Электростанция на молнии. Грозовая энергетика Использование молний в энергетике

Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией благодаря сжиганию угля и газа (ископаемое топливо), эксплуатации водного потока и управлению ядерной реакцией. Эти подходы достаточно эффективны, но в будущем нам придётся от них отказаться, обратившись к такому направлению, как альтернативная энергетика.

Во многом эта необходимость обусловлена тем, что ископаемое топливо ограничено. Кроме того традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому мир нуждается в «здоровой» альтернативе .

Предлагаем свою версию ТОПа нетрадиционных способов получения энергии, которые в будущем могут стать заменой привычным электростанциям.

7 место. Распределённая энергетика

Перед тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.

Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества . Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.

В качестве источников энергии могут использоваться:

• микротурбинные электростанции;
• газотурбинные электростанции;
• паровые котлы;
• солнечные батареи;
• ветряки;
• тепловые насосы и пр.

Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.

Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.

6 место. Грозовая энергетика

Зачем генерировать электричество, когда его можно просто «ловить» из воздуха? В среднем один разряд молнии – это 5 млрд Дж энергии, что эквивалентно сжиганию 145 л бензина. Теоретически грозовые электростанции позволят снизить стоимость электроэнергии в разы.

Выглядеть всё будет так: станции размещаются в регионах с повышенной грозовой активностью, «собирают» разряды и накапливают энергию. После этого энергия подаётся в сеть. Ловить молнии можно с помощью гигантских громоотводов, но остается главная проблема – за доли секунды накопить как можно больше энергии молнии. На современном этапе не обойтись без суперконденсаторов и преобразователей напряжения, но в будущем возможно появление более деликатного подхода.

Если говорить об электричестве «из воздуха», нельзя ни вспомнить о приверженцах образования свободной энергии. Например, Никола Тесла в своё время якобы продемонстрировал устройство для получения электрического тока из эфира для работы автомобиля.

5 место. Сжигание возобновляемого топлива

Вместо угля на электростанциях можно сжигать так называемое «биотопливо ». Таковым является переработанное растительное и животное сырьё, продукты жизнедеятельности организмов и некоторые промышленные отходы органического происхождения. В качестве примера можно привести обычные дрова, щепу и биодизель, который встречается на заправках.

В энергетической сфере чаще всего применяется древесная щепа. Она собирается при лесозаготовке или на деревообрабатывающем производстве. После измельчения она прессуется в топливные гранулы и в таком виде отправляется на ТЭС.

К 2019 году в Бельгии должно завершиться строительство крупнейшей электростанции, которая будет работать на биотопливе. Согласно прогнозам, она должна будет производить 215 МВт электроэнергии. Этого хватит на 450 000 домов.

Интересный факт! Многие страны практикуют выращивание так называемого «энергетического леса» – деревья и кустарники, наилучшим образом подходящие для энергетических нужд.

Будет ли альтернативная энергетика развиваться в направлении биотоплива пока маловероятно, ведь есть более перспективные решения.

4 место. Приливные и волновые электростанции

Традиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:

1. Напор воды поступает на турбины.
2. Турбины начинают вращаться.
3. Вращение передаётся на генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.

Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.

Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов .

«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750 , которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.

Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни. Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну. В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.

3 место. Геотермальные станции

Альтернативная энергетика неплохо развита и в геотермальном направлении. Геотермальные станции вырабатывают электричество, фактически преобразуя энергию земли, а точнее - тепловую энергию подземных источников.

Существует несколько типов таких электростанций, но во всех случаях они основываются на одинаковом принципе работы : пар из подземного источника поднимается по скважине и вращает турбину, подключенную к электрогенератору. Сегодня распространена практика, когда в подземный резервуар на большую глубину закачивается вода, там она под воздействием высоких температур испаряется и в виде пара под давлением поступает на турбины.

Лучше всего для целей геотермальной энергетики подходят районы с большим количеством гейзеров и открытых термальных источников, которые разогреваются вследствие вулканической активности.

Так, в Калифорнии работает целый геотермальный комплекс под названием «Гейзеры ». Он объединяет 22 станции, вырабатывающие 955 МВт. Источник энергии в данном случае – очаг магмы диаметром 13 км на глубине 6,4 км.

2 место. Ветряные электростанции

Энергия ветра – один из самых популярных и перспективных источников для получения электричества.

Принцип работы ветрогенератора прост:

• под воздействием силы ветра вращаются лопасти;
• вращение передаётся на генератор;
• генератор вырабатывает переменный ток;
• полученная энергия обычно накапливается в аккумуляторах.

