Доклад электротехника атмосферное электричество

Обновлено: 04.07.2024

Атмосферное электричество, как новый источник альтернативной энергии

Одним из популярных направлений их разработок является использование атмосферного электричества. Наблюдая буйство стихии при грозах, возникает большое искушение укротить электрические силы Земли, использовать их на благо человека.

Попробуем оценить, насколько реально подобраться к этим силам и использовать их на практике. Для начала ответим на вопрос о том, действительно ли запасы электричества Земли велики? Практически каждый слышал или имеет представление о конденсаторе. Одни с ними работали, другие помнят по школьному курсу физики.

По современным представлениям, Земля является аналогом именно такой деталью радиотехнических схем. Этот огромный, сферический конденсатор заряжен и создает электрическое поле вокруг нас.

С этого момента потребуется оперировать с числовыми значениями, т.к. множество проектов по использованию электрического поля Земли опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от подобного конденсатора.

Сначала о емкости Земли. Уже на этом этапе возникают разночтения. При подсчете емкости Земли, как уединенного сферического проводника в пространстве, получено значение около 700 мкФ. А подсчет емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой, расположенной на высоте 60-80 км, дает значение, близкое к 1Ф. Расхождение результатов более чем в 1000 раз! И это только начало неопределенностей, связанных с электричеством атмосферы.

На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более 10 теорий и гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигается даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Итог неутешителен – сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

А теперь о возможностях использования энергии природного конденсатора. Как было отмечено выше, напряженность поля (или градиент потенциала на поверхности) составляет в среднем 130В/м. Но это не означает, что у высокого человека между пятками и макушкой существует потенциал 260В. Воздух является прекрасным изолятором, а тело человека – неплохим проводником. Поэтому мы, независимо от роста, всегда имеем потенциал Земли.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков и продолжаются сегодня. Лучшее достижение конструкций по сбору атмосферного электричества с использованием аэростатов позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы, позволяют запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Последняя информация бразильских ученых о возможностях получения электричества из влажной атмосферы тропиков имеет скорее теоретическую ценность. Эффективность такого генератора в 100 миллионов раз ниже солнечного элемента.

Есть и еще одно соображение против вмешательства человечества в электрические процессы Земли. Они формировались миллиарды лет и сыграли важную роль в возникновении жизни на нашей планете. Совокупность этих процессов составляет глобальную цепь выработки и компенсации электрических зарядов, некий аналог нервной системы человека.

О многих механизмах работы этой цепи мы пока не имеем представления. Стоит только упомянуть недавнее открытие молний в ионосферу. Поэтому вмешиваться в подобную цепь, не понимая законов ее функционирования и возможных последствий вмешательства, по меньшей мере глупо. Поэтому, даже найдя ключи от кладовой природного электричества, их стоит немедленно забросить.

Учение об атмосферном электричестве тесно связано с вопросом об электризации осадков. Наблюдения показывают, что по большей части осадки имеют довольно значительный отрицательный заряд. Ранее это явление пытались объяснить отрицательной электризацией воды при испарении, теория же ионизации объясняет это тем, что ионы являются центрами конденсации паров, причем отрицательные ионы конденсируют влагу в более сильной степени и потому скорее выпадают вместе с осадками. Вихри, представляющие собой частные депрессии незначительного объема, обусловленные обыкновенно местными причинами, весьма часто сопровождаются электрическими разрядами и носят тогда название гроз.

Содержание работы

Введение……………………….…..………………………………………. 3
Возникновение атмосферного электричества……………….………. 4
Молниезащита зданий и сооружений. Защита от атмосферного электричества……………………………………………. ……………..6
Выбор молниеотводов………………………………………………….11
Эксплуатация устройств молниезащиты………..…………………. 12
Заключение……………………………………………………….………. 15
Список использованных источников………

Файлы: 1 файл

Реф по БДЖ Атмосферное электричество.docx

Министерство образования и науки РФ

Кафедра производственной безопасности и права

Реферат

Выполнил: +++++++++++++++

Проверил: +++++++++++++++

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………….…..……………………… ………………. 3

Возникновение атмосферного электричества……………….………. 4

Молниезащита зданий и сооружений. Защита от атмосферного электричества…………………………………………… . ……………..6

Выбор молниеотводов…………………………………………… …….11

Эксплуатация устройств молниезащиты………..…………………. 12

Заключение…………………………………………………… ….………. 15

Список использованных источников……………………………………..16

Введение

Несомненно, человек познакомился с природным электричеством с самого зарождения человечества (молнии, электрические рыбы и др.). Однако многие века гигантская электрическая искра, каковой является молния, была лишь загадочным и страшным явлением, считавшимся орудием богов. Научное изучение этого явления началось лишь в XVII веке.

Электрическое атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках или между облаками и земной поверхностью возникают многократные электрические разряды (молнии), сопровождающиеся громом, называется грозой. Грозам обычно сопутствуют шквалистые ветры, ливневые осадки, нередко с градом.

Электрические явления в атмосфере: ионизация воздуха, электрическое поле атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи вызывают разряды в атмосфере. Такие разряды называют атмосферными [1].

