что такое потенциал земли
Проект Заряд
Автономное энергоснабжение. Свободная и альтернативная энергия будущего. Бестопливные генераторы и «вечные двигатели» в каждый дом!
Электрическое поле Земли — Источник энергии
В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.
Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).
Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.
А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.
Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.
Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.
Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.
Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.
Проводник в электрическом поле
Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.
Так работают законы электростатики.
Теперь нетрудно подсчитать разность потенциалов между Землей и верхушкой мачты, наведенную внешним электрическим полем (Рис.2.).
Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.
Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)
Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.
Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?
Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.
На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.
Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?
Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.
При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.
Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.
Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.
Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.
В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.
Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.
Первый вариант исполнения эмиттера
Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.
Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.
В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.
Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.
Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.
Второй вариант исполнения эмиттера
На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.
Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.
В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.
Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.
При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.
На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.
Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.
Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.
Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.
Четвертый вариант исполнения эмиттера
Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.
В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.
Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)
И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.
Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.
Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.
Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.
Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.
Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.
В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.
Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!
Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.
• Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
• Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.
• На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.
• Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.
• Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.
• Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.
Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.
В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.
Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.
Изменение напряжения на расстоянии (градиент потенциала) может быть настолько большим, что человек может получить травму из-за напряжения, возникающего между двумя ногами или между землей, на которой стоит человек, и металлическим предметом. Любой токопроводящий объект, подключенный к заземлению подстанции, например, телефонные провода, рельсы, заборы или металлические трубы, также может быть запитан от потенциала земли на подстанции. Этот переданный потенциал представляет опасность для людей и оборудования за пределами подстанции.
СОДЕРЖАНИЕ
Причины
Повышение потенциала земли (EPR) вызывается электрическими неисправностями, которые возникают на электрических подстанциях, электростанциях или высоковольтных линиях электропередачи. Ток короткого замыкания протекает через конструкцию установки и оборудование и попадает в заземляющий электрод. Сопротивление Земли ненулевое, поэтому ток, вводимый в землю на заземляющем электроде, вызывает повышение потенциала по отношению к удаленной контрольной точке. Возникающее в результате повышение потенциала может вызвать опасное напряжение за многие сотни метров от фактического места повреждения. Уровень опасности определяется многими факторами, в том числе доступным током разлома, типом почвы, влажностью почвы, температурой, нижележащими слоями горных пород и временем устранения разлома.
Напряжение шага, касания и сетки
Смягчение
Технический анализ энергосистемы в условиях неисправности может быть использован для определения того, будут ли возникать опасные скачки напряжения и напряжения прикосновения. Результат этого анализа может показать необходимость защитных мер и может помочь в выборе соответствующих мер предосторожности.
Для защиты сотрудников от опасных градиентов потенциала земли можно использовать несколько методов, включая эквипотенциальные зоны, изоляционное оборудование и рабочие зоны с ограниченным доступом.
Создание эквипотенциальной зоны защитит стоящего в ней рабочего от опасного скачка и прикосновения. Такую зону можно создать с помощью металлического мата, прикрепленного к заземленному объекту. Обычно этот металлический коврик (или сетка заземления) подключается к заземляющим стержням, находящимся под землей, для увеличения контакта с землей и эффективного уменьшения сопротивления сети. В некоторых случаях заземляющая сетка может использоваться для выравнивания напряжения внутри сети. Однако эквипотенциальные зоны не будут защищать сотрудников, которые полностью или частично находятся за пределами защищенной зоны. Связывание проводящих объектов в непосредственной рабочей зоне также можно использовать для минимизации напряжения между объектами и между каждым объектом и землей. (Однако в некоторых случаях приклеивание объекта за пределами рабочей области может увеличить напряжение прикосновения к этому объекту.)
Использование изолирующих средств индивидуальной защиты, таких как резиновые перчатки, может защитить сотрудников, работающих с заземленным оборудованием и проводниками, от опасного напряжения прикосновения. Изолирующее оборудование должно быть рассчитано на максимальное напряжение, которое может быть приложено к заземленным объектам в условиях неисправности (а не на полное напряжение системы).
Рабочие могут быть защищены от опасного скачка напряжения или напряжения прикосновения, запретив доступ к участкам, где может возникать опасное напряжение, например, в пределах границ подстанций или участков вблизи опор электропередачи. Рабочим, которым необходимо работать с проводниками или оборудованием, подключенным к системе заземления, могут потребоваться защитные перчатки или другие меры для защиты их от случайно находящихся под напряжением проводов.
На электрических подстанциях поверхность может быть покрыта слоем щебня или асфальта с высоким удельным сопротивлением. Поверхностный слой обеспечивает высокое сопротивление между опорами и сеткой заземления и является эффективным методом снижения опасности ступенек и напряжения прикосновения.
