Читать книгу Древние и не совсем древние технологии для извлечения атмосферного электричества и пьезоэлектричества - Александр Матанцев - Страница 7

Чарлз Томсон Риз Вильсон, шотландский физик, далее заслуженный лауреат Нобелевской и других значимых премий в 1895 году [109] дал наилучшую характеристику атмосферному электричеству: «Земля и ионосфера выполняют функцию обкладок конденсатора, заряжаемых грозовыми облаками. В атмосфере происходит процесс ионной конденсации. Атмосфера выполняет функции конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Таким образом происходит электризация облаков».

Напряженность электрического поля в воздухе Е связана с напряжением U по формуле Е = U/d, где d – расстояние, или U = Ed

Работа А = q₀Ed, где q₀ – заряд

Напряженность электрического поля в данной точке Е равна силе, действующей на заряд q:

Е = F/q

Напряженность электрического поля направлена в сторону уменьшения потенциала.

Летом 1753 года Рихман и Ломоносов поставили уникальный эксперимент, который показал, что электрическая сила может проявляться и без грома, и что гром и молния не являются причиной электрической силы, проявляемой в воздухе, а наоборот, электрическая сила сама есть причиной молнии и грома. Ученые устроили публичную пальбу из батареи пушек так, что гром сотрясал небо, однако электрический указатель ничего при этом не показывал. Так и было доказано, что искусственный гром электрической силы точно не создает.

Выводы послужили для создания Ломоносовым основы для первой теории атмосферного электричества. Как утверждал Ломоносов, электричество в атмосфере возникает от трения частичек пыли и других частичек, взвешенных в воздухе, с мелкими капельками воды, происходящего во время вертикальных движений потоков воздуха. Он отмечал, что вертикальные нисходящие и восходящие потоки являются причиной многих явлений, а не только грома и молнии. Электризация, по мнению Ломоносова, происходит следующим образом: теплый воздух устремляется ввысь, неся с собой «жирные и горючие пары» вместе с иными примесями, содержащимися в воздухе. Частицы паров Ломоносов называл «шаричками». «Шарички», по его словам, обладают свойствами близкими к твердому телу, и поэтому не могут смешиваться с частичками воды (с каплями дождя), которые встречаются им на пути. Результатом трения между «шаричками» и частичками воды является возникновение электрических зарядов на тех и на других. По словам Ломоносова, этот заряд распространяется по облаку и занимает все.

Ломоносов считал, что электричество – форма движения эфира. Он отмечал, что электрическое действие вызывается легким трением и состоит в силах отталкивания и притяжения, а также участвует в процессах, связанных со светом и огнем. Теория электричества Ломоносова, связанная с движением эфира, была передовой для того времени, и получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера. Ее придерживался Фарадей, считая электричество именно движением упругой среды, заполняющей все пространство и пронизывающей все тела. Ломоносов изготовил специальный прибор для регистрации силы грозового разряда. После экспериментов с ним он пришел к однозначному выводу о целесообразности использования громоотводов, чтобы молния ударяла именно в них, а не туда, где могут пострадать люди. Вопреки мнению Франклина, Ломоносов отметил важность заземления громоотвода. В своей диссертации «Теория электричества, разработанная математическим способом» Ломоносов, так же, как и Эйлер, отрицает особую «электрическую материю» и объясняет электрические явления, пользуясь эфирной гипотезой. Таким образом, Эйлер приписывал эфиру добавочную потенциальную энергию, обусловленную его упругой деформацией, а Ломоносов – добавочную кинетическую энергию, обусловленную вращением частиц эфира. Но обе теории сводили электрические явления не к специфическим субстанциям, а к специфическим формам движения, что получило своё дальнейшее развитие в XIX в., в частности, в работах Фарадея. При этом Ломоносова можно считать предшественником Фарадея ещё и потому, что он, как в немалой степени и Эйлер, стремился свести электрические, световые и, отчасти, тепловые явления к свойствам одной и той же субстанции – эфира.

Рис. 6

Рис. 6. Получение атмосферного электричества на старых фотографиях [129]

На рис. 6. показан случай получения атмосферного электричества по старым фотографиям. Здесь исследование атмосферного электричества проводилось в нормальных облачных условиях, но не во время грозы. Обозначение: GF – это лебедка для подъема и опускания воздушного змея

Фундаментальная связь грозовых явлений с электричеством, впервые доказанная в опытах М. В. Ломоносова, Г. В. Рихмана и Б. Франклина, за два с половиной века была надежно подтверждена многочисленными исследованиями геофизиков, метеорологов, специалистов по грозозащите. Однако качественный скачок в совершенствовании методов наблюдений в последние два десятилетия привел к неожиданным открытиям в изучении грозовых облаков, молнии, глобальной атмосферной электрической цепи. Похоже, что переживаемый сейчас всплеск интереса к проблемам атмосферного электричества заставит взглянуть по-иному на механизмы формирования электрического поля и его роль в динамике атмосферы и ионосферы Земли. Много сделал для раскрытия свойств атмосферного электричества Никола Тесла.

