Ісаков Д.Ж. студент 2-го курсу фізико-технічного факультету Ошської державного університету Перетворення електричного поля Землі в електричну енергію за допомогою випромінювача електронів (емітера)
В роботі [1] викладено спосіб отримання енергії з електричного поля Землі. При цьому даний спосіб заснований на властивостях і на базових законах електростатики.
Як відомо, 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. 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, 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. Для цього досить зробити надійне заземлення. Підключення до позитивного полюса генератора - іоносфері - є складним технічним завданням.
У нашому глобальному конденсаторі існує електричне поле. Напруженість цього поля зарядженому конденсаторі 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, тобто майже все електричне поле зосереджено в нижньому шарі атмосфери, у поверхні Землі. Вектор напруженості електричного поля Землі E спрямований в загальному випадку вниз. При цьому електричне поле Землі є потенційним полем як і будь-який електричне поле. Кожній точці цього поля відповідає свій потенціал.
Якщо встановимо на поверхні Землі вертикальний металевий провідник і заземлити його, то відповідно до законів електростатики почне рухати електрони провідності вгору, до верхньої точки провідника, створюючи там надлишок негативних зарядів. Такий рух електронів буде тривати до тих пір, поки у верхній точці провідника не виникне потенціал -U, рівний за величиною і протилежний за знаком потенціалу U електричного поля Землі, на якому розташована верхня точка цього провідника. Цей негативний потенціал -U повністю компенсує позитивний потенціал U електричного поля Землі і весь провідник, включаючи і його верхню точку, набуває потенціал Землі, який ми приймаємо за нуль. Але надлишок негативних зарядів у верхній точці провідника створить своє електричне поле. Тоді отримаємо систему з двох електричних полів: електричного поля Землі E1 і електричного поля надлишкових зарядів у верхній точці провідника E2. Вектори напруженості електричного поля Землі E1 поблизу провідника скрізь однакові за величиною і напрямком. Вектори же напруженості електричного поля провідника в різних точках поля мають різну величину і напрямок. Згідно з принципом суперпозиції електричних полів [2] напруженість результуючого електричного поля дорівнює геометричній сумі напруженостей кожного з цих полів. Вище верхньої точки провідника вектори напруженості цих двох полів спрямовані в одному напрямку - вниз. Тут вони складаються і дають сумарну напруженість електричного поля. Якщо ми складемо геометрично ці вектори і проведемо еквіпотенціальні лінії в кожній точці поля, то отримаємо сумарне електричне поле в перерізі вертикальною площиною, що проходить через провідник. Саме це електричне поле і прагне вирвати електрони провідності з верхньої точки провідника. Але у електронів недостатньо енергії для того, щоб покинути провідник. Ця енергія називається роботою виходу електрона з провідника і для більшості металів вона складає менше 5 МеВ. Але електрон в металі не може придбати таку енергію між зіткненнями з кристалічною решіткою металу і тому залишається на поверхні провідника. Якщо допоможемо надлишковим зарядів на верхівці провідника покинути цей провідник, то негативний заряд на верхівці провідника зменшиться, зовнішнє електричне поле всередині провідника вже не буде скомпенсировано і знову почне рухати електрони провідності вгору до верхнього кінця провідника, тобто по ньому потече струм. При постійному видаленні надлишкових зарядів з верхньої точки провідника, в ньому постійно буде текти струм. У цьому випадку нам досить розрізати провідник в будь-якому, зручному місці і включити туди навантаження - споживач енергії. Тоді залишається вирішити питання: яким чином видаляти надлишкові заряди з верхньої точки провідника?
Для цього потрібно пристрій, який би допомагало електронам провідності покинути провідник - випромінювач електронів або емітер.
Емітер може бути побудований на базі високовольтного генератора невеликої потужності, який здатний створити коронний розряд навколо випромінюючого електрода на верхівці провідника. Такі високовольтні генератори використовуються в промисловості в димоулавлівателях, іонізатори повітря, установках для електростатичного забарвлення металів і різних побутових приладах. Генератор створює навколо випромінювача електронів провідності іскровий, коронний або кистьовий розряд. Такий розряд є провідним плазмовим каналом, по якому електрони провідності вільно стікають в атмосферу вже під дією електричного поля Землі.
Оцінимо потужності такої установки. Нехай верхня точка провідника знаходиться на висоті 100 м. Середня напруженість електричного поля по висоті провідника: Еср. = 100В / м. Тоді різниця потенціалів електричного поля між Землею і верхньою точкою провідника буде чисельно дорівнює:
U = h Eср. = 100 м * 100 В / м = 10 000 вольт.
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. Найпотужніші з них - це урагани і висхідні потоки повітря у внутрішньотропічній зоні конвергенції, які забирають величезну кількість негативних зарядів у верхні шари тропосфери.
З вищесказаного можна зробити наступні висновки:
Джерело енергії є простим і зручним у використанні.
На виході отримуємо найзручніший вид енергії - електроенергію.
Джерело екологічно чистий: ніяких викидів, ніякого шуму і т.п.
Установка проста у виготовленні і експлуатації.