Розділ четвертий
ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ СИЛИ В ДІЇ

4. Вільні зарядита струми в природі

4-1. Заряджені частинки над нами та навколо нас

Природний стан тіл на Землі — як атомів і молекул, і великих шматків речовини — електрична нейтральність. Однак якщо ви зарядите електроскоп, то через деякий час він втратить весь свій заряд, якою б ретельною не була ізоляція. Значить, у повітрі навколо нас чимало заряджених частинок - іонів і порошин. Кулька електроскопа «всмоктує» з атмосфери іони протилежного знака і стає нейтральним.

Високо над нами простягається товстий шар сильно іонізованого газу – іоносфера. Вона починається за кілька десятків кілометрів від Землі і сягає чотирьохсот кілометрів заввишки. Електроскопом її не виявиш. Для відкриття іоносфери знадобився винахід радіо. Шар сильно іонізованого газу добре проводить електричний струм і подібно до металевої поверхні відображає радіохвилі з довжиною хвилі, що перевищує 30 метрів. Якби не було іоносферного «дзеркала» навколо Землі, радіозв'язок на коротких хвилях був би можливий лише в межах прямої видимості.

4-2. Три постачальники

Отже, іони довкола нас і над нами є. Але ж вони недовговічні. Випадкова зустрічрізноіменних іонів, і вони перестають існувати. Отже, повинні існувати якісь безперервно діючі процеси, які постачатимуть іони.

Таких постачальників аж три. У Землі — це випромінювання радіоактивних елементів, які у земної корі у невеликих кількостях. На високих висотах — ультрафіолетове випромінювання Сонця. І, нарешті, всю товщу атмосфери зверху до низу пронизують потоки дуже швидких заряджених частинок - космічні промені. Невелика частина їх йде від Сонця, а решта - з глибин космічного просторунашої Галактики.

Іноді з Сонця вириваються особливо потужні потоки заряджених частинок. На висоті кількох сотень кілометрів над Землею їх електромагнітні поля збуджують атоми і змушують випромінювати світло. Тоді бачимо північні (полярні) сяйва. Розігруються вони переважно на високих широтах, і мешканцям помірних поясів майже ніколи не доводиться насолоджуватися дивовижною красою грою світлових стовпів, що переливаються всіма кольорами веселки.

4-3. Блискавка

Зате всім знайомий грозовий розряд. Жахливе накопичення у хмарі електрики одного знака викликає іскру, довжина якої іноді перевищує десятки кілометрів. (Електроенергія середньої блискавки, якщо рахувати за тарифом 3 рубля за кВт. годину, "коштує" 150 рублів.) Вибагливо змінюючи свій шлях залежно від провідності повітря та предметів, в які вона потрапляє, блискавка часто справляє вражаючі ефекти. Найдивовижніші з них наведені у книзі «Атмосфера» французького астронома Фламмаріона.

«Жодна театральна п'єса, ніякі фокуси не можуть змагатися, — пише Фламмаріон, — з блискавкою через несподіванку та дивність її ефектів. Вона здається якоюсь особливою речовиною, чимось середнім між несвідомими силами природи та свідомою душею людини; це — якийсь дух, тонкий і химерний, хитрий і тупий у той же час, ясновидець або сліпий, що володіє волею або підневільний, що переходить з однієї крайності до іншої, страшний і незрозумілий. З ним не змовишся, його не зловиш. Він діє і лише. Дії його, без сумніву, так само, як і наші, тільки здаються капризами, а насправді підпорядковані якимись незмінними законами. Але досі ми не могли вловити цих законів. Тут він наповал вбиває і спалює людину, не тільки пощадивши, але навіть не торкнувшись його одягу, який залишається незайманим. Там він роздягає людину догола, не завдавши їй жодної шкоди, жодної подряпини. В іншому місці він краде монети, не пошкодивши ні гаманця, ні кишені. То зриває позолоту з люстри і переносить її на штукатурку стін; то роззує мандрівника і відкидає його взуття на десять метрів убік, то, нарешті, в одному селищі пробуровує в центрі стос тарілок і до того ж по черзі, через дві штуки... Який тут можна встановити лад».

Далі перелічується близько сотні різних випадків. Наприклад: «У однієї дуже волохатої людини, захопленої грозою біля Еге., блискавка зголила волосся смугами, вздовж усього тіла, скачала їх у клубочки і глибоко засунула в товщу лицьових м'язів». Або ще: «Влітку 1865 один лікар з околиць Відня, доктор Дрендінгер, повертався додому з залізниці. Виходячи з екіпажу, він хапився свого портмоне; виявилось, що його вкрали.

Це портмоне було черепахове, і на одній з його кришок знаходився інкрустований сталевий монограма лікаря: два переплетених між собою Д.

Декілька часу потому лікарі покликали до іноземця, «убитого» блискавкою і знайденого без почуттів під деревом. Перше, що лікар помітив на стезі хворого, був його власний вензель, ніби щойно сфотографований. Можна судити про його подив! Хворий був приведений до тями і перенесений до шпиталю. Там лікар заявив, що в кишенях хворого десь має бути його черепахове портмоне, що виявилося цілком справедливим. Суб'єкт був той самий злодій, який стягнув портмоне, а електрика затаврувала його, розплавивши металевий вензель».

Цікаво, що у наведеній Фламмаріоном статистиці кількість убитих жінок майже втричі менше, ніж чоловіків. Це, звичайно, пояснюється не галантністю блискавки, а просто тим, що на той час (початок XX століття) у Франції чоловіки частіше бували на польових роботах.

Нещодавно в американських газетах повідомлялося про випадок, гідний Фламмаріона. Блискавка вдарила в холодильник і засмажила в ньому курку, яка потім була охолоджена, оскільки холодильник залишився справним.

Можна, звичайно, сумніватися в достовірності всіх наведених випадків, але не можна не погодитися з тим, що блискавка справді здатна творити чудеса. Пояснити їх не завжди є можливим. Розряд триває лише близько стотисячної частки секунди, і до спостереження його в таких виняткових випадках ніякої підготовки не буває. Повторити ж потім подію заново неможливо: ви не створите таку саму блискавку, не кажучи вже про інші умови.

Але в принципі не так усе таємниче, як здавалося Фламмаріону. Зрештою все зводиться до таких звичайних дій струму, як нагрівання, електромагнітне поле та хімічні реакції. Тільки струм величезний: десятки, а то й сотні тисяч амперів.

Головне не в тому, щоб розібратися в незліченних курйозах. Потрібно зрозуміти, яким чином у грозовій хмарі накопичується електричний заряд. Що викликає електризацію водяних крапель і чому заряди протилежного знака просторово розділені всередині хмари? Тут ще не все ясно до кінця.

Насамперед, немає єдиного механізму заряджання крапель.

Достовірно відомо кілька таких механізмів, і важко оцінити, який грає основну роль. Ось два з них. В електричному полі Землі (ми вже згадували, що земна куля заряджена негативно) крапля води поляризується. На нижній її частині накопичується позитивний заряд, але в верхній — негативний. Велика крапля при своєму падінні переважно захоплює негативні іони повітря і набуває електричного заряду. Позитивні іони відносяться вгору висхідним потоком повітря.

Інший механізм - це зарядження крапель при їхньому дробленні зустрічними потоками повітря. Дрібні бризки заряджаються негативно і відносяться вгору, а великі, позитивно заряджені, падають вниз.

Обидва ці механізми забезпечують як зарядження крапель, і просторове поділ зарядів протилежного знака всередині хмари. Зазвичай у нижній частині грозової хмари накопичується негативний заряд (за винятком невеликої, позитивно зарядженої області), а у верхній - позитивний.

Набагато гірша справа з поясненням кульової блискавки, яка іноді з'являється після сильного розряду лінійної блискавки. Зазвичай це куля, що світитьсядіаметром 10 - 20 сантиметрів. Нерідко вона нагадує «кошеня середньої величини, що згорнувся клубочком і котиться без допомоги ніг». Торкаючись предметів, кульова блискавка може вибухнути, завдаючи значних руйнувань.

Кульова блискавка, мабуть, єдине макроскопічне явище на Землі, яке досі не має достовірного пояснення. Розряд кульового типу не вдається одержати в лабораторії. У цьому вся справа.

4-4. Вогні святого Ельма

Перед грозою або під час її нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. Цей повільний і мирно скоєний розряд називають з давніх-давен вогнями; святого Ельма.

Ще у Тита Лівія можна прочитати, що коли флот Лізандра виходив із порту для того, щоб напасти на афінян, на щоглах адміральської галери спалахнули вогні. Давні вважали появу вогнів Ельма гарною ознакою.

Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді навіть не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими плюмажами, що світяться. Якщо підняти руку, то за характерним печінням відчувається, як з пальців спливає електричний струм. Нерідко льодоруби починають гудіти подібно до великого джмеля.

Вогні святого Ельма не що інше, як форма коронного розряду, легко одержуваного в лабораторії. Заряджена хмара індукує на Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Коли напруженість електричного поля досягне критичного значення 30 000 в/см (через вологість повітря може бути і менше), починається розряд. Електрони, що утворилися біля вістря внаслідок звичайної іонізації повітря, прискорюються полем і, стикаючись з атомами і молекулами, руйнують їх. Число електронів та іонів лавиноподібно зростає, і повітря починає світитися.

4-5. Електричний заряд Землі

Грозова хмара недовго зберігає свій заряд. Декілька ударів блискавки — і хмара розряджається.

Заряд земної кулі, якщо не звертати увагу на незначні коливання, залишається незмінним. Надлишковий негативний заряд Землі q Землі = -5,8. 10 5 Кл (мінус 580 000 кулонів – це колосальний розмір електричного заряду). У поверхні Землі електричне поле не так вже й мало: 130 В/м. На перший погляд, це досить дивно. Через атмосферні іони повітря проводить електричний струм, і розрахунки показують, що приблизно за півгодини земна куля повинна повністю розрядитися. Тому головна труднощі над з'ясуванні походження заряду, а тому, щоб зрозуміти, чому не зникає.

Існують дві причини відновлення заряду Землі. По-перше, удари блискавок. За добу на Землі відбувається понад 40 тисяч гроз і щомиті близько 1800 блискавок б'ють у Землю. Нижня частина хмари несе негативний заряд і, отже, удар блискавки - це передача земній кулі певної порції негативної електрики.

Одночасно під час грози виникають струми з численних гострих предметів (вогні святого Ельма), які відводять від земної поверхні, позитивний заряд.

Баланс тут навести важко, але загалом, мабуть, кінці сходяться. Втрата негативного заряду ділянками земної поверхні, над якими простягається чисте небо, компенсується припливом негативних зарядів у місцях, де лютують грози.

Ну, а звідки ж узявся Землі заряд, і чому він негативний? Тут доводиться здогадуватися. На думку Френкеля спочатку невеликий заряд виник випадкових причин. Потім він почав зростати за рахунок «грозового механізму», про який йшлося, поки не встановилася динамічна рівновага, що існує донині.

Заряд спочатку міг би бути позитивним. Тоді водяні краплі грозової хмари поляризувалися б інакше, і блискавки повідомляли б Землі позитивний заряд. Загалом усе було б так, як і зараз, але ролі позитивних і негативних зарядів змінилися б.

Примітка SuperCook про походження надмірного негативного заряду Землі.
На Землі багато води, частина її випаровується та досягає верхніх шарів атмосфери. там іонізуючими випромінюваннямиСонця молекули води H 2 O розриваються на іони H + (тобто протони p + іони водню) і OH - (іони гідроксилу).
Треба враховувати, що Земля обертається не в космічному вакууміміжзоряного Космосу, а у верхніх, вже вельми розріджених шарах атмосфери Сонця (яка поступово зменшуючись простягається далеко за орбіту Плутона). У сонячній атмосфері дме потужні сонячні вітри, від вибухів на Сонці поширюються надзвукові ударні хвилі.
Деяка частина атмосфери Землі постійно здуває сонячним вітром. Зокрема, 260 мільйонів років тому — за часів розквіту динозаврів та гігантських ящурів з розмахом крил до 18 метрів — тиск повітря біля поверхні Землі був 6,5 атм (зараз лише 1 атм).
Зрозуміло, що набагато легші протони (позитивні іони водню) здуваються легше, ніж 17 разів важчі негативні іони гідроксилу. Земля набуває надмірного негативного заряду, а іони гідроксилу — через кілька ступенів взаємодій і відщеплень електронів — з'єднуються в молекули перекису водню H 2 O 2 .
Постійно мільйони тонн перекису водню, що утворився, з дощами і снігом випадають на землю, де поступово розкладаються на воду і вільний кисень.
Тому будь-яка планета Сонячної системи, яка має досить багато води, матиме у своїй атмосфері багато вільного кисню. Наприклад, на супутнику Юпітера Європі, суцільно покритій льодами над 100-кілометровою товщею води, в атмосфері 11% кисню (Європа набагато холодніша за Землю, води випаровується менше, і там сонячний вітер уже слабший). Європа також має величезний негативний електричний заряд.

4-6. Земний магнетизм

Магнітне поле Землі набагато раніше привернуло до себе увагу людей, ніж електричне. Виявляється воно вкрай просто, але його роль життя нашої планети далеко не зводиться до того, щоб допомогти її мешканцям знаходити за допомогою компаса правильний шляху безкрайньому океані, тайзі чи пустелі.

Якщо електричне поле мало виходить межі нижніх верств атмосфери, то магнітне простягається на 20 — 25 земних радіусів. Лише на висоті 100 000 кілометрів воно перестає грати помітну роль, наближаючись до величини поля міжпланетного простору.

Магнітне поле утворює третій «броньовий пояс», що оточує Землю поряд з атмосферою та іоносферою. Воно не підпускає до Землі потоки космічних частинок, якщо їхня енергія не надто велика. Лише області магнітних полюсів ці частинки безперешкодно можуть вторгатися в атмосферу.

на великій висотімагнітне поле невелике, але захоплює величезні області простору. Діючи на заряджену частинку тривалий час, вона значно змінює її траєкторію. Замість прямої лінії виходить спіраль, що навивається на силові лінії поля. Уздовж силових ліній магнітне поле жене частинки до полюсів. Іноді, правда, якщо швидкість частки велика, вона не встигає зробити навіть одного витка, і тоді можна говорити лише про викривлення траєкторії.

На частину, що летить уздовж силової лінії, відповідно до закону Ампера магнітне поле не діє. Ось чому частки вільно можуть підлітати до полюсів, звідки віялом розходяться силові лінії. Не дивно, що корпускулярні потоки від Сонця спричиняють свічення верхніх шарів повітряного океану переважно біля полюсів.

До речі, ці потоки частинок самі створюють значні магнітні поля і викликають магнітні бурі, під час яких стрілка компаса починає безпорадно метатися.

Радіаційні пояси Землі, відкриті за допомогою космічних ракет, — це не що інше, як заряджені частинки невеликих енергій, захоплені магнітною пасткою, розставленою нашою планетою. Саме магнітне поле утримує на великій висоті рої заряджених частинок, подібно до ореолів навколишнім Землю. У зовнішньому поясі домінують електрони, а внутрішньому, де напруженість поля більше,— протони. Для польотів космонавтів на висотах ці пояси становлять реальну небезпеку.

