Электростатический двигатель (варианты)

 

Изобретение относится к устройствам и служит для получения вращения или перемещения тел из диэлектрика в электрическом поле. Устройство может быть использовано в демонстрациях электростатических сил по электростатике, а также в практических целях как двигатель небольшой мощности. Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего получить устойчивое вращение или перемещение тел из диэлектрика в неоднородном поле за счет электростатических сил, а также влияния этих сил на скорость и направление движения тел из диэлектрика. Электростатический двигатель содержит тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые металлические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения. Каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α и расположен над диэлектриком с зазором. Согласно второму варианту каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α, расположен над диэлектриком с зазором и металлическая ось тела вращения является дополнительным электродом. Согласно третьему варианту в электростатическом двигателе, содержащем тело перемещения из диэлектрика, относительно тела перемещения установлены прямые металлические электроды, которые расположены в плоскости параллельно телу перемещения и наклонены к нему под углом α, с зазором, в сторону, противоположную направлению движения. 3 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение к устройствам и служит для получения вращения или перемещения тел из диэлектрика в электрическом поле. Устройство может быть использовано в демонстрациях электростатических сил по электростатике, а также в практических целях как двигатель небольшой мощности.

Известно устройство [1] , в котором маленькая турбина из бумаги, насаженная на горизонтальную ось, и электрода - острия, соединенного с электрофорной машиной. Вращение турбины связано с возникновением направленного движения воздух - "электрический ветер", который и вращает турбину.

Причина этого явления в большой величине напряженности электрического поля около острия. Вследствие этого окружающий воздух ионизируется. Ионы с тем же знакам, что и у острия, движутся от него и увлекают при своем движении нейтральные молекулы, отчего возникает направленное движение воздух - "электрический ветер".

Наиболее близко к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство [2], содержащее электромотор с вращающимся ротором на валу, поверхность ротора состоит из диэлектрика и двух противоположных электродов высокого напряжения. Эти электроды расположены с противоположных сторон.

Недостатками данного устройства является наличие громоздкого оборудования и трудоемкая процедура по технологии и процессу.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего получить устойчивое вращение или перемещение тел из диэлектрика в неоднородном поле за счет электростатических сил, а также влияние этих сил на скорость и направление движения тел из диэлектрика.

Указанный технический результат достигается тем, что в электростатическом двигателе, содержащем тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые электрические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения, новым является то, что каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α и расположен над диэлектриком с зазором. Согласно второму варианту металлическая ось тела вращения является дополнительным электродом. Согласно третьему варианту в электростатическом двигателе, содержащем тело перемещения из диэлектрика, относительно тела перемещения установлены прямые металлические электроды с размерами не более размеров тела перемещения, новым является то, что каждый электрод лежит параллельно телу перемещения и наклонен к телу перемещения под углом α, с зазором, в направлении движения.

Объединение всех технических решений в одну заявку связано с тем, что все они решают одну и ту же задачу - создание устройства, позволяющего получить устойчивое перемещение тел из диэлектрика в неоднородном поле за счет электростатических сил, а также влияние этих сил на скорость и направление движения тел из диэлектрика, одним и тем же путем - работают по одному и тому же принципу, на поляризованные заряды в неоднородном электрическом поле действуют электрические силы и не могут быть объединены обобщающими параметрами.

Электростатический двигатель состоит из диэлектрика с любой диэлектрической проницаемостью ε в форме тела вращения (диск, шар, цилиндр), насаженного на ось из металла или диэлектрика, проходящую по оси симметрии тела и упирающуюся своими концами в опоры (подшипники) так, что тело может свободно поворачиваться вокруг оси при вертикальном или горизонтальном ее положении. Вдоль окружности большого радиуса тела вращения располагаются прямые электроды так, что они образуют угол α к касательной этой окружности и лежат в плоскости большого круга или перпендикулярны радиусу этого круга. Размеры электродов по длине не больше радиуса большого круга и конец электрода, который ближе расположен к телу вращения из диэлектрика, образует с ним зазор не менее 1 мм. На электроды (один или несколько) подается электрический потенциал со знаком плюс или минус. Электрический потенциал со знаком плюс или минус также может подаваться на металлическую ось тела вращения. Во всех этих вариантах любой диэлектрик (симметричный или несимметричный относительно оси вращения), насаженный на ось, получает вращение по кругу за счет момента сил в неоднородном электрическом поле, созданном электродами. Если диэлектрик не имеет оси вращения, а ложится на опорах (подшипниках) с малым трением, то с помощью электродов с потенциалами можно перемещать диэлектрик, т. е. использовать устройство как линейный электростатический двигатель.

