книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

этого от источника постоянного тока напряжение подают на два гиб- ких электрода из полосок фольги. Электрод отрицательного заряда скользит по рядку растений и заряжаетлепестки цветков зарядом по- ложительного (противоположного) знака. Затем, по рядку растений скользит второй электрод положительного заряда, и под действием электростатического поля лепестки цветков раскрываются, как раз- двигаются лепестки в обычном электроскопе. При одновременном обдувании раскрытых лепестков турбулентным воздушным потоком происходит более эффективное перекрёстное опыление.

В изобретении а. с. 673248 на «Способ опыления растений» с по- мощью насекомых (пчёл, ос, шмелей) предложено создавать на теле пчелы электростатический заряд обратной полярности относительно Земли с разностью потенциалов между пчелой и цветком растения

в2 ÷ 3 вольта. (Нечто подобное случается и у человека: волосы встают дыбом, когда он получает заряд статического электричества, напри- мер при расчёсывании волос). Электризация пчелы (противоположно её естественному состоянию) является техническим преимуществом

всравнении с естественным зарядом пчелы, который менее 1 вольта

всухие безветренные и влажные периоды цветения растений. В эти периоды эффективность опыления растений насекомыми существен- но снижается из —за снижения количества переносимой пыльцы.Ин- тервал 2 ÷ 3 вольта выбран из необходимости минимальных потерь пыльцы и исключения возможности опасного воздействия на насеко- мое. Насекомое электризуют на электропроводном порожке или рам- келеткаульяподключённогокодномуполюсуисточникапостоянного тока3,5÷4вольтаилигенератораэлектростатическогоэлектричества, второй полюс которого заземлён. При изменении полярности Земли полюса источника меняют местами.

Электростатической индукцией в проводниках пользуются на практике при их заряжении. Так к предварительно заземлённому проводнику подносят (не касаясь его) тело, заряженное отрицатель- но, в результате некоторое количество электронов перетечёт в зем- лю и в проводнике останется избыток положительных зарядов. По- следовательно убрав сначала заземление, а затем и заряженное тело, то проводник останется положительно заряженным.Таков способ по- лучения пользы: заряженного проводника.На этом основана электро- статическая индукционная машина или электрофорная машина (ге- нератор Вимшурста). Устройство её сложное, так как воспроизводит последовательно весь процесс индукционной зарядки проводника. Устройство машины следующее.

На валу параллельно и с зазором установлены два диэлектриче- ских диска снабженные множеством радиальных полосок проводни- ка на наружных поверхностях, которые образуют парные обкладки

110

конденсаторов. Чтобы генератор заработал, нужно хотя бы одному из проводников любого диска одноразово сообщить электрический заряд от постороннего источника, тогда с противоположной стороны на обкладке второгодиска образуется заряд противоположного знака, то есть образуется двойной электрический слой как у конденсатора (поэтому машину называютконденсаторной).Отприводного валади- ски получают вращение в противоположные стороны. При встречном движении дисков, начиная с исходного проводника, благодаря элек- тростатическойиндукции(дистанционногонаведения),остальнаяче- реда обкладок дисков последовательно заряжается противоположны- ми знаками заряда,которые в процесседвижениядисков разделяются и с помощью щёток отводятся в отдельные накопители —лейденские банки (конденсаторы), где заряды накапливаются до значительного электрического потенциала.

Такая электростатическая машина обладает свойством обратимо- сти, то есть генератор можно обратить в двигатель. Две электроста- тические машины соединённые проводами образуют систему «гене- ратор — двигатель». Если вращать вал одной из них как генератора, то другая будет приведена в движение как двигатель. Меняя местами функции машин, меняется их предназначение.

