Problémů je tady hodně. Je stěží možné předem odhadnout, kde se bouřka objeví. A čekat na ni na jednom místě je dlouhá doba. Kromě toho blesk produkuje napětí v řádu stovek milionů voltů a špičkové proudy až 200 kiloampérů (u některých měřených blesků; obvykle 5-20 kiloampérů). Energii je zjevně potřeba někde akumulovat během těch tisícin sekundy, kdy trvá hlavní fáze výboje (úder blesku, který se zdá být okamžitý, se ve skutečnosti skládá z několika fází). Je třeba dodat, že ty blesky, které běží mezi mraky a zemí, se dělí na dva „zrcadlové“ typy: některé jsou způsobeny negativními výboji, které se hromadí ve spodní části bouřkového mraku, a jiné jsou způsobeny pozitivními výboji, které se hromadí v jeho horní část.
Různí vynálezci v různých dobách navrhovali nejneobvyklejší skladovací zařízení – od podzemních nádrží s kovem, který by se roztavil při úderu blesku do hromosvodu a ohříval vodu, jejíž pára by roztáčela turbínu, až po elektrolyzéry, které pomocí výbojů blesku rozkládají vodu na kyslík a vodík. ..
Americká společnost Alternative Energy Holdings hlásí, že se chystá udělat radost světu ekologickou elektrárnou, která vyrábí proud za směšnou cenu 0,005 dolaru za kilowatthodinu. Jak přesně hodlá společnost energii výbojů blesku sbírat, není uvedeno. Lze jen předpokládat, že mluvíme o hromosvodech vybavených obřími sadami superkondenzátorů a měničů napětí. uvádí, že první funkční prototyp takové stanice, schopné ukládat energii výbojů blesku, postaví již v roce 2007.
Mám strašnou chuť se s projektem seznámit. Moje otázky jsou: vodiče, izolanty, myslím, že je potřeba rozdělit proudy, požadavky na kondenzátory a „baterie“.
Integrovaný systém ochrany před bleskem (ochrana před bleskem)
Integrovaný systém ochrany před bleskem se skládá ze dvou hlavních funkčních částí – vnější a vnitřní ochrany před bleskem.
Účelem vnější ochrany před bleskem je ochrana před přímým úderem blesku s následným svedením energie výboje do země.
hromosvody – součást vnější ochrany před bleskem, která je určena pro příjem blesku;
svody – součást vnější ochrany před bleskem, která je určena k odvedení výbojového proudu blesku z hromosvodu do uzemňovacího zařízení;
zemnící zařízení je součástí vnější ochrany před bleskem, která svádí energii blesku do země pro její následnou bezpečnou distribuci.
Hlavním účelem vnitřní ochrany před bleskem je ochrana elektronických zařízení a elektrických rozvodů před přepěťovým impulsem, ke kterému dochází nejen při přímém úderu, ale pravděpodobněji při vzdáleném (do 1 km) úderu.
Existuje řada jevů, které způsobují přepětí v nízkonapěťových a informačních sítích a také v instalacích přeměňujících energii a generujících elektrický proud.
Největší nebezpečí je:
přímý úder blesku;
úder blesku v těsné blízkosti;
blesk udeřil několik set metrů daleko;
spínací přepětí.
Řešení problémů s přepětím je jasně stanoveno v mezinárodních normách v (IEC 61312-1) (koncepce ochrany založená na způsobu vytváření ochranných pásem v cestě průniku přepěťového impulsu)
Blesk je majestátní a hrozivý přírodní úkaz, který mimovolně vyvolává pocit strachu. Lidé dlouho nebyli schopni vysvětlit příčinu bouřkových jevů. Lidé považovali bouřky za akt, kdy bohové trestali člověka za jeho hříchy. Elektrickou podstatu bouřkových jevů prokázali v polovině XNUMX. století velcí ruští vědci M. V. Lomonosov a jeho přítel G. V. Richman. V zemské atmosféře je vzduch v neustálém pohybu, vlivem tření stoupavého a klesajícího proudění dochází k elektrizaci částic vzduchu, které při srážce s kapkami vody v oblacích dodávají náboj. Postupem času se na oblacích hromadí velmi velké náboje a mezi nimi vzniká silné elektrické pole. Způsobuje blesky. Lidé se snažili studovat blesk, zjistit jeho povahu a naučit se, jak jej porazit. A dosáhli toho. Nyní blesk přestal být tajemný. Nyní víme, jak se chovat v lese, na výletě v kempu, když nás zastihne bouřka. Mimochodem, pojďme se na to podívat. (Na jevišti je maketa stromu. Hudba hraje, bouřka hřmí. Vycházejí tři lidé. Jeden sedí pod stromem s deštníkem, druhý si lehne na zem a přikryje se deštníkem, třetí si sedne, složí deštník a vezme psa do náruče.)