Мощность ветрогенератора зависит от размаха лопастей и его высоты. Поэтому их устанавливают на открытых территориях, полях, возвышенностях и в прибрежной зоне. Эффективнее всего работают установки с 3 лопастями и вертикальной осью вращения.

Интересный факт! На самом деле энергия ветра является разновидностью солнечной энергии. Объясняется это тем, что ветры возникают из-за неравномерного прогрева солнечными лучами земной атмосферы и поверхности.

Чтобы сделать ветряк, не нужны глубокие познания в инженерии. Так, многие умельцы смогли себе позволить отключиться от общей электросети и перейти на альтернативную энергетику.

Для производства электричества в промышленных масштабах используются ветровые электростанции, состоящие из множества ветряков. Крупнейшей является электростанция «Альта », расположенная в Калифорнии. Её мощность – 1550 МВт.

1 место. Солнечные электростанции (СЭС)

Наибольшие перспективы имеет солнечная энергетика. Технология преобразования солнечного излучения с помощью фотоэлементов развивается из года в год, становясь всё эффективнее.

В России солнечная энергетика развита относительно слабо. Однако некоторые регионы показывают отличные результаты в этой отрасли. Взять хотя бы Крым, где функционирует несколько мощных солнечных электростанций.

В будущем возможно может развиваться космическая энергетика . В этом случае СЭС будут строиться не на поверхности земли, а на орбите нашей планеты. Самое главное преимущество такого подхода – фотоэлектрические панели смогут получать гораздо больше солнечного света, т.к. этому не будет препятствовать атмосфера, погода и времена года.

Заключение

Альтернативная энергетика имеет несколько перспективных направлений. Её постепенное развитие рано или поздно приведёт к замещению традиционных способов получения электричества. И совершенно необязательно, что во всём мире будет использоваться только одна из перечисленных технологий. Подробнее об этом смотрите в ролике ниже.

Доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук К. БОГДАНОВ.

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже - отрицательно.

Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.

Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые - более 50.

Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.

Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.

Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая - след ракеты.

Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли . В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2 . 10 -12 А/м 2 , и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось 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. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой 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, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции . В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера . Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10 9 -10 10 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000° С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:

"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo"льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

учащиеся 9 класса Артамонов Михаил, Денисов Дмитрий, Раца Диана

Человек научился использовать энергию воды – строя гидроэлектростанции, энергию ветра – строя ветряные станции и даже энергию атома – строя атомные электростанции. Сейчас активно используется солнечная энергия, аккумулируемая в солнечных батареях.

В будущем человечество будет искать альтернативные источники энергии. Природные ресурсы планеты Земля рано или поздно иссякнут, надо будет осваивать новые источники энергии. Возможно, человечество научится использовать энергию молнии. В молнии сосредоточена большая сила тока и большое напряжение.

В данном проекте мы попытались теоретически описать возможный вариант преобразования энергии молнии. В США ведутся исследования и разработки по данной теме. Данная тема работы актуальна в наши дни и в будущем.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Международная молодежная научная конференция

«XXXIX Гагаринские чтения» МБОУ «Зубово – Полянская СОШ №1»

Использование энергии молнии.

Проект

(научно – техническое направление)

Исполнители: учащиеся 9 класса

Артамонов Михаил, Денисов Дмитрий, Раца Диана

Руководитель: учитель физики Велькин Николай Григорьевич

п. Ударный

2013г.

1. Введение

2. Теоретическая часть

2.1. История исследования молнии 4

2.2. Образование молнии и её виды. 5

3. Практическая часть

3.1. Расчеты _ 7

3.2. Принцип работы установки 8

Грозой называются разряды атмосферного электричества в форме молний, сопровождаемые громом.

Гроза - одно из наиболее величественных явлений в атмосфере. Особенно сильное впечатление производит она, когда проходит, как говорят, «прямо над головой». Удар грома следует за ударом одновременно со вспышками молнии при ураганном ветре и сильном ливне.

Гром - это своеобразный взрыв воздуха, когда он под влиянием высокой температуры молнии (около 20 000°) мгновенно расширяется и затем сжимается от охлаждения.

Линейная молния - огромная электрическая искра длиной в несколько километров. Ее появление сопровождается оглушительным треском (громом).

Ученые уже давно внимательно наблюдали и пытались изучить молнию. Ее электрическая природа была раскрыта американским физиком В. Франклином и русским естествоиспытателем М. В. Ломоносовым.