Другим способом заряжения проводников является заряжение по- лых проводящихтел,приближённых кт. н.«цилиндру Фарадея».Заряд любогознакапомещённыйвполостьпологопроводникавплотьдосо- прикосновенияиндуцируетнавнешнейповерхностиравныйемузаряд того же знака. В состоянии равновесия заряды, поступившие на вну- треннюю поверхность полого проводника при соприкосновении с за- ряженным телом, перераспределяются на его внешнюю поверхность, а внутренняя поверхность остаётся незаряженной вне зависимости от величины заряда на внешней поверхности. То есть, вовнутрь поло- го проводника не проникает действие заряда внешней поверхности. Сколько бы ни поступало зарядов на вну- треннююповерхностьпологопроводника, он полностью переходит на его внешнюю поверхность вне зависимости от величи- ны заряда на ней.

Таким явлением достигается техни- ческое преимущество в устройстве иной электростатической машины: в генерато- ре Ван де Граафа (рисунок справа):

Схематично, бесконечная лента 1издиэлектрическогоматериала(резина, шёлк) движется на двух роликах вращаю- щихся от мотора. Один из роликов поме-

111

щён в полость металлической тонкостенной сферы 2 изолированной от Земли. У нижнего заземлённого и проводящего ролика лента за- ряжается с помощью щётки 3 от одного полюса какого — либо ис- точника высокого напряжения 4 (батареи или машины) до напряже- ния 30 ÷ 50 кВ относительно Земли, при условии, что второй полюс источника заземлён. За счёт высокого напряжения воздух в зазоре между щёткой 3 и лентой 1 ионизируется, и ионы соответствующего знака устремляются к противоположно заряженному ролику. Встре- чая на своём пути ленту 1, ионы оседают на ней и таким образом заряжают её. Внутри сферы 2 у верхнего диэлектрического ролика щётка 5 снимет заряд с ленты 1 и передаёт его полностью на сферу 2. Заряд переходит на внешнюю поверхность сферы 2 и распреде- ляется по ней. Благодаря непрерывному переносу заряда от источ- ника высокого напряжения 4 на сферу 2, напряжение между сферой 2 и Землёй растёт и может достигать нескольких миллионов вольт. Пара тандемных генераторов Ван де Граафа, у которых сферы заря- жаются противоположными знаками заряда, может создать напря- жение до 20 миллионов вольт. Первоначально подобные устройства использовались для ускорения заряженных частиц в опытах по рас- щеплению атомных ядер, ныне это прибор используется для иссле- дования грозовых явлений, а также в качестве учебного демонстра- ционного прибора.

Учитывая, что внутри полых заряженных проводников нет дей- ствия внешнего заряда, оно заканчивается на внешней поверхности, то это явление используется для создания «электростатических за- щит»,то есть внешней проводящей оболочки,например из мелкояче- истой металлической сетки над защищаемым объектом (приборами, человеком, местами спасения в электроустановках).

Электростатическая индукция вызывает поляризацию микроча- стиц у непроводящих тел.

Поляризация диэлектриков (или «обретение электрических по- люсов») связанна с ограниченным смещением связанных зарядов в микрочастицах (молекулах) вещества диэлектрика или поворотом диполей (некого идеализированного приближения сложно связанных систем противоположных зарядов или совокупности из пары равных связанных друг с другом точечных зарядов противоположного знака) под воздействием внешнего заряженного тела.

Например, известно явление вращения цилиндрического диэ- лектрика в диэлектрической жидкой среде под действием высокого электрического напряжения. При подаче высокого напряжения ато- мы твёрдого и молекулы жидкого диэлектриков поляризуются. Элек- трические заряды у атомов и молекул диэлектриков смещаются под действием приложенного электрического напряжения, что приводит

112

к образованию отталкивающих и притягивающих сил между ними

сдиаметрально противоположных сторон цилиндра, и к появлению момента сил смещения диэлектрического цилиндра. Последователь- ная смена малых смещений цилиндра складывается в его непрерыв- ное механическое движение.

Высокоенапряжениеопаснодляжизничеловека,чтоявляетсяпре- пятствием для практического применения данного явления.Причина в том, что диэлектрическая жидкость однородна и состоит из одного родавещества,неподдающегосяполяризациинизкимэлектрическим напряжением.

