Земля совместно с ионосферой являются гигантским сферическим конденсатором, который заряжен и создает электрическое поле вокруг нас. Этот конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120 -150 В/м. Она может изменяться в небольших пределах во времени и в зависимости от местности, но в среднем составляет около 130 В/м. Однако, как мы знаем, это поле не представляет опасности для человека, так как поражающим фактором для него является электрический ток, а наличие тока требует большого количества свободных зарядов, которых в атмосфере (в обычном её состоянии) ничтожное количество. Под действием электрического поля Земли заряды противоположных знаков внутри тела человека смещаются относительно того положения, которое имело бы место при отсутствии поля, но поле это всегда есть. Поэтому постоянного однонаправленного перемещения зарядов нет, что означает отсутствие электрического тока в теле человека, вызванного электрическим полем Земли. Электрическое поле Земли у поверхности её можно точно измерить, если рядом нет высоких проводящих заземленных предметов, которые могут исказить его. Измерение следует проводить в поле на ровной поверхности, где отсутствуют посторонние предметы.
Перспективы создания устройства, извлекающего большую мощность из атмосферного электричества, я расцениваю пессимистично. Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10-14 степени См/м. Ионизация воздуха при помощи заземлённой мачты с остриями имеет локальный характер, поэтому отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность невозможно.
Значительную мощность из атмосферных явлений можно снять только в случае грозы, когда появляются каналы с высокой проводимостью. Приёмниками в этом случае можно улавливать грозовые разряды при помощи специальных антенн и заряжать конденсаторы большой ёмкости, которые служат для хранения энергии. Однако гроза в конкретном месте - явление достаточно редкое и непредсказуемое, поэтому возникают трудности с хранением и использованием энергии. Дорогостоящее оборудование при этом будет подавляющую часть времени простаивать впустую. Уже существующие альтернативные источники энергии (солнечная и ветреная энергетика) не являются всепогодными и не обеспечивают человечество энергией в должном количестве. От атомной энергетики многие страны отказываются по соображениям безопасности, а создание действующей установки, использующей ядерный синтез, ведётся уже долгие десятилетия и постоянно откладывается. Есть подозрение, что такая установка может вообще не появиться. Поэтому необходим новый проект источника энергии, который не использовал бы топливо, запасы которого конечны. К тому же это важно с экологической точки зрения.
На рисунке, приведённом в заглавии статьи, слева показан проводник, сделанный из металла, и его размеры. Если проводник контактирует с Землей, то он принимает потенциал Земли. Если же он установлен на электрически изолирующее от Земли основание, то, согласно закону электростатической индукции, электрическое поле Земли приведёт к перераспределению зарядов в металлическом проводнике. В результате этого на верхнем его конце будет избыточный (нескомпенсированный) отрицательный заряд, а на нижнем конце - положительный избыточный заряд. В целом металлический проводник останется электрически нейтральным, так как отрицательный избыточный заряд на одном конце компенсируется положительным избыточным зарядом на другом. Эти заряды противоположных знаков, накопившиеся на верхней и нижней поверхности проводника, создадут своё электрическое поле (Епр), которое будет равно и противоположно направлено электрическому полю Земли. При этом ток через проводник будет отсутствовать. Это касается уединенного изолированного проводника.
В правой части рисунка показаны металлический проводник и экран. Оба установлены на изолирующее от Земли основание. Верхняя и нижняя часть проводника через провода подключены к сопротивлению нагрузки, находящейся в клетке Фарадея. Клетка Фарадея - устройство для экранирования внешних электрических полей, представляющее собой клетку, выполненную из металла. Высота клетки Фарадея должна быть как минимум в 3 раза больше высоты проводника (на рисунке эта пропорция не показана), а расстояние между ними должно быть таким, чтобы исключить электростатическое взаимовлияние. Площади верхней и нижней поверхности проводника должны быть как минимум в 3 раза больше, чем площади верхней и нижней поверхности клетки Фарадея. Боковые металлические стенки клетки Фарадея должны отсутствовать, а верхняя и нижняя металлические поверхности соединяются посредством металлического каркаса. Всё это необходимо, чтобы избыточные заряды с верхней и нижней поверхностей проводника легко поступали во внутреннее пространство клетки Фарадея.
Так как внутри экрана (клетки Фарадея) поле Земли равно нулю, а разность потенциалов между верхней и нижней частью проводника передается внутрь экрана проводами, то через сопротивление нагрузки Rн потечёт ток. При этом заряды, наведённые на верхней и нижней части проводника, будут уменьшаться, а значит, будет уменьшаться и разность потенциалов между ними. При этом вне экрана напряженность электрического поля Земли Ез станет больше Епр. Это приведет к тому, что заряды на верхней и нижней части проводника начнут пополняться, так как электрическое поле Земли будет стремиться поддерживать разность потенциалов на концах проводника равной 130 вольтам. Процесс накопления противоположных по знаку зарядов на верхней и нижней поверхности проводника и стекание этих зарядов на сопротивление нагрузки, находящейся в клетке Фарадея, будет происходить одновременно. Сторонней силой по разделению положительных и отрицательных зарядов (ЭДС) здесь является электрическое поле Земли, которое переносит электроны с нижней части проводника на его верхнюю часть. Благодаря этому переносу, во внешней цепи возникает электрический ток, который возвращает электроны на нижнюю часть проводника. Надо отметить, что электрический ток в нагрузке будет иметь место только тогда, когда она находится в клетке Фарадея, где электрическое поле Земли равно нулю. Если нагрузку поместить вне клетки Фарадея, то электрического тока не будет, так как разность потенциалов между верхней и нижней частями проводника будет компенсироваться электрическим полем Земли.