SuperCook про походження земного магнетизму(Попередньо див. вище "4-5. Електричний заряд Землі").
Джерело будь-якого магнітного поля - це відносний рухелектричних зарядів.
Величезний надлишковий негативний заряд Землі, як і в будь-якій зарядженій сфери, розташовується на поверхні сфери.
Земля має великий супутникМісяць, який гальмує обертання Землі та викликає приливні хвилі. Але Земля - ​​це не тверда куля, а густа кашеподібна розплавлена ​​маса (температура всередині Землі від 6000 до 20000 градусів С), лише зверху вкрита твердою корою, що охолола. (Відносна товщина земної кори набагато менше, ніж товщина шкірки біля яблука).
Приливні хвилі (біля суші вони близько 0,5 м) сильніше гальмують зовнішні шари Землі, ніж внутрішні. Тому центральна частина Землі обертається довкола земної осішвидше.
Таким чином, електрично нейтральна центральна частина провертається щодо негативно зарядженої поверхні Землі на один повний обороткожні 120 років (щодо поверхні це 40 см/с). З урахуванням колосального надлишкового заряду земної кори (мінус 580 тис. кулонів), такий відносної швидкостіцілком достатньо створення потужного магнітного поля планети.
Т.к. Місяць обертається навколо Землі (відповідно, і гальмує) не в площині земного екватора, а під кутом до неї, магнітні полюси Землі розташовуються не на географічних полюсах. А т.к. Земля всередині не однорідна (зокрема, зараз Західна півкуля трохи важча за Східну), магнітні полюси постійно "блукають" по поверхні Землі. А ось повне "переполюсування" магнітних полюсів неможливе - для цього Місяць своїм тяжінням повинен не гальмувати (як зараз), а прискорювати осьове обертанняЗемлі, тобто. обертатися навколо Землі з більшою кутовий швидкістючим Земля обертається навколо своєї осі.

4-7. Земна куля - сферична динамомашина

На думку авторів Григор'єва та Мякішева, походження земного магнетизму (втім, вище в "4-6. Земний магнетизм" SuperCook на цю тему все роз'яснив) — ще більш заплутане питання, ніж походження електричного поля. Його не можна пояснити скупченням намагнічених порід. Цікава ідея Френкеля, висунута порівняно недавно, дозволяє, мабуть, дещо зрозуміти. Земне ядро ​​- це генератор електричного струму, що діє за принципом самозбудження, як і стандартна динамомашина.

Вам, мабуть, неважко буде згадати, у чому цей принцип. У динамомашин струм виникає при русі провідників в магнітному полі, яке саме створюється тим же струмом. Якщо спочатку струму немає, то за деякої швидкості обертання він виникне і почне наростати. Адже невелике залишкове поле завжди є. Воно створює струм, який дещо збільшує магнітне поле. За рахунок цього зросте струм, а потім магнітне поле, і т. д. аж до деякого граничного значення.

Щоб можна було уподібнити земну кулю генератору, передусім треба припустити, що ядро ​​Землі є рідким і здатне проводити електричний струм. У цих припущеннях немає нічого неймовірного. Але звідки можуть взятися рухи провідних мас ядра? У динамомашини ми просто розкручуємо якір, а тут немає жодних зовнішніх впливів.

Вихід, однак, можна знайти. За рахунок радіоактивного розпаду нестійких елементів температура в центрі ядра повинна бути дещо вищою, ніж на його периферії. Через це виникає конвекція: більш гарячі маси з центру ядра спрямовуються нагору, а холодні опускаються вниз. Але Земля обертається і швидкість мас поверхні ядра більше, ніж у його глибинах. Тому елементи рідини, що піднімаються, гальмують обертання зовнішніх шарів ядра, а опускаються, навпаки, прискорюють внутрішні. В результаті внутрішня частина ядра обертається швидше за зовнішню і відіграє роль ротора генератора, тоді як зовнішня — роль статора.

У такій системі, як показують розрахунки, можливе самозбудження та поява вихрових. електричних струмівзначної величини. Ці струми, згідно з гіпотезою Френкеля, створюють магнітне поле навколо Землі/ Енергія на підтримку струму черпається з радіоактивного розігріву речовини, що створює конвекційні струми в ядрі.

Чи так справи насправді, сказати важко. У всякому разі, правильніше називати Землю «великою динамомашиною», ніж «великим магнітом», як це робиться в багатьох книгах.

Магнітне поле оточує як Землю, а може існувати й інших планет і зірок. Воно ставить «свій штамп» на світлові хвилі, випромінювані атомами Сонця та зірок, даючи тим самим фізикам можливість виявити себе.

Місяць, як показали виміри наших космічних кораблівякщо і має магнітне поле, то воно принаймні в 500 разів слабше земного. Чи мають поля інші планети сонячної системи, поки що не відомо. Але ось-ось космічні апарати доправлять нам і ці відомості.

*) Прим. SuperCook. За сучасними даними магнітне поле у ​​Марса дуже невелике, що цілком зрозуміло — вкрай мало гальмує його двох маленьких супутників Фобоса і Деймоса, а також і дуже віддаленого Сонця, своїм гравітаційним полемщо теж викликає приливні хвилі на планетах.

4-8. Космічна електродинаміка

Заговоривши про магнітні поля планет і зірок, ми непомітно вступили в нову область, область космічної електродинаміки Тут поки що мало достовірного; набагато менше, ніж різних гіпотез. Але багато чого, що вчора ще було цікавим здогадом, сьогодні стає майже достовірним фактом. Головне, з'ясувалося, що електромагнітні сили грають у космосі зовсім не малу роль, як передбачалося раніше.

Бурхлива поверхня та атмосфера Сонця... Гігантські мови розпеченої речовини злітають угору. Вихори та смерчі розміром із нашу планету. Бурі, безперервні бурі, але вогняні, сяючі. Бурі не лише речовини, а й магнітного поля.

Іноді із глибин Сонця парами випливають чорні плями. Магнітне поле у ​​цих ділянках зростає у тисячі разів.

Невідомі сили часом забирають від Сонця цілі згустки заряджених частинок. Переборюючи гравітаційне тяжіння, вони зі швидкістю кількох тисяч кілометрів за секунду врізаються в атмосферу Землі.

Важко тут фізику побачити якусь закономірність, якийсь порядок. Важко зрозуміти природу сил у масі матерії, що крутиться. Це відбувається далеко, дуже далеко і зовсім не схоже на те, що ми можемо бачити на нашій планеті.

Важко, але неможливо. За тих температур, які є на Сонці, не може бути ні нейтральних атомівні нейтральних молекул. Вони просто не можуть вціліти, як не може вціліти паровоз, що на повному ходу врізається в зустрічний поїзд.

А такий повністю іонізований газ або повністю іонізована плазма, як кажуть фізики, чудово проводить електричний струм. Це дає можливість електромагнітним силам розвернутися та демонструвати свою міць на новій ниві.

У магнітному полі всередині рухається високотемпературної плазмизбуджуються електричні струми чималої величини. Через хорошу провідність вони не схильні згасати. Тому в середовищі поряд зі звичайними силами пружності набувають не меншого значення сили магнітної взаємодії струмів. І якщо рух простого середовища описується законами гідродинаміки, то тут панує магнітна гідродинаміка.

Ми ще, звичайно, дуже далекі від того, щоб зрозуміти все, що відбувається на Сонці. Але є впевненість, що основні явища, починаючи від викиду цілих мас матерії та закінчуючи появою сонячних плям, завдячують магнітним взаємодіям.

Та й не лише це! Міжзоряний газ сильно іонізований випромінюванням. Щільність його мала (1 частка на кубічний сантиметр), але це компенсується величезними розмірами хмар. З електричними струмами і, відповідно, магнітними полями в них не можна не зважати.

Хмари, що рухаються, заповнюють собою всю Галактику, і тому вся вона виявляється наповненою магнітним полем. І навіть не лише сама Галактика, а й сусідні області простору.

Магнітні поля тут не великі, і ми їх сприймати безпосередньо не можемо. Але ми знаємо, що вони є! Звідки ж?