Техническое преимущество достигается применением свойств электрореологических диэлектрических жидкостей (например,в виде взвеси диэлектрических частиц в толуоле или смеси из 55 % высоко рафинированного белого масла,5 % глициринового моноолеата и 40 % тонкоизмельчённого кварцевого порошка),текучесть которых напря- мую зависит от величины прилагаемого электрического напряжения. Такие жидкости чувствительны к небольшому, безопасному для чело- века электрическому напряжению.

Подводимая энергия это низкое электрическое напряжение — до- ступный и распространённый вид энергии, подлежащий трате.

Получаемая энергия это механическая энергия вращения диэлек- трического цилиндра — востребованная ценная энергия для удовлет- ворения разнообразных потребностей человека.

Для данной пары диэлектриков качествами одного рода является вид поляризации, который у них взаимно противоположный. Ротор, как твёрдый цилиндрический диэлектрик, обладает одним видом поляризации (в атоме твёрдого диэлектрика электроны смещают- ся относительно «неподвижного» ядра к положительному электроду, образуя упругий диполь), а электрореологическая диэлектрическая жидкость — другим противоположным видом поляризации (у жидко- го диэлектрика в молекуле заряды полюсов диполя устанавливаются при её повороте под действием приложенного напряжения).

Техническое преимущество у данной функциональной основы явления заключается в практически мгновенном выходе устройства на рабочий режим со скоростью вращения ротора в несколько тысяч оборотов в минуту.

Техническим преимуществом является также вещество ротора — этотвёрдый диэлектрик,который не можетперегреться и сгореть,как это случается с проводниковыми роторами, применяемыми в индук- ционных машинах.

Диэлектрические электродвигатели это новый тип электрических машин.

113

Электрическое поле

Положительный и отрицательный электрический потенциал

Появление понятия «электрическое поле» обязано реальным суще- ствованием дистанционного действия заряженного тела на заряжен- ные и незаряженные тела по закону Кулона.

Есть пространство, где проявляется действие электрического за- ряда, которое с помощью множества элементарных электрических диполей можно визуализировать и определить его качественную кар- тину (конфигурацию и структуру), и есть электрическая область про- странства, простирающаяся в бесконечность, где электрическое поле действия заряда проявляется как отдельная физическая реальность. Элементарные электрические диполи на плоскости заряда укладыва- ются линиями рядов от одного заряженного тела до другого и указы- вают направление напряжённости электрического поля. Такие ряды являются вещественным воплощением электрических силовых ли- ний,которые не пересекаются и нигде не обрываются.Силовыелинии начинаются на поверхностях имеющих положительный заряд (недо- статок электронов) и заканчиваются на поверхностях имеющих отри- цательный заряд (избыток электронов) или уходят в бесконечность. Напряжённость или зависимость силы действия заряда от расстояния по закону Кулона для единичного заряда величина убывающая, а для пар разноимённых зарядов имеет постоянную величину и направле- ние(такоеэлектрическоеполеоднородное).Погустотесиловыхлиний судято величине напряжённости электрического поля (густо —напря- жённость велика, разреженно — мала). Внутри проводников нет элек- трического поля, внутри диэлектриков оно существует, хотя и в осла- бленном состоянии. Электростатическое поле — поле потенциальное (подобное полю тяготения), где перемещение зарядов под действием или против действия кулоновских сил не зависит от траектории дви- жения, и определяется лишь начальной и конечной точками переме- щения. Работа кулоновских сил по перемещению единичного заряда является положительной (выигрышной), а против них — отрицатель- ной(затратной).Алгебраическаясуммаположительныхиотрицатель- ных работ по перемещению единичного заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории равна нулю, так же как и работа сил тяготения. Подобно полю тяготения, где изменение потенциальной и кинетической энергий зависит от различия положений тела отно- сительно поверхности Земли (точки отсчёта), в электростатическом поле изменение потенциальной энергии (работы) по перемещению единичного заряда зависит так же от различия начального и конеч-

114

ного положений перемещения относительно зарядов образующих это поле. Различие описывается понятием «электростатического по- тенциала» или «запаса энергии» действия кулоновских сил в электро- статическом поле, что подобно гидростатическому давлению. Вокруг положительного заряда, если нет поблизости отрицательных зарядов, потенциал электрического поля положителен.