Еще одним источником электрического разряда является такое явление, как шаровая молния (ШМ), практически неослабевающий интерес к которой обусловлен тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Некоторые примеры из повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов – при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов. Молнии не контролируются природой. Они проводят свою энергию через крошечное острие. Концентрация этой энергии - источник физических повреждений. Задача всех защитных технологий – рассеять эту энергию [4].

Явление электромагнитной индукции заключается в следующем. В канале молнии протекает очень мощный и быстро изменяющийся во времени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное поле. Такое поле индуцирует в металлических контурах электродвижущую силу разной величины. В местах сближения контуров между ними могут происходить электрические разряды, способные воспламенить горючие смеси и вызвать электротравматизм.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого сконденсирована в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Легкие мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. Каждое такое столкновение приводит к электризации. При этом крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верх грозовой тучи заряжен положительно, а низ - отрицательно.

Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность - около миллиона В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся плазменный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. Так происходит молниевый разряд.

Во время этого разряда выделяется огромная энергия - до миллиарда Дж. Температура канала достигает 10 000 К, что и рождает яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Раскаленная среда взрывообразно расширяется и вызывает ударную волну, воспринимаемую как гром[5].

Молниезащита зданий и сооружений. Защита от атмосферного электричества

Молниезащита — система защитных устройств и мероприятий, применяемых в промышленных и гражданских сооружениях для защиты их от аварий, пожаров при попадании в них молнии.

Молния — особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого — атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком. Условия образования таких облаков большая влажность и быстрое изменение температуры. В результате возникновения восходящих потоков воздуха и быстрой конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, образуется большое количество водяной пыли, которая заряжается отрицательно.

Воздействие тока молнии возможно трех типов.

Прямой удар при разряде молнии в объект оказывает тепловое и механическое воздействие. При этом ток молнии может вызвать нагревание токоотвода до температуры каления, плавления и даже испарения. Быстрое разогревание вызывает нарастание электродинамических напряжений в конструкциях. Это вызывает механические разрушения, часто происходящие в виде взрыва.

Вторичное воздействие разряда молнии сопровождается появлением в пространстве изменяющетося во времени магнитного поля, которое индуцирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, электропроводок и т. д.), всегда имеющихся в здании, электродвижущую силу. В замкнутых контурах электродвижущая сила вызывает появление наведенных токов. В тех контурах, в которых контакты недостаточно надежны в местах соединения, эти токи могут вызвать искрение или сильное нагревание, что очень опасно для помещений, где могут образовываться опасные концентрации горючих или взрывоопасных веществ.

Занос высоких потенциалов в здания может происходить по любым металлоконструкциям, рельсовым путям, эстакадам, проводам ЛЭП, трубопроводам и т. д. Эти заносы сопровождаются электрическими разрядами, которые могут явиться источником взрыва или пожара.

Защита от поражения молнией зависит от типа производства, расположенного в здании, и от среднегодовой грозовой деятельности атмосферы. Грозовая деятельность может быть оценена ожидаемым количеством поражений молнией в год зданий и сооружений:

где l, b — длина и ширина защищаемого сооружения (или наименьшего описанного прямоугольника для зданий сложной конфигурации), м; h — наибольшая высота сооружения, м; n — среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 поверхности земли (в данном географизическом месте).

Все сооружения по необходимости устройства молниезащиты разделены на три категории.

В зданиях и сооружениях I категории длительное время сохраняются или систематически возникают взрывоопасные смеси газов, паров и пыли с воздухом или другими окислителями; перерабатываются или хранятся взрывчатые вещества в неметаллических упаковках или в открытом виде. Взрыв таких зданий и сооружений сопровождается значительными разрушениями и человеческими жертвами.

В зданиях и сооружениях II категории взрывоопасные смеси газов, паров и пыли с воздухом или другими окислителями возникают только в момент производственных аварий или неисправностей; взрывчатые вещества хранятся в прочной металлической упаковке. Взрыв в таких помещениях сопровождается, как правило, незначительными разрушениями без человеческих жертв.

В зданиях и сооружениях III категории прямой удар молнии может вызвать пожар, механические разрушения и поражения людей. К. этой категории можно отнести жилые и общественные здания, дымовые трубы, водонапорные башни, газгольдеры, резервуары[6].

Рис. 1. Молниеотводы:

а — стержневой отдельно стоящий; 6 — то же, укрепленный иа здании; в — тросовый

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

1 — граница зоны защиты иа уровне защищаемого объекта; 2 — граница зоны защиты на уровне земли

В соответствии с инструкцией СН 305—77 здания и сооружения I и II категорий подлежат молниезащите от прямых ударов молнии, вторичных воздействий и заноса высоких потенциалов.

Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.

Земля – конденсатор

Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.

Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

Станция из воздушных шаров

Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород. Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.

Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.

Доводы скептиков

Но действительно ли запасы электричества Земли велики?

По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.

Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).

Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Воздушная электроэнергия

Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.

По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250 000 до 500 000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:

• земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;
• атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;
• оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом;
• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

• атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;
• значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;
• высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;
• воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации;
• общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Если атмосферная электростанция когда‑либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Атмосферное электричество

Атмосферное электричество — совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, его ионизацию и электрическую проводимость, электрические токи в нем, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.

Начало изучению атмосферного электричества было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным Михаилом Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В XX веке были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами.

Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.

Исследования атмосферного электричества позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой молнии.

Читайте также: