Jaki jest koszt błyskawicy?

Raz w używanej księgarni natknąłem się na książkę I. Perelmana „Entertaining Physics” z wydania z 1924 r. Wydrukowany na brązowym papierze (i skąd wziął się dobry papier po wojnie secesyjnej), miał podtytuł - „Paradoksy, zagadki, zadania, eksperymenty, skomplikowane pytania i historie z dziedziny fizyki”. Ten podtytuł w kolejnych wydaniach z dzieciństwa znanej książki z jakiegoś powodu zniknął. Ze względu na ciekawość chciałem dowiedzieć się, co zmieniło się w książce w ciągu ostatnich 75 lat. W końcu w domu miałem dwudzieste drugie wydanie tej szeroko znanej młodzieżowej książki studenckiej. Ale nauka i technologia w tym czasie nie uległy stagnacji.

Moje zainteresowanie Ya.I. Perelmanem podsyciła niedawno wydana książka G.I. Miszkiewicza na temat życia i twórczości wybitnego popularyzatora nauki. „Piosenkarz matematyki, bard fizyki, poeta astronomii” był szeroko poszukiwany w kraju, ostatnio agrarny i zacofany, i właśnie rozpoczął swoją podróż do wielu zaawansowanych i kulturowych stanów świata. Rola Perelmana w tym rozwoju była daleka od ostatniej. W jego książkach dowcipne rozbawienie, pewność naukowa, a nawet łaska, nawet w latach szkolnych, pomogły najbardziej utalentowanej części młodego pokolenia w wyborze przyszłej ścieżki życiowej w służbie nauki.

W książce biograficznej zauważono mimochodem, że Y.I. Perelman w 1916 r. Pracował na specjalnym spotkaniu rządu rosyjskiego w sprawie paliwa i „w związku z opłakanym stanem ogrzewania drewna w Piotrogrodzie”, po raz pierwszy zaproponował przejście na czas letni w naszym kraju. Od dawna wiadomo wszystkim, że dzięki zastosowaniu wskazówek zegara do oszczędzania energii na oświetleniu. Ale jak uratowano drewno na opał, nie mogłem zrozumieć.

Ten fakt zainteresował mnie tak bardzo, że postanowiłem zapytać o to autora książki biograficznej. Co więcej, w jednej z historii kupionej przeze mnie książki, obliczając zużycie energii na wyładowanie piorunowe, dane między Perelmanem a kolejnymi wydaniami, wydanymi po śmierci popularyzatora, różniły się prawie sto razy!

Wysłano list, a odpowiedź nadeszła i umieściła wszystko na swoim miejscu. Jeśli chodzi o oszczędzanie drewna opałowego, wyjaśnienie było bardzo jasne - podczas pierwszej wojny światowej drewno opałowe paliło się jako paliwo w kotłowniach w Petersburgu. Właśnie dlatego w pierwszych latach władzy radzieckiej rozpoczęto poszukiwania nowego rodzaju paliwa do elektryzowania kraju (plan GOELRO). Następnie zwrócili uwagę na torf.

Jeśli chodzi o niespójność obliczeń, pozwolę ci zacytować pismo G.I. Miszkiewicza napisane do mnie: „WSZYSTKIE wydania jego książek, które ukazały się po śmierci Y. I. Perelmana są Zepsute przez wszelkiego rodzaju nieodpowiedzialnych redaktorów i wydawców”. Podkreślone przez autora listu. Dodajemy tylko, że „Doktor zabawnych nauk” zmarł 16 marca 1942 r. z głodu w oblężonym Leningradzie.

Ale chciałem dowiedzieć się, ile kosztuje piorun? Bo tak nazywa się jeden z rozdziałów książki Perelmana.

Pierwsze poważne badanie błyskawicy zostało przeprowadzone przez wielkiego amerykańskiego Benjamina Franklina, z jakiegoś powodu uważanego za jednego z prezydentów USA w naszym kraju. Nie był, ale uwiecznił swoje imię, eksperymentalnie udowadniając elektryczną naturę burzy.

Wtedy nie było to łatwe. Nie było drapaczy chmur, samolotów, a nawet nie wynaleziono balonu. Do eksperymentów konieczne było dosłownie otrzymywanie niebiańskiej elektryczności w rękach. Rzeczywiście, w pierwszym ówczesnym kondensatorze elektrycznym, banku Leiden, jedna z dwóch jego płyt była ręką eksperymentatora.