ODPOVĚĎ: Když je úder blesku blízko, může nastat smrtící potenciálový rozdíl mezi hlavou a nohama. Obvodem psa může procházet značný proud. Řetězec prodlužuje délku tohoto řetězce a znamená potenciální rozdíl. Pokud oblečení a tělo navlhnou deštěm, pak hlavní část proudu může projít vrstvou vody na povrch pokožky, aniž by pronikla do těla. To znamená, že ochrana před vlhkostí pod otevřeným deštníkem zvyšuje nebezpečí.
Ještě ne. Blesk je výboj elektřiny s vysokým napětím a velkým proudem, ke kterému dojde ve velmi krátkém časovém úseku. Lidé se naučili hrát si s proudem a napětím, převádět je na sebe (souvisí podle vzorce P = UI, U – napětí, I – proud, P – výkon), ale nevědí, jak napětí „natáhnout“ přesčas. Pokud to dokážete. Myslím, že Nobelovu cenu určitě vyhraješ.
Pokud se vám podaří zachytit tento blesk, můžete jej transformovat stejným způsobem jako energii běžné elektřiny. rozdíl je pouze v tom, že velikost blesku je řádově vyšší.
Není to tak těžké. Během bouřky vezměte do obou rukou dva pervitiny. tyč. A běhejte na otevřených plochách, nejlépe na kopci, houpejte se tyčemi, můžete běhat pod osamělým stromem, nejlépe dubem. Zároveň musíte nahlas zakřičet kouzlo: blesk, jsem tady, udeř mě. Poté, co kouzlo funguje a blesk udeří tam, kde je požádán, musíte jeho energii použít podle potřeby. A ty se navždy proměníš v muže blesku.
Člověk se naučil využívat vodní energii stavbou vodních elektráren, větrnou energii stavbou větrných elektráren a dokonce atomovou energii stavbou jaderných elektráren. V dnešní době se aktivně využívá solární energie akumulovaná v solárních panelech.
V budoucnu bude lidstvo hledat alternativní zdroje energie. Přírodní zdroje planety Země dříve nebo později dojdou a bude třeba vyvinout nové zdroje energie. Snad se lidstvo naučí využívat energii blesku. Blesk obsahuje hodně proudu a hodně napětí.
V tomto projektu jsme se pokusili teoreticky popsat možnou možnost přeměny energie blesku. Výzkum a vývoj na toto téma probíhá ve Spojených státech amerických. Toto téma práce je aktuální dnes i v budoucnu.
Stáhnutí:
| Příloha | velikost |
|---|---|
| molniya_proekt_chteniya_39.doc | 115 KB |
Náhled:
Mezinárodní vědecká konference pro mládež
„XXXIX Gagarinova čtení“ MBOU „Zubovo-Polyanskaya střední škola č. 1“
Použití energie blesku.
(vědecký a technický směr)
Účinkují: žáci 9. ročníku
Artamonov Michail, Denisov Dmitrij, Ratsa Diana
Vedoucí: učitel fyziky Nikolay Grigorievich Velkin
2. Teoretická část
2.1. Historie výzkumu blesků 4
2.2. Vznik blesku a jeho druhy. 5
3. Praktická část
3.2. Princip činnosti jednotky 8
Člověk se naučil využívat vodní energii stavbou vodních elektráren, větrnou energii stavbou větrných elektráren a dokonce atomovou energii stavbou jaderných elektráren. V dnešní době se aktivně využívá solární energie akumulovaná v solárních panelech.
V budoucnu bude lidstvo hledat alternativní zdroje energie. Přírodní zdroje planety Země dříve nebo později dojdou a bude třeba vyvinout nové zdroje energie. Snad se lidstvo naučí využívat energii blesku. Blesk obsahuje hodně proudu a hodně napětí.
