VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электростатический двигатель – экспериментальные решения по изготовлению моделей действующих двигателей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Электростатический двигатель – экспериментальные решения по изготовлению моделей действующих двигателей
Введение
Эффект Бифельда-Брауна — электрическое явление возникновения ионного ветра, который передаёт свой импульс окружающим нейтральным частицам. Впервые был открыт Паулем Альфредом Бифельдом (Германия) и Томасом Таунсендом Брауном (США). Явление основано на коронном разряде в сильных электрических полях, что приводит к ионизации атомов воздуха вблизи острых и резких граней. Это явление и основанные на нём летающие модели нередко используются различными теориями альтернативной науки (электрогравитация, фантастические технологии НЛО, секретные эксперименты правительств разных стран). Для проверки теории проводились эксперименты в условиях низких давлений и в вакууме, при отсутствии газовой среды эффект исчезает, при низких давлениях он наблюдается при напряжениях ниже начала электрического пробоя газа. Эффект относится к электрическим явлениям, и не имеет никакого отношения к реактивным. В нем обеспечивается движение активного типа. Со стороны эффект выглядит завораживающе. При подаче напряжения между двумя электродами создается невидимая сила, способная поднимать в воздух и постоянно удерживать неподвижно в одном месте различные предметы, которые принято называть лифтер или ионолет. Для полета ионолет использует те же принципы, что и ионные двигатели, которые устанавливают на космические аппараты. На тонком проводе возникает коронный разряд, воздух ионизуется. Таким образом можно говорить о том, что это устройство представляет собой линейный двигатель, работающий на основе электростатических принципов. Если объективно, возможно создание электростатического линейного двигателя, то, несомненно возможно и создание подобных вращающихся моделей электростатических двигателей. Меня очень заинтересовал этот способ осуществления движения. Читая литературу, освещающую эти вопросы, возникло решение разработать и изготовить подобные модели, а также провести серию экспериментов по изучению принципа их работы.
Цель и задачи работы
Таким образом, возникла цель настоящей работы – разработать конструкции моделей двигателей, работающих на основе электростатических явлений. Чтобы выполнить, поставленную в работе цель, бы определён ряд задач:
- изучить доступную литературу и интернет - источники по данному вопросу, познакомится с конструкциями подобных аппаратов, представленных на различных сайтах;
- на основе изученных источников, разработать свои концепции моделей электростатических двигателей (линейного и с вращательным моментом движения) доступных для самостоятельного изготовления;
- познакомиться с способами получения высокого напряжения и устройством преобразователей, предназначенных для получения электростатического потенциала;
- изготовить модели и соответствующие преобразователи напряжения;
- провести экспериментальные исследования по вопросам достижения максимального эффекта работы двигателей (подъемной силы линейного двигателя и характеристик вращательного момента вращающегося двигателя).
Эффект Бифельда-Брауна [1-4]
Современный уровень науки позволяет сделать вывод, что во Вселенной действуют три основные силы: гравитация, магнетизм и электричество. Это утверждение стало результатом работ ряда выдающихся ученых (Фарадея, Максвелла, Планка и Эйнштейна). В 1923 году американские ученые Браун (Приложение лист I, рис. 1) и Бифельд (Калифорнийский Институт Специальных исследований), исследуя связь электричества с тяготением, пришли к открытию эффекта электрогравитация. Это открытие послужило началом развития совершенно нового научного направления. Браун показал, что для каждого электромагнитного явления существует электрогравитационный аналог, в частности - движение заряженного тела под влиянием взаимодействия между электрическими и гравитационными полями в направлении положительного электрода. В 1939 году Браун создал теорию электрогравитации. Примечательно, что эффект Брауна не был предсказан научными достижениями того времени. Как только теория электрогравитации Брауна стала доступной для ученых и технических специалистов аэрокосмических центров, она поразила простотой реализации и высочайшей степенью экспериментальной доказательности всех положений теории. Суть электрогравитации состоит в том, что плоский конденсатор, заряженный высоким напряжением постоянного тока, имеет тенденцию к движению в сторону положительного полюса, вследствие уменьшения своего веса. Изменение веса конденсатора в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения показано в приложении (Лист I, рис.2). Эксперименты с открытым эффектом выявили некоторые примечательные особенности, без которых эффект не достигается:
- материал диэлектрика между двумя пластинами конденсатора, должен обладать способностью, хранить электрическую энергию без коронного разряда и последующего пробоя на краях конденсатора;
- эффект движения свободно подвешенного конденсатора прямо пропорционален площади пластин конденсатора и величине напряжения, приложенного к пластинам;
- эффект электрогравитации проявляется больше при увеличении массы диэлектрического материала между пластинами. (Патент T.T. Brown, 3 187 206 от 1июня 1965г, США).
Обычно используется пара из двух электродов, один из которых тонкий или острый, вблизи которого напряженность электрического поля максимальна и может достигать значений, вызывающих ионизацию воздуха, и более широкий с плавными гранями. Явление происходит при напряжении между электродами в десятки киловольт. Наибольшая эффективность явления достигается при напряжениях порядка 1 кВ на 1 мм воздушного зазора между электродами, то есть при напряженностях электрического поля чуть ниже, чем начало электрического пробоя воздушного зазора. Если между электродами возникает пробой, обычно в виде шнурового разряда, эффект пропадает. Вблизи тонкого электрода возникает ионизация атомов воздуха (кислорода в случае отрицательного напряжения на этом контакте, азота в случае положительного), полученные ионы начинают двигаться к широкому электроду, сталкиваясь с молекулами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии превращая молекулы либо в ион либо передавая им дополнительное ускорение (ударная ионизация). Создаётся поток воздуха от тонкого электрода к широкому, которого оказывается достаточно, чтобы поднять в воздух лёгкую летающую модель, которую называют ионолётом (Приложение лист I, рис. 3-4). Возникающая сила тяги F=Id/k , где I — ток между электродами, d — ширина диэлектрического зазора и k — подвижность ионов данного типа в данной среде (порядка 2·10-4 *m2/Vs в воздухе при нормальных условиях). Распределение электрического заряда определенной полярности по секторам верхней и нижней поверхности плоского конденсатора позволяет управлять направлением движения конденсатора. На рисунке приложения (Лист II, рис. 5) показан принцип изменения направления полета ионолёта. В своих экспериментах Браун использовал модели объектов в виде треугольника, квадрата, усеченного по углам квадрата с гранями и блюдца. В конечном итоге он пришел к выводу, что наиболее эффективной формой является форма блюдца. Анализ полета блюдца в экспериментах Брауна показал, что в процессе полета модели в воздухе не используется ни одного из известных аэродинамических принципов крыла.
Источник питания – преобразователь напряжения [5-6]
Изучая литературные источники, мы узнали, что для обеспечения работы электростатического двигателя применяются высоковольтные источники питания. Многие авторы подобных проектов используют готовые блоки питания от старого монитора (блок строчной развёртки), от промышленных ионизаторов воздуха и других устройств, где имеется высоковольтный источник питания. Мы решили разобраться в работе этих схем и попробовать изготовить такой источник питания самостоятельно. Схемотехника этих источников питания довольно проста и соответствует принципу получения высокого напряжения. В основе любой схемы лежит низковольтный источник питания (сеть 220В, или блок питания с выходным напряжением 12-24В), преобразователь частоты, высоковольтный трансформатор и умножитель напряжения. Блок - схема преобразователя представлена в приложении (Лист II, рис. 6). Далее в работе рассмотрены несколько вариантов преобразователей, которые были изготовлены и опробованы в экспериментах с линейным электростатическим двигателем. Первая схема преобразователя напряжения работает от сети 220В (Приложение лист II, рис. 7). Для её изготовления понадобились:
1.Катушка зажигания (высоковольтный трансформатор).
2.Тиристоры.
3.Диоды.
4.Сборка неполярных конденсаторов на 6 мкФ (400 вольт).
5.Конденсатор 1мкф - 400V.
6.Переменный резистор на 33 кОм и несколько сопротивлений.