В июне 1900 года вышла статья Николы Теслы «Проблема увеличения энергии человечества» [140]. В ней очень подробно изложены взгляды ученого на возможность использования энергии окружающей среды, а именно – атмосферного электричества [140]. Вот интересный фрагмент из его работы: «Электричество, образующееся естественным путем, является еще одним источником энергии, который может стать доступным. В разрядах молнии содержится огромное количество электрической энергии, которую мы могли бы использовать путем ее преобразования и аккумуляции. Несколько лет тому назад я опубликовал описание метода преобразования электричества, который представляет первую часть задачи по аккумулированию энергии разряда молнии, хотя осуществить это будет трудно. Кроме того, известно, что электрические токи постоянно циркулируют сквозь землю, и между землей и каким-либо воздушным слоем существует разность электрических напряжений, которая изменяется пропорционально высоте. В ходе недавних экспериментов я, в этой связи, открыл два новых важных явления. Одно из них состоит в том, что в проводе, один конец которого заземлен, а другой уходит высоко вверх, возникает ток, что происходит либо благодаря вращению Земли вокруг своей оси, либо благодаря ее поступательному движению. Однако еще нет уверенности в том, что ток станет постоянно проходить по проводу до тех пор, пока электричеству не будет создана возможность просачиваться в воздух. Его истекание в большой степени облегчится, если поднятый конец провода подсоединить к терминалу с большой поверхностью и множеством острых граней и шипов. Так мы сможем получать постоянный приток электрической энергии, просто удерживая провод на высоте, но, к сожалению, количество электричества, которое может быть получено таким способом, мало.

Второе явление, установленное Теслой, заключалось в том, что верхние слои воздуха имеют постоянные электрические заряды, противоположные заряду Земли. Так, по крайней мере, он интерпретировал свои наблюдения, из которых следует, что Земля с ее внутренней изолирующей и верхней проводящей оболочками образует сильно заряженный электрический конденсатор, содержащий, по всей вероятности, огромное количество электрической энергии, которую можно обратить на пользу человеку, если иметь возможность поднять терминал на большую высоту.

Говоря о первой части задачи, Тесла имел в виду метод, подробно описанный в патенте №462418, полученном 3 ноября 1891 года (почти за 9 лет до публикации статьи).

Рис. 7

Рис. 7. Патент Николы Тесла на метод аккумулирования энергии [140]

В патенте описывается метод аккумулирования энергии источника в конденсаторе (рис. 7), который, затем, разряжается в рабочую цепь, содержащую преобразовательные устройства, которыми могут быть лампы, трансформаторы и т. п.

Работая над преобразователями высокой частоты, начиная с 1891 года, ученый разрабатывает множество видов преобразователей, а также тех или иных компонентов устройств.

24 февраля 1893 года, читая лекцию сотрудникам Института Франклина в Филадельфии, Тесла затронул следующий важный аспект: «Во-первых, очень важно было бы узнать, какова емкость Земли? И какой заряд она содержит при электризации? Хотя у нас нет положительных свидетельств тому, что рядом в пространстве есть другие тела, заряженные противоположным образом, вполне возможно, что Земля именно такое тело, ибо каков бы ни был процесс, результатом которого явилось отделение Земли – а именно таковы сегодня общепринятые взгляды на ее происхождение, – она должна была сохранить заряд, как это происходит во всех процессах механического деления. Если это заряженное тело, изолированное в пространстве, то его емкость должна быть крайне мала, менее одной тысячной фарады. Но верхние слои атмосферы – проводники, такой же может являться и среда за пределами атмосферы, а она может иметь противоположный заряд. Тогда емкость может быть несравнимо выше. В любом случае очень важно понять, какое количество электричества содержит Земля. Я предлагаю искать этот период при помощи электрического осциллятора, или источника переменного тока. Один из выводов, например, будет соединен с землей, или городским водопроводом, а другой с изолированным предметом больших размеров. Возможно, что верхние слои атмосферы или открытый космос, имеют противоположный заряд и вместе с Землей образуют конденсатор огромной емкости. В таком случае период колебаний может быть очень небольшим, и динамо-машина переменного тока могла бы отвечать целям эксперимента. Затем я бы преобразовал ток так, чтобы получить максимально возможный потенциал и соединил концы вторичной обмотки высокого напряжения с землей и изолированным телом. Варьируя частоту тока и тщательно выдерживая потенциал изолированного тела, а также наблюдая за возмущениями в различных соседних точках земной поверхности, можно обнаружить резонанс»