V tomto projektu jsme se pokusili teoreticky popsat možnou možnost přeměny energie blesku. Výzkum a vývoj na toto téma probíhá ve Spojených státech amerických. Toto téma práce je aktuální dnes i v budoucnu.
Účel práce: zvážit vlastnosti blesku, provést potřebné výpočty k určení výkonu a energie koncentrované v blesku a analyzovat provoz zařízení.
- historie výzkumu blesků;
- vysvětlit procesy, ke kterým dochází v důsledku tvorby blesků.
Ve skutečnosti lze celou práci rozdělit na dvě části. První je teoretická, druhá praktická. Teoretická část pojednává o historii výzkumu blesků, vzniku blesků, typech blesků a v praktické části jsou uvedeny výpočty výkonu a energie blesku, porovnání výkonu blesku s výkonem spotřebovaným obcí Udarný.
2. Teoretická část.
2.1. Historie výzkumu blesků.
Již v 1752. století bylo navrženo, že blesk je gigantická jiskra, která se kromě velikosti neliší od jiskry, která přeskakuje mezi dvěma opačně nabitými koulemi. A blesky blikají mezi dvěma různě nabitými bouřkovými mraky nebo mezi bouřkovým mrakem a zemí. Výzkum atmosférické elektřiny probíhal v mnoha zemích, ale největší podíl na vytvoření teorie atmosférické elektřiny měli ruští akademici Michail Vasiljevič Lomonosov a Georg Richman a americký badatel Benjamin Franklin. Elektrická podstata blesku byla odhalena ve výzkumu amerického fyzika B. Franklina, na jehož nápadu byl proveden experiment na extrakci elektřiny z bouřkového mraku. Franklinova zkušenost byla popsána v díle Josepha Priestleyho. Benjamin Franklin, vynikající americký politik, jeden z tvůrců americké deklarace nezávislosti, studoval fyziku pouhých sedm let, ale dokázal toho hodně. Franklin provedl slavný experiment s drakem a spustil ho, když se blížily bouřkové mraky. Na horní konec svislé tyče příčníku draka připevnil naostřený drát. Jakmile byl drak pod bouřkovým mrakem, naostřený drát začal z mraku čerpat elektrický oheň. V roce 1752 bylo prokázáno, že bouřkové mraky byly skutečně velmi nabité. Michail Vasiljevič Lomonosov a jeho přítel Georg Richmann v letech 1753-26. společně provedli výzkum atmosférické elektřiny pomocí elektrického ukazovátka vynalezeného Richmanem – prototypu elektroměru. Richman stanovil elektrický stav atmosféry bez hromu a blesků. A Lomonosov vypracoval teorii vzniku atmosférické elektřiny, jejíž vznik spojoval se stoupajícími a sestupnými vzdušnými proudy. Georg Richmann ve svém domě zřídil experimentální zařízení pro studium výbojů blesku – „hromostroj“. 1753. července 30 Když se během silné bouřky vědec přiblížil k elektrometru „stroje na bouřku“ na vzdálenost XNUMX cm, náhle jej ze silné železné tyče přímo zasáhla bleděmodrá ohnivá koule velikosti pěsti. Byl to kulový blesk. Ozval se ohlušující výbuch a Richman padl mrtvý.
Lomonosov vzal smrt svého přítele vážně a udělal vše, co bylo v jeho silách, aby zajistil, že jméno Georga Richmanna zůstane navždy v dějinách vědy.
V roce 1989 byl objeven zvláštní typ blesků – elfové, blesky ve vyšších vrstvách atmosféry. V roce 1995 byl objeven další typ blesku ve vyšších vrstvách atmosféry – výtrysky.
2.2. Vznik blesku a jeho druhy.
Blesk je obří elektrický jiskrový výboj v atmosféře, který se obvykle může objevit během bouřky, což má za následek jasný záblesk světla a doprovodné hromy.
Blesk je jedním z nejzáhadnějších přírodních jevů. Vznik blesků je poměrně složitý proces, který je třeba zvážit, počínaje strukturou bouřkového mraku.
