Вы когда-нибудь задумывались, почему молния бьет из облаков в землю? Или почему некоторые облака имеют плоскую основу и выпуклую верхнюю часть? Ответ на эти вопросы связан с тем, что облака и земля образуют природные конденсаторы, то есть устройства, способные накапливать и хранить электрический заряд.
Конденсатор - это два проводника, разделенных диэлектриком (изолятором). Когда на конденсатор подается напряжение, на одном проводнике накапливается положительный заряд, а на другом - отрицательный. Между проводниками возникает электрическое поле, которое пропорционально заряду и обратно пропорционально расстоянию между ними.
Рассматривая более широко способность накапливать энергию в электрическом поле, к конденсаторам можно отнести такие природные системы, как Земля, атмосфера, водяные и пылевые облака и т. д.
Электрическое поле Земли
Самый грандиозный по масштабам природный конденсатор — это система Земля — атмосфера. Заряд этого конденсатора составляет около 3 · 105 Кл, а напряжение — 250000 В. Величина его емкости, рассчитанная по этим данным, равна примерно одной фараде.
Расчетная величина тока утечки этого колоссального конденсатора близка к 2000 А. Несмотря на такой большой ток (при 1 А переносится заряд в 1 Кл за одну секунду), заряд Земли практически неизменен благодаря постоянной подзарядке ее из атмосферы.
Существует предположение, что малопроводящие электрический ток верхние слои земной коры толщиной 5—10 км составляют диэлектрик еще одного "земного" конденсатора, обкладками которого являются поверхностные слои коры и обладающие повышенной электропроводностью глубинные слои.
Таким образом, фактически имеется несколько глобальных природных конденсаторов, если учесть, что ионосфера и атмосфера образуют еще один гигантский конденсатор.
Почему же мы не ощущаем действия электрического поля этого конденсатора?
Во-первых, органы чувств человека способны реагировать на электрические поля слабой интенсивности только косвенно, особенно если эти поля неизменны во времени.
Мы можем, например, услышать шумы, шипение, потрескивание, которые сопровождают интенсивные ионизационные процессы при большой напряженности поля — коронный разряд. Его, в частности, можно услышать вблизи высоковольтных линий электропередач при повышенной влажности воздуха.
Напряженность электрического поля Земли у ее поверхности (с высотой уменьшается и колеблется от 100 В/м при хорошей погоде до 1000 В/м при грозовой) существенно меньше, чем на коронирующих проводах. Такую же примерно напряженность поля создает трамвайный провод.
Кстати, напряженность поля под высоковольтными линиями электропередач переменного тока составляет от сотен до 10 000 В на метр.
Во-вторых, за время эволюционного развития человек "привык" к некоторой средней напряженности поля и его реакции на электрическое поле могут быть связаны только с колебаниями напряженности этого поля.
Какова же роль электрического поля Земли в жизни живого?
Рядом исследований выявлено влияние его на скорость роста и размеры растений: в отсутствие поля или при его полярности, противоположной естественной, развитие их угнетается.
Можно предположить, что бурный рост и гигантские размеры растительности на Земле в определенные этапы ее развития наряду с большой влажностью, повышенной температурой, насыщенностью атмосферы и воды "естественными" удобрениями — солями азота и т. д. были обусловлены усилениями электрического поля Земли.
Энергия электрического поля нашей планеты невелика: около 107 кВт·ч. Такое количество энергии современная электростанция вырабатывает примерно за десять часов работы.
Конечно, в результате атмосферных процессов, а также ионизирующего действия космической и солнечной радиации электрическое поле Земли, как источник энергии, возобновляется. Но энергия его распределяется по очень большому объему и поэтому плотность ее чрезвычайно низка — около 10-7 Дж/дм3, что обусловливает низкие мощности и трудность "съёма" энергии при попытке ее использования.
Электрическое поле облаков
Более скромные по масштабам, но заметнее другие природные конденсаторы — накопители электрических зарядов — облака.