Потенциал электрического поля, образованного отрицательным зарядом, — отрицателен, как отрицателен потенциал поля тяготения.

Благодаря потенциалу электростатическое поле стремиться пере- мещать положительный единичный заряд в сторону убывания поло- жительного заряда, а отрицательный единичный заряд — в сторону возрастания положительного заряда. Или. Положительное электри- чество движется от высшего потенциала к низшему потенциалу, как жидкостьподдействиемсилтяготениятечетотвысшегоуровнякниз- шему уровню.

Потенциал связан с потенциальной энергией заряда в электроста- тическом поле, которая пропорциональна заряду. Электростатиче- ский потенциал равен отношению потенциальной энергии (работы) взаимодействия заряда с электростатическим полем к величине этого заряда. Подобно градиенту потенциальной энергии у поля тяготения, значение потенциала данной точки в электростатическом поле зави- сит от выбора нулевого уровня для отсчета этого потенциала. Прак- тическое значение в Электротехнике получило понятие «разности потенциалов» (перепада давлений) между начальной и конечной точ- ками траектории движения единичного заряда или «электрического напряжения». Разность потенциалов (напряжение) между двумя точ- ками равна отношению работы электростатического поля по переме- щению заряда из начальной точки в конечную точку к величине этого заряда (UАВ = A/q).

Земной шар в целом является проводником огромной ёмкости, куда легко стекают электрические заряды без изменения его потен- циала. Условно в качестве нулевой поверхности отсчёта с постоянно отрицательным зарядом выбрана поверхность Земли, относительно которой определяется электрический потенциал любой точки про- странства или разность потенциалов между данной точкой и Землёй. Поэтому электрический потенциал любой точки пространства пони- мается как разность потенциалов между данной точкой и Землёй (из- меряется электрическим зондом).

Соответственно для отрицательного заряда поверхности Земли есть противоположная ей поверхность с постоянно положительным зарядом, которая находиться в ионосфере — в ионизированном кос- мическими излучениями слое атмосферы (60 ÷ 90 км от поверхности Земли).

115

Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, все точки ко- торойимеютодинаковыйпотенциал.Спомощьюэквипотенциальных поверхностей также можно изображать электрические поля. Напри- мер,для электрического поля точечного заряда эквипотенциальными поверхностями являются сферические поверхности, центры которых совпадают с точечным зарядом. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии взаимно перпендикулярны. Между эквипотенци- альными поверхностями имеются силовые линии, указывающие на напряжённость электрического поля, что означает существование между ними разности потенциалов (напряжения).

Пара плоских близко расположенных параллельных проводнико- вых пластин заряженных разноимённо до определённой разности потенциалов друг относительно друга, создаёт в пространстве между пластинами однородное электрическое поле, напряжённость которо- го равна падению напряжению на единицу длины силовых линий или отношению разности потенциалов на пластинах к расстоянию между ними (E = U/d). Такое устройство или система из двух близко располо- женных пластин называют плоским конденсатором (с лат. «сгущать, уплотнять»). Ёмкость конденсатора, как накопителя электрической энергии, равна отношению заряда конденсатора к разности потенци- алов,которую он ему сообщает(C = q/U).Силовые линии поля начина- ются на положительно заряженной пластине и заканчиваются на от- рицательно заряженной пластине. Эквипотенциальные поверхности им перпендикулярны и не отличаются от плоскостей параллельных пластинам. Чем ближе друг к другу размещены пластины (обкладки), то есть, чем ближе к двойному электрическому слою и взаимной ней- трализации зарядов пластин, тем гуще плотнее эквипотенциальные поверхности и тем меньше становиться напряжение или разность по- тенциалов между пластинами (или работа). Электрическая ёмкость при этом увеличивается. Чем дальше друг от друга пластины, то есть, чем более разрежены, раздвинуты эквипотенциальные поверхности, тем больше разность потенциалов между пластинами или напряже- ние (или работа) и меньше ёмкость конденсатора.

