УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2011 года по МПК H02M9/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к движению электрических зарядов в электропроводной среде.

Известны устройства для передачи электроэнергии через электропроводную среду прямым контактом при помощи плоских металлических электродов различной формы и расположения. Электрическое поле, создаваемое в среде между ними, принято считать равномерным, при определенных токах [Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - 4-е изд., исп. - М.: Наука. - Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - С.187].

Недостаток - только геометрической формой и расположением плоских электродов не возможно создать равномерное распределение электрического поля между электродами в электропроводной среде, так как любую плоскую фигуру можно представить торцевым электродом, где истечение больших токов происходит по периметру площади контакта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для формирования равномерного электрического поля в электропроводной среде, основанный на истечении зарядов с электродов-иголок, расположенных перпендикулярно поверхности истечения - «люстра Чижевского» [Чижевский А.Л. Аэроионы и жизнь. Беседы с Циолковским / Сост., вступ. ст., подбор ил. Л.В.Голованова. - М.: Мысль, 1999. - С. 410-415 (прототип)].

Недостаток данного устройства заключается в том, что по законам электричества истечение зарядов не происходит одновременно со всех точек поверхности электрода (концов иголок), а только с тех, в которых проводимость среды, например воздуха, максимальна.

Задачей изобретения является обеспечение наибольшей равномерности распределения электрического поля во время прохождения одного из полупериодов переменного тока в электропроводной среде.

Задача решается устройством для формирования равномерного электрического поля в электропроводной среде, содержащим не менее трех фазных колец разного диаметра, расположенных соосно, цилиндрические фазные электроды, размещенные равномерно на фазных кольцах, и нулевой электрод, а каждое фазное кольцо соединено с соответствующим средством ограничения тока для подачи через него напряжения на фазное кольцо.

При этом фазные кольца расположены в одной плоскости, а нулевой электрод выполнен в виде диска.

Кроме того, каждое средство ограничения тока выполнено в виде сопротивления.

Для формирования равномерного электрического поля подают напряжение на все фазные кольца с ограничением тока на каждом фазном кольце и подключением нулевой фазы к нулевому электроду с обеспечением формирования конусных поверхностей из одноименных зарядов, растекающихся с кромок торцов цилиндрических фазных электродов через электропроводную среду в направлении нулевого электрода и создания зон равномерно распределенных зарядов в заданном объеме электропроводной среды, расположенной между торцами цилиндрических фазных электродов и нулевым электродом.

Сопоставительный анализ с прототипом [Чижевский А.Л. Аэроионы и жизнь. Беседы с Циолковским / Сост., вступ.ст., подбор ил. Л.В.Голованова. - М.: Мысль, 1999. - С. 410-415] показывает, что формируемое с помощью заявленного устройства электрическое поле равномерно распределено в момент прохождения через электропроводную среду одного из полупериодов переменного электрического тока и имеет плотную структуру в виде кольцевых зон, составленных из полых конусов истечения одноименных зарядов.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявленного решения с другими решениями показывает, что известно о наличии равномерного электрического поля при истечении зарядов с поверхности проводника, в электропроводную среду при малых токах, а увеличение тока приводит к истечению зарядов с максимально удаленных друг от друга точек объемной поверхности электрода и равноудаленных от второго электрода [Общая электротехника с основами электроники. Учебник для техникумов / В.А.Гаврилюк, Б.С.Гершунский, А.В.Ковальчук. - Киев: Вища школа. Головное изд-во. 1980. - С.10, 15, 44]. Однако неизвестно, что равномерное распределение электрического поля при прохождении одного из полупериодов переменного электрического тока в электропроводной среде может быть создано путем равномерного распределения одноименных зарядов, стекающих с цилиндрических фазных электродов, встроенных в фазные кольца, которые расположены соосно.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Покажем возможность, например, цилиндрического фазного электрода передавать электрические заряды с его поверхности для формирования равномерного электрического поля в заданном объеме электропроводной среды, основываясь на законе Ома для всей цепи, законе Кулона (силе взаимодействия двух зарядов) и первом законе Кирхгофа.