Używając zabawki dla dzieci zwanej latawcem, eksperymentator wprowadził konduktora do chmury burzowej, naładował słoik Leyden, a następnie porównał go z tym samym słojem naładowanym maszyną elektryczną.

Zachowanie puszek było identyczne. Nie było wątpliwości: wyładowanie piorunowe ma charakter elektryczny. Ustalił nawet, że najczęściej chmury niosą ujemny ładunek elektryczny. Eksperymenty Franklina były niezwykle niebezpieczne, ale oprócz bardzo interesujących danych naukowych doprowadziły do ​​jego wynalezienia piorunochronu.

Inny Amerykanin, Charles Proteus Steinmets (1865–1923), jest uważany za jednego z głównych założycieli elektrotechniki. W ostatnich latach życia poświęcił się zagadnieniom przesyłania energii na odległość za pomocą wysokiego napięcia.

Aby rozwiązać problemy izolacji układów wysokiego napięcia, potrzebował generatora impulsów wysokiego napięcia. Ten został zbudowany przez niego. Ten generator może wytworzyć sztuczną błyskawicę o potencjale 120 kilowoltów. Istnieje jednak metoda naukowa zwana ekstrapolacją, która pozwala rozłożyć wnioski z obserwacji w niektórych warunkach na podobne zjawiska w innych, chociaż metoda ta jest daleka od doskonałości, ale często nic innego nie można zastosować do nauki.

W USA metoda monetarystyczna jest często stosowana do oceny wszystkiego i wszystkiego. „Wyglądasz jak tysiąc dolarów” - mówi szefowi sekretarz. Pianista ubezpiecza palce za milion dolarów. Ocena talentu piłkarza w dolarach od dawna znana jest nawet naszym fanom. Dla jasności, oceniając wyładowanie piorunowe, Ya.I. Perelman stosuje tę bardzo skuteczną metodę, wynalezioną w Nowym Świecie.

Odczytujemy wstępne dane z Ya. I. Perelman: „Oto obliczenia (którym zawdzięczamy niedawno zmarłego amerykańskiego inżyniera elektryka Steinmetsa) Napięcie podczas wyładowania piorunowego wynosi około 5 milionów woltów. Prąd szacowany jest na 10 000 amperów. ”

Zasadniczo, znając napięcie i siłę prądu każdej instalacji, łatwo jest obliczyć jej moc, mnożąc te dane. Mnożąc moc przez czas jej zużycia, uzyskujemy zużycie energii. Wszystko to dotyczy błyskawicy. Ale jak długo trwa błysk tej gigantycznej iskry elektrycznej? Czy można zmierzyć ten czas?

Okazuje się, że nie jest to takie trudne. Angielski fizyk C. Wheatstone zaproponował użycie do tego celu szybko obracającego się dysku, ale z pewną, z góry określoną prędkością. Błysk pioruna, oświetlając na chwilę ten dysk, zarejestruje, o ile stopni ten dysk się przesunął. Znając liczbę obrotów dysku, konwersja czasu nie jest trudna do wykonania, chociaż wyładowanie błyskawiczne trwa tylko tysięczne części sekundy.

Znacznie trudniej jest uzyskać obliczone parametry elektryczne błyskawicy. W końcu chmura burzowa może być wyobrażona jako naładowany kondensator, ale gdy zostanie rozładowana, jego prądy i napięcie zmieniają się wykładniczo w czasie, to znaczy w funkcji wykładniczej.

Redaktorzy Perelman podają inne dane. Ich maksymalny prąd pioruna wynosi 200 tysięcy amperów, a potencjał wynosi 50 milionów woltów. Dzielą uzyskaną moc na pół, wyjaśniając ich wykorzystanie do obliczenia średniego potencjału. Zastosowanie w ich obliczeniach z jakiegoś powodu maksymalnego prądu i nieprawidłowo obliczonego potencjału prowadzi oczywiście do niepoprawnych wyników. Tak więc obliczona energia według Steinmetsa nie może zostać zaakceptowana z powodu nieznanych danych pobranych z dowolnego miejsca, a wyniki uzyskane przez redaktorów są nieprawidłowe. Czy można obliczyć energię zużywaną przez błyskawicę bez uciekania się do jej zmieniających się parametrów? Okazuje się, że jest to możliwe.

