Подавляющему большинству людей не известно, что Земля обладает не только магнитным, но и электрическим полем. Сведения об этом поле, хотя и мелким шрифтом, приведены в Элементарном учебнике физики под редакцией Г.С. Ландсберга (10 издание, том 2, Москва, издательство "Наука”, 1984 год, стр.67). Но кто сейчас из поколения ЕГЭ интересуется такими книгами?
Экспериментальные исследования и соответствующие расчеты показали, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в 500.000 Кл. Этот отрицательный заряд компенсируется объемным положительным зарядом, находящимся в слое ионизованных молекул на высоте нескольких десятков километров над Землей. Напряженность поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли, где равняется приблизительно 150 В/м. С высотой она уменьшается примерно 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 и поэтому представляется очень интересным использовать его энергию.
Для этого можно взять металлический проводник, встроить в него полезную нагрузку, один конец заземлить, а другой приподнять над поверхностью. И это сработает! Электрическое поле Земли, в соответствие с законами электростатики, начнет двигать свободные электроны (т.е. генерируя ток) к верхней точке проводника. На нагрузке будет совершаться полезная работа, и мы с удовлетворением сможем увидеть, что созданное устройство работает очень эффективно, так как на генерацию тока затрачивается только бесплатная энергия электрического поля Земли.
Однако это счастье будет длиться лишь несколько миллионных долей секунды, после чего генерация тока прекратится. Это произойдет потому, что движение электронов создаст в верхней точке проводника избыточный заряд, потенциал которого равен по величине и противоположен по знаку потенциалу электрического поля Земли, на котором расположена верхняя точка этого проводника. Скопленные в верхней части электроны покинуть проводник не могут, так как они не обладают достаточной энергией для совершения работы выхода из него.
Весь этот процесс излагаю с позиции классической физики, которая определяет постоянный ток как направленное движение электронов, находящихся в свободном положении внутри кристаллической решётки проводника. Образующийся избыточный заряд, как установил выдающийся американский физик Ричард Фейнман, располагается только в узком слое у поверхности, толщиной в среднем в один – два атома (Фейнмановские лекции по физике, авторы Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, том "Электричество и магнетизм”, глава 5, параграф 9 "Поля проводника”, Москва, издательство "Мир”, 1965 год).
То есть, если каким-нибудь образом помочь избыточным электронам покинуть проводник, то произойдет следующее - отрицательный заряд на верхней части уменьшится, внешнее электрическое поле уже не будет скомпенсировано и снова начнется движение свободных электронов к верхнему концу проводника, т.е. потечёт ток. Следовательно, если удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхней части проводника, в нем также постоянно будет генерироваться ток.
Для оценки возможности реализации этого, нам придётся выполнить некоторые вычисления, используя конкретную конструкцию, например со следующими условиями:
- один конец проводника заземлен, а второй поднят на высоту 6 метров;
- проводник изготовлен из алюминия (удельная масса – 2700 кг/м3, число атомов в одном кубическом метре – 6,03*10 в 28 степени, число свободных электронов в одном кубическом метре – 12*10 в 28 степени, энергия выхода электрона из металла – 6,97*10 в минус 19 степени Дж);
- сечение проводника 1 мм2;
- заряд электрона – 1,602*10 в минус 19 степени Кл;
- 1 Кл – 6,25*10 в 18 степени электронов.
При таком расположении проводника разность потенциалов между точкой электрического поля Земли, на которой расположен верхний конец проводника и земной поверхностью составит приблизительно 800 В. Для удобства в расчётах, чтобы не путаться с единицами энергии и мощности, будем рассматривать работу устройства только в течение одной секунды.
Пусть нам нужно обеспечить непрерывную работу устройства при протекании в нем тока силой 10А (10 Кл/с), для этого необходимо будет с верхнего конца проводника ежесекундно удалять 62,5*10 в 18 степени электронов. При этом в устройстве будет вырабатываться 8000 Дж в секунду.
Чтобы все эти электроны "вырвать” из атомов кристаллической решетки алюминия им достаточно передать всего лишь 43,6 Дж энергии (а устройство напомню вырабатывает в 180 раз больше). Более того, даже такую маленькую величину можно ещё значительно уменьшить путем напыления оксида щелочноземельного сплава СаSrВа, у которого энергия выхода из металла существенно ниже, чем у алюминия. Однако проблема заключается в том, что очень сложно эту энергию передать именно электронам избыточного заряда. Есть несколько путей её решения, но они приводят к недопустимому усложнению конструкции и рассматривать их здесь я не буду.