Работая со своими преобразователями, Тесла отметил, что у цепи, обладающей индуктивностью, вместе с распределенной емкостью, есть собственная резонансная частота. Иногда для получения необходимых параметров к катушке можно добавить параллельно конденсатор, однако, это не всегда удобно и целесообразно. В июле 1893 года Тесла подал заявку на получение патента и 9 января 1894 года, получил патент №512340 «Катушка для электромагнитов» – рис. 8.

Рис. 8

Рис. 8. Патент Никола Тесла. Однослойная катушка с двойной намоткой, где начало и конец соединены [140]

Эта катушка отличалась тем, что намотана двумя параллельными проводами, которые соединены последовательно так, что конец одного провода соединялся с началом второго. Это делалось для того, чтобы увеличить разность потенциалов между двумя соседними витками. Как известно, работающая на резонансной частоте катушка (с собственной межвитковой емкостью), может накапливать энергию пропорционально квадрату напряжения между двумя соседними витками.

Поэтому такая катушка во много раз превосходит катушку с однопроводной намоткой. Поясним этот момент: пусть катушка имеет 500 витков в один слой, при этом напряжение на ее концах 500 вольт, значит разность потенциалов между двумя соседними витками 1 вольт. Теперь рассмотрим намотку в два провода, когда 500 витков получены соединением двух катушек из 250 витков каждая, по схеме из патента. Разность теперь не 1 вольт, а 250 вольт. Значит такая катушка может запасать в 62500 раз больше энергии.

В патенте 568176 от 22 сентября 1896 года упоминается возможность обойтись без конденсатора, если сама первичная цепь обладает достаточной емкостью.

В период с 1899 по 1900 годы он использовал все свои практические наработки в лаборатории в Колорадо-Спрингс, где и проверил на практике свои идеи. Рабочий дневник ученого содержит подробное описание проделанной работы.

Стандартная схема использования атмосферного электричества показана на рис. 9.

Рис. 9

Рис. 9. Стандартная схема Николы Тесла на использование атмосферного электричества [140]

Когда выключатель замкнут (рис. 9), зарядная катушка накапливает энергию, затем происходит размыкание, энергия, накопленная в катушке, принимает форму высоковольтного импульса и устремляется в конденсатор, заряжая его, после этого вновь происходит замыкание, тогда энергия, накопленная в конденсаторе, начинает совершать высокочастотные колебания в цепи разряда в то время, как зарядная катушка вновь накапливает энергию от источника. Вторичная обмотка, настроенная в резонанс, находится в несильной индуктивной связи с первичной обмоткой, чтобы свободные колебания могли проявиться с максимальной силой.

Изучив все зависимости и свойства такой системы, Тесла 18 января 1902 года подал заявку на «Устройство для передачи электрической энергии», патент же был им получен только через 13 лет.

Это патент №1119732 от 1 декабря 1914 года – рис. 10

Рис. 10

Рис. 10. Патент Никола Тесла №1119732 [140]

Из патента №1119732:

«Первичную обмотку можно возбуждать любым способом от подходящего источника G, который может быть генератором переменного тока или конденсатором, причем основное требование заключается в установлении резонанса, то есть вывод D должен зарядиться до максимального напряжения цепи. Если передатчик имеет большую мощность, то настройку следует производить с особенной тщательностью, в целях экономии и безопасности. Я показал, что в резонирующей цепи наподобие EABB’D можно вызвать электричество огромной силы, измеряемой сотнями и тысячами лошадиных сил, целесообразно начинать настройку со слабых и низкочастотных вынуждающих колебаний, постепенно усиливая их и наращивая частоту, пока не удастся добиться полного контроля над аппаратом».

Становится ясно, что здесь воплощена идея Тесла, высказанная им во время выступления 24 февраля 1893 года о том, как необходимо взаимодействовать с электрическим зарядом Земли, а также способ правильной настройки, соответствующий идее. Отметим, что в патенте №787412, заявка на получение которого была подана 16 мая 1900 года, подробно описан принцип правильной настройки такой системы. Основы также описаны и в патенте №649621 от 15 мая 1900 года.

Новые способы получения дешевой энергии у многих ученых вызывают опасения из-за вмешательства в процессы атмосферы и ионосферы. Их влияние на возникновение и течение жизни на Земле изучено слабо, поэтому воздействие может пагубно отразиться на состоянии планеты.