W książce wybitnego badacza piorunów B. Schonlanda podano inny parametr - ilość energii elektrycznej zużywanej przez piorun podczas wyładowania. „W pojedynczych pociągnięciach (błyskawica) ładunek od 2 do 10 zawieszek jest zwykle neutralizowany.” Obliczenia tego parametru są uproszczone, ponieważ jeden wisiorek to nic innego jak amper. Kolejny parametr - napięcie chmur burzowych, obliczają naukowcy, ponieważ nie można go jeszcze zmierzyć. Według B. Schonlanda „szacuje się, że napięcie to wynosi co najmniej 100 milionów woltów”.

Dokonajmy w tym celu naszych obliczeń.Załóżmy, że ilość energii elektrycznej zużywanej podczas wyładowywania zwykłej błyskawicy wynosi 5 kulombów (jest to coś między 2 a 10). Następnie, mnożąc kulombowie przez wolty, otrzymujemy 500 milionów watów sekund lub 140 kilowatogodzin. Przy średniej taryfie w Rosji wynoszącej 2 ruble za kilowatogodzinę koszty w rublach wyniosą 280 rubli. W przypadku tak groźnego zjawiska kwota jest bardzo mała. Należy zauważyć, że obliczenia C. Steinmetsa i redaktorów Perelmana przy przejściu na nowoczesne taryfy energii elektrycznej przyniosły wyniki odpowiednio 30 i 2800 rubli. Uzyskany przez nas wynik jest bliższy wynikowi Steinmetsa, ale nadal różni się od niego o rząd wielkości, tj. 10 razy! W innych kwestiach łatwo to wytłumaczyć faktem, że kolejni naukowcy szacują potencjał chmury nie na 5 milionów woltów, ale na 100 milionów, a my wzięliśmy ładunek chmur z sufitu.

Trzeba przyznać, że nasze obliczenia nie mają wartości naukowej. Po prostu ilustracyjnie deklarują, że tak ogromne zjawisko jak elektryczność atmosferyczna nie jest energochłonne i jest mało prawdopodobne, aby kiedykolwiek znalazło praktyczne zastosowanie jako źródło elektryczności. W końcu miesięczne zużycie energii w wysokości 140 kWh jest „zwijane” przez liczniki elektryczne tylko w celu oświetlenia klatki schodowej wielokondygnacyjnego budynku.

Czy te wyniki są konieczne dla współczesnych elektryków? Oczywiście są one potrzebne, ale tylko po to, aby nie próbować radzić sobie z wykorzystaniem energii elektrycznej w atmosferze w przemyśle i rolnictwie. Jest to ekonomicznie nieopłacalne i bardzo niebezpieczne. Cytujemy jedną z prac amerykańskiego meteorologa L. Betten: „Dziwne, błyskawica, która jest obowiązkowym atrybutem każdej burzy, zabija więcej ludzi niż jakiekolwiek inne zjawisko pogodowe, z wyjątkiem niespodziewanych powodzi”.

Patrząc na błyskawice oświetlające duże przestrzenie, każda rozsądna osoba powinna zrozumieć, że ta energia, zmarnowana całą noc na werandzie i mieszkaniu, jest ostatecznie przez niego opłacona i powinna dążyć do energooszczędnych źródeł światła. Niszczycielski charakter pioruna jest spowodowany krótkim czasem trwania procesu przy dużej mocy i przypomina eksplozję gazu domowego w domu, w którym w kuchenkach gazowych zwykle zużywa się dużo gazu. Mały wyciek gazu w jednym z mieszkań, który wraz z powietrzem stanowi mieszaninę wybuchową, prowadzi do tragedii w całym domu.

Powinniśmy złożyć hołd Ch.P. Steinmetsowi, inicjatorowi takich obliczeń, i przypomnieć przygotowanym czytelnikom, że on także jest autorem symbolicznej metody obliczania obwodów elektrycznych prądu przemiennego. I to kosztuje dużo.

Czytaj także:Atmosferyczna energia elektryczna jako nowe źródło energii alternatywnej