В нижней части рисунка представлена эквивалентная схема устройства. Электродвижущая сила разделяет в пространстве заряды разных знаков. Эту работу выполняет электрическое поле Земли. На верхней поверхности проводника образуется избыточный отрицательный заряд, а на нижней - положительный. Внутреннее сопротивление источника ЭДС обозначено r; Rсп - сопротивление соединительных проводов; Rн - сопротивление нагрузки.
Напряженность электрического поля равна 1В/м, если между точками, находящимися на расстоянии 1м друг от друга, существует разность потенциалов 1В. Один вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт. Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение его проходит заряд, равный 1 кулону.
ЭДС, выраженная в вольтах, в нашем случае равна 130В, так как высота проводника равна 1м, а напряженность электрического поля Земли равна 130В/м. Энергетически выгоден такой режим, когда r + Rсп = Rн при минимально возможном сопротивлении Rсп. В этом случае на нагрузке будет выделяться максимальная мощность. Проводник, показанный на рис.1, имеет линейные размеры, подобранные так, что омическое сопротивление его совместно с Rсп равно 1Ом. Тогда оптимальное сопротивление нагрузки будет также равно 1Ом. По цепи будет протекать электрический ток, равный 65А, так как r + Rсп + Rн = 2Ом. Сопротивлением Rсп вследствие его малости можно пренебречь. Однако для этого соединительные провода должны быть короткими и с большим поперечным сечением. Тогда на сопротивлении нагрузки (Rн) будет выделяться мощность, равная 4,225 кВт. Точно такая же мощность будет выделяться и на сопротивлении проводника r в виде тепла, поэтому надо предусмотреть меры по его охлаждению. Для этого можно использовать водяной радиатор с проточной водой. Тепловую энергию можно использовать для парового отопления или для полива в сельском хозяйстве. Сопротивление нагрузки (Rн) должно включать в себя емкостную составляющую, то есть представлять собой параллельное соединение конденсатора и активного сопротивления нагрузки. Конденсатор должен быть большой ёмкости. Так как схема работает на постоянном токе, то при расчётах схемы этот конденсатор можно не учитывать.
Мощность устройства может масштабироваться за счет выбора высоты проводника. Например, если высота проводника будет не метр, а два метра, то при его омическом сопротивлении, также равном 1Ом, мощность, выделяемая на нагрузке, будет приблизительно равна 17 кВт. Такая же мощность будет выделяться и в виде тепла на проводнике. Всего - 34 кВт. Сопротивление проводника, равное 1Ом, обеспечивается за счет подбора площади его сечения, через которое протекает ток. В качестве нагрузки можно использовать, например, установку электролиза воды с получением водорода и кислорода. Надо иметь в виду, что нагрузка должна находиться в клетке Фарадея, а вне её выводится уже выходная мощность помещённого в неё устройства.
Чтобы основной рабочий проводник с течением времени не принял потенциал Земли из-за токов утечки по поверхности изолирующего от Земли основания, что может привести к нарушению работы устройства, надо предусмотреть периодическое соединение его средней части с заземляющим проводником (экранированный провод). При этом место заземления самого заземляющего проводника должно быть экранировано сверху от электрического поля Земли вторым заземлённым проводником. Второй заземлённый проводник (заземлённый металлический лист над поверхностью Земли и параллельный ей) делает поверхность Земли под ним электрически нейтральной, поэтому заземление рабочего проводника в этом месте Земли будет поддерживать рабочий проводник в электрически нейтральном состоянии, то есть не даст ему со временем принять потенциал Земли, поверхность которой имеет отрицательный заряд. То же самое касается заземления и клетки Фарадея. Кроме этого, надо иметь в виду, что верхняя и нижняя поверхности рабочего проводника должны быть покрыты слоем диэлектрика, чтобы защитить их от воздействия ионов, имеющихся в воздухе, так как в противном случае последние будут снимать избыточные заряды с его поверхности.
Физическая сущность использования электрического поля в качестве источника энергии состоит в следующем.
1) Если в пространстве, где существует электрического поле, нет зарядов, то нет работы, совершаемой им. Электрическое поле действует только на заряды, а работа его состоит в перемещении зарядов в пространстве под воздействием его силы.
2) В пространстве, где существует электрическое поле, есть связанные заряды, а сила их связи больше силы, действующей со стороны поля. Работы поля опять нет.
3) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется небольшое количество свободных зарядов. Тогда мала будет и работа электрического поля по перемещению их.
4) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется большое количество свободных зарядов. Тогда велика будет и работа по перемещению их. Эту работу электрического поля можно использовать для извлечения энергии.
Сравним извлечение энергии из атмосферного электричества с проектом, который описан выше. В атмосфере Земли у её поверхности свободных зарядов ничтожное количество, поэтому нет возможности получения значительной энергии от работы электрического поля Земли. В представленном проекте свободных носителей зарядов (электронов в проводнике) колоссальное количество (примерно 10 в 26 степени для металлического проводника, приведённого на рисунке), поэтому столь же велика будет и работа электрического поля Земли по перемещению их. Чтобы заставить электрическое поле Земли работать постоянно, надо сделать так, чтобы оно разделяло в пространстве проводника противоположные по знаку заряды, а в клетке Фарадея, где поле Земли отсутствует, разделённые заряды вновь соединялись на нагрузке, выделяя энергию. И так до бесконечности. Поэтому электрическое поле Земли является величайшим подарком природы человечеству. Бесплатный, экологически чистый, безопасный и практически неограниченный источник энергии. Человечеству стоит научиться использовать его, а не сжигать углеводороды.