4-9. Радіовипромінювання Галактики та космічні промені

Якби ми могли бачити радіохвилі, то на небі виблискувало б не одне, а цілих три Сонці (точніше, «радіосонця»). Одне з них у сузір'ї Кассіопеї, інше-в Лебеді і, нарешті, це наше звичайне Сонце *). Але крім того ми помітили б безліч менш яскравих «радіосонців» і слабке розсіяне «радіо світло», що йде до нас із усіх куточків Галактики і навіть із прилеглих до неї, здавалося б, порожніх місць.

*) Сонце - рядова зірка і тільки близькість його до нас дозволяє йому конкурувати за «радіояркістю» з двома першими джерелами, незмірно потужнішими, ніж Сонце.

Частина радіохвиль виникає при зіткненнях заряджених частинок розпеченого газу. Це теплове (гальмівне) випромінювання. Воно нічого не може розповісти нам про магнітні поля Галактики. Але є інша, нетеплова частина, колискою якої є магнітне поле. Воно загортає швидкі космічні електрони, і, крутячись по спіралі, ці електрони випромінюють електромагнітні хвилі, подібно до того як точильний камінь, що скажено обертається, розсипає навколо себе іскри, якщо торкнутися його поверхні лезом ножа. Можна стверджувати, що там, де народжуються радіохвилі обов'язково є магнітні поля!

Але звідки беруться у космосі швидкі електрони? Радіовипромінювання народжене ними, і там, де є особливо потужні джерела радіохвиль, ми повинні шукати космічні прискорювачі. Отже, ті далекі потужні «радіосонця», про які йшлося, і є переважно такими космічними прискорювачами.

Ми звикли до спокійної глибини чистого нічного неба. Ніщо не здається таким непорушним, вічним, як «стрункий хор» небесних світил. Загалом, так воно і є. Але іноді трапляються катастрофи; катастрофи суто космічних масштабів Зірка, що жила мільярди років своєї звичайним життямраптом починає з невідомих причин жахливо розпухати. (Якби це сталося про наше Сонце **), то дуже скоро орбіти всіх планет виявилися б усередині нього.) Яскравість зірки (її називають надновою) збільшується в сотні мільйонів разів, і її можна бачити на небі серед білого дня. Поступово блиск зменшується, і на місці зірки залишається туманна хмара, іноді важко помітна в телескоп.

**) Сонцю подібний вибух насправді не загрожує. Його маса надто мала.

У Галактиці з її мільярдами зірок такий спалах спостерігається раз на 100 — 200 років. Відколи винайшли телескоп, не з'явилося жодної наднової.

Так ось, «радіосонця» здебільшого це залишки наднових зірок. Лише у напрямі сузір'я Лебедя ми, мабуть, спостерігаємо сліди ще потужнішої катастрофи; вибух цілої галактики, подібної до нашої.

Можна собі уявити, що початкове прискорення заряджені частинки (електрони, протони та ядра атомів) одержують від гігантської ударної хвилі, що супроводжує вибух наднової. Надалі починають діяти електромагнітні сили. Наростаючі магнітні поля індукують електричне поле. Це поле може бути не таким великим, але через свої космічні розміри прискорює окремі частинки до енергій, недоступних поки що для прискорювачів, створених руками людини.

Деяку частку космічного проміння постачають менш потужні індукційні електричні поля Сонця та інших зірок.

Існує, мабуть, ще один механізм прискорення космічних частинок. При зустрічі намагніченої хмари, що рухається, міжзоряного газу з швидкою часткою відбувається процес, аналогічний зіткненню двох куль. Тільки роль звичайних пружних сил грає взаємодія частки з індукційним електричним полем, породженим магнітним полем, що рухається разом з газом. При такому зіткненні енергія частки повинна зростати, подібно до того, як це відбувається при зіткненні легкої кулі з дуже важким. Після великої кількостізіткнень частка може набрати значної енергії.

Безладні магнітні поля Галактики не лише прискорюють, а й розсіюють космічні частки. В результаті на Землю вони вже поступають рівномірно з усіх боків, а не лише з тих місць, де відбувається їхнє прискорення. Надпотужні частки залітають до нас, мабуть, із сусідніх галактик.

Ми не можемо стверджувати, що все у світі відбувається так і тільки так, як ми вам щойно розповіли. Це лише найбільш природна з сучасного погляду картина електромагнітних явищ у Всесвіті. Написана вона, можна побачити, дуже великими мазками. І це вийшло не тільки завдяки тому, що картина дуже велика. Деталі явищ залишаються поки що неясними для самих художників-вчених. Та й "фарба" на картині ще "не просохла": картина була створена зовсім недавно, кілька років тому, і лише її цілісність вселяє надію, що в основі своїй вона правильна.

4-10. Електричні риби

Отже електричні риби. Це унікальні істоти, які від своїх побратимів тим, що несуть у собі живі гальванічні елементи. Електричний струм, що виробляється ними, служить засобом захисту або нападу.

Цікаво, що серед викопних електричних риб було набагато більше, ніж серед тих, хто живе нині. Мабуть, явне використання електромагнітних силвиявилося менш ефективним, як вдосконалення сил, що виявляються неявно: насамперед м'язових.

Найбільш яскравим представникомпороди, що цікавить нас, є електричний скат (торпедо, по його імені названо і відоме морське зброю). Риба ця, що мешкає в теплих морях, важить близько 100 кілограмів і досягає близько двох метрів завдовжки. Його електричні органи, розташовані з боків голови, важать більше за пуд. Невтомлений схил здатний дати струм 8 ампер при напрузі 300 вольт. Це є серйозною небезпекою для людини.

Від електричних рибважко очікувати великої чутливості до струму. Скат легко переносить напруги, смертельні для інших риб.

Електричні органи скату за своєю будовою напрочуд схожі на батарею гальванічних елементів. Вони складаються з численних пластинок, зібраних стовпчиками (послідовне з'єднання елементів), які розташовані один біля одного в багато рядів (паралельне з'єднання).

Одна сторона пластинки гладка і несе негативний заряд. Інша, з сосочками, що виступають, заряджена позитивно. Як і належить, весь пристрій укладено в електроізолюючу тканину.

Ми не намагатимемося вникнути в механізм виникнення електрорушійної сили в органах скату, як не розбирали свого часу принцип дії звичайного гальванічного елемента. Тут ще багато незрозумілого. З упевненістю можна стверджувати лише одне: в основі роботи електричних органівлежать хімічні силияк і в гальванічному елементі.

Не будемо також розширювати коло знайомств серед електричних риб.

Не можна тільки не згадати ще про одного чудового мешканця Нілу — морміруса або водяного слоника. Ця риба забезпечена дивовижним локатором. В основі хвоста у неї розташований генератор змінного електричного струму, що посилає імпульси з частотою кількох сотень коливань в секунду. Навколишні предмети спотворюють електромагнітне поле навколо морміруса, що негайно відзначається приймальним пристроєм з його спині. Чутливість локатора надзвичайно велика. Морміруса не можна зловити у мережу. В акваріумі він починає метатися, як тільки ви проведете кілька разів гребінцем по волоссю.

Як працює локатор, поки що не з'ясовано. Є надія, що детальне дослідження цього питання допоможе налагодити підводний електромагнітний зв'язок, що поки що не вдається через велике згасання електромагнітних хвиль у воді.

4-11. Природа нервового імпульсу

Зрештою схил і подібні до нього риби з усім своїм електричним господарством — не більше ніж примха природи. Вільній електриці у живих організмах природа відвела незрівнянно значнішу роль. Ця електрика обслуговує лінії зв'язку, що передають у мозок «телеграми» від органів чуття про все, що відбувається в зовнішньому світі, і накази мозку у відповідь будь-яким м'язам і всім внутрішнім органам.

Нерви пронизують все тіло більш менш досконалих живих істот, і завдяки їм організм постає як єдине ціле, що діє часом разюче доцільно. Варто перерізати нерв, що веде до якого-небудь м'яза, і вона стає паралізованою, подібно до того, як перестає працювати циліндр мотора, якщо порвати провід, що передає імпульси струму запальній свічці.

