Электростатический двигатель: Электростатические двигатели. Курс “Физика в опытах и экспериментах”

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Презентация
• Наградные документы

Яроцкий Ф.Д. 1

---

1МБОУ ДО Центр детского (юношеского) научно-технического творчества [ЦНТТ]

Шишкин Е.М. 1

---

1Лаборатория радиоэлектроники МБОУ ДО ЦНТТ

---

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяДиплом участника II этапаДиплом за подготовку участника II этапаДиплом лауреата II этапаДиплом за подготовку лауреата II этапа

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

АННОТАЦИЯ

Проект посвящен исследованию принципов работы и перспектив дальнейшего развития устройства электростатических двигателей.

Считаем, что электростатические двигатели, приводящиеся в работу электрическим ветром менее эффективны в космосе, так как для их работы требуется восполняемый запас газов.

Ключевые слова: электростатика, электростатические двигатели, электростатический маятник, колесо Франклина, лабораторный эксперимент.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Интернет источник

Закон Кулона: формулировка и определение, кулоновская сила и формула

Интернет источник

https://dspace.kpfu.ru/xmlui/bitstream/handle/net/130799/F_fmopip2017_98_101.pdf?sequence=-1

Интернет источник

https://www.youtube.com/watch?v=XqTLp7RxcbE

Научно-исследовательская работа. Физика

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Яроцкий Фёдор Дмитриевич

Краснодарский край, город Армавир

МБУ ДО ЦНТТ 7г класс

Научный руководитель: Шишкин Евгений Маленович, почётный работник общего образования РФ, педагог доп. образования высшей категории МБУ ДО ЦНТТ г. Армавира

ВВЕДЕНИЕ

«Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство» – говорил в свое время Циолковский. Для освоения космического пространства появляется необходимость использовать двигатели, способные работать в условиях глубокого вакуума, надежные, экономичные и ремонт пригодные, использующие энергию, взятую в космосе.

Под эти характеристики подходит электростатический двигатель, принцип действия которого основан на использовании Кулоновских сил, перерабатывающий энергию космических излучений. В своей работе мы проверим способность одного из таких двигателей работать в вакууме и сравним его с похожим двигателем, но работающем на реактивной тяге ионного ветра.

Объект исследования в проекте:электростатика.

Предмет исследования в проекте:электростатические двигатели.

Цель проекта:экспериментально определить тип электростатического двигателя способного работать в вакууме.

Гипотеза:электростатический двигатель, работа которого основана на действии сил Кулона, способен работать в вакууме.

Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие работу электростатических двигателей; провести испытания прототипов электростатического двигателя на способность работать в вакууме.

Практическую значимость проекта мы видим в том, что мы экспериментально доказали способность некоторых электростатических двигателей работать в вакууме открытого космоса.

1. Отбор электростатических двигателей принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона от двигателей, работающих на принципе ионизации газов

Рассматривая устройство электростатических двигателей, способных работать в космосе при глубоком вакууме возникла необходимость отбора двигателей, принцип действия которых основан на действии только сил Кулона [1] от двигателей, работающих по принципу ионизации газов.

Для этого мы провели серию опытов, в которых под стеклянный купол с отрицательным давлением помещался электростатический маятник [2], как ярко выраженный образец электростатического двигателя, принцип действия, которых основан на действии только сил Кулона и колесо Франклина [3], как ярко выраженный двигатель, работающий на реактивной тяге электрического ветра.

Оборудование для опытов:

Вакуумная тарелка, см. приложение 1, рис. 1.

Лазерный тахометр DT-2236C, см. приложение 1, рис. 2.

Маятник с параметрами L=130 мм, А=23 мм, D=16 мм, m = 2,1 грамм.

Колесо Франклина, d=100 мм.

Вакуумный насос VN-C4, см. приложение 1, рис. 3.

Вакуумметр ТВ5, класс точности 1,5. См. приложение 1, рис. 4.

Блок высокого напряжения Разряд-1, см. приложение 2, рис. 5.

Триггерный блок управления вакуумным насосом с блоком питания, см. приложение 3, рис.

6.

Опыт №1, схема опыта представлена фотографией на рис. 7 в приложении 4.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление не влияет на работоспособность электростатического маятника.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления не влияет на частоту колебания электростатического маятника. Результаты измерения сведены в таблицу 1:

Табл. 1. Влияние отрицательного давления на

частоту колебания электростатического маятника

№ п.п	Атмосферное давление	-20 кРа	-40 кРа	-60 кРа	-80 кРа
Колебаний в минуту	157	157	157	157	157
Частота в герцах	2,62	2,62	2,62	2,62	2,62

Анализируя табл.

