Использование энергии молнии. Проект (научно – техническое направление)

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.

Содержание

Содержание        2

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

4. Заключение        

5. Литература……………………………………………………………………..10

Введение.

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.

Цель работы: рассмотреть свойства молнии, провести необходимые расчёты по определению мощности и энергии сосредоточенной в молнии, проанализировать работу установки.

Задачи исследования:

1. история исследования молнии;
2. объяснить процессы, происходящие в результате образования молнии.

Фактически всю работу можно разделить на две части. Первая – это теоретическая, вторая – практическая. В теоретической части рассматривается история исследования молнии, образование молнии, виды молний, а в практической части приводятся расчёты мощности и энергии молнии, сравнение мощности молнии, с мощностью потребляемой посёлком Ударный.  

2. Теоретическая часть.

2.1. История исследования молнии.

Уже в XVII веке высказывались предположения, что молния – это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры, проскакивающей между двумя разноимённо заряженными шариками. А проскакивает молния между двумя разноименно заряженными грозовыми облаками или между грозовым облаком и землей. Исследования атмосферного электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман, и американский исследователь Бенджамин Франклин. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли. Бенджамин Франклин – выдающийся американский политический деятель, один из разработчиков американской Декларации независимости, занимался физикой всего семь лет, но сделать успел очень много. Франклин провел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку. Как только змей оказывался под грозовой тучей, заостренная проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. В 1752 г. Было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены. Михаил Васильевич Ломоносов и его друг Георг Рихман в 1752-1753 гг. совместно проводили исследования атмосферного электричества, с помощью изобретенного Рихманом электрического указателя – прообраза электрометра. Рихман установил электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. А Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха. У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов - «громовую машину». 26 июля 1753 г. Во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.

Ломоносов тяжело переживал смерть своего друга и сделал все от него зависящее, чтобы имя Георга Рихмана навсегда осталось в истории науки.

В 1989 году был обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.

2.2. Образование молнии и её виды.

Молния —гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. 

Молния является одним из самых загадочных природных явлений. Образования молнии это достаточно сложный процесс, который нужно рассматривать, начиная со структуры грозового облака.

Грозовое облако можно представить в виде нескольких слоев. Нижняя часть состоит из пара или капель воды, верхняя часть представляет собой смесь из кристаллов льда. Перепады температуры создают сильные восходящие потоки внутри облака, при этом происходить поляризация заряженных частиц и верхний слой приобретает положительный заряд, а нижняя часть облака становиться отрицательно заряженной. Созданные условия образуют зоны высокой напряженности электрического поля в атмосфере, и может привести к возникновению электрического разряда.

В воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, «вышибая» оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. Скорость распространения молнии очень велика. Так от облаков до Земли молния проходит за 0,002 сек. В большинстве случаев, это – Земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака.

В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер. Образование лидера и следующий за ним молниевый разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).

Различают следующие виды молний: наземные молнии, внутриоблачные молнии, эльфы, джеты, спрайты и конечно шаровые молнии.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

Внутриоблачные молнии образуются между облаками. Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км.

Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс.

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Шаровая молния представляет собой светящуюся массу с достаточно резкими границами и большой длительностью существования. По разным оценкам время ее жизни может составлять от долей секунды до нескольких минут. Форма шаровой молнии близка к сферической. Диаметр ее может изменятся от нескольких сантиметров до размера порядка метра. Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии составляет 10-15см.

3. Практическая часть.

3.1. Расчёты.

Проведем расчеты мощности, которая сосредоточена в молнии. Мощность рассчитывается по формуле

 (1)

Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение достигает до 50 миллионов вольт. Для расчетов воспользуемся следующими данными: сила тока – 40 000 А., а напряжение – 20 000 000 В. Подставляя в формулу (1), получается  

Полученное число огромное. Поселок Ударный в месяц в среднем употребляет мощность 60 000 кВт. Узнаем во сколько раз мощность в молнии больше потребляемой мощности

Если перевести в года то получается следующий результат. Пусть Т – это время в годах, тогда произведя расчеты мы получим следующий результат

  (2)

где 12 – это количество месяцев году.

