Какова всё-таки стоимость молнии?

Как-то в букинистическом магазине мне попалась книга Я.И.Перельмана «Занимательная физика» 1924 года издания. Отпечатанная на оберточной бумаге (а откуда после гражданской войны хорошая бумага), она имела подзаголовок – «Парадоксы, головоломки, задачи, опыты, замысловатые вопросы и рассказы из области физики». Этот подзаголовок в последующих изданиях с детства хорошо известной мне книги почему-то исчез. Просто ради любопытства, мне захотелось узнать, что изменилось в книге за последние 75 лет. Ведь дома у меня было двадцать второе издание этой широко известной учащейся молодежи книги. А наука и техника за это время не топталась на месте.

Мой интерес к Я.И.Перельману подогревала недавно вышедшая в свет книга Г.И.Мишкевича о жизни и творчестве выдающегося популяризатора науки. «Певец математики, бард физики, поэт астрономии» был широко востребован в стране недавно аграрной и отсталой и только начавшей свой путь в число передовых и культурнейших государств мира. И роль Перельмана в этом развитии была далеко не последняя. Он в своих книгах остроумной занимательностью, научной достоверностью и даже изяществом еще в школьные годы способствовал наиболее талантливой части юного поколения избирать будущий свой жизненный путь в служении науке.

В книге-биографии как-то мимоходом отмечено, что Я.И.Перельман в 1916 году работал в Особом совещании правительства России по топливу и, «в связи с плачевным состоянием дровяного отопления Петрограда», впервые в нашей стране предложил перейти на летнее время. О том, что с помощью перевода стрелки часов, можно экономить электроэнергию на освещении давно всем известно. Но каким образом экономятся дрова, я понять не мог.

Этот факт настолько меня заинтересовал, что я решил об этом спросить у автора книги-биографии. Тем более, что в одном из рассказов, купленной мной книги, при расчете расхода энергии на грозовой разряд данные между Перельманом и последующими изданиями, вышедшими уже после смерти популяризатора, отличались почти в сто раз!

Письмо было отправлено и пришедший ответ расставил всё на свои места. Насчет экономии дров объяснение было предельно ясным – во время Первой мировой войны в качестве топлива в котельных электростанций Питера горели дрова. Вот и причина почему в первые же годы советской власти начались поиски нового вида топлива для электрификации страны (План ГОЭЛРО). Тогда и обратили внимание на торф.

По поводу же несоответствия расчетов позволю привести цитату из письма Г.И Мишкевича, написанного в мой адрес: «ВСЕ издания его книг, вышедшие после кончины Я.И.Перельмана, ИСПОРЧЕНЫ всякими безответственными редакторами и издателями». Подчеркнуто автором письма. Добавим только, что скончался «Доктор занимательных наук» 16 марта 1942г. от голода в осажденном Ленинграде.

Мне же захотелось самому разобраться в вопросе «Сколько стоит молния?». Ибо так называется одна из глав в книге Перельмана.

Первым серьезным изучением молнии занялся великий американец Бенджамин Франклин, почему-то считающийся у нас одним из президентов США. Он им не был, но обессмертил свое имя тем, что экспериментально доказал электрическую природу грозы.

Тогда это было сделать непросто. Не было небоскребов, самолетов и даже воздушный шар не был изобретен. А требовалось получить небесное электричество буквально в руки для проведения опытов. Ведь в первом электрическом конденсаторе того времени, лейденской банке, одной из двух обкладок его была рука экспериментатора.

С помощью детской игрушки, называемой бумажным змеем, экспериментатор ввел проводник в грозовое облако, и зарядил лейденскую банку, а затем сравнивал ее с такой же банкой, заряженной электрической машиной.

Поведение банок было идентичным. Сомнений не было: грозовой разряд носит электрический характер. Он даже определил, что чаще всего облака носят отрицательный электрический заряд. Опыты Франклина были чрезвычайно опасны, но они помимо весьма интересных научных данных, привели к изобретению им громоотвода.

Другой американец, Чарлз Протеус Штейнмец (1865-1923), считается одним из главных основателей науки электротехники. Последние годы своей жизни он посвятил вопросам электропередачи энергии на расстояние с помощью высокого напряжения.

Для решения вопросов изоляции высоковольтных систем ему понадобился генератор импульсов высокого напряжения. Таковой и был им построен. Этот генератор мог создавать искусственную молнию с потенциалом 120 киловольт. Однако существует научный метод, называющийся экстраполяцией, который позволяет распространять выводы из наблюдений в одних условиях над аналогичными явлениями в других Хотя этот метод далеко не безупречен, но зачастую ничего другого науке просто применять нечего.

В США часто для оценки всего и вся применяется монетаристский способ. — Вы выглядите на тысячу долларов, — говорит босс своей секретарше. Пианист страхует свои пальцы на миллион долларов. А уж оценка таланта футболиста в долларах давным-давно известна даже нашим болельщикам. Для наглядности в оценке грозового разряда Я.И.Перельман применяет этот очень эффектный способ, придуманный в Новом свете.