1 можно сделать вывод, что снижение давления, а, следовательно, и концентрации ионов газа не оказывает влияние на частоту колебаний электростатического маятника.

Опыт №2, схема опыта представлена фотографией на рис. 8 в приложении 5.

Цель опыта: доказать, что отрицательное давление влияет на работоспособность колеса Франклина.

Гипотеза: снижение атмосферного до отрицательного давления влияет на частоту вращения колеса Франклина. Результаты измерения сведены в таблицу 2:

Табл. 2. Влияние отрицательного давления на

частоту вращения колеса Франклина.

№ п.п	Атмосферное давление	-20 кРа	-40 кРа	-60 кРа	-80 кРа
Обороты в минуту	153	150,0	100,5	69,5	0
Частота в герцах	2,6	2,5	1. 7	1,16	0

Анализируя табл. 2 можно заметить, что уже при давлении в -80 кРа наше колесо Франклина прекращает своё вращение.

Анализируя совместно табл. 1 и табл. 2 можно утверждать, что, помещая исследуемый двигатель в вакуум, удаётся определить, какие силы заложены в его работу, силы Кулона или работа возможна только при ионизации газов.

2. Влияние формы электростатического поля на работу электростатического маятника

Для определения влияния формы поля на работу электростатического маятника мы провели физический опыт, в котором маятник сначала колебался в вакууме между пластинами, площадь которых больше площади поперечного сечения шара, потом равных площади поперечного сечению шара, а впоследствии – меньше площади поперечного сечения шара. Схема опыта представлена фотографией на рис 7, приложение 4.

Цель опыта: экспериментально определить зависимость частоты колебания электростатического маятника от площади пластин.

Гипотеза: отношение площади пластин к площади поперечного сечения рабочего тела влияет на частоту колебания электростатического маятника.

Результаты наблюдения за колебаниями сведены в таблицу 3.

Табл. 3. Результаты наблюдения за колебаниями электростатического маятника между пластинами с различной площади

Отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара маятника	Наблюдение за колебаниями
Больше	Колебания устойчивые
Равное	Колебания малоустойчивые
Меньше	Колебания не устойчивые

Анализируя табл. 3 можно заметить, что отношение площади пластин к площади поперечного сечения шара определяет равномерность поля, в котором происходят колебания электростатического маятника. Колебания маятника устойчивы только в равномерном электростатическом поле.

3. Определение коэффициента полезного действия электростатического маятника как двигателя способного работать в глубоком вакууме

Схема работы электростатического маятника представлена на рисунке 9:

Рис. 9. Электростатический маятник.

На схеме работы электростатического маятника (рис. 8) применены следующие сокращения: F_Тяж – сила тяжести; F_уп – сила упругости подвеса; F_рав – равнодействующая сила между F_Тяж и F_уп; L– высота подвеса рабочего тела; R – радиус рабочего тела; –Ammи +Amm – соответственно отрицательная и положительная амплитуды перемещения рабочего тела; ?h – изменение высоты относительно линии горизонта проходящей через центр рабочего тела находящегося в равновесии при его движении от –Ammк +Amm.

КПД подвеса электростатического маятника можно определить как отношение механической мощности затрачиваемой на совершение механической работы к электрической мощности , затрачиваемой на заряд пластин и рабочего тела:

; (1)

Электрическую мощность , затрачиваемую на заряд пластин и рабочего тела, определим как произведение напряжения U подводимого к пластинам на ток I, протекающий по цепи:

; (2)

Механическую мощность , затрачиваемую на перемещение рабочего тела, определим как отношение механической работы за время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной :

(3)

Механическую работу определим как произведение заряда рабочего тела , на напряжение, подводимое к пластинам U:

;(4)

Определим заряд рабочего тела как произведение электрической ёмкости рабочего тела C на электрический потенциал пластин в точке равновесия:

;(5)

Определим электрический потенциал пластин , относительно точки равновесия как половину напряжения подводимого к пластинам:

;(6)

Определим электрическую ёмкость рабочего тела как произведение диэлектрической проницаемости вакуума на радиус рабочего тела R:

; (7)

Подставив в выражение (4) выражение (5) будем иметь:

= ; (8)

Подставив в выражение (8) выражение (6) будем иметь:

; (9)

Подставив в выражение (9) выражение (7) будем иметь:

; (10)

Подставив в выражение (3) выражение (10) будем иметь:

;(11)

Время движения рабочего тела от точки равновесия до контакта с пластиной t соответствует половине периода колебания T – время движения от одной пластины к другой тогда:

; (12)

Подставив в выражение (11) выражение (12) будем иметь:

; (13)

Учитывая, что отношение соответствует частоте колебаний

Просмотров работы: 232

Плюсы и минусы: как работают электростатические двигатели

Search

10. 02.2022

Время на чтение 6 мин.