Bouřkový mrak může být reprezentován jako několik vrstev. Spodní část tvoří kapky páry nebo vody, horní část tvoří směs ledových krystalků. Změny teploty vytvářejí uvnitř oblaku silné vzestupné proudy, přičemž dochází k polarizaci nabitých částic a horní vrstva získává kladný náboj a spodní část oblaku se nabíjí záporně. Vytvořené podmínky tvoří v atmosféře zóny s vysokou intenzitou elektrického pole a mohou vést ke vzniku elektrického výboje.
Ve vzduchu je vždy malé množství volných elektronů. Pod vlivem elektrického pole se začnou zrychlovat, získávají značné rychlosti a po srážce s atomy vzduchu je ionizují a „vyrážejí“ odtud nové elektrony. Ty se zase uvolňují, urychlují a vyrážejí elektrony z jiných atomů. Proces se stává jako lavina. Plocha prostoru pokrytá tímto procesem narůstá do délky obrovskou rychlostí (asi 100 km/s) a ve zlomku sekundy dosáhne místa, kam má udeřit budoucí blesk. Rychlost šíření blesku je velmi vysoká. Blesk tedy cestuje z mraků na Zemi za 0,002 sekundy. Ve většině případů je to Země, ale často je tam další mrak nebo dokonce jiná část stejného mraku.
V důsledku toho se ve vzduchu vytvoří vodivý kanál zvaný vedoucí. Vznik vůdce a následný výboj blesku se obvykle mnohokrát opakuje. To také ovlivňuje jak světelné efekty (blikající blesky), tak zvukové efekty (nerovnoměrný zvuk hromu).
Rozlišují se tyto typy blesků: pozemní blesky, vnitromrakové blesky, elfové, proudnice, skřítci a samozřejmě kulové blesky.
Vývojový proces pozemního blesku se skládá z několika fází. V první fázi, v zóně, kde elektrické pole dosáhne kritické hodnoty, začíná nárazová ionizace, tvořená zpočátku volnými náboji, vždy přítomnými v malém množství ve vzduchu, které vlivem elektrického pole nabývají značné rychlosti směrem k zemi a při srážce s molekulami, které tvoří vzduch, je ionizují. Jak se vůdce pohybuje směrem k zemi, intenzita pole na jeho konci se zvyšuje a pod jeho působením je z objektů vyčnívajících na povrchu Země vymrštěn odezvový streamer, který se spojuje s vůdcem. Tato vlastnost blesku se využívá k vytvoření hromosvodu.
Mezi mraky dochází k vnitrooblačným bleskům. Intracloud blesky obvykle zahrnují pouze vedoucí fáze; jejich délka se pohybuje od 1 do 150 km.
Elfové jsou obrovské, ale slabě svítící zábleskové kužely o průměru asi 400 km, které se objevují přímo z vrcholu bouřkového mraku. Výška elfů může dosáhnout 100 km, doba trvání záblesků je až 5 ms.
Trysky jsou modré kuželové trubky. Výška výtrysků může dosáhnout 40-70 km (spodní hranice ionosféry), výtrysky žijí relativně déle než elfové.
Skřítci je obtížné rozlišit, ale objevují se téměř v každé bouřce v nadmořské výšce 55 až 130 kilometrů (výška „obyčejného“ blesku není větší než 16 kilometrů). Jedná se o druh blesku padajícího z mraku vzhůru. Tento jev byl poprvé zaznamenán v roce 1989 náhodou. V současné době je o fyzické povaze skřítků známo velmi málo.
Kulový blesk je svítící hmota s poměrně ostrými hranicemi a dlouhou dobou existence. Podle různých odhadů se jeho životnost může pohybovat od zlomků sekund až po několik minut. Tvar kulového blesku se blíží kulovému. Jeho průměr se může pohybovat od několika centimetrů do velikosti asi metru. Nejpravděpodobnější průměr kulového blesku je 10-15cm.
3. Praktická část.
Proveďme výpočty výkonu, který je koncentrován v blesku. Výkon se vypočítá pomocí vzorce
Proud ve výboji blesku dosahuje 10-100 tisíc ampér, napětí dosahuje až 50 milionů voltů. Pro výpočty použijeme následující údaje: proudová síla – 40 000 A. a napětí – 20 000 000 V. Dosazením do vzorce (1) získáme
Výsledné číslo je obrovské. Obec Udarny spotřebuje v průměru 60 000 kW energie měsíčně. Zjistěte, kolikrát je výkon blesku větší než spotřebovaný výkon
Pokud převedeme na roky, dostaneme následující výsledek. Nechť T je čas v letech, pak po provedení výpočtů dostaneme následující výsledek
kde 12 je počet měsíců v roce.