Це не зовнішня аналогія. Ще з часів Гальвані було встановлено, що сигнал (нервовий імпульс), що передається нервовим волокнам, являє собою короткочасний електричний імпульс. Щоправда, справа далеко не так просто, як можна подумати. Нерв не пасивний канал великої провідності, як звичайний металевий дріт. Швидше він нагадує те, що в техніці називають релейною лінією, коли сигнал, що надходить, передається тільки сусіднім ділянкам лінії, де він посилюється і лише потім ковзає далі, там знову посилюється і т. д. Завдяки цьому сигнал може бути переданий без послаблення на значні відстані, незважаючи на природне згасання.

Що таке нерв? У Р. Джерарда можна прочитати: «Якщо павука, якого ми бачимо з землі, що висить на павутинній нитці на висоті шестиповерхової будівлі, зменшити в розмірах ще приблизно раз на двадцять (включаючи нитку, на якій він висить), він дуже нагадував би нервову клітину, чи нейрон. Тіло нервової клітини не відрізняється від інших клітин ні своїми розмірами, ні будь-якими іншими особливостями... Однак нейрон, на відміну від звичайних, нецікавих клітин, має не лише клітинне тіло— він розсилає на дослідження віддалених частин організму тонкі ниткоподібні відростки. Більшість відростків поширюється на невеликі відстані... Однак один тонкий відросток діаметром менше 0,01 міліметра, точно одержимий пристрастю до мандрівок, відходить від нейрона на величезні відстані, які вимірюють сантиметри і навіть метри.

Усі нейрони центральної нервової системи зібрані разом у головному та спинному мозкуде вони утворюють сіру речовину... І лише довгі відростки — аксони з'єднують їх з іншими частинами тіла. Пучки цих аксонів, або осьових відростків, що відходять від близьких один до одного нервових клітин, утворюють нерви. Особлива речовина - міелін огортає тонким шаром більшість аксонів, подібно до того, як ізоляційна стрічка обмотує електричний провід.

Сам аксон можна спрощено уявити собі як довгу циліндричну трубку з поверхневою мембраною, що розділяє два водні розчини різного хімічного складута різної концентрації. Мембрана подібна до стінки з великою кількістю напіввідкритих дверей, крізь які іони розчинів можуть протискуватися тільки з великими труднощами. Найдивовижніше і незрозуміле в тому, що електричне поле «прикидає ці дверцята», а з його ослабленням вони відкриваються ширше.

У стані бездіяльності всередині аксона знаходиться надлишок іонів калію; зовні - іонів натрію. Негативні іони сконцентровані головним чином внутрішньої поверхні мембрани і тому вона заряджена негативно, а зовнішня поверхню — позитивно.

При подразненні нерва відбувається часткова деполяризація мембрани (зменшення зарядів на її поверхнях), що призводить до зниження електричного поля всередині неї. Внаслідок цього «відчиняються дверцята» для іонів натрію і вони починають проникати всередину волокна. Зрештою, внутрішня частина аксона заряджається на цій ділянці позитивно.

Так з'являється нервовий імпульс. Власне, це імпульс напруги *), викликаний протіканням струму через мембрану.

*) Ми сподіваємося, що все більш-менш уявляють собі, що таке напруга в електричної мережі. Тут слово напруга має такий самий сенс.

У цей момент «відчиняються дверцята» для калійових іонів. Проходячи на поверхню аксона, вони поступово відновлюють ту напругу (близько 0,05 вольта), яка була у збудженого нерва.

Водночас частина іонів із сусідньої ділянки «проривається крізь дверцята сусідів». Через це поле тут також починає слабшати і весь процес повторюється на новій ділянці аксона. В результаті нервом людини до мозку, не згасаючи, зі швидкістю близько 120 метрів за секунду рухається нервовий імпульс.

Іони натрію та калію, зміщені при проходженні імпульсу зі своїх насиджених місць, поступово повертаються назад безпосередньо крізь стінку за рахунок хімічних процесів, механізм яких поки що не з'ясований.

Викликає захоплене здивування, що вся поведінка вищих тварин, всі творчі зусилля людського мозку засновані на цих надзвичайно слабких струмах і найтонших, мікроскопічних хімічних реакціях.

4-12. Біоструми мозку

Тут ми торкаємося свята-святих живої природи – людського мозку. У мозку безперервно відбуваються електричні процеси. Якщо на лоб і потилицю накласти металеві пластини, з'єднані через підсилювач з приладом, що реєструє, то можна зафіксувати безперервні електричні коливання кори головного мозку *). Їхній ритм, форма та інтенсивність істотно залежать від стану людини.

*) Природно, що коливання спостерігаються у мозку людини, а й у мозку будь-яких тварин.

У мозку сидить спокійно із заплющеними очима, яка не думає ні про що людину відбувається близько 10 коливань в секунду. Коли людина розплющує очі, мозкові хвилі зникають і знову з'являються, коли очі закриті. Коли людина засинає, ритм коливань уповільнюється. За характером коливань можна точно визначити момент початку і кінця сновидіння.

При захворюваннях мозку характер електричних коливань змінюється особливо різко. Так, патологічні коливання при епілепсії можуть бути правильною ознакоюзахворювання.

Все це доводить, що мозкові клітини перебувають у стані постійної активності, і великі кількості їх, за словами Джерарда, «вагаються разом, подібно до скрипок величезного оркестру». нервові імпульси, що надходять в мозок, не йдуть уторованими шляхами, а змінюють всю картину розподілу коливань в корі великих півкуль.

Характер електричної активності мозку змінюється з віком протягом усього життя та навчання.

Слід гадати, що електричні коливання непросто супроводжують роботі мозку, як шум — руху автомобіля, а є істотним моментом його життєдіяльності. Електронна обчислювальної машини, здатної виконувати окремі функції мозку навіть краще, ніж він сам, саме електромагнітні процеси визначають всю роботу.

Досвід показує, що електрометр, з'єднаний із зондом, дає помітне відхилення навіть у тому випадку, коли поблизу немає спеціально заряджених тіл. При цьому відхилення електрометра тим більше, що вище точка над поверхнею Землі. Це означає, що між різними точкамиатмосфери, що знаходяться на різній висоті, є різниця потенціалів, тобто навколоземної поверхні існує електричне поле. Зміна потенціалу з висотою по-різному в різні пори року і для різних місцевостей і має в середньому поблизу земної поверхні значення близько 130 В/м. У міру підйому над Землею поле це швидко слабшає, і вже на висоті 1 км напруженість його дорівнює лише 40 В/м, а на висоті 10 км воно стає дуже слабким. Знак цієї зміни відповідає негативному заряду Землі. Таким чином, ми постійно живемо і працюємо в помітному електричному полі (див. вправу 29.1).

Експериментальне дослідження цього поля та відповідні розрахунки показують, що Земля в цілому має негативний заряд, середнє значення якого оцінюється в півмільйона кулонів. Цей заряд підтримується приблизно незмінним завдяки низці процесів в атмосфері Землі та поза нею (у світовому просторі), які ще далеко не повністю з'ясовані.

Природно виникає питання: якщо на поверхні Землі постійно знаходиться негативний заряд, де розташовані відповідні позитивні заряди? Де починаються лінії електричного поля, які закінчуються на земної поверхні? Неважко бачити, що ці позитивні заряди не можуть знаходитися десь далеко від Землі, наприклад на Місяці, зірках або планетах. Якби це було так, то поле поблизу Землі мало б такий самий вигляд, як поле ізольованої кулі на рис. 50. Напруженість цього поля б убувала назад пропорційно квадрату відстані від центру Землі (а не від земної поверхні). Але радіус Землі дорівнює приблизно 6400 км, і тому зміна відстані від центру Землі на кілька кілометрів або кілька десятків кілометрів могла б лише мало змінити напруженість поля. Досвід показує, як ми зазначали вище, що напруженість електричного поля Землі дуже швидко падає в міру віддалення від неї. Це вказує на те, що позитивний заряд, що відповідає негативному заряду Землі, знаходиться десь на невеликій висоті над поверхнею Землі. Справді, виявили на висоті кількох десятків кілометрів над Землею шар позитивно заряджених (іонізованих) молекул. Об'ємний позитивний заряд цієї хмари зарядів компенсує негативний заряд Землі. Лінії земного електричного поля йдуть від цього шару до Землі.