Когда образуется мощное облако с крупными дождевыми каплями, сильные и неровные восходящие потоки воздуха начинают дробить дождевые капли в его нижней части. Отделившиеся наружные частички капель несут в себе отрицательный заряд, а оставшееся ядро оказывается заряженным положительно. Мелкие капли легко уносятся потоком воздуха вверх и заряжают верхние слои облака отрицательным электричеством; крупные капли собираются внизу облака и заряжаются положительно. Сила разряда молний зависит от силы потока воздуха. Такова схема электризации облака. В действи-тельности этот процесс гораздо сложнее.

Удары молнии нередко вызывают пожары, разрушают здания, портят линии электропередачи, нарушают движение электропоездов. Для борьбы с вредным действием молнии необходимо «поймать» ее и тщательно изучить в лаборатории. Сделать это нелегко: ведь молнии пробивают сильнейшую изоляцию и опыты с ней опасны. И тем не менее ученые блестяще справляются с этой задачей. Чтобы поймать молнию, в горных грозовых лабораториях устанавливают антенну длиной до 1 км между выступами гор или между горой и мачтами лаборатории. Молнии и ударяют в такие антенны.

Ударив в токоприемник, молния по тросу попадает в лабораторию, проходит через записывающие приборы-автоматы и немедленно уходит в землю. Автоматы заставляют молнию как бы «расписаться» на бумаге. Так удается измерить напряжение и силу тока молнии, продолжительность электрического разряда и многое другое.

Оказалось, что молния имеет напряжение в 100 и более миллионов вольт, а сила тока доходит до 200 тыс. ампер. Для сравнения укажем, что в линиях передач электрической энергии используются напряжения в десятки и сотни тысяч вольт, а сила тока выражается сотнями и тысячами ампер. Но в одной молнии количество электричества невелико, так как ее продолжительность обычно исчисляется малыми долями секунды. Одной молнии хватило бы на питание только одной 100-Ваттной лампочки в течение суток.

Однако применение «улавливателей» заставляет ученых ждать ударов молнии, а они ведь не так уж часты. Для исследований гораздо удобнее создавать искусственные молнии в лабораториях. При помощи специальной аппаратуры ученым удалось получить на короткое время напряжение электричества до 5 млн. вольт. Разряд электричества давал искры до 15 метров длиной и сопровождался оглушительным треском.

Изучать молнии помогает фотография. Для этого в темную ночь направляют объектив фотоаппарата на грозовое облако и оставляют на некоторое время камеру открытой. После вспышки молнии объектив фотоаппарата закрывают, и снимок готов. Но такая фотография не дает картинки развития отдельных частей молнии, поэтому применяют особые вращающиеся фотокамеры. Необходимо, чтобы механизм аппарата при съемке вращался достаточно быстро (1000-1500 оборотов в минуту), тогда на снимке проявятся отдельные части молнии. Они покажут, в каком направлении и с какой скоростью развивался разряд.

Различают несколько типов молнии

Плоская молния имеет вид электрической вспышки на поверхности облаков.

Линейная молния - гигантская электрическая искра, очень извилистая и с многочисленными отростками. Длина такой молнии 2-3 км, но бывает до 10 км и больше. Линейная молния обладает большой силой. Она расщепляет высокие деревья, иногда поражает людей, а при ударе в деревянные строения часто вызывает пожары.

Неточная молния - светящаяся пунктирная молния, пробегающая на фоне облаков. Это очень редкая форма молнии.

Ракетообразная молния развивается очень медленно, разряд ее продолжается 1 -1,5 секунды.

Наиболее редкая форма молнии - шаровая. Это круглая светящаяся масса. В закрытом помещении наблюдали шаровую молнию величиной с кулак и даже с голову, а в свободной атмосфере диаметром до 20 м. Обычно шаровая молния исчезает бесследно, но иногда она взрывается со страшным треском. При появлении шаровой молнии слышен свистящий или жужжащий звук, она как бы кипит, разбрасывая искры; после ее исчезновения в воздухе часто остается дымка. Продолжительность шаровой молнии от секунды до нескольких минут. Движение ее связано с воздушными течениями, но в некоторых случаях она перемещается самостоятельно. Шаровые молнии возникают в сильные грозы.

Шаровая молния возникает под воздействием разряда линейной молнии, когда в воздухе происходят ионизация и диссоциация объема обыкновенного воздуха. Оба эти процесса сопровождаются поглощением огромного количества энергии. Шаровая молния, в сущности не имеет права называться молнией: ведь это просто раскаленный и заряженный электрической энергией воздух. Сгусток заряженного воздуха постепенно отдает свою энергию свободным электронам окружающих слоев воздуха. Если шар свою энергию отдает на свечение, то он просто исчезает: превращается снова в обыкновенный воздух. Когда же на своем пути шар встречает какие-либо вещества, действующие как возбудители, он взрывается. Такими возбудителями могут быть окиси азота и углерода в виде испарений, пыли, сажи и т. д.