Схема управления импульсами высоковольтного трансформатора (использована катушка зажигания от автомобиля) собрана на двух тиристорах. Переменный резистор обеспечивает задержку срабатывания управляющего тиристора, таким образом, позволяет регулировать частоту импульсов. Схема имеет существенный недостаток, слишком низкая максимальная частота для хорошей работы умножителя напряжения. Схема, приведённая в приложении (Лист III, рис.8) представляет собой обычный блокинг-генератор. Ключевым элементом является мощный биполярный транзистор n-p-n структуры. Трансформатор блокинг - генератора самодельный, изготовлен из строчного трансформатора телевизора. Вторичная обмотка сохранена, а первичная изготовлена заново. Первая обмотка содержит 7 витков провода диаметром 1мм. Вторая обмотка 3 витка, провод 1,5мм. Обмотки намотаны в одну сторону и подключаются согласно схеме (начало-конец). Транзистор необходимо разместить на радиаторе не менее 400 см2, поскольку при работе генератора наблюдается его значительный нагрев. В этой схеме, для работы блокинг – генератора применяется низковольтное питание 12-24В. Аналогичная схема с использованием трансформатора ТВС от телевизора приведена в приложении (Лист III, рис. 9). Так же, в приложении приведены фотографии собранного экспериментального преобразователя (Приложение лист III, рис. 10). Ещё один вариант преобразования напряжения, можно построить, на широко распространённой микросхеме таймера 555 (Приложение лист IV, рис. 11). Такой вариант исполнения блока питания, значительно повышает надёжность работы умножителя напряжения за счёт стабильных частотных характеристик генератора – преобразователя. В изготовлении блоков питания, непременным элементом является умножитель напряжения. Естественно, нам пришлось выяснить принцип его работы. Генераторы Кокрофта-Уолтона — умножители напряжения — это специальные схемы, преобразующие в сторону увеличения, уровень напряжения (Приложение лист IV, рис. 12). Такие схемы обычно совмещают в себе две функции: выпрямление и умножение напряжения. Применение умножителей наиболее оправдано в случаях, когда наличие дополнительного повышающего трансформатора нежелательно или он, не может обеспечить требуемый уровень напряжения (при высоких напряжениях высока вероятность пробоя между витками вторичной обмотки трансформатора). Схемы умножителей, как правило, строятся с использованием свойств однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. Этот выпрямитель во время своей работы может создавать между определенными точками напряжение, величина которого больше величины входного напряжения. Используя только конденсаторы и диоды, генераторы такого типа, могут преобразовывать относительно низкое напряжение в очень высокое. Умножители напряжения нашли широкое применения в самых разных аппаратах, где нужно иметь высокое напряжение. В основном умножители используют в телевизионной технике, в электрошоковых устройствах, в медицинских приборах и во многом другом. В нашем случае, получить напряжение в несколько десятков киловольт можно только с помощью умножителя напряжения, поскольку изоляция любого трансформатора не выдержит такого напряжения. В конструировании преобразователей высокого напряжения, очень удобно использовать ТДКС (высоковольтный трансформатор с встроенным умножителем напряжения) от устаревших, в современное время, цветных кинескопных телевизоров (Приложение лист IV, рис. 13).
Конструкции линейных электростатических двигателей - ионолётов [7-9]
Как уже говорилось выше, для полёта линейный электростатический двигатель - ионолёт использует те же принципы, что и ионные двигатели, которые устанавливают на космические аппараты. На тонком проводе возникает коронный разряд, воздух ионизируется. Ионы начинают двигаться, в сторону плоского электрода и на нём происходит их разрядка. Большую роль при этом играют их соударения между собой и молекулами воздуха. При этих соударениях энергия передаётся газу, что и создаёт тягу. Изучая различные конструкции ионолётов (Приложение лист V, рис. 14), их форму, материалы, применявшиеся при изготовлении, конструкционные особенности, удалось выяснить ряд принципов построения, которые легли в основу моей модели:
- форма может быть различной, но не должно быть острых углов перегиба обкладки конденсатора;
- модели обладают незначительной подъёмной силой, поэтому конструкция должна быть очень лёгкой;
- каркас аппарата должен быть изготовлен из материала с высокими изоляционными свойствами;
- обкладки конденсатора должны располагаться на расстоянии, соответственно напряжению питания (на расстоянии близком к пробою);
- верхняя обкладка (тонкий провод) не должна иметь изоляционного покрытия (используется зачищенный медный провод);
- размер и масса ионолёта должна соответствовать уровню напряжения источника питания;
- ширину нижней обкладки необходимо подбирать опытным путём соответственно наибольшему значению силы тяги.