Рис. 50. Еквіпотенційні поверхні ( суцільні лінії) та лінії поля (штрихові Лінії) зарядженої кулі, віддаленої від інших предметів. Усередині кулі, як і всередині будь-якого провідника, поля немає

29.1. Оскільки поле поблизу Землі має напруженість близько 130 В/м, то між точками, в яких знаходяться голова та ноги кожного з нас, мала б бути напруга понад 200 В. Чому ж ми не відчуваємо цього поля, тоді як дотик до полюсів батареї або мережі про напругу 220 В дуже болісно і навіть може бути небезпечно?

29.2. Вимірювання з електричним зондом показують, що збільшення потенціалу з висотою у поверхні Землі дорівнює в середньому 100 В/м. Вважаючи, що це поле викликане зарядом Землі, обчисліть заряд, що знаходиться на земній кулі, вважаючи радіус Землі рівним 6400 км.

Глобальний конденсатор

У природі існує абсолютно унікальне альтернативне джерело енергії, екологічно чисте, відновлюване, просте у використанні, яке досі ніде не використовується. Джерело це – атмосферний електричний потенціал.

Наша планета в електричному відношенні є подібністю сферичного конденсатора, зарядженого приблизно до 300 000 вольт. Внутрішня сфера – поверхня Землі – заряджена негативно, зовнішня сфера- Іоносфера - позитивно. Ізолятором є атмосфера Землі (Рис.1).

Через атмосферу постійно протікають іонні та конвективні струми витоку конденсатора, які досягають багатьох тисяч ампер. Але незважаючи на це, різниця потенціалів між обкладками конденсатора не зменшується.

І це отже, що у природі існує генератор (G), який постійно заповнює витік зарядів з обкладок конденсатора. Таким генератором є магнітне поле Землі, що обертається разом із нашою планетою в потоці сонячного вітру.

Щоб скористатися енергією цього генератора, потрібно якимось чином підключити споживач енергії.

Підключитися до негативного полюса – Землі – просто. Для цього достатньо зробити надійне заземлення. Підключення до позитивного полюса генератора – іоносфери – є складним технічним завданням, рішенням якого ми й займемося.

Як і у будь-якому зарядженому конденсаторі, у нашому глобальному конденсаторі існує електричне поле. Напруженість цього поля розподіляється дуже нерівномірно за висотою: вона максимальна біля Землі і становить приблизно 150 В/м. З висотою вона зменшується приблизно за законом експоненти і на висоті 10 км становить близько 3% значення поверхні Землі.

Таким чином, майже все електричне поле зосереджено в нижньому шарі атмосфери біля поверхні Землі. Вектор напруги ел. поля Землі E спрямовані у випадку вниз. У своїх міркуваннях ми використовуватимемо лише вертикальну складову цього вектора. Електричне поле Землі, як і будь-яке електричне поле, діє на заряди з певною силою F, яка називається кулонівською силою. Якщо збільшити величину заряду на напруженість ел. поля в цій точці, то отримаємо якраз величину кулонівської сили Fкул. Ця кулонівська сила штовхає позитивні заряди вниз, до землі, а негативні — вгору, в хмари.

Провідник у електричному полі

Встановимо на поверхні Землі металеву щоглу та заземлимо її. Зовнішнє електричне поле миттєво почне рухати негативні заряди (електрони провідності) догори, до верхівки щогли, створюючи там надлишок негативних зарядів. А надлишок негативних зарядів на верхівці щогли створить своє електричне поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю. Настає момент, коли ці поля зрівняються за величиною, і рух електронів припиняється. Це означає, що у провіднику, з якого зроблена щогла, електричне поле дорівнює нулю.

Так працюють закони електростатики.

Покладемо висота щогли h = 100 м, середня напруженість по висоті щогли Еср. = 100 В/м.

Тоді різниця потенціалів (е.д.с.) між Землею і верхівкою щогли буде чисельно дорівнює: U = h * Eср. = 100 м*100 В/м = 10 000 вольт. (1)

Це цілком реальна різниця потенціалів, яку можна виміряти. Правда, звичайним вольтметром з проводами виміряти її не вдасться - у проводах виникне така ж е.р.с., як і в щоглі, і вольтметр покаже 0. Ця різниця потенціалів спрямована протилежно вектору напруженості Е електричного поля Землі і прагне виштовхнути електрони провідності з верхівки щогли нагору, в атмосферу. Але цього немає, електрони що неспроможні залишити провідник. У електронів недостатньо енергії для того, щоб залишити провідник, з якого зроблена щогла. Ця енергія називається роботою виходу електрона з провідника і більшість металів вона становить менше 5 електронвольт — величина дуже незначна. Але електрон у металі не може придбати таку енергію між зіткненнями з кристалічними ґратами металу і тому залишається на поверхні провідника.

Постає питання: що станеться з провідником, якщо ми допоможемо надлишковим зарядам на верхівці щогли залишити цей провідник?

Відповідь проста:негативний заряд на верхівці щогли зменшиться, зовнішнє електричне поле всередині щогли вже не буде компенсовано і почне знову рухати електрони провідності вгору до верхнього кінця щогли. Значить, по щоглі потече струм. І якщо нам вдасться постійно видаляти надлишкові заряди з верхівки щогли, в ній постійно тектиме струм. Тепер нам достатньо розрізати щоглу в будь-якому, зручному для нас місці і включити туди навантаження (споживач енергії) — і електростанція готова.

На рис.3 показано принципову схему такої електростанції. Під дією електричного поля Землі електрони провідності із землі рухаються щоглою через навантаження і далі вгору щоглою до емітера, який звільняє їх з поверхні металу верхівки щогли і відправляє їх у вигляді іонів у вільне плавання по атмосфері. Електричне поле Землі в повній відповідності до закону Кулона піднімає їх вгору доти, доки вони на своєму шляху не будуть нейтралізовані позитивними іонами, які завжди опускаються вниз з іоносфери під дією того ж поля.

Таким чином, ми замкнули електричний ланцюг між обкладками глобального електричного конденсатора, який у свою чергу підключений до генератора G, і включили споживач енергії (навантаження) в цей ланцюг. Залишається вирішити один важливе питання: Як видаляти надлишкові заряди з верхівки щогли?

Конструкція емітера

Найпростішим емітером може служити плоский диск з листового металуз безліччю голок, розташованих на його колі. Він «насаджений» на вертикальну вісь і приведений у обертання.

При обертанні диска вологе повітря, що набігає, зриває електрони з його голок і таким чином звільняє їх з металу.

Електростанція із подібним емітером вже існує. Щоправда, її енергію ніхто не використовує, із нею борються.
Це вертоліт, що несе на довгому металевому стропі металеву конструкцію при монтажі. високих будівель. Тут є всі елементи електростанції, зображеної на рис.3, крім споживача енергії (навантаження). Еміттером є лопаті гвинтів вертольота, які обдуваються потоком вологого повітря, щоглою служить довгий сталевий строп із металевою конструкцією. І робітники, які встановлюють цю конструкцію на місце, чудово знають, що торкатися до неї голіручне можна - «вдарить струмом». І справді, вони в цей момент стають навантаженням у ланцюги електростанції.

Безумовно, можливі інші конструкції емітерів, більш ефективні, складні, засновані на різних принципах і фізичних ефектівдив. рис. 4-5.

Еміттера у вигляді готового виробу зараз немає. Кожен зацікавлений у цій ідеї змушений самостійно сконструювати собі свій емітер.

На допомогу таким творчим людямавтор наводить нижче свої міркування щодо конструкції емітера.

