Электрические свойства снега и льда
Великий русский ученый М.В. Ломоносов первым оценил особые электрические свойства льда. В результате опытов по электризации льда он установил, что из него «выскакивает огонь с треском, буде он (лед) не имеет в себе воздушных пузырьков и по бокам не мокр. Им можно зажечь нефть». Способность льда при натирании наэлектризовываться некоторые ученые XVIII века пытались использовать (не совсем удачно) для изготовления электростатических машин трения. Известный русский физик В.В. Петров первый ставил опыты по изучению электропроводности льда.
При продувании надо льдом воздуха, очищенного от пыли и других взвешенных примесей, лед не электризуется. Если же направить на плоскую поверхность льда капельно-паровой поток, то в результате столкновения капелек воды со льдом происходит обмен зарядом и возникает положительная электризация льда и отрицательная воды. Однако, если лед покрывается пленкой воды, электризация прекращается.
При продувании надо льдом воздуха, содержащего капельки тумана нашатырного спирта, каждый литр воздуха приобретает заряд около 2·10-11 кулона. В особо плотных аммиачных туманах этот заряд может увеличиться вдвое. Лед в этих условиях получает такой же по величине заряд, но противоположный по знаку. Положительная электризация льда наблюдается и при продувании надо льдом печной сажи.
Продавливание воды через специально устроенные в образцах льда капилляры приводит к положительной электризации у льда и отрицательной у воды. Как правило, при трении о другие тела (стекло, сталь, медь) лед приобретает положительный заряд, а эти тела — отрицательный.
Но бывают и исключения. Так, при продувании сухого снега через сильно оксидированную железную решетку, у которой выход электронов за ее пределы, благодаря оксидированию поверхности облегчен, снег заряжается отрицательно.
При плавлении льда заряд находящегося над ним воздуха возрастает за счет выделения электрических зарядов из пузырьков воздуха, захваченного льдом ранее (при замерзании). Присутствие во льду примесей щелочей уменьшает и при достаточных концентрациях полностью ликвидирует дополнительную электризацию воздуха при плавлении льда.
Во время низовых метелей крупные кристаллы льда заряжаются отрицательно, а более мелкая Снежная пыль — положительно. Свежевыпавший снег во всех случаях обнаруживает более значительную электризацию, чем уже слежавшийся. При взвихривании снежной пыли в воздухе может возникать объемный заряд до 1-8 кулон м3. Особенно сильные электрические поля (до 100 в/см) наблюдаются во время снежных метелей в полярных и высокогорных областях, где за счет электризации антенн сухим снегом весьма усиливаются помехи радиосвязи — pppa.ru. Сталкиваясь с проводами линий телефонной или телеграфной связи, снежинки из метельных потоков передают им свой заряд. При хорошей изоляции от земли, заряд может накопиться такой большой, что в прилегающем воздухе возникнет коронный разряд.
Покоритель Джомолунгмы Н. Тенсинг в 1953 году в районе Южного Седла этой горной вершины на высоте 7,9 км над уровнем моря при температуре — 30°C и сухом ветре до 25 м/сек наблюдал сильную электризацию обледеневших брезентовых палаток, вставленных одна в другую. Пространство между палатками было наполнено при этом многочисленными электрическими искрами.
Любопытно отметить, что в сильных электрических полях кристаллы льда растут в виде тонких нитей, вытягивающихся вдоль поля. Наиболее сильные поля разрывают эти нити на множество мелких ледяных осколков.
Движение лавин в горах в безлунные ночи иногда сопровождается зеленовато-желтым свечением, благодаря чему лавины становятся видимыми. Обычно световые явления наблюдаются у лавин, которые движутся по снежной поверхности, и не наблюдаются у лавин, проносящихся по скалам. По-видимому, причиной свечения лавин является коронный электрический разряд наэлектризованных масс снега. На озерах Антарктики во время полярной ночи иногда возникает свечение при разламывании крупных масс озерного льда. Свечение это — результат электрического разряда, возникающего при разрушении льда.
Известную ясность в вопрос сильной электризации ледяных кристаллов во время метелей может внести рассмотрение фотоэффекта с поверхности льда. «Лабораторные исследования, показали, что фотоэлектрическая чувствительность льда значительно выше, чем у воды, и составляет около 70% фотоэлектрической чувствительности окиси меди, а для длины волны около 0,7 микрона перекрывает ее. Согласно другим данным, фотоэлектрическая чувствительность льда составляет 0,1-0,05 фотоэлектрической чувствительности цинка. Все это говорит о том, что лед имеет сравнительно высокую фотоэлектрическую чувствительность и легко может отдавать свои электроны при контакте с другими телами с меньшей чувствительностью к фотоэффекту.