Температура шаровой молнии около 5000°. Подсчитано также, что энергия взрыва вещества шаровой молнии в 50-60 раз превышает энергию взрыва бездымного пороха.

При сильных грозах бывает очень много молний. Так, во время одной грозы наблюдатель за 15 минут насчитал 1 тыс. молний. Во время одной грозы в Африке за час отметили 7 тыс. молний.

Чтобы предохранить здания и другие сооружения от молнии, применяется громоотвод, или, как теперь правильно называют, молниеотвод. Это - металлический стержень, соединенный с надежно заземленным проводом.

Для защиты от молнии не становитесь под высокими деревьями, особенно одиноко стоящими, так как молния часто ударяет в них. Очень опасен в этом отношении дуб, потому что его корни глубоко уходят в грунт. Никогда, не надо укрываться в стогах сена и снопах. В открытом поле, особенно на возвышенных местах, при сильной грозе идущий человек подвергается большой опасности поражения молнией. В таких случаях рекомендуется сесть на землю и переждать грозу.

Перед началом грозы необходимо уничтожить сквозняки в помещении и закрыть все дымоходы. В сельских местностях не следует вести разговоры по телефону, особенно при сильных грозах. Обычно у нас сельские телефонные станции в это время прекращают соединение. Радиоантенны при грозе нужно всегда заземлять.

Если случится несчастье - кто-либо будет контужен молнией, необходимо немедленно оказать пострадавшему первую помощь (искусственное дыхание, специальные вливания и т. д.). Кое-где существует вредный предрассудок, будто пораженному молнией можно помочь, закопав его тело в землю. Этого ни в коем случае нельзя делать: человек, пострадавший от молнии, особенно нуждается в усиленном притоке воздуха к телу.

Просто о сложном – Источники энергии – Грозы (Молнии)

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Грозы и молнии как источники энергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Грозы и молнии как источники энергии.
• Ссылки на материалы и источники – Источники энергии – Грозы (Молнии).

Одной из первой компанией по использованию энергии из грозовых облаков стала американская компания Alternative Energy Holdings. Она предложила способ использования даровой энергии путем ее сбора и утилизации, возникающей из электрических разрядов грозовых облаков. Экспериментальная установка была запущена в 2007 году и называлась “сборщик молний”. Разработки и исследования грозовых явлений содержат огромные скопления энергии, которые американская компания предложила использовать в качестве источника электроэнергии.

Грозовая электростанция

Грозовая электростанция, по сути, представляет собой классическую электростанцию, которая преобразует энергию молний в электричество. На данный момент грозовая энергетика активно исследуется, и возможно в ближайшем будущем появятся в больших количествах грозовые электростанции наряду с другими электростанции на базе чистой энергии.

Молния как источник грозовых перенапряжений

Грозовые молнии представляют собой электрические разряды, накапливающиеся в больших количествах в облаках. За счет потоков воздуха в грозовых облаках происходит накопление и разделение положительных и отрицательных зарядов, хотя вопросы по данной теме до сих пор исследуются.

Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках связано с тем, что данный физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов во время проведения опытов.

Рис. 3.1.

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд, при этом напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет около100 В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Молния, как носитель электрических зарядов, является наиболее близким к электричеству источником, по сравнению с другими АИЭ. Заряд, который накапливается в облаках, имеет потенциал в несколько миллионов вольт относительно поверхности Земли. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20000 ?С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.

альтернативный энергия грозовой электростанция

Принцип действия грозовой электростанции

Основан на все том же процессе, что и другие электростанции: преобразование энергии источника в электричество. По сути, молния содержит то же электричество, то есть ничего преобразовывать не надо. Однако указанные выше параметры “стандартного” грозового разряда настолько велики, что если это электричество попадет в сеть, то все оборудование просто сгорит в считанные секунды. Поэтому в систему вводят мощные конденсаторы, трансформаторы и различного рода преобразователи, подстраивающие данную энергию под требуемые условия применения в электросетях и оборудовании.

Преимущества и недостатки грозовой электростанции

Преимущества грозовых электростанций:

Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии -- солнца и радиоактивных элементов земной коры.

Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.

Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.

Грозовая электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки грозовых электростанций:

Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.

Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.

Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.

В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.