Изменение электрической ёмкости конденсаторадостигается и гео- метрически — изменением площади пластин: уменьшив площадь пла- стин, увеличивается разность потенциалов и уменьшается ёмкость. Этотопытпозволяетвыразитьэлектроёмкостьконденсаторачерезраз- меры его частей: электроёмкость равна отношению площади пластин к расстоянию между ними,умноженному на 4π [C = S/(4 π . d)].

Электроёмкость системы состоящей из уединённого тела и осталь- ных сильно удалённых окружающих тел зависит только от формы и размеров этого тела, так как изменение расстояния от данного тела до удалённыхтел практически не меняетего электроёмкости.Ёмкость

116

уединённого шара зависит только от его радиуса и численно ему рав- на (в см.).Возле острия или нити можно создаватьэлектрическое поле большой напряжённости (отношение силы действующей на заряд к величине этого заряда или E = F/q).Создавая на одной пластинке из- быток электронов,а на другой —их недостаток,что напоминает пере- нос положительного заряда с одной пластины на другую, осуществля- етсязарядкаконденсатора,начтозатрачиваетсяопределённаяработа по преодолению сил притяжения положительного и отрицательного зарядов. При разрядке конденсатора разделённые заряды воссоеди- няются,и электрические силы совершаютработу равную затраченной призарядке.Такимобразом,заряженныйконденсаторобладаетопре- делённым запасом потенциальной энергии, годной для совершения полезной работы.Эта работа пропорциональна квадрату разности по- тенциалов или напряжения между его обкладками (A = 0,5 C . U 2).

Ёмкость пары противоположно заряженных облаков или облака иповерхностиЗемлисравнительномала,однакозапаспотенциальной энергии в таком конденсаторе очень значительный вследствие того, что разность потенциалов или напряжение между ними, возведённое в квадрат, величина значительная (и выделяется в виде молний).

Ёмкость конденсатора зависит от вещества диэлектрика, запол- няющего пространство между его обкладками.Диэлектрик исключает утекание зарядов и увеличивает ёмкость конденсатора в несколько раз в зависимости от природы диэлектрика. Соответственно разность потенциалов и напряжённость электрического поля (или кулоновские силы) во столько же раз уменьшаются.

Величина, во сколько раз увеличивающая ёмкость конденсатора при заполнениидиэлектриком вакуума (пустого пространства) между его обкладками, называется диэлектрической постоянной этого диэ- лектрика (или его диэлектрической проницаемостью, определяется как ε = C/C0). Диэлектрическая постоянная вакуума в системе СИ из-

вестна — ε0 = 1/36 π . 10 9 Ф/м или 8,85418782 . 10–12 Ф/м.

Радиотехническая керамика близка к диэлектрической постоян- ной чистойдистиллированной воды —81.В отличие отводы керамика наиболее пригодна для изготовления конденсаторов.Таким способом можно получатьтехническое преимущество,значительно увеличивая ёмкость конденсатора [С = ε . S/(4π . d)].

Другим способом увеличить электроёмкость является соединение конденсаторов в батарею параллельно: электроёмкостьбатареи равна сумме ёмкостей отдельных конденсаторов (это один большой конден- сатор, поверхность обкладок которого равна сумме поверхностей об- кладок составляющих батарею отдельных конденсаторов).

При последовательном соединении конденсаторов их суммарная электроёмкость становиться меньше ёмкости каждого из конденса-

117

торов в отдельности, как если бы раздвинули обкладки одного един- ственного конденсатора.

ВРадиотехнике пользуются устройствами конденсаторов пере- менной ёмкости.

Они состоят из изолированных секций неподвижных (статорных)

иподвижных(роторных)металлическихпластин.Подвижныепласти- ны с помощью привода могут вдвигаться в зазор между неподвижны- ми пластинами, перекрывая их площадь, что приводит к изменению ёмкости конденсатора.