Заряжение, кристаллов льда во время снежных метелей можно, объяснить за счет обмена зарядом при контакте между собой плоской грани одного кристалла льда с острым выступом другого. Допустим, что выступ на плоской грани кристалла имеет форму цилиндра — pppa.ru. Тогда электрическое поле, создаваемое периферическими электронами поверхности твердого тела в верхней части выступа будет в 2 раза больше, чем над плоской поверхностью. Если над первым выступом — цилиндром расположить второй с вдвое меньшим радиусом, над вторым — третий и т.д. вплоть до последнего выступа атомных размеров, то у конца последнего выступа электрическое поле окажется примерно в 10 раз большим, чем над плоской поверхностью.
Таким образом при контакте выступа одного кристалла льда с плоской поверхностью другого поверхностным электрическим полем электроны будут перегоняться с выступа на плоскость. Так как у мелких кристаллов относительное количество выступов больше, чем у крупных, то при контакте первые будут заряжаться положительно, а вторые отрицательно.
В поле силы тяжести затем происходит разделение зарядов. Более тяжелые кристаллы с отрицательным зарядом опускаются вниз, а более легкая снежная пыль с положительным зарядом остается взвешенной в воздухе. Таким образом во время снежных метелей у земной поверхности могут возникать сильные электрические поля, а вблизи зарядившихся от снега наземных объектов — коронные и даже искровые электрические разряды.
Источник информации: сайт pppa.ru
Другие источники по теме:
Информационные источники
1. Богородский В.В., Рудаков В.Н. Электромагнитные параметры снега, льда, пресной и морской воды / Применение радиофизических методов в океанографии и ледовых исследованиях. – Л., 1964.
2. Слуцкер Б.Д. О зависимости электрических характеристик снега от частоты / Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации. –Рига: РКИИГА, 1978.
3. Кузьмин П.П. Физические свойства снежного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1957.
4. Финкильштейн М.И., Лазарев Э.И., Чижов А.Н. Радиолокационные ледомерные съемки рек, озер,водохранилищ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
5. Богородский В.В. Физические методы исследования ледников. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968.
6. Лед и снег / Под ред. У.Д. Кингерн. – М.: Мир, 1977.
Источник
Электричество можно добыть из снега
Каждый, кто хоть раз помогал «прикурить» севший от сильного холода автомобильный аккумулятор, знает, что мороз и электричество не сочетаются. Однако исследовательская компания Nanotech Energy придумала способ добычи электричества из снега. Доклад об этом появился в журнале Nano Energy в июне 2019 года, но с приближением зимы тема становится как нельзя более актуальной.
Ещё в 1960-х годах учёные заметили, что у снега есть интересное свойство: он несёт положительный заряд. Соответственно, при взаимодействии с материалом, несущим отрицательный заряд, из снега можно извлечь энергию. Эту особенность и взяли на вооружение исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), создав небольшой силиконовый датчик-генератор, способный получать электричество прямо из снега.
«Снег уже имеет заряд, и мы подумали, почему бы не взять другой материал с противоположным зарядом и не попробовать создать электричество?» — Махер Эль-Кади, технический директор исследовательской компании Nanotech Energy.
Устройство получило название Snow TENG (снежный трибоэлектрический наногенератор). Как видно из названия, работает оно за счёт трибоэлектрического эффекта (появления электрических зарядов в материале в результате трения). Подобные устройства используются для создания генераторов малой мощности, получающих энергию от движения тела, прикосновений к поверхности или шагов человека по полу.
Команда UCLA крепила устройство на подошвы ботинок и шины велосипедов
Почему устройство силиконовое? Исследователи протестировали разные материалы, включая тефлоновую и алюминиевую фольгу. Но силикон оказался эффективнее. Этот дешёвый материал лучше всего справился с «захватом» электронов.
Snow TENG легко изготовить с помощью 3D-принтера. На пластиковый электрод, способный «захватывать» статическое электричество, наносится слой силикона. Готовое устройство получается прочным, гибким, водостойким и лёгким. При этом оно не требует никаких дополнительных элементов питания. Учитывая, что в основе технологии лежит силикон, Snow TENG вполне реально превратить в прозрачный водонепроницаемый спрей.
