XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение.

Альтернативные источники энергии — это возобновляемые энергетические ресурсы, которые получают благодаря использованию гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии, геотермальной энергии, биомассы и энергии приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Одним из таких источников может являться электрическое поле земли.

Электрическое поле — вид материи, который окружает каждый электрический заряд, а также возникает при наличии изменяющегося во времени магнитного поля, и оказывает силовое воздействие на все покоящиеся заряды, притягивая или отталкивая их.

Электрическое поле математически определяется как векторное поле, которое связывает с каждой точкой в пространстве силу (электростатическую, или кулоновскую) на единицу заряда, приложенную к бесконечно малому положительному пробному заряду, покоящемуся в этой точке. Величина указанного векторного поля называется его напряженностью. В системе СИ единица измерения напряжённости электрического поля: вольт на метр (В/м) или, что то же самое, ньютон на кулон (Н/Кл)

Это - электрическое поле Земли. 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. 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.

Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120 -150 В/м.  Она может изменяться в небольших пределах во времени и в зависимости от местности, но в среднем составляет около 130 В/м. Однако, как мы знаем, это поле не представляет опасности для человека, так как поражающим фактором для него является электрический ток, а наличие тока требует большого количества свободных зарядов, которых в атмосфере (в обычном её состоянии) ничтожное количество.  Под действием электрического поля Земли заряды противоположных знаков внутри тела человека смещаются относительно того положения, которое имело бы место при отсутствии поля, но поле это всегда есть. Поэтому постоянного однонаправленного перемещения зарядов нет, что означает отсутствие электрического тока в теле человека, вызванного электрическим полем Земли.

Электрическое поле Земли у поверхности можно точно измерить, если рядом нет высоких проводящих заземленных предметов, которые могут исказить его. Измерение следует проводить в поле на ровной поверхности, где отсутствуют посторонние предметы. 

 Перспективы создания устройства, извлекающего большую мощность из атмосферного электричества, я расцениваю пессимистично.  Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10-14 степени См/м. Ионизация воздуха при помощи заземлённой мачты с остриями имеет локальный характер, поэтому отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность невозможно.

Значительную мощность из атмосферных явлений можно снять только в случае грозы, когда появляются каналы с высокой проводимостью. Приёмниками в этом случае можно улавливать грозовые разряды при помощи специальных антенн и заряжать конденсаторы большой ёмкости, которые служат для хранения энергии. Однако гроза в конкретном месте - явление достаточно редкое и непредсказуемое, поэтому возникают трудности с хранением и использованием энергии. Дорогостоящее оборудование при этом будет подавляющую часть времени простаивать впустую.

Физическая сущность использования электрического поля в качестве источника энергии состоит в следующем.      

1) Если в пространстве, где существует электрического поле, нет зарядов, то нет работы, совершаемой им. Электрическое поле действует только на заряды, а работа его состоит в перемещении зарядов в пространстве под воздействием его силы.
2) В пространстве, где существует электрическое поле, есть связанные заряды, а сила их связи больше силы, действующей со стороны поля. Работы поля опять нет.
3) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется небольшое количество свободных зарядов. Тогда мала будет и работа электрического поля по перемещению их.
4) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется большое количество свободных зарядов. Тогда велика будет и работа по перемещению их. Эту работу электрического поля можно использовать для извлечения энергии

Вариант получений электроэнергии из поля земли

Электрическое поле Земли является потенциальным – как и любое электрическое поле. Каждой точке этого поля соответствует свой потенциал. Точки с одинаковым потенциалом образуют эквипотенциальные поверхности.
Установим на поверхности Земли вертикальный металлический проводник и заземлим его. Пусть верхняя точка проводника находится на каком‑то уровне U потенциала электрического поля Земли. Электрическое поле, в соответствии с законами электростатики, начнет двигать электроны проводимости вверх, к верхней точке проводника, создавая там избыток отрицательных зарядов. Такое движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока в верхней точке проводника не возникнет потенциал -U, равный по величине и противоположный по знаку потенциалу U электрического поля Земли, на котором расположена верхняя точка этого проводника.
Этот отрицательный потенциал -U полностью компенсирует положительный потенциал U электрического поля Земли – и весь проводник, включая и его верхнюю точку, приобретет потенциал Земли, который мы принимаем за ноль. Но избыток отрицательных зарядов в верхней точке проводника создаст свое электрическое поле. Таким образом, мы получили систему из двух электрическое полей: электрическое поле Земли E1 и электрическое поле избыточных зарядов в верхней точке проводника E2.
Векторы напряженности электрического поля Земли вблизи проводника везде одинаковы по величине и направлению. Векторы же напряженности электрического поля проводника в разных точках поля имеют разную величину и направление. Они сходятся в верхней точке проводника, где сосредоточены избыточные электроны проводимости.
Выше верхней точки проводника векторы напряженности этих двух полей направлены в одном направлении – вниз. Здесь они складываются и дают суммарную напряженность электрического поля.
Если мы сложим геометрически эти векторы и проведем эквипотенциальные линии в каждой точке поля, то получим картину суммарного электрического поля в сечении вертикальной плоскостью, проходящей через проводник. Примечательно, что потенциал проводника во всех его точках равен нулю и в то же время на верхней точке проводника сконцентрирована большая напряженность суммарного электрического поля Земли и проводника.
Именно это электрическое поле и стремится вырвать электроны проводимости из верхней точки проводника. Но у электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника, и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт – величину весьма незначительную. 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 проводника покинуть этот проводник?
Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке проводника уменьшится, внешнее электрическое поле внутри проводника уже не будет скомпенсировано и снова начнет двигать электроны проводимости к верхнему концу проводника. Значит, по нему потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхней точки проводника, в нем постоянно будет течь ток.

Итоги

Исходя из этого можно сделать вывод что электрическое поле Земли является величайшим подарком природы человечеству. Бесплатный, экологически чистый, безопасный и практически неограниченный источник энергии. Человечеству стоит научиться использовать его, а не сжигать углеводороды.

Список литературы:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5

https://proza.ru/2019/10/26/1238

https://www.eprussia.ru/epr/148/11482.htm

https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/125/945.htm