Визобретении а. с. 177497 на «Молниеотвод» предложен радио- прозрачный молниеотвод. Обычно молниезащита основана на при- менении металлических тоководов, антенн и молниеприёмников,

являющиеся радионепрозрачными. Металли- ческий молниеприёмник, возвышаясь над за- щищаемым сооружением, образует защитную зону над ним, которая одновременно является помехой радиоволнам, что существенно огра- ничивает технические возможности радиотех- нических средств.

Радиопрозрачный молниеотвод изготовлен в виде герметически закрытой диэлектриче- ской (стекло, стекловолокно, плексиглас и т. п.) трубы, давление воздуха в которой выбрано из условий наименьших газоразрядных гради- ентов, вызываемых электрическим полем раз- вивающейся молнии.

Ра д и о п р о з р а ч н ы й молниеотвод содержит:

1 — диэлектрическую трубу; 2, 3 — металлические фланцы; 4 — вакуумный насос; 5 — кран; 6 — заземлитель.

С помощью вакуумного насоса 4 в трубе 1 создаётся разрежение воздуха до значений наименьших газоразрядных градиентов, вызы- ваемых электрическим полем развивающейся молнии.Электрическая прочность воздуха в трубе 1 существенно ниже, чем у атмосферно- го воздуха. Разрежённый столб воздуха в трубе 1 длиной L, попадая в электрическое поле развивающейся молнии, легко ионизируется, и становиться электропроводящим, не хуже металлического молние- отвода. В результате, диэлектрический молниеотвод способен защи-

118

титьсооружениеотпоражениямолнией,какиравновысокийметалли- ческий молниеотвод.Техническим преимуществомдиэлектрического молниеотвода является его прозрачностьдля радиоволн во всё время, когда нетгрозовых явлений,что удобно при работе радиотехнических средств,так как не требует временного демонтажа молниеотвода.

Несамостоятельная и самостоятельная электропроводимость газов

Конденсатор, у которого между сильно раздвинутыми пластина- ми (электродами) есть воздух в естественном состоянии или другая газообразная среда, пригоден для изучения проводимости электри- чества через газы. Твёрдые диэлектрики между пластинами конден- сатора при сильной напряжённости электрического поля поляризу- ются и в них возможно заметное перемещение зарядов, ведущее к их пробою.Все газы в естественном состояниидиэлектрики (изоляторы), так как в них нет заряженных частиц, атомы и молекулы нейтраль- ны.Если в газ вводятся заряженные частицы извне или они создаются внешними силами, то образующаяся электропроводимость называ- ютнесамостоятельной.Если заряженные частицы создаютсядействи- ем самого электрического поля между электродами,то проводимость газа — самостоятельная. Примером несамостоятельной проводимо- сти газа является его нагрев до высокой температуры, когда прило- женное электрическое поле становиться способным его ионизировать или разделить на положительные и отрицательные ионы. Нагрев ка- тода (отрицательно заряженного электрода) до высокой температуры позволяет получить несамостоятельную электронную проводимость в высоком вакууме,которая используется в электронных (вакуумных) лампах.

Счётчик элементарных частиц Гейгера — Мюллера это коаксиаль- ный конденсатор с тонкой металлической нитью по оси металличе- ского цилиндра, который подключается к источнику высокого на- пряжения (несколько тысяч вольт) со значением напряжения между цилиндром и нитью несколько ниже необходимого для ионизации газа внутри него. Любая быстро движущаяся заряженная частица (электрон, протон), попадая в счётчик через окошко, путём соударе- ний ионизирует молекулы газа внутри счётчика, и, в результате, об- разуется электропроводимость достаточная для протекания слабого кратковременного тока.

Явление ионизации существует, пока действуют причины его вы- зывающие. При исчезновении причин разноимённые ионы под дей- ствием сил электрического притяжения воссоединяются в нейтраль-

119