Найбільш перспективними видаються такі конструкції емітерів.

Перший варіант виконання емітера

Молекула води має добре виражену полярність і легко захопити вільний електрон. Якщо обдувати парою заряджену негативно металеву пластину, то пара захоплюватиме з поверхні пластини вільні електрони і нестиме їх із собою. Емітер являє собою щілинне сопло, вздовж якого вміщено ізольований електрод А і на який подається позитивний потенціал від джерела І. Електрод А та гострі краї сопла утворюють невелику заряджену ємність. Вільні електрони збираються на гострих краях сопла під впливом позитивного ізольованого електрода А. Пар, що проходить через сопло, зриває електрони з країв сопла і відносить їх в атмосферу. На рис. 4 зображено поздовжнє переріз цієї конструкції. Оскільки електрод А ізольований від зовнішнього середовища, струму ланцюга джерела е.д.с. ні. І цей електрод потрібен тут тільки для того, щоб разом із гострими краями сопла створити в цьому проміжку сильне електричне поле та концентрувати електрони провідності на краях сопла. Таким чином, електрод А з позитивним потенціалом є своєрідним електродом. Змінюючи на ньому потенціал, можна досягти потрібної величини сили струму емітера.

Виникає дуже важливе питання — скільки пари потрібно подавати через сопло і чи не вийде так, що всю енергію станції доведеться витратити на перетворення води на пару? Проведемо невеликий підрахунок.

В одній грамолекулі води (18 мл) міститься 6,02*1023 молекул води (число Авогадро). Заряд одного електрона дорівнює 1,6*10 (- 19) Кулону. Перемноживши ці величини, отримаємо, що у 18 мл води можна розмістити 96 000 Кулонів електричного заряду, але в 1 літрі води — понад 5 000 000 Кулонів. А це означає, що за струму 100 А одного літра води вистачить для роботи установки протягом 14 годин. Для перетворення на пару такої кількості води знадобиться зовсім невеликий відсоток енергії, що виробляється.

Звичайно, причепити до кожної молекули води електрон — завдання навряд чи можна здійснити, але ми тут визначили межу, до якої можна постійно наближатися, удосконалюючи конструкцію пристрою та технології.

Крім того, розрахунки показують, що енергетично вигідніше продувати через сопло не пар, а вологе повітря, регулюючи його вологість у потрібних межах.

Другий варіант виконання емітера

На вершині щогли встановлено металеву посудину з водою. Посудина з'єднана з металом щогли надійним контактом. У середині судини встановлено скляну капілярну трубку. Рівень води у трубці вищий, ніж у посудині. Це створює електростатичний ефект вістря - у верхній частині капілярної трубки створюється максимальна концентраціязарядів та максимальна напруженість електричного поля.

Під дією електричного поля вода в капілярній трубці підніметься і буде розпорошуватися на дрібні крапельки, забираючи негативний заряд. За певної невеликий силіструму вода в капілярній трубці закипить, і вже пара нестиме заряди. А це має збільшити струм емітера.

У такій посудині можна встановити кілька капілярних трубок. Скільки потрібно води - розрахунки див. вище.

Третій варіант виконання емітера. Іскровий емітер.

При пробої іскрового проміжку разом з іскрою з металу вискакує хмару електронів провідності.

На рис.5 показано важлива схема іскрового емітера. Від генератора високовольтних імпульсів негативні імпульси надходять на щоглу, позитивні на електрод, який утворює іскровий проміжок з верхівкою щогли. Виходить щось подібне до автомобільної свічки запалювання, але з пристрою значно простіше.
Генератор високовольтних імпульсів принципово мало відрізняється від звичайної побутової газової запальнички китайського виробництва з живленням від однієї пальчикової батарейки.

Головна перевага такого пристрою - можливість регулювати струм емітера за допомогою частоти розрядів, величини іскрового проміжку, можна зробити кілька іскрових проміжків та ін.

Генератор імпульсів можна встановити у будь-якому зручному місці, зовсім не обов'язково на верхівці щогли.

Але існує одна вада — іскрові розрядистворюють радіоперешкоди. Тому верхівку щогли з іскровими проміжками потрібно екранувати сіткою циліндричної, обов'язково ізольованої від щогли.

Четвертий варіант виконання емітера

Ще одна можливість – створити емітер на принципі прямої емісії електронів із матеріалу емітера. Для цього потрібен матеріал із дуже низькою роботою виходу електрона. Такі матеріали існують давно, наприклад паста з оксиду барію-0,99 ев. Можливо, зараз є щось краще.

В ідеалі це має бути кімнатно-температурний надпровідник (КТСП), яких поки що не існує в природі. Але з різних повідомлень він має скоро з'явитися. Тут уся надія на нанотехнології.

Достатньо помістити на верхівку щогли шматок КТСП і емітер готовий. Проходячи надпровідником, електрон не зустрічає опору і дуже швидко набуває енергію, необхідну для виходу з металу (близько 5 ев.)

І ще одне важливе зауваження. За законами електростатики і напруга електричного поля Землі найбільш висока на височинах - на вершинах пагорбів, сопок, гір і т. п. У низинах, западинах і поглибленнях вона мінімальна. Тому такі пристрої краще будувати на самих високих місцяхі подалі від високих будов або встановлювати їх на дахах найвищих будов.

Ще гарна ідея – підняти провідник за допомогою аеростату. Емітер, звичайно, потрібно встановлювати на вершині аеростату. В такому випадку можна отримати досить великий потенціал для мимовільної емісії електронів з металу, надавши йому форму отрію, і, отже, ніяких складних емітерів у цьому випадку не потрібно.

Існує ще одна відмінна можливість отримати емітер. У промисловості застосовується електростатичне фарбування металу. Розпорошена фарба, вилітаючи з розпилювача, несе на собі електричний заряд, внаслідок чого і осідає на метал, що фарбується, на який подається заряд протилежного знака. Технологію відпрацьовано.

Такий пристрій, який заряджає розпилену фарбу, є справжнім емітером ел. зарядів. Залишається тільки пристосувати його до описаної вище установки і замінити фарбу водою, якщо виникне потреба у воді.

Цілком можливо, що вологи, що завжди міститься в повітрі, буде достатньо для роботи емітера.

Не виключено, що в промисловості існують інші подібні пристрої, які легко можна перетворити на емітер.

Висновки

Внаслідок наших дій ми підключили споживач енергії до глобального генератора. електричної енергії. До негативного полюса – Землі – ми підключилися за допомогою звичайного металевого провідника (заземлення), а до позитивного полюса – іоносфери – за допомогою специфічного провідника – конвективного струму. Конвективні струми – це електричні струми, зумовлені впорядкованим перенесенням заряджених частинок. У природі вони трапляються часто. Це і звичайні конвективні висхідні струмені, які несуть негативні заряди в хмари, це і смерчі (торнадо). які тягнуть до землі сильно заряджену позитивними зарядами хмарну масу, це і висхідні потоки повітря у внутрішньотропічній зоні конвергенції, які забирають велика кількістьнегативних зарядів у верхні шари тропосфери І такі струми досягають дуже значних значень.

Якщо ми створимо досить ефективний емітер, який зможе звільняти з верхівки щогли (або кількох щоглів), припустимо, 100 кулонів зарядів за секунду (100 ампер.), то потужність побудованої нами електростанції дорівнюватиме 1000 000 ватт або 1 мегават. Цілком гідна потужність!

Така установка є незамінною у віддалених поселеннях, на метеостанціях та інших віддалених від цивілізації місцях.

Зі сказаного вище можна зробити такі висновки:

Джерело енергії є виключно простим та зручним у використанні.

На виході отримуємо найзручніший вид енергії - електроенергію.

Джерело екологічно чисте: жодних викидів, ніякого шуму тощо.

Установка виключно проста у виготовленні та експлуатації.

Виняткова дешевизна одержуваної енергії та ще безліч інших переваг.

