Все почалося зі знаменитого досвіду Бенджаміна Франкліна у червні 1752 року, коли він підняв повітряного змія перед грозовим хмарою, і експериментально довів, що грозові явища мають електричну природу (диво, що він залишився живим!). Він же винайшов громовідведення, конструкція якого практично не змінилася до наших днів, і ряд електростатичних моторів.

Мал. 1. Досвід Бена Франкліна (картина того часу). Поруч – його син.

Джерело атмосферної електрики - Сонце. Його випромінювання іонізує верхні шари атмосфери Землі, іоносферу. Воно посилає до Землі «сонячний вітер» — потік позитивно заряджених частинок, головним чином ядер водню — протонів. Вони створюють позитивний заряд іоносфери, а поверхня землі внаслідок електростатичної індукції набуває негативного заряду. Потенціал іоносфери щодо поверхні Землі наближається до півмільйона вольт!

У нижніх шарах атмосфери Землі йдуть інтенсивні процеси випаровування, перенесення тепла та вологи, утворення хмар, що супроводжуються явищами електризації (згадайте літню грозу). Блискавки та опади також переносять до землі негативний заряд. В результаті, у поверхні Землі градієнт потенціалу (або напруженість електростатичного поля, що те саме) досягає 100 ... 150 В / м влітку і до 300 В / м взимку, значно змінюючись від погодних умов. Перед грозою реєструють напруженість поля до десятків кіловольт на метр та вище! Ми майже не відчуваємо цього поля просто тому, що повітря є добрим ізолятором.

Мал. 2. Блискавка. Електричний розряд у повітрі відбувається за напруженості поля в сотні кіловольт на метр.

Тим не менш, і в повітрі міститься кілька іонів (заряджених атомів, молекул і частинок), що зумовлюють слабку його провідність. Щільність іонного струму біля поверхні землі становить кілька пікомпер на квадратний метр, але по всій поверхні Землі цей струм досягає тисяч ампер!

У 19-му столітті чимало дослідників робили спроби отримати електрику з повітря в достатніх для практики масштабах. У 1850-х ... 1860-х роках отримали патенти Луміс (Mahlon Lumis) та Уард (William H. Ward) у США, Війон (Hippolyte Charles Vion) у Франції.

Мелон Луміс використовував атмосферну електрику для живлення довгих (400...600 миль) телеграфних ліній та для перших дослідів з бездротового зв'язку, до речі, цілком успішних. У Бібліотеці Конгресу США збереглися документи та свідоцтва про зв'язок телеграфом між пагорбами Західної Вірджинії на відстані 18 миль (1868 р).


Мал. 3. Власноручний малюнок Мелона Луміса, що показує його систему CW зв'язку на атмосферній електриці.


 

Антени Луміс піднімав повітряними зміями з вершин пагорбів на висоту близько 200 м. Ще цікавішим є його проект вилучення атмосферної електрики пальниками, піднятими на зміях, аеростатах або високих щоглах (мал. 4). Коментарів до малюнка, на жаль, немає.

Рис.4. Проект Лумісу з пальниками.

На рубежі 19-го та 20-го століть з'явилося чимало дослідників атмосферної електрики, які запропонували практичні конструкції. Це Пеннок (Walter Pennock) і Девей (MW Dewey) у США, Паленксар (Andor Palencsar) в Угорщині, Рудольф (Heinrich Rudolph) у Німеччині.

У 1898 р. Рудольф описав цікаву конструкцію (рис.5) аеростата у вигляді еліпса з малим опором вітру. Грати по периметру балона, металізована тканина на балоні та система проводів-розтяжок служать для збирання атмосферної електрики.                                                      



 Рис .5. Аеростат Рудольфа. Мал. 6. Ілюстрація з патенту Пінока. Два аеростати витягнутої форми 1 піднімають металеву мережу 40, що збирає електрику. Стекаючи по тросах 6, воно заряджає батарею лейденських банок (конденсаторів) 50. Закрилки 4 збільшують підйомну силу, а керма 3 орієнтують аеростати за вітром, знижуючи опір. Однак лідером з'явився, безумовно, доктор Герман Плаусон, естонець за походженням, але жив і працював у Німеччині та Швейцарії. У Фінляндії він провів експерименти з аеростатами, виготовленими з тонких листів магнієво-алюмінієвого сплаву, вкритого дуже гострими електролітичним способом виготовленими голками. Голки могли містити також домішка радію, щоб збільшити місцеву іонізацію повітря. У той час ще погано знали про радіоактивну небезпеку, і широко використовували, наприклад, годинник зі стрілками, пофарбованими радіоактивними складами і світяться в темряві. Поверхню аеростату також фарбували цинковою амальгамою, яка в сонячну погоду давала додатковий струм через фотоефект. Плаусон отримав потужність 0,72 кВт від одного аеростату і 3,4 кВт від двох, піднятих на висоту лише 300 м. На свої пристрої він у 1920-х роках отримав патенти США, Великобританії та Німеччини. Його книга "Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität" ("Отримання та застосування атмосферної електрики") містить детальний опис усієї технології.