Расчеты
В то время как ток короткого замыкания в системе распределения или передачи обычно можно точно рассчитать или оценить, расчет сопротивления сети заземления является более сложным. Трудности в расчетах возникают из-за вытянутой и неправильной формы практических наземных решеток, а также из-за различного удельного сопротивления грунта на разной глубине.
Стандарты и правила
Управление по безопасности и гигиене труда США (OSHA) определило EPR как «известную опасность» и выпустило правила, регулирующие устранение этой опасности на рабочем месте.
Высоковольтная защита телекоммуникационных цепей
Само по себе повышение потенциала земли не вредит какому-либо оборудованию или человеку, подключенному к тому же потенциалу земли. Однако, когда проводник (например, металлическая линия связи), подключенный к удаленному потенциалу земли (например, центральный офис / АТС), входит в зону, подверженную георадиолокации, противоречащая разница потенциалов может создать значительные риски. Высокое напряжение может повредить оборудование и представлять опасность для персонала. Для защиты проводных цепей связи и управления на подстанциях должны применяться защитные устройства. Изолирующие устройства предотвращают передачу потенциала в зону георадара или из нее. Это защищает оборудование и персонал, которые в противном случае могли бы одновременно подвергаться воздействию обоих потенциалов земли, а также предотвращает распространение высоких напряжений и токов в сторону центрального офиса телефонной компании или других пользователей, подключенных к той же сети. Цепи могут быть изолированы трансформаторами или непроводящими оптоволоконными соединениями. (Устройства защиты от перенапряжений, такие как угольные блоки или газовые шунты на землю, не изолируют цепь, но отводят токи высокого напряжения от защищаемой цепи к местному заземлению. Этот тип защиты не обеспечивает полную защиту от опасностей георадара, когда существует опасность от удаленного заземления в той же цепи.)
В Великобритании любой объект, на который распространяется действие повышения потенциала Земли (ROEP), называется «горячим участком». Зона влияния исторически измерялась как любое место в пределах 100 м от границы высоковольтного соединения на горячей площадке. В зависимости от размера всего участка это может означать, что части более крупного участка, возможно, не нужно классифицировать как «горячие», или (наоборот) влияние небольших участков может распространяться на районы, находящиеся вне контроля землевладельца. С 2007 года разрешено использовать Рекомендацию S34 Ассоциации энергетических сетей (ENA) («Руководство по оценке повышения потенциала земли на площадках подстанций») для расчета горячей зоны. Теперь это определяется как контурная маркировка, где ROEP превышает 430 В для линий электропередачи с нормальной надежностью или 650 В для линий с высокой надежностью. «Зона» простирается в радиусе от любых прикрепленных металлических конструкций, таких как система заземляющих электродов на площадке или ограждение. Это может эффективно уменьшить общий размер горячей зоны по сравнению с предыдущим определением. Тем не менее, ленточные заземляющие электроды и любая неэффективно изолированная металлическая оболочка / броня силовых кабелей, выходящие за пределы этой зоны, будут по-прежнему считаться « горячими » на расстоянии 100 м от границы, охватывая ширину два метра. по обе стороны от проводника. Ответственность за расчет горячей зоны несет компания, владеющая сектором электроснабжения (ESI).
Openreach (компания группы BT, которой поручено установить и поддерживать значительную часть физической телефонной сети в Великобритании) ведет реестр горячих узлов, который обновляется каждые 12 месяцев путем добровольного предоставления информации от компаний ESI в Великобритании. Любой инженер Openreach, посещающий сайт, указанный в реестре, должен пройти обучение Hot-Site. Необходимо соблюдать определенные методы работы и соображения планирования, такие как отказ от использования армированных телефонных кабелей, полная герметизация кабельных соединений для предотвращения доступа, наложение отдельных пар проводов за пределы оболочки кабеля и изоляция (за пределами горячей зоны). ) любая линия, над которой нужно работать. Предполагается, что сторона, заказывающая первоначальную установку услуги, несет ответственность за покрытие расходов на обеспечение изоляционных линий, устройств развязки услуг и четко обозначенных магистралей для прокладки кабелей, и все это должно быть частью процесса планирования.
В некоторых случаях (например, когда «холодный» объект повышается до «горячего» статуса) Зона влияния может включать жилую или коммерческую недвижимость, которая не находится в собственности электроэнергетической отрасли. В этих случаях стоимость обратной защиты каждой телефонной цепи может быть недопустимо высокой, поэтому может быть поставлен дренажный электрод, чтобы эффективно вернуть местный потенциал земли обратно к безопасным уровням.