XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Грозовое облако – генератор электрических зарядов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Заманчивая идея использовать электрическую энергию, запасённую в грозовом облаке, существует более 250 лет. Попытки «поймать» молнию или «извлекать» электрическую энергию из грозового облака с помощью зондов до сих пор не увенчались успехом. Перспективным направлением поиска новых альтернативных источников электрической энергии может стать изучение физических явлений, протекающих в грозовом облаке и связанных с образованием и накоплением в ней электрических зарядов. Это необходимо для реализации протекания этих явлений в промышленных условиях с целью получения электрической энергии.
Бенджамин Франклин (1706 – 1790 г.) первый показал, что молнии – это электрические разряды, переносящие на землю отрицательный заряд [1-4]. В 1752 году во время грозы Франклин запустил воздушного змея в облако и обнаружил, что тот собирает электричество. Присоединив шёлковую нить от змея к лейденской банке, он определил знак заряда. Аналогичные опыты в этот же период времени проводили в России Г.И. Рихман и М.В. Ломоносов. Опыты с извлечением искр из облаков были смертельно опасны. В 1753 г. при выполнении эксперимента Г.И. Рихман погиб от удара молнии [3]. Электрическая природа грозовых явлений была доказана американским политиком и учёным Б. Франклином и русскими учёными М.В. Ломоносовым и Г.И. Рихманом. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении. Благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частички воздуха электризуются и отдают свой заряд капелькам воды. В результате на облаках с течением времени скапливаются большие заряды. Физические процессы, приводящие к пространственному распределению разноимённых электрических зарядов в грозовом облаке, до сих пор не установлены [6].
Цель работы: предложить механизм протекания физических процессов, приводящих к пространственному распределению разноимённых электрических зарядов в грозовом облаке.
Научная новизна работы определяется предложенным механизмом физических процессов, протекающих в грозовых облаках и приводящих к пространственному распределению электрических зарядов, основанном на действии силы Лоренца.
1. Электрическая природа грозовых явлений
1.1. Атмосферное электричество
В начале 20 века с помощью электрических зондов измерили электрическое поле Земли. Напряжённость электрического поля у поверхности Земли оказалась равной 100 В/м, что соответствует суммарному заряду Земли около 400000 Кл [2]. Электрический заряд Земли, в отсутствии грозовых облаков, всегда отрицательный. На высоте порядка 50 км над Землёй располагается ионосфера – слой атмосферы, который имеет положительный заряд. Земную поверхность, имеющую отрицательный заряд и положительно заряженный ионосферный слой, приближённо можно рассматривать как обкладки заряженного сферического конденсатора с приложенным напряжением 400 кВ [2].
В районах ясной погоды этот природный конденсатор постоянно разряжается из-за наличия в атмосфере заряженных частиц. Появление заряженных частиц в атмосфере Земли связано с двумя основными процессами:
1) ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, энергии которых достаточно для ионизации молекул воздуха;
2) такое же действие оказывают космические лучи, пронизывающие всю толщу атмосферы Земли.
Наличие заряженных частиц в атмосфере Земли и напряжение между поверхностью Земли и ионосферным слоем приводит к тому, что в районах ясной погоды течёт ток силой порядка 3 кА, плотность которого составляет 10-12 А/м2, и выделяется энергия порядка 1,5 ГВт [2].
В районах грозовой активности мощные грозовые электрические токи компенсируют заряд, который нейтрализуется в районах с ясной погодой. Грозовые облака – это природные электрические генераторы, поддерживающие в равновесии систему природного заряженного сферического конденсатора поверхность Земли – ионосфера.
1.2. Образование и накопление электрических зарядов
в грозовом облаке
Существующая модель образования и распределения зарядов в облаке представляет собой следующее [2]. Грозовое облако – это огромное количество пара, часть которого конденсировалась в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6 – 7 км от поверхности Земли, а низ нависать над землёй на высоте 0,5 – 1 км. Выше 3 – 4 км облака состоят из льдинок разного размера, т.к. температура на этой высоте всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками тёплого воздуха. Мелкие льдинки поднимаются в верхнюю часть облака, а крупные опускаются вниз. При этом движении происходит столкновение частиц и их электризация. Положительно заряженные мелкие льдинки накапливаются в верхней части облака, а отрицательно заряженные внизу (рис. 1).
Рис. 1. Распределение электрических зарядов в облаке.
Электризация полем поверхности земли [2].
Известны случаи катастрофических взрывов на японских супертанкерах, которые случались при промывке танкеров сильными струями воды. Одним из объяснений этих катастроф является предположение, что при промывке танкеров образовывались облака из электрически заряженных капель. В результате создавалось электрическое поле с высокой напряжённостью и благоприятными условиями для образования электрического разряда, приводящего к катастрофическим взрывам [4]. Приведённый пример указывает на то, что движение капель воды в грозовом облаке может приводить к эффективному протеканию процесса электризации и возникновению зарядов в грозовом облаке.
Качественный рис. 1, взятый из работы Богданова К.Ю. [2], не соответствует пропорциональным размерам грозовых облаков. Грозовые облака вытянуты в вертикальном направлении (рис. 2). Механизм формирования грозового облака [4, 6] заключается в том, что мощные вертикальные потоки поднимают вверх влажный тёплый воздух. В грозовом облаке происходит расширение и охлаждение влажного воздушного потока. Водяной пар конденсируется в капельки воды, которые участвуют в вихревом движении. Давление у поверхности земли понижается, воздух продолжает поступать из периферийных областей и поддерживает это вихревое движение воздушных масс внутри грозового облака.
Рис. 2. Механизм формирования грозового облака.
Стрелками указаны направления вихревых потоков.