 


Рис.7. Проекти Плаусону. Зліва — ізольована щогла, що вільно стоїть, для збору атмосферної електрики, в центрі — система аеростатів, справа внизу — конвертер Плаусона. Малюнок із журналу «Наука та винахід» 1922 року.

Пристрої для збору електрики з атмосфери, як правило, дають високу напругу при дуже малому струмі, тому необхідні пристрої для перетворення низької напруги при значному струмі. Це може зробити трансформатор, але працює тільки на змінному струмі, а струм з атмосфери — постійний. Спосіб перетворення високої постійної напруги в низьку змінну запропонував ще Нікола Тесла у 1890-х роках.

Ідея зводилася до зарядки конденсатора, і розряду його через іскровий проміжок на котушку з великою кількістю витків. Розряд мав коливальний характер, а котушка могла бути обмоткою понижуючого трансформатора. Цю ідею розвинув Плаусон. У своєму патенті він починає з пояснення, як можна зменшити напругу звичайної електростатичної машини (Фіг. 1 на рис. 8). Мал. 8. Конвертер Плаусона. Від колекторів (щіток) машини заряджаються наявні в ній лейденські банки (конденсатори) 5 і 6. Коли між кулями розрядника 7 і 8 проскакує іскра, замикається ланцюг коливального контуру, утвореного конденсаторами і котушкою 9. Тоді в котушці 10 с значний струм при низькій напрузі, і висновків 11 і 12 можна підключити лампочку розжарювання або електромотор. Так і зроблено у конвертері атмосферної електрики Плаусона (Фіг. 2 на рис. 8). Розрядники a1, b1, c1 служать для безпеки. Вони замикають антену на землю при близькому розряді блискавки, наприклад. У звичайній роботі конвертера де вони беруть участь, а діє основний розрядник 7. Цікаво, що у цьому малюнку показано метелочная антена, що містить пучок гострих голок. З того часу на радіосхемах будь-яку антену зображують саме так, зовсім забувши про її початкове призначення! На закінчення зазначимо, що описані грандіозні пристрої так і не отримали широкого практичного застосування через їхню громіздкість, непрактичність, а найголовніше, нестабільність потужності, що знімається, яка цілком залежить від «електричної погоди» в атмосфері. Необхідно також попередити, що експерименти з атмосферною електрикою небезпечні, особливо при грозі та передгрозовій обстановці. Сильна електризація спостерігається також під час хуртовини та запорошених бур. Пряме ж потрапляння блискавки неминуче призводить до загибелі установки, а можливо і людей, що знаходяться поруч.

 

В даний час з атмосферною електрикою ведуть боротьбу, ретельно заземлюючи високі щогли, антени та інші високі предмети. Нерідко на них встановлюють мініатюрні "метелювальні антени" - пензлики з гострих проводів, що полегшують стікання заряду з елементів конструкції. Такі ж пензлики можна побачити і на кромках крил літаків, щоб їх корпуси не накопичували електричний заряд у польоті.

Тим не менш, зріс інтерес до досліджень атмосферної електрики, і в останні роки досягнуто значних успіхів. За допомогою космічної зйомки виявлено, наприклад, що кожні приблизно 10 розрядів блискавок на землю припадає один розряд вгору, в іоносферу! Їм дали романтичні назви спрайтів, ельфів та джетів. Фізичні моделі цих розрядів досі залишаються предметом наукових дискусій.

Рис.9. Фотографія спрайту (Pasko VP, Stenbaek-Nielsen HC // Geophys. Res. Lett. 2002. V.29 (A10); doi: 10.1029/2001GL014241).

Знову з'являються проекти одержання атмосферної електрики вже не за допомогою аеростатів, а з використанням потужного лазерного променя.
 

Промінь синього, ще краще ультрафіолетового лазера іонізує повітря, утворюючи тонкий іонізований, і, отже, шнур, що проводить, що йде в небо на значну висоту. Повідомляють, що у такий спосіб японським ученим вдалося розрядити грозову хмару, викликавши блискавку, яка вдарила вздовж променя. Сам лазер був при цьому надійно захищений потужними металевими заземленими гратами, на які і потрапив розряд. Людей поряд, звичайно, не було, і лазер наводили за допомогою системи дистанційного керування.