Основные положения, лежащие в основе изобретения.

1. Движение электрических зарядов в проводниках происходит по поверхности [Общая электротехника с основами электроники. Учебник для техникумов / В.А.Гаврилюк, Б.С.Гершунский, А.В.Ковальчук. - Киев: Вища школа. Головное изд-во. 1980. - С.10, 15, 44].

2. Истечение зарядов с поверхности (кромки) торца (это острые выступы - где наблюдается наибольшая плотность зарядов) электрода в начальный момент перехода в электропроводную среду имеет форму окружности (насыщенную одноименными электрическими зарядами).

Затем эти окружности, заполненные электрическими зарядами под действием Кулоновских сил, расширяются.

Согласно закону взаимодействия двух точечных одноименных зарядов [там же]

где F - сила взаимодействия двух зарядов, Q₁ и Q₂ - величины зарядов, ε_абс - абсолютная диэлектрическая проницаемость, l - расстояние между зарядами, происходит в электропроводной жидкой среде увеличение расстояния между зарядами. В каждый следующий момент времени при движении одноименных зарядов расстояние увеличивается. Таким образом получается конусная поверхность, состоящая из потока одноименных электрических зарядов.

3. Цилиндрические фазные электроды размещаются, например, на фазном кольце и подается фазное напряжение. Тогда согласно первому закону Кирхгофа [там же]:

где I₁, I₂, … + I_N - токи, входящие в узел, I¹, I², … + I^M - токи выходящие из узла.

4. Все входящие цепи входных токов (I₁ + I₂ + … + I_N) соединяются в один узел. При этом узел можно выполнить в виде окружности, а выходящие цепи - в виде набора стержней - цилиндрических фазных электродов, например, с плоскими цилиндрическими торцами,

5. Для создания равномерного электрического поля в заданном объеме электропроводной среды предлагается сжать конусные поверхности (путем изменения расстояния между фазными электродами, причем, используя закон Кулона (1)), заполненные движущимися однополярными зарядами, набором фазных колец с увеличивающимися диаметрами (цилиндрические фазные электроды, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга) и расположить их соосно, например, в одной плоскости.

6. Учитывая расположение набора фазовых колец с одинаковым количеством цилиндрических фазных электродов, расположенных равномерно по окружности, необходимо на каждое кольцо с набором цилиндрических фазных электродов, ограничить токи, например, резисторами. Объяснение связано с использованием законом Ома для всей цепи.

Согласно закону Ома (3)

I - ток проходящий через электрод и электропроводную среду, U - напряжение подаваемое на кольцо с электродами, R - сопротивление электрода, r - сопротивление электропроводной среды.

7. Расчетное обоснование ограничения входящего тока (согласно формуле (3) закона Ома) в фазные кольца при заданном количестве цилиндрических фазных электродов для создания равномерного электрического поля в заданном объеме электропроводной среды.

Пример расчета величин сопротивлений, включаемых в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения, электродов и электропроводной среды (например, для трех фазных колец).

Задаемся количеством цилиндрических фазных электродов на фазных кольцах: на первом фазном кольце расположено, например, 5 цилиндрических фазных электродов, на втором фазном кольце расположено, например, 10 цилиндрических фазных электродов, на третьем фазном кольце расположено, например, 15 цилиндрических фазных электродов. Расстояние между цилиндрическими фазными электродами выбираем, например, 5 см.

Тогда входящий ток для первого фазного кольца составит (согласно формуле (2) первого закона Кирхгофа) 5 А (задавшись по одному амперу выходящего тока с каждого цилиндрического фазного электрода).

Входящий ток для второго фазного кольца составит (согласно формуле (2) первого закона Кирхгофа) 10 А (задавшись по одному амперу выходящего тока с каждого цилиндрического фазного электрода).