Это интересная возможность, ведь тогда его можно нанести на солнечные батареи, чтобы они могли работать в удалённых заснеженных районах и генерировали энергию даже в метель. Snow TENG можно использовать для создания энергонезависимых метеостанций. Или вообще покрыть им стены зданий. Это, с одной стороны, повысит уровень гидроизоляции, а с другой — во время снегопада здание станет огромным электрогенератором.
Энергии хватит, чтобы подзарядить арктическую метеостанцию или «умные» часы
Источник
Электричество из снега? Почему бы и нет
Снежные регионы планеты мало подходят для использования солнечных батарей. Панелям затруднительно производить какую-либо энергию, если они погребены под снежным покровом. Поэтому команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработала новое устройство, которое может производить электричество из самого снега.
Команда называет новое устройство снежно-трибоэлектрическим наногенератором или Snow TENG (snow-based triboelectric nanogenerator). Как следует из названия, оно работает за счёт трибоэлектрического эффекта (появления электрических зарядов в материале из-за трения), то есть использует статическое электричество для генерации заряда посредством обмена электронами между положительно и отрицательно заряженными материалами. Устройства такого типа используются для создания маломощных генераторов, которые получают энергию от движений тела, прикосновений к сенсорному экрану и даже шагов человека по полу.
Снег положительно заряжен, поэтому при его трении о материал с противоположным зарядом из него можно извлечь энергию. После серии экспериментов команда исследователей выяснила, что силикон является лучшим материалом для трибоэлектрического эффекта при взаимодействии со снегом.
Snow TENG можно напечатать при помощи 3D-принтера, устройство сделано из слоя силикона, прикреплённого к электроду. Разработчики заявляют, что его можно интегрировать в солнечные панели, чтобы они могли продолжать вырабатывать электроэнергию даже при покрытии снегом, что делает его похожим на представленный в марте прошлого года китайскими учёными гибридный солнечный элемент, который также при помощи трибоэлектрического эффекта генерирует энергию от столкновения капель дождя с поверхностью солнечных панелей.
Проблема в том, что Snow TENG вырабатывает довольно небольшое количество электроэнергии в своём текущем виде — его удельная мощность составляет 0,2 мВт на квадратный метр. Это означает, что вы вряд ли станете подключать его напрямую к домовой электросети, как саму солнечную панель, но тем не менее его можно использовать, например, для маленьких и автономных погодных датчиков.
«Погодный датчик на базе Snow TENG может работать в отдалённых районах, так как он самостоятельно обеспечивает своё питание и не требует других источников», — говорит Ричард Канер, старший автор исследования. «Это очень умное устройство — метеостанция, которая может сказать вам: сколько снега падает в данный момент, направление падения снега, а также направление и скорость ветра».
Исследователи приводят и другой пример использования Snow TENG, например, датчик, который можно прикрепить к нижней части ботинок или лыж и использовать для сбора данных для зимних видов спорта.
Исследование было опубликовано в журнале Nano Energy.
Источник
Найден способ получать электричество из снега
Специалисты Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали первое в своем роде устройство, которое производит электричество из падающего снега. Исследование опубликовано в журнале Nano Energy, передает gismeteo.ru.
«Устройство компактное и недорогое, может работать в отдаленных районах, так как производит собственную электроэнергию и не нуждается в батареях», — сказал автор исследования Ричард Канер.
Изобретение, названное снежным трибоэлектрическим наногенератором, генерирует заряд посредством статического электричества и производит электроэнергию от обмена электронами. Статическое электричество возникает в результате взаимодействия одного материала, который захватывает электроны, с другим, который отдает.
Снег заряжен положительно и отдает электроны. Силикон — синтетический материал, состоящий из атомов кремния и кислорода в сочетании с углеродом, водородом и другими элементами — заряжен отрицательно. Когда падающий снег контактирует с поверхностью силикона, то происходит обмен электронами, производящий заряд, который получает генератор.
По словам ученых, около 30 процентов поверхности Земли каждую зиму покрыто снегом. Новое устройство имеет форму пластины и может быть интегрировано в солнечные панели, чтобы обеспечить непрерывное энергоснабжение во время снегопада.
Кроме того, устройство способно определять, сколько снега падает и в каком направлении, а также направление и скорость ветра, то есть выполнять функции метеостанции. Помимо этого, оно может использоваться в зимних видах спорта, например, для более точной оценки и улучшения характеристик лыжника при беге, ходьбе или прыжках. Также имеет потенциал для определения основных моделей движения, используемых при катании на беговых лыжах, которые невозможно обнаружить с помощью умных часов.
Для его создания была применена технология 3D-печати. Учитывая простоту изготовления и доступность силикона, может быть произведено по низкой цене, отмечают авторы.
Источник