И самое главное, что удалось выяснить из конструкционных особенностей, как не учитывай все параметры, не факт, что модель сразу взлетит. В любом случае требуется тщательная доводка и настройка аппарата, что само по себе является достаточно сложной задачей. Учитывая все особенности конструкции и изготовив, источники питания, мы приступили к изготовлению своей модели.
Конструкция модели линейного электростатического двигателя
Наш линейный электростатический двигатель, представляет собой самую простую конструкцию ассиметричного конденсатора. Верхняя обкладка – оголённый тонкий медный провод. Нижняя обкладка – тонкая алюминиевая фольга (эксперименты проводились с обычной фольгой и фольгой, взятой из рулона большого электролитического конденсатора). Результаты во втором случае гораздо лучше. Расстояние между электродами подбиралось опытным путём по расстоянию пробоя искры источника питания. В нашем случае в зависимости от источника питания оно составляло 22-27мм. Конструкция каркаса выполнена из реечек плотного пенопласта, покрытых в соответствующих местах крепления обкладок тонким слоем лака. Форму аппарата выбирали опытным путём (Приложение лист VI, рис.15). Эксперименты проводили с треугольником, шестигранником и кругом. Лучшие результаты, показал аппарат, с круглой формой (малые перегибы фольга и нет острых граней). Размеры моделей не превышали 200-250 мм по длине граней или 350 мм по диаметру окружности, поскольку большие размеры невозможны из-за возможностей блоков питания. Вес аппарата необходимо рассчитывать исходя из мощности блока питания. Сила тока, протекающего на обкладках, не превышает 0,1-0,15 mA, что при соответствующем напряжении 20-22кВ соответствует примерной мощности 2,5-3,0 Вт. В современных космических ионных двигателях соотношение тяги 1,0Вт/1г. Исходя из этих расчётов, оптимальный вес аппарата должен быть 3г., что выполнить очень сложно. Однако, обеспечить подъемную силу, может и значительно меньшая величина тяги порядка 0,4-0,5Вт/1г. Исходя из этого, вес аппарата не должен превышать 6-8г. В решении вопроса облегчения конструкции, большую роль играет толщина фольги и геометрические размеры нижней обкладки, и модели в целом. Немаловажное значение имеет конструкция блока питания, выходное напряжение блока и его реальная мощность. Наша модель блока питания имеет максимальную выходную мощность 4,5 Вт. Из выше приведённых расчётов, такой блок питания способен обеспечить поднятие модели максимальным весом не более 10 г.