Если попросить любого из нас представить реактивный двигатель, то воображение рисует струи огня, вырывающиеся из сопла и толкающие самолет или огромную ракету. Однако реактивные двигатели могут быть и другими: в них аппарат толкает поток ионизированных частиц, которые приводятся в движение электромагнитным полем. Подробнее о том, как это работает и в чем основной недостаток подобных устройств, поговорим в этом материале.

Нужно больше ионов!

На основанном выше принципе работают так называемые электрические ракетные двигатели. Мы подробно остановимся на двух типах электростатических двигателей — ионных и плазменных, — которые уже успешно применяются на космических аппаратах.

В электростатических двигателях создается электростатическое поле (привет, капитан очевидность) — электрические заряды, которые его «производят», неподвижны в пространстве и не изменяются со временем. В этом поле и разгоняются частицы рабочего тела — так в ракетостроении называют вещество, которое выбрасывают из летательного аппарата, чтобы создать тягу. В качестве рабочего в электрических ракетных двигателях могут использоваться практически любые жидкости, газы и их смеси, но для электростатических двигателей как правило используют благородный газ ксенон.

В целом, принцип работы ионного двигателя довольно прост. Нейтральные по заряду атому ксенона поступают в ионизатор, где бомбардируются электронами. Эти электроны выбивают собственные электроны ксенона, в результате чего в ионизаторе образуются положительно заряженные ионы ксенона и свободные электроны, то есть газ в состоянии плазмы.

Положительно заряженные ионы притягиваются к сеткам системы извлечения, между которыми поддерживается большая разность потенциалов. В результате ионы разгоняются и выбрасываются из двигателя. Ну а дальше все по третьему закону Ньютона — действию всегда есть равное противоположное действие: ионы вылетают, аппарат толкают.

Помните, у нас еще остались свободные электроны? Они собираются на специальную катодную трубку, которая выведена в камеру ионизации, и выбрасываются под небольшим углом к потоку ионов.

Концептуально второй тип электростатических двигателей — двигатели на эффекте Холла — работает по тому же принципу. Эффект Холла заключается в том, что если расположить проводник в перпендикулярные относительно друг друга электрическое и магнитное поля, то на краях этого проводника возникнет разность потенциалов.

Такой двигатель эффективнее, чем ионный, поскольку в нем для создания тяги задействуются и положительные ионы, и электроны.

Плюсы и минусы

Возможно, именно ионные двигатели откроют нам путь к исследованию и последующему освоению Солнечной системы. По крайней мере, если не считать разнообразные фантастические варианты вроде антиматерии, термоядерных установок и варп-ядра, это лучшее, что инженеры придумали и смогли реализовать. Основное достоинство ионных двигателей — это крайне низкий расход рабочего тела. Например, аппарату Dawn на полет к астероиду Веста и малой планете Церера (а это, на минуточку, почти семь миллиардов километров) потребовалось всего 425 килограммов ксенона. У двигателей также высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Ионы выбрасываются с очень большой скоростью — например у рекордного Dual-Stage 4-Grid, созданного совместно Европейским космическим агентством и Австралийским национальным университетом в 2006 году, скорость выхлопа достигла (pdf) 210 км/с. Впрочем, обычно он варьируется в пределах 20–50 км/с, но и это намного выше, чем 3–5 км/с у химических ракетных двигателей. Благодаря этому упоминавшийся Dawn смог установить рекорд негравитационного (то есть без использования маневров, когда аппарат ускоряется за счет гравитационного воздействия массивных небесных тел) ускорения, достигнув скорости 11,1 км/с (почти 40 000 км/ч).

Важным преимуществом для длительных полетов является то, что ионный двигатель может работать беспрерывно в течение многих лет. Так, NEXT, который был построен Aerojet Rocketdyne, отработал рекордные на тот момент 48 тысяч часов, или 5,5 года. Наконец, ионные двигатели могут похвастаться впечатляющим КПД — 60–80 %.