Однако ученые считают, что технология атмосферного электричества тормозится умышленно. Более того, существует факт масштабного использования электричества из воздуха до 1917 года. Известно по старым литографиям и рисункам, о существовании электроэнергии даже в XVII веке.

Рис. 11

Рис. 11. Заряд ионосферы

Верхние слои атмосферы называют ионосферой не просто так – в ней очень много положительно заряженных частиц – ионов. Считается, что сама планета, в свою очередь, заряжена отрицательно. Отсюда и «заземление» – подключение отрицательного полюса в полярной электрической схеме к «земле».

Теперь, если представить нашу планету в виде сферического конденсатора, то получится, что он состоит из двух обкладок – положительно заряженной ионосферы (рис. 11) и отрицательно заряженной поверхности земли. Атмосфера играет роль изолятора. Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки этого «конденсатора». Но, несмотря на это, разность потенциалов между «обкладками» не уменьшается. Мы по-прежнему наблюдаем молнии, полярные сияния, да и ионов меньше не становится. Это значит, что существует некий генератор, который постоянно подзаряжает эту систему. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой, и солнечный ветер, ионизирующий верхние слои атмосферы. Если каким-либо способом подключить к этому генератору полезную нагрузку, мы получим практически вечный и бесплатный источник электроэнергии.

Разность потенциалов атмосферы и земной поверхности может достигать от сотен вольт до сотен тысяч вольт на разных высотах и в разное время года. Принципиальная схема «электростанции» в таком случае предельно проста: строим высокий столб-проводник (или поднимаем кабель аэростатом), хорошенько его заземляем и разрезаем у основания на нужной нам высоте. Верхняя часть столба будет иметь положительный заряд, нижняя отрицательный. При помощи трансформаторов снижаем напряжение до нужных нам величин, попутно увеличив силу тока. Включаем полезную нагрузку.

Но в этой простоте и кроется вся хитрость. Проблема 1: высота проводника. Считается, что напряженность электрического поля планеты наиболее сильна у поверхности, т.е. на высоте 100—150 м. Выше строить сложно, хотя всегда есть аэростаты. Проблема 2, она же главная: чтобы по нашему проводнику пошел ток, т.е. движение электронов от отрицательного полюса к положительному, этот самый положительный полюс там должен быть. А если мы просто построим заземленный металлический столб, то электрическое поле в лице атмосферы его обойдет, «приняв» за новую точку поверхности земли. Таким образом, электроны, которые должны были бы двигаться снизу, от заземленной поверхности по проводнику вверх, к положительно заряженным ионам в атмосфере, этого делать не будут потому, что не смогут покинуть верхнюю часть проводника. Они останутся «запертыми» в нем, чем и обеспечится нейтральный заряд всей системы. Грубо говоря, с металла (проводника) через воздух и в воздух ток просто так не проходит. Существуют векторы напряженности электрического поля. Векторы напряженности поля проводника направлены вверх, а векторы напряженности электрического поля атмосферы направлены вниз. Они встречаются в верхней точке проводника и складываясь, компенсируют друг друга. Общий заряд системы нейтрален, однако на кончике проводника сконцентрирована наибольшая напряженность электрического поля – рис. 12.

Ри с. 12

Рис. 12. Электрическое поле Земли (слева) и электрическое поле в верхней точке проводника (справа). Е1 – вектор напряженности электрического поля Земли, Е2 – вектор напряженности электрического поля проводника

Электроны не могут покинуть верхнюю точку проводника сами по себе, у них недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт, но даже ее пока взять неоткуда. А если помочь электронам покинуть проводник? Тогда все заработает – электроны будут подниматься вверх, захватываться электрическим полем и по проводнику пойдет ток. Нужно только постоянно помогать им в этом процессе. Весь фокус в устройстве, которое бы освобождало электроны из проводника в атмосферу и делало это постоянно. Получается, что нужен трансформатор – проводник электронов в атмосферу. И такое чудо есть – катушки Тесла. Если избыточные электроны направлять в атмосферу при помощи коронных разрядов, или плазменной дуги или еще чего-то такого же плазменного, электроны будут покидать поверхность проводника и переходить в атмосферу по воздуху, еще как.

Совсем упрощенно – коронным разрядом на верхушке столба мы соединим обкладки «конденсатора», плазменная дуга – тот самый проводник, которым можно соединить отрицательно заряженный металл заземленного проводника с положительно заряженной атмосферой; живой пример – молния, ударившая в громоотвод.