Подставим в формулу (2) данные

То есть поселок Ударный можно питать данной энергией более 1000 лет!!! Результат впечатляет. Но как энергию молнии удержать и преобразовать в электрическую энергию? В настоящее время в США и Китае ведутся разработки по преобразовании энергии молнии в электричество.

Рассчитаем энергию в молнии. Длительность молнии около тысячной доли секунды, а в часе 3600 секунд. Можно определить количество энергии, которую дает молния.

   (3)

Подставим данные в формулу (3), получаем

Цена 1кВт*ч 1,75р. При полном использовании стоимость энергии молнии составит 388,85 рублей.

Также большая энергия сосредоточена в шаровой молнии. Она представляет собой четвертое состояние вещество – плазму. Но она крайне не устойчива и ведет себя непредсказуемо.  

3.1. Принцип работы установки.

Возможный вариант установки представляет собой приёмник молнии (молниеотвод) и конденсаторы для «хранения» полученной энергии. В теории всё просто. Тогда почему же до сих пор не созданы такие установки? В данном случае вопросов больше, чем ответов.

Примерный вариант представлен в Приложении 1.

Приемник представляет собой проводник из стали. Конденсаторы соединятся параллельно, для того чтобы напряжение на каждом конденсаторе было одинаковым. Чтобы уменьшить вероятность попадания молнии в конденсатор можно поставить молниеотводы, но меньшей высоты, чем приемник. Чтобы молния ударила в приемник, можно закрепить лазер. Луч лазера ионизирует воздух, создает «ионизированный столб» направленный в облака. После попадания молнии в приемник, заряд поступает на конденсаторы, заряжая их. Желательно поставить ключ, чтобы исключить многократное попадание молнии, что может вызвать пробой конденсатора.

Рассчитаем энергию в конденсаторе и емкость конденсатора.

 (4)

Энергия молнии равна

 (5)

W=8*1011Вт*10-3с=8*108Дж

Выразим из формулы (4) емкость конденсатора.

C=2*W/U2(6)

Вычислим размеры данного конденсатора.

 (7)

Выразим из формулы (7) площадь пластин.

 (8)

учитывая, что расстояние между пластинами 1 метр, а диэлектриком является вода , , получается следующий результат

S=4*10-6Ф*1м /80*8,85*10-12Ф/м=5649,7м2

Отсюда следует, что длина пластин должна быть примерно 25х230 метров!!! Размеры огромны.

В США ведутся разработки по постройке молниевых ферм.

Конденсаторы таких размеров следует располагать на площадях из-за больших размеров.

Заключение

В данном проекте произведены расчеты энергии и мощности молнии. Сравнили мощности молнии и потребляемую мощность поселка Ударный.

Исследования в данном направлении будут вестись в будущем, так как молния это альтернативный источник энергии, а полезные ископаемые на планете Земля человечество со временем исчерпает.

 Плюсы:

• большая энергия и мощность,
• малая стоимость энергии.

         Минусы:

• количество молний на территории России не велико,
• молния ведет себя непредсказуемо, трудно контролировать,
• большие размеры конденсаторов,
• большая стоимость проекта.

Спасибо за внимание.

Список литературы.

1. Богданов, К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов // Наука и жизнь. – 2007. - № 2. – С. 19-32.

2. Новейший Полный справочник школьника: 5-11 классы: в 2-х томах I: Биология, Химия, Математика, Физика, География.-: Эксмо, 2009,-5796 стр. Авторский коллектив: Физика: доктор физико-математических наук профессор К.Э.Немченко, Е.В.Дудиногва.

3. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2003.

4. http://arisfera.info/lightning_articles/lightning_articles30.html

5. http://ecos.org.ua/?p=184

6. http://ekonomizer.ru/page1114.html

7. http://www.zooeco.com/0-jeti/0-jeti006.html