Dosadíme data do vzorce (2)
To znamená, že vesnice Udarny může být touto energií napájena více než 1000 let. Výsledek je působivý. Ale jak lze energii blesku zadržet a přeměnit na elektrickou energii? V současné době probíhá vývoj v USA a Číně na přeměnu energie blesku na elektřinu.
Pojďme si spočítat energii v blesku. Doba trvání blesku je asi tisícina sekundy a za hodinu je 3600 sekund. Můžete určit množství energie, kterou poskytuje blesk.
Dosadíme data do vzorce (3), dostaneme
Cena 1 kW*h 1,75 rub. Při plném využití budou náklady na energii blesku 388,85 rublů.
Také v kulových bleskech se soustředí hodně energie. Představuje čtvrté skupenství hmoty – plazmu. Je ale extrémně nestabilní a chová se nepředvídatelně.
3.1. Princip fungování instalace.
Možnou možností instalace je bleskosvod (hromosvod) a kondenzátory pro „uchování“ přijímané energie. Teoreticky je vše jednoduché. Proč tedy takové instalace ještě nebyly vytvořeny? V tomto případě je více otázek než odpovědí.
Příklad verze je uveden v příloze 1.
Přijímač je ocelový vodič. Kondenzátory jsou zapojeny paralelně, takže napětí na každém kondenzátoru je stejné. Chcete-li snížit pravděpodobnost úderu blesku do kondenzátoru, můžete nainstalovat hromosvody, ale s nižší výškou než přijímač. Aby blesk zasáhl přijímač, můžete připojit laser. Laserový paprsek ionizuje vzduch a vytváří „ionizovaný sloupec“ směřující do mraků. Po úderu blesku do přijímače proudí náboj ke kondenzátorům a nabíjí je. Je vhodné nainstalovat klíč, aby se zabránilo opakovaným úderům blesku, které mohou způsobit poruchu kondenzátoru.
Vypočítejme energii v kondenzátoru a kapacitu kondenzátoru.
Energie blesku se rovná
W=8*10 W*11-10 s=3*8 J
Vyjádřeme kapacitu kondenzátoru ze vzorce (4).
Vypočítejme rozměry tohoto kondenzátoru.
Vyjádřeme plochu desek ze vzorce (7).
Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi deskami je 1 metr a dielektrikum je voda, získáme následující výsledek
S=4*10-6 F*1m /80*8,85*10-12 F/m=5649,7m2
Z toho vyplývá, že délka desek by měla být přibližně 25×230 metrů. Rozměry jsou obrovské.
V USA probíhá vývoj na budování bleskových farem.
Kondenzátory těchto velikostí by měly být umístěny v oblastech kvůli jejich velké velikosti.
V tomto projektu byly provedeny výpočty energie a výkonu blesku. Porovnali jsme výkon blesku a spotřebu energie obce Udarny.
Výzkum v tomto směru bude probíhat v budoucnu, protože blesk je alternativním zdrojem energie a lidstvo nakonec vyčerpá minerály na planetě Zemi.
- velkou energii a sílu,
- nízké náklady na energii.
- počet blesků v Rusku není velký,
- blesk se chová nepředvídatelně a je obtížné jej ovládat,
- velké velikosti kondenzátorů,
- vysoká cena projektu.
Děkuji vám za pozornost.
1. Bogdanov, K.Yu. Blesk: více otázek než odpovědí // Věda a život. – 2007. – č. 2. – S. 19-32.
2. Nejnovější Kompletní příručka pro školáky: ročníky 5-11: ve 2 dílech I: Biologie, Chemie, Matematika, Fyzika, Zeměpis -: Eksmo, 2009, -5796 s. Autorský tým: Fyzika: doktor fyziky a matematiky vědy, profesor K.E. Nemchenko, E.V. Dudinogva.
3. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fyzika. 9. třída Učebnice pro všeobecně vzdělávací instituce. – M.: Drop, 2003.
