Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2019-05-15
Все заметки
Электростатический насос на параметрических элементах
Задачка, которая в будущем должна войти в учебники физики, звучит примерно так. Вы находитесь на поверхности Планеты (большой сферы) и точно знаете, что она имеет известный статический электрический заряд, который, в основном, сосредоточен в её приповерхностном проводящем слое и распределён там равномерно. Вопрос сводится к тому, как вам использовать энергию этого заряда применяя только материалы этой Планеты: проводники, полупроводники и диэлектрики. Дополнительные ограничения: нельзя задействовать точки опоры, способствующие созданию естественной разности потенциалов. Например, не подходят атмосферные заряды, энергия молний или химическая разность потенциалов. Отсюда также следует, что вы не можете использовать разность потенциалов между этой Планетой и каким-либо другим объектом во Вселенной.
В этой работе мы предложим несколько вариантов решения этой задачки, а вот почему её до сих пор нет в школьных учебниках, вы, уважаемые читатели, без труда догадаетесь сами :)
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.

Надо отметить, что классическая модель распределения заряда на нашей планете не очень соответствует реальности. Более совершенная, на наш взгляд, версия предложена здесь.

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.
 
1 2
Используемые материалы
  1. Википедия. Земля.
  2. Википедия. Диэлектрическая проницаемость.
  3. Фейнман Ричард Филлипс. Глава 9. Электричество в атмосфере.
  4. Википедия. Электрическая ёмкость.
  5. Википедия. Закон Кулона.
  6. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. Глава 4. Свободные заряды и токи в природе. Заряженные частицы над нами и вокруг нас.
  7. Вильямс Э.Р. Занятие №4. Электризация грозовых облаков. Отрицательный заряд земной поверхности.
  8. Кузнецов В.В. Не потенциальное геомагнитное поле, токи ШМИДТА-БАУЭРА и атмосферный электрический ток.