Экспериментальные исследования полётных характеристик модели
Первоначально мы провели исследования по определению средней скорости подъема модели. Модель была привязана к площадке, нитью длиной в один метр и во время проведения эксперимента отмечалось время подъёма модели. Эксперименты проводили с блоками питания различной мощности от 3 Вт до 4,5 Вт. Средняя скорость подъёма модели, исходя из расчётов, составила 0,5 м/сек. При увеличении мощности блока питания скорость подъёма возрастает. Проанализировав все полученные данные, был построен график скорости подъёма в зависимости от мощности источника питания (конкретно для модели весом 8,5 г.) (Приложение лист VI, рис.16). После проведения этих экспериментов, было решено проверить способность аппарата поднимать определённую массу груза. Эти эксперименты проводили так же при различных мощностях блока питания. Средний вес груза, поднимаемый моделью, составил 3,5 г. С увеличением мощности блока питания, поднимаемый вес увеличивается. Графический анализ экспериментов представлен в приложении (Лист VII, рис. 17). Таким образом, в результате экспериментов выяснилось, что подъёмная сила аппарата во многом зависит от мощности источника питания, а при постройке аппарата необходимо укладываться в массу, согласно расчётной тяге. Следующую серию экспериментов мы посвятили изучению зависимости подъемной силы аппарата от ширины нижней обкладки. В результате проверки выяснилось, что ширина обкладки влияет на прирост подъемной силы очень незначительно. Мы объяснили этот факт возрастанием массы аппарата в целом. Увеличение ширины обкладки компенсируется возрастанием массы. При проведении этих исследований, неожиданно открылся один факт, неравномерная ширина нижней обкладки сместила аппарат в сторону (более широкой части обкладки) от вертикали. В последствии проверяя этот факт целенаправленно, выяснилось, что изменение ширины нижней обкладки с какой-либо стороны, может смещать аппарат от вертикали. Таким образом, можно осуществлять направленное движение ионолёта. Для этого необходим механизм изменения ширины обкладки, который необходимо разработать и осуществить на практике. Фотографии, изготовленной модели линейного электростатического двигателя, приведены в приложении (Лист VII, рис. 18).
Электростатический двигатель с вращательным моментом действия [10-11]
По своей конструкции, которая обеспечивает принцип действия, электростатический двигатель с вращающимся ротором, несколько отличается от линейного электростатического двигателя В линейном электростатическом двигателе движение осуществляется за счёт потенциала двух обкладок конденсатора, в роторном движение ротора осуществляется так же за счёт коронного разряда и ионизации воздуха но между электродами и ротором. Если между двумя параллельными металлическими обкладками (проволока, стержень, пластина) поместить металлический цилиндр (или цилиндрический набор металлических пластин) и подать на обкладки высокое постоянное напряжение, ротор (цилиндр) начнёт вращаться (Приложение лист VIII, рис. 19). Что, в данном случае, происходит с физической точки зрения? Коронный разряд, возникающий на обкладках в результате высокого потенциала, переносит заряд на ротор и электролизует его. Физическая суть этого процесса заключается в том, что высокое напряжение ионизирует молекулы воздуха, превращает их в проводники электрических зарядов. Ротор стремясь убрать лишний заряд вынужден вращаться. По мере поворота ротора, электризованная область оказывается у электрода с противоположной полярностью. Сила, удерживающая заряд на ободе ротора, становиться минимальной. Это способствует переходу заряда на электрод противоположной полярности, и в цепи появляется электрический ток. на участке цепи между электродами заряды «транспортируются» вращающимся ротором. Скорость вращения двигателя стабильна и зависит от числа электродов и величины напряжения, подаваемого на них. Мощность электростатического двигателя можно значительно повысить, если наклеить на обод ротора узкие полоски алюминиевой или медной фольги, расстояние между которыми должно быть не менее, чем расстояние между концами электродов. Первоначальную модель электростатического двигателя изготовили с применением алюминиевой фольги. Полоски фольги натянули на лёгкой рамке ротора, которую закрепили в подшипниковых узлах. Внешний вид двигателя, представлен на фотографии в приложении (Лист VIII, рис. 20). Модель получилась достаточно громоздкой. При вращении ротора, наблюдалось значительное торможение в подшипниковых узлах. Демонстрационную модель электростатического двигателя изготовили с применением медной фольги с магнитным подвесом ротора, что повысило мощность двигателя и значительно снизило торможение ротора в узлах крепления (Приложение лист VIII – IX, рис. 21-22). Экспериментальная проверка, модели показала почти линейную зависимость количества оборотов ротора электростатического двигателя от величины напряжения на обкладках (Приложение лист IX, рис. 23). Поскольку мощность электростатического мотора очень мала (не более 0,5 – 2 Вт.), диапазон применения подобных двигателей очень мал. В основном это модели, демонстрирующие принцип электростатического движения, микро-электромеханические системы (MEMS) или миниатюрное электромеханическое оборудование.