В этом варианте электроды с потенциалами плюс или минус наклонены под углом α в сторону, противоположную направлению движения. Вместо твердого диэлектрика можно взять жидкий диэлектрик и заставить течь жидкость по прямой или по заданному направлению.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов и признаков: наличие прямых электродов с одинаковыми или разными потенциалами, которые выполняют другую функцию - создание неоднородного электрического поля, под влиянием которого в диэлектрике (тело вращения) индуцируются электрические связанные заряды (или заряды за счет поляризации диэлектрика), на которые действует сила, заставляющая вращать (перемещать) диэлектрик, т.к. возникшие заряды остаются неподвижными, они увлекают за собой диэлектрик. По количеству электродов с потенциалом плюс или минус и по их расположению относительно диэлектрика, можно управлять частотой и направлением вращения, а также величиной вращающего момента.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1а и 1б показано устройство с видом сбоку и видом сверху соответственно.

Обозначения: 1 - диэлектрик (тело вращения); 2 - ось вращения; 3 - опоры; 4, 5 - электроды; 6 - зазор между электродом и диэлектриком, +ϕ - положительный потенциал, -ϕ - отрицательный потенциал, ←_ω - направление вращения, R - радиус окружности.

На фиг.2 показана схема расположения электродов над диэлектриком и объяснение возникающим силам, действующим на диэлектрик.

Обозначение:
1 - диэлектрик;
2 - электроды;
⊕⊝ - наведенный заряд;
- радиус-векторы, направленные вдоль линии напряженности электрического поля;
Е - напряженность электрического поля;
--> - направление силовых линий электрического поля;
<--F - направление силы, действующей на диэлектрик;
Δx - отрезок на поверхности диэлектрика.

Электростатический двигатель в простейшем варианте показан на фиг.1, где вращающаяся часть из диэлектрика имеет форму диска, насаженную на ось 2, концы которой упираются на опоры 3 (подшипники). Металлический прямой электрод 5 расположен над диэлектриком под углом с зазором не менее 1 мм между ближайшим концом электрода и поверхностью диэлектрика. Электрод 5 перпендикулярен радиусу диска и с касательной окружности составляет угол α. Чем дальше расположен электрод от центра вращения, тем больше момент силы.

где М - момент сил, он направлен вдоль оси вращения;
F - сила, действующая на диэлектрик и направленная по касательной к окружности;
R - радиус окружности, над которой расположен электрод.

Если на электрод 5 подать потенциал плюс или минус, то диэлектрик получит вращение вокруг оси, как показано на фиг.1а и 1б.

Чтобы изменить направление вращения диска на обратное, надо электрод 5 с потенциалом плюс или минус наклонить в противоположную сторону под тем же углом α. Если на окружности диска, где расположен электрод 5, добавить второй, третий электроды с наклоном их в ту же сторону под углом α, то диэлектрик (диск) увеличит число оборотов в секунду. Число оборотов в секунду также зависит от величины зазора между электродом и диэлектриком.

Для диэлектриков в форме шара или цилиндра вращения электрод (прямой металлический) с потенциалом удобнее расположить по второму варианту, т.е. электроды параллельны большому кругу вращения и расположены под углом α к касательной этого круга. Второй вариант показан на фиг.1а и 1б с электродом 4. В этом варианте вокруг диэлектрика (диск, шар, цилиндр) можно также расположить несколько электродов с потенциалами в разных сочетаниях плюса и минуса.

По фиг. 2 дается схема расположения электродов над диэлектриком и объяснение возникающим силам, действующим на диэлектрик. Электрод с отрицательным (положительным) потенциалом создает вокруг себя электрическое поле на единицу длины электрода [3].

где Е - напряженность электрического поля (размерность В/м);
q - заряд на единицу длины электрода (измеряется в Кл);
ε_o - электрическая постоянная и равна 8,854•10^-12 Ф/м;
ε - диэлектрическая проницаемость среды между электродом и диэлектриком,
r - расстояние от некоторой точки электрода до диэлектрика (м).