Входящий ток на третьем фазном кольце составит (согласно формуле (2) первого закона Кирхгофа) 15 А (задавшись по одному амперу выходящего тока с каждого цилиндрического фазного электрода).

При использовании источника питания, равном 220 В (согласно формуле (3) закона Ома), получаем для первого кольца добавочное сопротивление R₁=44 Ом, R₂=22 Ом, R₃=15 Ом. Считаем, что сопротивление (г) электропроводящей среды - величиной постоянной.

Таким образом, создается возможность создания в заданном объеме электропроводной среды равномерного электрического поля путем сжатия конусных поверхностей, заполненных движущимися однополярными зарядами (согласно формуле (1) закона Кулона), при условии набора фазных колец с увеличивающимися диаметрами (цилиндрические фазные электроды, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга).

На чертеже изображена схема истечения зарядов в электропроводную среду с устройства, состоящего из трех фазных колец разного диаметра со встроенными фазными электродами. Для наглядности фазные кольца расположены соосно, но смещены по оси.

Предлагаемое устройство содержит: 1 - фазные кольца разного диаметра, 2 - цилиндрические фазные электроды, 3 - поток электронов истекающих в заданный объем электропроводной среды, 4 - нулевой электрод, выполненный в виде диска, 5 - зона равномерного распределения электрических зарядов в заданном объеме электропроводной среды, 6 - сопротивления, ограничивающий ток на кольца с электродами, 7 - источник напряжения.

Цилиндрические фазные электроды 2 расположены равномерно на нескольких фазных кольцах 1, как минимум трех, расположенных соосно.

Подают напряжение от источника 7 на все фазные кольца 1 с ограничением тока сопротивлениями 6 на каждом фазовом кольце 1.

Подключают нулевую фазу к электроду 4 (фиг.1), выполненному в виде диска.

Происходит формирование конусной поверхности 3 из одноименных зарядов, растекающихся с торцов цилиндрических фазных электродов 2 через электропроводную среду в заданном объеме в направлении нулевого электрода 4, выполненного в виде диска.

При этом происходит создание зон 5 равномерного распределения зарядов в заданном объеме электропроводной среды, расположенной между торцами цилиндрических фазных электродов 2 и нулевым электродом 4.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к движению электрических зарядов в электропроводной среде. Задачей изобретения является обеспечение наибольшей равномерности распределения электрического поля во время прохождения одного из полупериодов переменного тока в электропроводной среде. Устройство для формирования равномерного электрического поля в электропроводной среде содержит не менее трех фазных колец разного диаметра, расположенных соосно, цилиндрические фазные электроды, размещенные равномерно на фазных кольцах и нулевой электрод, а каждое фазное кольцо соединено с соответствующим средством ограничения тока для подачи через него напряжения на фазное кольцо. При этом фазные кольца расположены в одной плоскости, а нулевой электрод выполнен в виде диска. Кроме того, каждое средство ограничения тока выполнено в виде сопротивления. Для формирования равномерного электрического поля подают напряжение на все фазные кольца с ограничением тока на каждом фазном кольце и подключением нулевой фазы к нулевому электроду с обеспечением формирования конусных поверхностей из одноименных зарядов, растекающихся с кромок торцов цилиндрических фазных электродов через электропроводную среду в направлении нулевого электрода и создания зон равномерно распределенных зарядов в заданном объеме электропроводной среды, расположенной между торцами цилиндрических фазных электродов и нулевым электродом. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для формирования равномерного электрического поля в электропроводной среде, содержащее не менее трех фазных колец разного диаметра, расположенных соосно, цилиндрические фазные электроды, размещенные равномерно на фазных кольцах, и нулевой электрод, а каждое фазное кольцо соединено с соответствующим средством ограничения тока для подачи через него напряжения на фазное кольцо.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазные кольца расположены в одной плоскости.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нулевой электрод выполнен в виде диска.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждое средство ограничения тока выполнено в виде сопротивления.