Выводы
Работа над проектом позволила познакомится с совершенно новой для обучающегося областью знаний о электрических явлениях и возможностью применения их на практике. В результате работы можно сделать следующие выводы:
- изучен значительный объём доступной литературы и интернет - источников по вопросам электростатики и электростатических явлений;
- на основе изученных источников, разработаны собственные конструкции электростатических двигателей (линейного и с вращательным моментом движения) доступных для самостоятельного изготовления;
- изучены и освоены основные конструкционные особенности и принципы построения высоковольтных источников питания, предназначенных для получения электростатического потенциала;
- изготовлены экспериментальные модели преобразователей напряжения для проведения опытно – экспериментальной работы по электростатическим явлениям;
- проведены экспериментальные исследования и обобщены полученные результаты по вопросам достижения максимального эффекта работы двигателей (подъемной силы линейного двигателя и характеристик вращательного момента вращающегося двигателя).
Список литературы и интернет - источников
1.Д.А. Карагодин, Электрогравитация Т.Т. Брауна, НИГ «Челябинск-Космопоиск», 2007 г.
2.С.И. Хмельник, о полете дисков Серла, Доклады независимых авторов - выпуск 21 Серия: ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ, 2012 г.
3.С. Сергеев, Измерение эффекта Бифельда-Брауна, 2004, http://physics.nad.ru/newboard/themes/16605.html.
4.В.П. Делямуре, Эффект Брауна – экспериментальное подтверждение (год не указан).
5.http://radioskot.ru/publ/spravochnik/umnozhitel_naprjazhenija/2-1-0-363 Умножитель напряжения.
6.http://www.club155.ru/circuits-diod-multiplier- Умножитель напряжения
7.С.И. Хмельник, Конструирование летательных аппаратов на основе эффекта Бифельда-Брауна. «Доклады независимых авторов», изд. «DNA», Россия-Израиль, выпуск 12, 2009 г.
8.http://uft.h1.ru/dms.htm - Летательный аппарат на основе эффекта Бифельда-Брауна, http://la.mic34.com/
9.Лицей № 2, школа "Интеллектуал": http://engine.aviaport.ru/issues/64/page66.html - ИОНОЛЕТ ИЛИ К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТЕ БИФУЛЬДА-БРАУНА, Опубликована 2 декабря 2007 г.
10.Http://allpowr.su/ru/dlja-umelykh-ruk/65-ehlektrostaticheskie-dvigateli-svoimi-rukami - Электростатические двигатели своими руками.
11.https://usamodelkina.ru/7390-elektrostaticheskiy-dvigatel-svoimi-rukami-iz-podruchnyh-sredstv.html -Электростатический двигатель своими руками из подручных средств
Приложение
Рис. 1. Томас Таунсенд Браун.
Рис.2. Изменение веса конденсатора в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.
Рис.4. Летающий аппарат (U.S. Patent 3 120 363).
Рис.3. Схема установки для демонстрации эффекта Бифельда-Брауна.
Рис.5. Возможность управления движением, заряженного плоского конденсатора.
Рис.6. Блок – схема высоковольтного преобразователя напряжения.
Рис.7. Преобразователь напряжения с питанием от сети.
Рис.8. Преобразователь с использованием блокинг – генератора.
Рис.9. Базовая схема преобразователя.
Рис.10. Фотографии базового экспериментального блока питания.
Рис.11. Блок питания с генератором на микросхеме 555.
Рис.12. Умножитель напряжения.
Рис.13. ТДКС цветного кинескопного телевизора.
Рис. 14. Различные конструкции линейных электростатических двигателей - ионолётов.
Рис. 15. Формы экспериментальных моделей.
Рис. 16. График зависимости скорости подъёма модели от мощности блока питания.
Рис. 17. График зависимости, поднимаемой моделью массы груза, от мощности блока питания.
Рис. 18. Фотографии, изготовленной модели линейного электростатического двигателя.
Рис. 19. Вращение цилиндрического ротора между обкладками, на которые подаётся высоковольтный потенциал.
Рис. 20. Первоначальная модель электростатического двигателя.
Рис. 21. Магнитный подвес ротора.
Рис. 22. Ротор модели.
Рис. 23. Зависимость количества оборотов ротора от напряжения на обкладках.