В электрическом поле в диэлектрике наводятся (индуцируются) заряды, противоположные по знаку электрода, причем, чем ближе электрод, тем больше индуцируется заряд, т.е. диэлектрик находится в неоднородном электрическом поле, если электрод расположен под углом α к поверхности диэлектрика.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент , пропорциональный напряженности электрического поля Е [3].

где αʹ - коэффициент поляризуемости молекулы (атома). Поляризуемость молекулы зависит только от ее объема. На жесткий диполь в неоднородном электрическом поле действует сила F [3]

где
dE/dx - изменение электрического поля на единицу длины вдоль оси диполя.

Сила направлена вдоль вектора dE/dx и стремится переместить диполь в область больших значений поля. Величина силы F зависит от угла наклона α электрода к поверхности диэлектрика и от величины dЕ/dx градиента электрического поля.

Найдем изменение электрического поля E на участке Δх по фиг.2

Учитывая, что r₂-r₁=Δхsinα, а r₁≈r₂, r₁•r₂≈r²,
окончательное значение

Откуда следует, что градиент электрического поля прямо зависит от угла α (наклона электрода к поверхности диэлектрика) и обратно пропорционально квадрату расстояния r.

Если α=0, то sinα=0 и .

Так как в этом случае электрод с потенциалом будет параллелен поверхности диэлектрика и электрическое поле между электродами и поверхностью диэлектрика будет однородным. При больших углах наклона sinα растет до единицы, но еще сильнее растет r и градиент электрического поля стремится к нулю. Из расчетов получается, что оптимальный угол с наибольшим вращающим моментом = 5÷10^o.

Электроды с потенциалом можно располагать относительно диэлектрика в разных вариантах. В любом случае, сила, приложенная к разрядам (электрическим диполям) на поверхности диэлектрика на расстоянии R от оси вращения, образует момент сил

а так как заряды связаны с диэлектриком и остаются неподвижными, то они увлекают за собой диэлектрик. На фиг.2 стрелкой показано направление движения диэлектрика в неоднородном электрическом поле электродов.

Еще один вариант устройства показан на фиг.1а, где на электрод подается потенциал одного знака, а на металлическую ось - потенциал противоположного знака.

Возникшее поле между металлической осью и внешним электродом поляризует диэлектрик. На индуцированные заряды в электрическом неоднородном поле электрода действует сила, заставляющая вращать диэлектрик с небольшой скоростью. Это связано с тем, что за счет поляризации диэлектрика увеличивается наведенный заряд и поэтому возрастает составляющая силы взаимодействия этих зарядов с электрическим полем электрода. Если установить второй электрод с любым по знаку потенциалом, то диэлектрик получает быстрое вращение, благодаря чему диэлектрик получает дополнительный момент силы относительно оси вращения. Направление вращения меняется наклоном внешних электрод в противоположную сторону.

Испытания проводились с потенциалом на электродах ϕ=+(600-700) В. Материалом для диэлектрика служили [4]: текстолит, гетинакс, винипласт, пенопласт, шамотный белый пористый кирпич, фторопласт, подсолнечное масло и др. Размеры диэлектрических тел вращения имели диаметр от 2 до 10 см.

Источники информации:
1. Биллимович Б. Ф. Физические викторины в средней школе. - М.: Просвещение, 1966.

2. Патент DE 3711131 А1, МПК 7 Н 02 N 1/10, опубл. 11.05.1989 (прототип).

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 3. Электричество. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1977.

4. Под редакцией Ю. В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.А. Тараева. Справочник по электротехническим материалам. Том 1. - М.: Энергоиздат, 1986.

Формула изобретения

1. Электростатический двигатель, содержащий тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые электрические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения, отличающийся тем, что каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α и расположен над диэлектриком с зазором.

2. Электростатический двигатель, содержащий тело вращения из диэлектрика, расположенное на оси, относительно тела вращения установлены прямые электрические электроды с размерами не больше радиуса тела вращения, отличающийся тем, что каждый электрод перпендикулярен радиусу тела вращения, составляет с касательной к окружности угол α, расположен над диэлектриком с зазором и металлическая ось тела вращения является дополнительным электродом.

3. Электростатический двигатель, содержащий тело перемещения из диэлектрика, относительно тела перемещения установлены прямые металлические электроды, отличающийся тем, что каждый электрод расположен в плоскости параллельно телу перемещения и наклонен к нему под углом α, с зазором, в сторону, противоположную направлению движения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2