В результате вихревого перемещения огромных воздушно-капельных масс эффективно протекает процесс электризации водяных капель. Одновременно с образованием электрических зарядов в грозовом облаке протекают физические процессы, приводящие к их пространственному распределению. Механизм пространственного распределения электрических зарядов в грозовом облаке до сих пор не установлен [6].
2. Пространственное распределение электрических
зарядов в грозовом облаке
2.1. Исходные данные для анализа
В 1733 г. американец Бенджамин Франклин предположил, что молнии имеют электрическую природу, и предложил проверить это предположение извлечением искр из длинного железного шеста при прохождении грозовых облаков [3]. Для проверки своего предположения он во время грозы запустил воздушного змея с прикреплённым к нему железным остриём, а на конце бечёвки привязал железный ключ. Заряжая лейденскую банку, он убедился в том, что электричество, получаемое от грозового облака, и электричество, получаемое при электризации тел трением, - одно и то же. Франклин экспериментально установил, что большинство грозовых облаков обладает отрицательным зарядом, но некоторые заряжены положительно[3]. Такие же опыты в России проводили русские учёные Г.И. Рихман и М.В. Ломоносов.
Электрическая природа грозовых явлений была доказана в середине восемнадцатого века американским учёным и политиком Б. Франклином и русскими учёными М.В. Ломоносовым и Г.И. Рихманом. Согласно этой теории в земной атмосфере воздух находится в непрерывном движении. Благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частицы воздуха электризуются и отдают свой заряд капелькам воды. В результате на облаках с течением времени скапливаются большие заряды. В различных видах облаков слоистых и слоисто-дождевых накапливаются электрические заряды. В грозовой туче электрических зарядов накапливается намного больше, чем в других типах облаков [6].
Распределение зарядов в облаке, приведённое на рис. 2, противоречит закону взаимодействия зарядов [5]. Во-первых, если тело (облако) имеет избыточный заряд, то заряд должен равномерно распределиться по всей поверхности тела. Во-вторых, поверхность электрически нейтрального тела (облака) вблизи отрицательно заряженной поверхности земли по закону электростатической индукции должно иметь противоположное распределение зарядов. Указанные противоречия законам электродинамики указывают на то, что в грозовом облаке существуют электродвижущие силы, которые приводят к указанному на рис. 2 пространственному распределению зарядов в грозовом облаке.
2.2. Физические процессы, приводящие к пространственному
распределению электрических зарядов в грозовом облаке
Из курса физики за 8 класс [5] известны источники тока, в которых происходит разделение зарядов за счёт: механической энергии (электрофорная машина), внутренней энергии (термоэлементы), светового излучения (фотоэлементы) и энергии химических реакций (гальванические элементы). В условиях грозового облака на движущиеся в магнитном поле Земли заряженные частицы, образующиеся в облаке, действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца, действующей на заряженные частицы, определяется правилом левой руки [5].
Направление действия силы Лоренца определяется направлением вектора магнитного поля и направлением скорости движения грозового облака в магнитном поле Земли. Из курса физики известно, что магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими полюсами N и S.
Рис. 3. Направление действия силы Лоренца на положительно
заряженную частицу, движущуюся вместе с облаком в магнитном поле Земли.
- направление нормали, – направление магнитного поля,
– направление скорости движения заряженной частицы.
Рис. 4. Распределение магнитного поля вокруг Земли.
Толстыми линиями со стрелками указаны силовые линии магнитного
поля Земли; прямая NS – географическая ось Земли.
Если смотреть на Землю со стороны Северного полюса, то видно, что Земля вращается против часовой стрелки в направлении на Восток. Солнце всходит вначале в Японии, а затем уже в Санкт-Петербурге. Облака обычно также вращаются против часовой стрелки, но при этом скорость движения облаков превышает скорость вращения Земли. То есть относительно поверхности Земли облака движутся на Восток. В этом случае сила Лоренца, действующая на заряженные частицы, будет перемещать положительно заряженные частицы в верхнюю часть облака (рис. 3), а отрицательные заряды – в нижнюю. Если направление движения облаков будет в противоположную сторону, то распределение зарядов в грозовом облаке будет противоположным. Преобладание грозовых облаков с расположением отрицательного заряда в нижней части грозового облака объясняется тем, что в Северном полушарии преобладают воздушные потоки, перемещающиеся в Восточном направлении. Предложенный механизм физических процессов, протекающих в грозовых облаках и приводящих к пространственному распределению электрических зарядов, основанный на действие силы Лоренца, устраняет указанные противоречия законам классической электродинамики.
Выводы
1. Практическое использование электрической энергии, накопленной в грозовом облаке, предусматривает знание всех физических процессов, которые приводят к генерации, накоплению и пространственному распределению электрических зарядов в грозовом облаке.
2. Предложен механизм физических процессов, протекающих в грозовых облаках и приводящих к пространственному распределению электрических зарядов, основанный на силе Лоренца, действующей на движущиеся заряженные частицы в магнитном поле Земли.
Список литературы
1. Википедия. Гроза. http://ru.wikipedia.
2. Богданов К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов //Наука и жизнь.- 2007.- № 2. – С. 19 – 32.
3. Кабардин О.Ф. История физики и развитие представлений о мире: элективный курс: 10-11 класс.-М.: АСТ: Астрель: Транзиткнига, 2005.-318 с.
4. Томилин А.Н. Мир электричества.-М.: Дрофа, 2008.-302 с.
5. Пёрышкин А.В., Гутник Е.М. Физика 9 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.-М.: Дрофа, 2017.-319 с.
6. Тарасов А.В. Физика в природе.-М.: Просвещение, 1988.-351.