зриває електрони з країв сопла і несе їх в атмосферу. Таким чином, електрод А, з позитивним потенціалом на ньому свого роду електродом активує Змінюючи потенціал в цьому електроді, можна домогтися потрібної величини сили струму емітера. На Рис. 4.20. Показана принципова схема іншого емітера. На цьому Рис. 1 - верхівка щогли; 2 - генератор високовольтних імпульсів; 3 - іскровий проміжок. Цей емітер заснований на отриманні іскрового розряду. Від генератора високовольтних імпульсів негативні імпульси подаються на щоглу, а позитивні - подаються на електрод, який утворює іскровий проміжок з верхівкою щогли. Головна перевага такого пристрою - можливість регулювати струм емітера за допомогою частоти розрядів, величини іскрового проміжку.
Мал. 20.2. Різниця потенціалів між землею і верхівкою щогли
Мал. 20.3. Один з варіантів емітера.
Але існує один недолік - іскрові розряди створюють радіоперешкоди. Тому верхівку щогли з іскровими проміжками потрібно екранувати циліндричної сіткою, обов'язково ізольованою від щогли. Емітер може бути побудований також на базі високовольтного генератора невеликої потужності, який здатний створити коронний розряд навколо випромінюючого електрода на верхівці провідника. Такі високовольтні Генератори використовуються в промисловості в дімовловлювачах, іонізатори повітря, установках для електростатичного фарбування металів і різних побутових приладах.
Генератор створює навколо випромінювача коронний або кистьовий розряд. Такий розряд є провідним плазмовим каналом, по якому електрони провідності вільно йдуть в атмосферу вже під дією електричного поля Землі. На Рис. 20.5. Показано пристрій електростанції, що використовує атмосферну електрику. Існують і інші проекти. Як приклад можна привести електростатичний генератор Єфименко. У його установці циліндричний ротор обертається в потенційному електричному полі, створюючи за допомогою звичайного динамо потужність близько 70 Вт. Джерелом поля (я 6000 В) служить електричне поле Землі, для чого установка має антену і заземлення. Дослідження Фернандо Галембек (Fernando Galembeck), представлене на 240-й зустрічі Американського хімічного товариства (ACS), присвячене питанням формування електричних зарядів в атмосфері. Практичним застосуванням отриманих результатів, за словами вченого, могла б стати утилізація атмосферної електрики. Атмосферний електрику утворюється, зокрема, коли водяна пара конденсується на частинках пилу, зважених в повітрі. Але, за словами Галембек, вчені до цих пір не мають достатніх знань про процеси формування заряду і його "життєвому циклі", який іноді закінчується спалахом блискавки. Раніше вважалося, що краплі
Мал. 20.4. Схема іскрового емітера
Мал. 20.5. Пристрій електростанції, що використовує атмосферну електрику.
води в атмосфері залишаються електрично нейтральними навіть після контакту з зарядженими частинками пилу і інших рідин. Однак нові дані свідчать, що це не так.
Галембек і його колеги експериментально підтвердили ідею про те, що насправді частки води в атмосфері є носіями електричного заряду. Дослідники використовували частки кремнезему і фосфату алюмінію, які часто містяться в повітрі у вигляді пилу, щоб змоделювати контакт частинок води і зважених речовин. Виявилося, що при підвищеній вологості кремній набуває більшої негативний заряд, а фосфат алюмінію - більший позитивний заряд, ніж в сухій атмосфері. "Вода в атмосфері може виступати в ролі носія електричного заряду і передавати його іншій речовин, з якими вступає в контакт", - пояснює Галембек. Ми називаємо це "гігрострум" В майбутньому буде можливо створити колектори, які збирають гігрострум і направляють його на потреби офісів і житлових будинків. Подібно до того, як сонячні батареї найкращим працюють в районах з переважно ясною погодою, "грозові батареї" будуть ефективні у вологих регіонах, наприклад, в тропіках. Група Галембек тестує різні матеріали для виявлення тих з них. які можна буде використовувати з найбільшою ефективністю для утилізації атмосферної електрики. Однак, за словами вченого, до практичної реалізації ідеї пристрої, збирає гігрострум, ще далеко. Вченими з науково-дослідного інституту електрифікації сільського хозяйстваУкаіни вдалося перетворити енергію статичної електрики в електроенергію, яка використовується нами повсякденно. Основою для цього служить люстра Чижевського, яка генерує статичну електрику за рахунок іонізації повітря. В результаті досліджень, проведених в лабораторії інституту, була розроблений пристрій, який служить перетворювачем, що акумулюють потік енергії, що виходить ВІЛ люстри. Отриманий потік по дротах перенаправляється в розроблений блок і на виході виходить електрику напругою близько 40 вольт. За заявою вчених їх НДІ електрифікації сільського господарства, можна отримати напруга і більше. Для цього необхідно з кулі, підвішеного над землею, знімати статичну електрику, яке згодом, розроблений прилад перетворює в звичайну електрику.
В одному з проектів системи для використання атмосферної електрики, для підвищення ефективності пропонується використовувати куполоподібні трібоелементи, які додатково електризуються під впливом дощу, хуртовини чи снігопаду. (Трібо - від грецького слова - тертя, трібоелемент - пристрій, який електризується за рахунок механічного тертя, ступінь електризації тим більше, чим більше поверхня взаємодіючих тіл). Це пропонований пристрій містить кілька вертикально орієнтованих і з'єднаних між собою кулолообразніх елементів, до крайки нижнього з яких приєднаний голчастий електрод розрядника, а інший його електрод виконаний у вигляді заземленого металевого диска. Конструкція цієї системи сказане на Рис. 20.6. На цьому Рис. 1 - приймальна хрестоподібна антена; 2 - куполоподібні трібоелементи; 3 - голчастий електрод розрядника; 4 - корпус; 5 - заземлений металевий диск. Камера конденсатора виконана у вигляді тіла обертання з конічною верхньою частиною. Корпус виготовлений з діелектричного матеріалу. На вершині корпусу розміщена нижня металева Террела - трібоелемент, що довгий металевий "ніс", на якому жорстко закріплені послідовно (за допомогою металевого "ніс") з'єднані між собою трібоелементи, порожнини яких і камери повідомленні. На верхньому трібоелементі закріплена хрестоподібна антена. Від кромки нижнього трібоелементу вертикально опускається голка. На підставі камери розташований нижній дискообразний металевий електрод мас заземлення. Пристрій працює наступним чином Террела-трібоелементи, розташовані вертикально і з'єднані з антеною хрестоподібної форми.
Мал. 20.6. Установка з трибо елементами.
На Рис. 20.7. Показано окремий пристрій для акумуляції атмосферної електрики. На цьому Рис. 1 - приймач; 2 - ізолятор; 3 - високовольтний кабель; 4 - щогла; 5 - відтягнення щогли; 6 - перетворювач напруги; 7 - відведення до споживача. На Рис. 8.20. Показано пристрій проектованої енергетичної станції, що складається з декількох пристроїв для акумуляції атмосферної електрики.
Спосіб акумулювання атмосферної електроенергії за допомогою літальних апаратів. Цей спосіб реалізується за допомогою запуску літального апарату і передачі електроенергії через провідний канал, електрично пов'язаний з накопичувачем електроенергії. Як літального апарату пропонується використовувати аеростат. Цей аеростат міститься в електропровідну оболонку сферичної форми і утримується на висоті найбільшої кількості атмосферно?
Мал. 20.7. Пристрій для акумуляції атмосферної електрики.
Мал. 20.8. Пристрій енергетичної станції для акумуляції атмосферної електрики.
електроенергії, за допомогою троса з діелектричного матеріалу. Значення необхідної висоти визначається показанням амперметра. Як накопичувач електроенергії використовується ємнісний накопичувач. Електроенергія, акумульована електропровідною поверхнею оболонки аеростата, передається на ємнісний накопичувач за допомогою електропроводи. Слід зазначити, що вперше досліди з акумуляцією атмосферної електроенергії були виконані в 1921 році. Герман Плаусон, в Фінляндії провів експерименти з аеростатами, виготовленими з тонких листів магнієво-алюмінієвого сплаву, покритого дуже гострими, електролітичним способом виготовленими голками. На Рис. 20.9. Показано, розроблене ним пристрій з двома аеростатами. На цьому Рис. 1 - аеростати; 2 - металева сітка; 3 - металеві троси; 4 -дерев'яна вежа; 5 - накопичені електроенергії. Плаусон отримав потужність 0,72 кВт від одного аеростата і 3,4 кВт від двох, піднятих на висоту всього лише 300 м. На свої пристрої він в 1922-24х роках отримав патенти США, Великобританії та Німеччини. В даний час є багато проектів з використанням аеростатів. Один з таких проектів полягає в запуску в атмосферу групи аеростатів, здатних залучати електрику. Ці аеростати з'єднуються електропроводами, які також закріплюють аеростати кулі на землі в резервуарах, що містять розчин води і електроліту. Якщо така група аеростатів підніметься досить високо, до нижніх іонізованих шарів атмосфери, постійний електричний струм потече по проведенню через розчинений електроліт, призведе до розкладання води на водень і кисень. Далі ці гази можна буде зібрати так само, як в будь-якому іншому електролітичному пристрою. На початку 60-х років XX століття був висунутий проект використання "електричних течій", виявлених у верхніх шарах атмосфери. Відповідно до цього проекту, на вершині гори встановлюються потужні пальники. В паливо додаються іонізуючі речовини, наприклад з'єднання калію. При цьому виникає високий стовп іонізованого газу - хорошого провідника електрики. Над пальниками встановлюється мідна сітка з великими вічками, закріплена на ізоляторах. Вся конструкція заземлюється.
Мал. 20.9. Перші експерименти по акумуляції атмосферної електрики
Але, з міркувань екології, в даний час цей проект не реалізований. Сьогодні іонний канал можна створити і іншим способом. Наприклад, за допомогою спрямованого джерела радіоактивного випромінювання - такі ідеї пропонувалися, і більш того, громовідводи такої конструкції використовувалися для грозового захисту об'єктів особливої важливості. Однак, ізотопні громовідводи, хоча і здатні ініціювати розряд блискавки, проблеми стабільності б передбачуваності розрядів не вирішують. Тим часом, рішення проблеми, як здається, немає. Спосіб полягає в попередньому скануванні грозової хмари лазерним променем невеликої потужності з метою виявлення області найбільшої напруженості електростатичного поля. Після сканування лазер орієнтується в цю область. Потужний лазерний промінь, що проходить через отвір в струмоприймачі, створює плазмовий канал між хмарою і землею, по яких направлено електричний струм. Заряд хмар стікає по плазмовому каналу на пантограф і передається по струмопроводу в накопичувач енергії. Крім іншого, така установка дозволить також добре виконувати блискавка-захисну функцію для різних об'єктів без використання небезпечних високоактивних матеріалів.