Читаем у Я.И.Перельмана исходные данные: «Вот расчет (которым мы обязаны недавно умершему американскому электротехнику Штейнмецу) Напряжение при грозовом разряде определяется примерно в 5 миллионов вольт. Сила тока исчисляется в 10 000 ампер».

В принципе, зная напряжение и силу тока любой установки, легко вычислить ее мощность, перемножив эти данные. Умножив мощность на время ее потребления, получаем расход энергии. Всё это справедливо и для молнии. Но сколько времени длится вспышка этой гигантской электрической искры? Можно ли замерить это время?

Оказывается не так сложно. Английский физик Ч.Уитстон предложил использовать для этой цели быстро вращающийся диск, но с определенной, заранее известной скоростью. Вспышка молнии, освещая этот диск какое-то мгновенье, зафиксирует на сколько градусов этот диск сместился. Зная число оборотов диска, пересчет на время сделать несложно, хотя разряд молнии длится всего тысячные доли секунды.

Гораздо сложнее получить расчетные электрические параметры молнии. Ведь грозовую тучу можно себе представить как заряженный конденсатор, но при разряде его токи и напряжение меняются во времени по экспоненте, то есть функции показательной.

Редакторы Перельмана приводят другие данные. Максимальный ток молнии у них 200 тыс. ампер, а потенциал 50 млн. вольт. Получившуюся при этом мощность они делят пополам, объясняя это употребление ими для расчета среднего потенциала. Применение в их расчетах почему-то максимального тока и неправильно вычисленного потенциала приводит, понятно, к неправильным результатам. Так что вычисленная энергия и по Штейнмецу не может быть принята из-за неизвестно откуда взятых данных, а полученные редакторами результаты некорректны. Можно ли высчитать расходуемую молнией электроэнергию, не прибегая к меняющимся ее параметрам. Это оказывается можно.

В книге выдающегося исследователя молний Б.Шонланда сообщается еще один параметр – количество электричества, расходуемого молнией при разряде. «В отдельных ударах (молнии) обычно нейтрализуется заряд от 2 до 10 кулон». Расчет по этому параметру упрощается, т.к. один кулон это ничто иное, как ампер-секунда. Другой параметр – напряжение грозового облака ученые рассчитывают, ибо его замерить пока нельзя. По Б.Шонланду «подсчитано, что это напряжение равняется по меньшей мере 100 млн. вольт».

Сделаем для этого свои расчеты. Примем, что количество электричества, расходуемое при разряде самой обыкновенной молнии, составляет 5 кулонов (Это нечто среднее между 2 и 10)Тогда при перемножении кулонов на вольты получаем 500 млн. ватт-секунд, или 140 квт-часов всего-навсего. А при среднем тарифе по России в 2руб за квт-час затраты в рублях составят 280 рублей. Для такого грозного явления сумма весьма незначительная. Отметим, что расчет Ч.Штейнмеца и редакторов Перельмана при переводе на современные тарифы за электричество дали результаты соответственно в 30 и 2800 рублей. Полученный нами результат ближе к результату Штейнмеца, но все равно отличается от него на порядок, т.е. в 10 раз! В прочем это легко объяснить тем, что последующие ученые оценивают потенциал облака не в 5 млн. вольт, а в 100 млн., да и заряд облака мы брали с потолка.

Нужно признать, что наши расчеты никакой научной ценности не имеют. Они просто иллюстративно декларируют, что такое грозное явление, как атмосферное электричество не энергоёмко и вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение в качестве источника электроэнергии. Ведь месячный расход энергии в 140 квт-час «накручивают» электросчетчики только за освещение лестничной клетки многоэтажного дома.

Нужны ли эти результаты для современных электриков? Конечно нужны, но только для того, чтобы не пытаться заниматься применением атмосферного электричества в промышленности и сельском хозяйстве. Это экономически не выгодно и очень опасно. Приведем цитату из одного трудов американского метеоролога Л.Беттена: «Как ни странно, молнии, являющиеся обязательным атрибутом любой грозы, убивают больше людей, чем любое другое погодное явление, за исключением неожиданных наводнений».

Наблюдая вспышки молний, освещающих большие пространства, любой здравомыслящий человек должен понимать, что эта энергия, всю ночь впустую тратящаяся в его подъезде и квартире, в конечном счете оплачивается им и должен стремиться к энергосберегающим источникам света. Разрушительный характер молнии обусловлен кратковременностью процесса при большой мощности и напоминает взрыв бытового газа в доме, где обычно потребляется много газа в газовых плитах. Так небольшая утечка газа в одной из квартир, который вместе с воздухом является взрывчатой смесью, приводит к трагедиям во всем доме.

Нам же следует воздать должное Ч.П.Штейнмецу, инициатору такого расчета и напомнить подготовленным читателям и то, что он тоже является автором символического метода расчета электрических цепей переменного тока. А это много стоит.