Впрочем, долговечность ионных двигателей все же ограничена. Поскольку металлические части контактируют с плазмой, они со временем разрушаются. Так что инженеры постоянно ищут более устойчивые материалы, ведь для полетов к дальним объектам необходимо быть уверенным, что двигатель проработает многие годы.

Другой недостаток ионного двигателя — для его работы нужно много энергии, до 7 кВт. Солнечные батареи не вариант (особенно если мы собираемся лететь в глубины нашей системы), поэтому аппараты с ионными двигателями необходимо комплектовать либо очень емкими батареями, либо небольшими ядерными реакторами, которые обеспечат достаточную мощность.

И если первые два недостатка инженеры с успехом преодолевают, то третий пока что является наиболее существенным. У ионных двигателей очень маленькая тяга, которая измеряется в миллиньютонах. Рекорд принадлежит разработанному NASA и Мичиганским университетом X-3 — 5,4 ньютона. Для сравнения, тяга самой мощной в истории ракеты-носителя Super Heavy должна составить 75 315 000 ньютонов.

В условиях вакуума тяга — не самая важная характеристика, но стартовать с поверхности другого небесного тела аппараты с ионным двигателем не смогут. У них не хватит тяги для преодоления притяжения и сопротивления атмосферы. Так, например, случилось со спутниками Starlink, которые оборудованы холловскими двигателями. Из-за магнитной бури верхние слои атмосферы стали более плотными, и аппараты не смогли выйти на расчетную орбиту. Поэтому пока оптимальной выглядит комбинация традиционных химических и ионных двигателей.

Впрочем, ионные двигатели — это очень перспективное направление. Они уже установлены на две сотни космических аппаратов, включая МКС и базовый модуль китайской орбитальной станции Тяньхэ. Благодаря ионному двигателю зонд «Хаябуса» долетел до астероида Итокава и вернулся обратно с образцом вещества, а европейский BepiColombo доберется до Меркурия. Возможно, однажды именно ионные двигатели позволят нам долететь до границ Солнечной системы и еще дальше.

Другие статьи

Технология – C-Motive

Технология

• Редуктор, активное охлаждение или увеличенный размер не требуются
• Электростатические двигатели C-Motive используют печатные платы вместо магнитов
• Запатентованная диэлектрическая жидкость внутри машины обеспечивает максимальную производительность

 

Дополнения не требуются
Традиционные электрические машины существуют уже более 200 лет, но для облегчения их работы требуются другие технологии. Увеличение мощности двигателей приводит к потерям эффективности и проблемам безопасности, редукторы должны снижать скорость двигателя, а активное охлаждение требуется для уменьшения тепловыделения от медных обмоток.

 

Нет коробки передач?
Традиционные электромагнитные машины оптимизированы для работы на высоких скоростях и требуют редуктора для снижения скорости вращения и достижения желаемого выходного крутящего момента. Электростатические машины, естественно, подходят для работы на низких скоростях и обеспечивают низкие электрические потери.

Более высокая эффективность как в двигателях, так и в генераторах — больший диапазон электрических трансмиссий, более низкие счета за коммунальные услуги для промышленных / производственных предприятий, большее производство энергии за счет возобновляемых источников энергии

Создание крутящего момента на низких скоростях без редуктора и без каких-либо требований к активному охлаждению

До 10-кратного удельного крутящего момента (Нм/кг) традиционных двигателей

Бесшумная работа – звуковой и электромагнитный шум

3

Способность удерживать положение практически без потерь энергии (<0,2% от полной мощности)

Точное управление движением без пульсаций крутящего момента и плавное движение (без зубчатого крутящего момента)

Возможность работы в полном погружении в воду

Масштабирование до мощности в несколько мегаватт с теми же принципами проектирования

Отсутствие редкоземельных металлов или магнитов – полная цепочка внутренних поставок

Никакая другая компания не занимается разработкой коммерчески жизнеспособных электростатических машин.

Патентная защита C-Motive разнообразна, универсальна и всеобъемлюща. C-Motive владеет 15 выданными патентами и заявками, эксклюзивно лицензировала еще 12 патентов Университета Висконсин-Мэдисон, в настоящее время занимается 20 дополнительными патентами и владеет более 50 коммерческими секретами.

Чтобы узнать больше об основных принципах электростатических машин, см. документ IEEE Макромасштабные электростатические вращающиеся машины и приводы: обзор и стратегия мультипликативного усиления производительности , автором которого являются сотрудники C-Motive.