Електричне поле Землі схильне до коливань: взимку воно сильніше, ніж влітку, щодня воно досягає максимуму о 19 годині за Грінвічем, також залежить від стану погоди. Але ці коливання не перевищують 20% його середнього значення.

У деяких окремих випадках за певних погодних умовахнапруженість цього поля може збільшитись у кілька разів.

Під час грози ел.поле змінюється у великих межах і може змінити напрямок на протилежний, але це відбувається на невеликій площі безпосередньо під грозовим осередком.

Курилов Юрій Михайлович

Електричне поле Землі

природне електричне поле Землі як планети, яке спостерігається у твердому тілі Землі, у морях, в атмосфері та магнітосфері. е. п. 3. обумовлено складним комплексом геофізичних явищ. Розподіл потенціалу поля несе в собі певну інформацію про будову Землі, про процеси, що протікають у нижніх шарах атмосфери, в іоносфері, магнітосфері, а також у ближньому міжпланетному просторіта на Сонце.

Методика виміру Е. п. 3. визначається тим середовищем, в якому спостерігається поле. Найбільш універсальний спосіб - визначення різниці потенціалів за допомогою рознесених у просторі електродів. Цей спосіб застосовується під час реєстрації земних струмів (див. Телуричні струми) , при вимірі з літальних апаратів електричного поля атмосфери, а з космічних апаратів- магнітосфери та космічного простору (при цьому відстань між електродами має перевищувати Дебаєвський радіус екранування в космічній плазмі, тобто складати сотні метрів).

Існування електричного поля в атмосфері Землі пов'язане в основному з процесами іонізації повітря і просторовим поділом позитивних і негативних електричних зарядів, що виникають при іонізації. Іонізація повітря відбувається під впливом космічних променів ультрафіолетового випромінювання Сонця; випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі та в повітрі; електричних розрядів в атмосфері і т.д. атмосферні процеси: конвекція утворення хмар, опади та інші - призводять до часткового поділу різноіменних зарядів та виникнення атмосферних електричних полів (див. Атмосферну електрику). Щодо атмосфери поверхня Землі заряджена негативно.

Існування електричного поля атмосфери призводить до виникнення струмів, атмосфера, що розряджає електричний «конденсатор» - Земля. В обміні зарядами між поверхнею Землі та атмосферою значну роль відіграють опади. У середньому опади приносять позитивних зарядів у 1,1-1,4 рази більше, ніж негативних. Витік зарядів з атмосфери заповнюється також рахунок струмів, пов'язаних з блискавками і набряком зарядів з гострих предметів (гострий). Баланс електричних зарядів, що приносяться на земну поверхню площею 1 км 2 за рік, можна характеризувати такими даними:

Струм провідності + 60 до/(км 2 · рік)

Струми опадів + 20 »

Розряди блискавок – 20 »

Струми з вістрям – 100 »

__________________________

Усього – 40 до/(км 2 · рік)

На значній частині земної поверхні - над океанами - струми з вістрі виключаються, і тут буде позитивний баланс. Існування статичного негативного заряду поверхні Землі (близько 5,7․10 5 до) говорить про те, що ці струми в середньому збалансовані.

Електричні поля в іоносфері обумовлені процесами, що протікають як верхніх шарахатмосфери, і у магнітосфері. Приливні рухи повітряний мас, Вітри, турбулентність - все це є джерелом генерації електричного поля в іоносфері завдяки ефекту гідромагнітного динамо Прикладом може служити сонячно-добова електрична струмова система, яка викликає на поверхні Землі добові варіації магнітного поля. Величина напруженості електричного поля в іоносфері залежить від розташування точки спостереження, часу доби, загального стану магнітосфери та іоносфери, від активності Сонця. Вона коливається від кількох одиниць до десятків мв/м,а у високоширотній іоносфері досягає ста і більше мв/м.При цьому сила струму сягає сотень тисяч ампер. Через високу електропровідність плазми іоносфери та магнітосфери вздовж силових ліній магнітного поля Землі електричного поля іоносфери переносяться в магнітосферу, а магнітосферні поля в іоносферу.

Одним із безпосередніх джерел електричного поля в магнітосфері є Сонячний вітер. При обтіканні магнітосфери сонячним вітром виникає ЕДС Е= v× b⊥ , де b ⊥ - нормальна компонента магнітного поля на поверхні магнітосфери, v - Середня швидкістьчастинок сонячного вітру.

Ця ЕДС викликає електричні струми, що замикаються зворотними струмами, що поточні поперек хвоста магнітосфери (див. Земля). Останні породжуються позитивними просторовими набоями на ранковому боці хвоста магнітосфери і негативними - на його вечірній стороні. Величина напруженості електричного поля поперек хвоста магнітосфери досягає 1 мв/м.Різниця потенціалів поперек полярної шапки становить 20-100 кв.

Ще один механізм збудження ЕДС у магнітосфері пов'язаний з колапсом протилежно спрямованих силових ліній магнітного поля в хвостовій частині магнітосфери; енергія, що звільняється при цьому, викликає бурхливе переміщення магнітосферної плазми до Землі. При цьому електрони дрейфують навколо Землі до ранкової сторони, протони – до вечірньої. Різниця потенціалів між центрами еквівалентних об'ємних зарядів сягає десятків кіловольт. Це поле протилежне за напрямом поля хвостової частини магнітосфери.

З дрейфом частинок безпосередньо пов'язане існування кільцевого магнітосферного струму навколо Землі. У періоди магнітних бурЕлектронні поля і струми в магнітосфері та іоносфері зазнають значних змін.

Магнітогідродинамічні хвилі, що генеруються в магнітосфері, поширюються природними хвилеводними каналами вздовж силових лініїмагнітного поля Землі Потрапляючи в іоносферу, вони перетворюються на електромагнітні хвилі, які частково доходять до Землі, а частково поширюються в іоносферному хвилеводі і згасають, На Землі ці хвилі реєструються залежно від частоти коливань чи як магнітні пульсації (10 -2 -10 гц), або як дуже низькочастотні хвилі (коливання з частотою 10 2 -10 4 гц).

Змінне магнітне поле Землі, джерела якого локалізовані в іоносфері та магнітосфері, індукує електричне поле в земній корі. Напруженість електричного поля в приповерхневому шарі кори коливається в залежності від місця та електричного опору порід у межах від кількох одиниць до кількох сотень мв/км,а під час магнітних бур посилюється до одиниць і навіть десятків в/км.Взаємопов'язані змінні магнітне та електричне поля Землі використовують для електромагнітного зондування у розвідувальній геофізиці, а також для глибинного зондування Землі.

Певний внесок у Е. н. З. вносить контактну різницю потенціалів між породами різної електропровідності (термоелектричний, електрохімічний, п'єзоелектричний ефекти). Особливу роль при цьому можуть грати вулканічні та сейсмічні процеси.

Електричні поля в морях індукуються змінним магнітним полем Землі, а також виникають під час руху провідної морської води (морських хвиль та течій) у магнітному полі. Щільність електричних струмів у морях досягає 10 -6 а/м 2 . Ці струми можуть бути використані як природні джерелазмінного магнітного поля для магнітоварійного зондування на шельфі та в морі.

Питання про електричний заряд Землі як джерела електричного поля в міжпланетному просторі остаточно не вирішено. Вважається, що Земля як планета електрично нейтральна. Однак ця гіпотеза потребує свого експериментального підтвердження. Перші виміри показали, що напруженість електричного поля в міжземному міжпланетному просторі коливається в межах від десятих часток до декількох десятків мв/м.

Літ.:Тихонов А. Н. Про визначення електричних характеристикглибоких верств земної кори, «Докл. АН СРСР», 1950, т. 73 № 2; Тверський П. Н., Курс метеорології, Л., 1962; Акасофу С. І., Чепмен С., Сонячно-земна фізика, пров. з англ., Ч. 2, М., 1975.

Ю. П. Сізов.