Особенность их в том, что электрическая энергия "вырабатывается" в них самих: объемные заряды образуются вследствие деления капель воды, их превращения в кристаллы льда, трения этих кристаллов и т. д.
Всякое облако несет определенный заряд, однако особенно он значителен у грозовых облаков. Для них характерна вытянутая вверх форма, образующаяся в результате действия восходящих потоков теплого воздуха.
Верхняя часть облака иногда достигает высоты 15—20 км. Она состоит из мельчайших кристалликов льда, заряженных положительно.
Средняя часть облака состоит из переохлажденных мелких капелек воды, заряженных отрицательно (переохлажденная вода находится в жидком состоянии при температурах, доходящих до нескольких десятков градусов ниже нуля).
Нижний, сравнительно тонкий слой, имеющий более крупные капли обычной (непереохлажденной) воды, приобретает положительный заряд.
В результате электростатической индукции на поверхности Земли под облаком концентрируются отрицательные и положительные заряды.
Так как грозовых облаков может быть несколько, то возникает сложная система зарядов и соответственно эквивалентных конденсаторов, показанная для двух грозовых облаков. Изолятором в этих конденсаторах служит воздух.
Под действием электрического поля зарядов свободные электроны, всегда имеющиеся в некотором количестве в воздухе, приобретают большие скорости и вызывают ударную ионизацию атомов и молекул воздуха, что делает его электропроводным.
При определенных критических условиях, прежде всего при достаточно высокой напряженности поля, возникает пробой одного из "конденсаторов", который мы наблюдаем как линейную молнию. Подробно о том, как в облаках получаются молнии смотрите здесь: Что такое молния и как она возникает
По узкому каналу молнии за короткий промежуток времени (десятитысячные доли секунды) со скоростью до 15 000 км/с протекает импульс тока в 100000 А и более. В результате заряды в части облака нейтрализуются и перераспределяются, подготавливая условия для пробоя других конденсаторов.
Напряжение между "обкладками" таких природных конденсаторов при пробое достигает миллионов вольт.
Имеющиеся в литературе данные позволяют оценить емкость и энергию этих природных конденсаторов. Полагая силу тока разряда молнии около нескольких десятков тысяч ампер, при его длительности порядка сотни микросекунд нейтрализуется заряд, равный нескольким кулонам.
Тогда емкость и энергия такого конденсатора ориентировочно составят около 10-8 Ф и 108 Дж. Этой энергии хватило бы для электроснабжения одной городской квартиры в течение примерно одной недели.
Энергия выделяется в канале молнии в основном в виде тепла, что порождает из-за быстрого нагрева и расширения воздуха (до нескольких десятков тысяч градусов) сильный звук — гром.
Мощность одного грозового разряда достаточно велика из-за малого времени выделения энергии и составляет в среднем порядка 109 кВт, а предельно достигнутая уже мощность искусственно разряда — 108 кВт.
Подсчитано, что ежедневно на Земле происходит около нескольких десятков тысяч гроз и возникают миллионы молний, или около десятка молний в секунду. В этом можно легко убедиться, прислушавшись к треску, раздающемуся в радиоприемнике на длинных и средних волнах. Он свидетельствует о грозовых разрядах в радиусе сотен километров от места его нахождения.
Трудности использования энергии грозовых облаков почти те же, что и описанные выше для поля Земли. К тому же такой источник энергии был бы нестабильным по вполне понятным причинам.
Интересный факт. Попытка использовать атмосферное электричество как источник энергии для ускорения протонов была предпринята в Швейцарии в 30-х годах XX века с помощью стальной сетки, натянутой в горах между скалами. Однако такой ускоритель действовал только во время сильных гроз и был практически неуправляемым. Работу прекратили после гибели одного из экспериментаторов от удара молнии.
Смотрите также: 35 часто задаваемых вопросов о грозе и молнии