 

В машинах C-Motive есть наборы каскадных и чередующихся роторных (подвижных) и статорных (прикрепленных) пластин. Эти роторы и статоры изготовлены из стандартных печатных плат (PCB) и имеют оптимизированный набор проводящих металлических дорожек (полюсов), которые расходятся от центральной ступицы на пластинах.

 

В дополнение к этим механическим и электрическим инновациям машины C-Motive заполнены запатентованной диэлектрической жидкостью. Жидкость C-Motive безопасна, нетоксична и получена из обычных химикатов, чтобы обеспечить общую безопасность наших продуктов в полевых условиях.

 

Привод машины управляет напряжениями, которые определяют выходную скорость и крутящий момент. Благодаря этим приводам машины C-Motive можно настраивать для любого применения.

 

Посетите наш канал YouTube

, чтобы увидеть больше видео!

Почему никто не сделал этого раньше?

Технически C-Motive не первая, кто пытается работать с электростатическими машинами — Бен Франклин сделал это первым. Серия мультипликативных достижений (механический дизайн, электрическая топология и электрохимия жидкости), описанная выше, была построена на плечах других ученых, изучавших конструкции электростатических машин. На самом деле концепция использования электростатических сил для создания двигателя была впервые описана Бенджамином Франклином в середине 1700-х годов. Тем не менее ограничения того времени — как в силовой электронике, так и в материаловедении — сделали электростатические машины предметом академических исследований, а не практической коммерческой реализации. Дизайн Бена Франклина опирался на наперстки и лейденские банки; В машинах C-Motive используются высокооптимизированные печатные платы, современная силовая электроника и достигают таких уровней крутящего момента, о которых в прошлом нельзя было и мечтать.

Устойчивое развитие — C-Motive

Устойчивое развитие

• Увеличение содержания углекислого газа непосредственно способствовало климатическому кризису
• Технология C-Motive оказывает меньшее влияние на выбросы углерода категории 2
• Без магнитов или меди выбросы углерода в объеме 3 значительно ниже

 

Декарбонизация

Снижение уровня CO2 (декарбонизация) необходимо для преодоления климатического кризиса. Значительные источники выбросов углерода окружают нас во многих отношениях; в то время как электромобиль может не сжигать ископаемое топливо и выделять меньше углерода, он все же может быть изготовлен из материалов, которые вносят значительный вклад в выбросы углерода. Из-за этого нам нужно копать глубже, чтобы действительно изменить уровень CO2.

 

Выбросы углерода разделены на три области:

Целенаправленная работа над обезуглероженными технологиями включает в себя работу с каждой областью и внесение улучшений там, где это возможно. Для C-Motive это означает повышение эффективности оборудования, устранение потребности в редкоземельных металлах и полную цепочку поставок внутри страны.

Новая технология двигателя C-Motive оказывает меньшее воздействие на окружающую среду в отношении выбросов парниковых газов как на этапе использования (область охвата 2), так и в отношении воздействия на окружающую среду исходных материалов (область охвата 3) по сравнению с другими двигателями на рынок.

Андреа Хикс, доктор философии Адъюнкт-профессор факультета гражданской и экологической инженерии Университета Висконсин-Мэдисон

Выбросы парниковых газов за 1 год использования
с использованием среднего профиля электроэнергии в США инвентарные базы данных)

Хотите узнать больше? Загрузите сравнение выбросов углерода C-Motive здесь.

СКАЧАТЬ

Экология

Устойчивое развитие

Экологическая устойчивость отражает желание улучшить благосостояние людей путем принятия мер по защите природных ресурсов (воды, воздуха, земли и т. д.).

Экономика

Устойчивость

Экономическая устойчивость описывает стремление улучшить использование важных активов для достижения максимальной экономической эффективности.

Человек

Устойчивое развитие

Устойчивое развитие человека означает поддержку вовлеченных лиц посредством предоставления возможностей для развития навыков и повышения общего благосостояния.

Социальная

Устойчивость

Социальная устойчивость связана с потенциальными результатами важных решений и тем, как эти решения могут повлиять на состояние будущих поколений.

Экологическая и экономическая устойчивость

Наш электростатический двигатель способствует значительному сокращению выбросов углерода за счет более высокой энергоэффективности. Благодаря использованию меньшего количества углерода в сырье в производственном процессе эффективность и сокращение выбросов углерода напрямую способствуют снижению затрат.