Для начала, введём читателей в курс дела и познакомим с некоторыми интересными цифрами, которые будут относиться к планете Земля. Они понадобятся нам в дальнейшем для оценки энергетики в реальных устройствах. Будем рассматривать нашу планету, как сферу радиусом \(r_E = 6.37\cdot 10^6\) метров и отрицательным зарядом \(|q_E| = 5.87\cdot 10^5\) Кулон [1]. Поскольку заряд распределён по поверхности сферы равномерно, то поверхностная плотность заряда будет находиться отношением всего заряда к площади сферы: \[\sigma = {q_e \over 4\pi r_E^2 } = 1.15\cdot 10^{-9}\, [{C/m^2}] \qquad (1.1)\] Эта цифра нам покажет, сколько Кулон находится в каждом квадратном метре поверхностного слоя Земли. Её легко запомнить: приблизительно 1 нанокулон на 1 квадратный метр. Несмотря на такую маленькую величину мы можем воспользоваться вторым условием задачи — проводимостью поверхности сферы и, например, «стягивать» заряды с любой её площади, но об этом — позже. А пока поверим эти цифры и просто подставим их в классическую формулу для нахождения напряжённости электрического поля вокруг сферы (в данном случае — Земли): \[E_E = {\sigma \over \varepsilon_0} = 130\, [{V/m}] \qquad (1.2)\] где: \(\varepsilon_0 = 8.85\cdot 10^{-12}\) — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума [2]. Полученная величина напряжённости полностью согласуется с официальными данными по нашей планете: каждый метр над её поверхностью добавляет 130 Вольт напряжения [3]. Эта величина довольно приличная и, казалось бы, можно просто установить мачту высотой метров десять, закрепить там металлическую пластину и качать свободную энергию. И напряжение между верхушкой мачты и землёй получается большое, около 1300 Вольт: бери — не хочу. Но мы при этом забываем, что электрический потенциал — это ещё не энергия, для последней нужен как минимум заряд, а вот он то оказывается очень слабым (см. формулу 1.1). Поэтому этот метод мы использовать не будем, тем более, что он запрещён дополнительными условиями задачи.

Получим ещё одну величину — уединённую ёмкость Земли, которая находится исходя из классической формулы для шара [4]: \[C_E = 4\pi\, \varepsilon_0\, r_E = 7\cdot 10^{-4}\, [F] \qquad (1.3)\] Т.е. ёмкость всей нашей планеты составляет всего 700 микрофарад. Это кажется относительно небольшой цифрой, но тут нужно вспомнить, что по сути это ёмкость поверхности Земли относительно остальной нейтральной Вселенной. А огромные межпланетные (и межзвёздные) расстояния наши читатели хорошо себе представляют и без конкретных цифр.

К слову, разность потенциалов между поверхностью Земли и положительно заряженной ионосферой, по разным оценкам, составляет от 400 до 600 кВ. Этот огромный потенциал можно было бы использовать, например, для перелётов между планетами Солнечной системы, просто используя силы Кулона [5]. Но для этого нужно знать электрические параметры других планет, и научиться менять потенциал или заряд космического корабля относительно них.

Может возникнуть ещё один закономерный и правильный вопрос: откуда же Земля получает свой электрический заряд и будет ли он со временем восстанавливаться? В книге [6] об этом рассказано подробно, а здесь мы лишь приведём небольшую выдержку.

Таких поставщиков целых три. У поверхности Земли — это излучение радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре в небольших количествах. На больших высотах — ультрафиолетовое излучение Солнца. И, наконец, всю толщу атмосферы сверху донизу пронизывают потоки очень быстрых заряженных частиц — космические лучи. Небольшая часть их идет от Солнца, а остальные — из глубин космического пространства нашей Галактики.

Со времён Феймана учения о молниях сильно преобразилось. Сейчас достаточно хорошо изучен тот факт, что их разряды пополняют земные запасы отрицательного электричества [7].

Следует отметить, что на земном шаре одновременно в разных участках бушуют около 2000 гроз, причем, общее число молний проскакивающих ежесекундно между грозовыми облаками и землей, составляет примерно 100, а отрицательный заряд, переносимый каждой молнией на землю — около 20 Кл.

Не так давно был обнаружен ещё один источник восполнения естественного заряда.

Земля заряжается отрицательно за счет испарений влаги, а с влагой и положительных ионов гидроксония. К такому выводу пришли мы в работе «Загадка земного электричества». Независимо от нас к такому же выводу пришел доктор технических наук В.В. Кузнецов в работе [8] и других. Испарения происходят не только с поверхности океана и суши, но и в атмосфере пары воды постоянно конденсируются и снова испаряются. Там тоже происходит разделение зарядов, отрицательный заряд остается преимущественно в жидкой и твердых (льдинках) фазах, а положительный в газовой. Вместе с осадками отрицательный заряд падает на Землю, подзаряжая ее.

Если сказать совсем просто, то наша задача — научиться «качать» электрические заряды из Земли. По аналогии с добычей других природных ресурсов нам понадобится насос, только в нашем случае он будет электростатическим. Сделать его можно разными способами, но мы остановимся на электростатическом насосе (ЭСН) с параметрической ёмкостью, а ещё позже обсудим ЭСН на параметрической индуктивности. Решение задачи разобьём на две части, в первой — представим саму параметрическую ёмкость и условные обозначения, а во второй — способы и алгоритмы её коммутации.