Поэтому попробуем решить задачу по другому - удалять избыточные электроны не путём "вырывания” их из атомов, а вместе с атомами, например механическим путем, закрепив на верхней части проводника скребковое (истирающее) устройство. Очевидно что реализация такого решения означает постоянное разрушение кристаллической решетки проводника и следовательно вызовет затраты на это разрушение и уменьшение объема (длины) проводника.
Проведем оценку этих факторов. Как было определено ранее, нам необходимо ежесекундно удалять 62,5*10 в 18 степени электронов, которые вместе с атомами кристаллической решетки занимают объем равный 5,2*10-10 м3 или 0,52 мм3. Для удаления такого объема алюминия, например фрезерованием, потребуется затратить приблизительно 1,8…2,5 Дж, то есть даже существенно меньше, чем нужно для "вырывания” электронов.
Как быстро будет уменьшаться длина проводника? Это главным образом будет зависеть от площади поперечного сечения и для рассматриваемого случая (сечение проводника 1 мм2) ежесекундное уменьшение длины составит 0,52 мм или за 8 часов работы ~ 15 метров. Это в подавляющем большинстве случаев будет конечно неприемлемым, однако, если разрушаемую часть верхнего конца проводника выполнить площадью поперечного сечения значительно большей (например, в виде диска диаметром 300 мм), то тогда за 8 часов работы, проводник укоротится только на 0,21 мм, хотя, как и в предыдущем случае, его объем будет ежесекундно уменьшаться на 0,52 мм3 и из него будет удаляться 62,5*10 в 18 степени электронов.
Исходя из изложенного, можно предложить следующий вариант конструкции.
Он содержит проводник 1, электрически соединенный через металлическую пластину 2 с его верхним концом 3, площадь сечения которого значительно больше площади сечения предшествующий части проводника 1. В центральном отверстии верхнего конца 3 запрессована втулка 4, изготовленная из диэлектрического материала, в которой размещен электродвигатель 5, а на выходном валу последнего закреплены скребки 6, выполненные из твердого диэлектрического материала.
Электродвигатель 5 подпружинен и его скребки 6 поджаты к крайней поверхности верхнего конца 3. Для исключения проворота во втулке 4 электродвигателя 5, в последнем закреплен штифт 7, входящий в направляющий вертикальный паз втулки 4. Сверху устройство закрывается предохранительным колпаком (на рисунке не показан), защищающим от атмосферных осадков. Указанный колпак выполнен из диэлектрического материала с хорошей проницаемостью, чтобы не ослаблять электрическое поле.
Приводить подробные расчёты его ожидаемой экономической эффективности не буду, скажу только что с учётом всех расходов (амортизации, затрат на расходуемый материал и пр.), стоимость электроэнергии не превысит 50 копеек за 1 киловатт. Фактически по энергоотдачи один килограмм алюминия будет эквивалентен 300 кг дизтоплива, если электричество вырабатывается дизель-генераторами. Устройство работоспособно в любое время суток и при любой температуре.
Несмотря на все ожидаемые преимущества, я крайне не рекомендую тратить усилия на его создание, так как оно может оказаться недостаточно или полностью неработоспособным по следующим причинам:
- неясна надежность и скорость рассеивания удалённых атомов в атмосфере;
- неизвестно влияние трения при истирании диэлектрических скребков;
- возможная экологическая опасность устройства из-за нарушения потенциала электрического поля Земли.
Учитывая эти ожидаемые проблемы, приблизительно десять лет назад я разработал другую схему получения энергии из электрического поля Земли. Она основана на эффекте, который был для меня всегда очевидным. Оказалось забавным, когда я потом узнал, что этот эффект в науке был неизвестен до 2000 годов, когда его признали открытием. Как бы то ни было, устройство по новой схеме однозначно работоспособное, экологически безвредное, патентоспособное и может вызвать интерес у многих стран.
Однако, столкнувшись с трудностями при проведении расчётов его энергоэффективности, эту идею на время отложил. Возможно, сейчас я к ней снова вернусь и изложу её в одной из следующих статей.
