КВАНТОВЫЙ СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, НАЗЕМНЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2019 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании источников электрической энергии различного назначения с применением энергии магнитного поля Земли.

В настоящее время известен способ с использованием солнечной энергией (прототип) посредством солнечной батареи (фотоэлектрического генератора), преобразующей энергию светового излучения в электрическую энергию.

Электрический ток в солнечной батареи (СБ) возникает в результате процесса происходящего в фотоэлементе. При попадании на него светового излучения возникает фотоэлектронное - квантовое явление: испускание каждого отдельного фотоэлектрона происходит в результате поглощения им одного фотона. Энергия фотона полностью передается электрону так, что максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов удовлетворяет закону Эйнштейна: , где А - работа выхода электрона из рассматриваемого фотоэлемента, ν - частота излучения, h - постоянная Планка.

Основные недостатки известного способа: низкое значение, выходной мощности электрической энергии светового излучения, большие габариты СБ и зависимость выходной мощности от освещенности фотоэлемента. В качестве фотоэлемента СБ используется система состоящая из двух контактарующих разных полупроводниковых пластин или из полупроводниковой пластины и металла.

Задачей предлагаемого изобретения разработка квантового способа обеспечения электропитания космических аппаратов и наземных пользователей электрической энергией с использованием энергии магнитоэлектрических волн магнитного поля Земли и реализующего его устройство с высоким значением, выходной мощности и малогабаритного реализующего устройства независящего от освещенности.

Указанную задачу осуществляют путем когерентного приема магнитоэлектрических волн магнитного поля Земли малогабаритной сверхширокополосной магнитной антенной, когерентного индуцированного приема, фазовая обмотка которой размещена на кольцевом сердечнике из активного вещества, ориентируют его микроскопические магнитные моменты вдоль силовых линий магнитного поля и индуцируют в обмотке электродвижущую силу источника напряжения, затем запитывают этим напряжением обмотку магнитопровода из активного вещества электрического трансформатора и статорную обмотку асинхронной машины размещенную в пазах магнитопровода из активного вещества вмонтированного в статор асинхронной машины.

На Фиг. 1 приведен вариант малогабаритной, сверхширокополосной магнитной квантовой антенны индуцированного когерентного приема магнитоэлектрических волн магнитного поля излучаемого Землей. (Авиакосмическая техника и технология №2, 2014, С. 30-37).

Физическая сущность квантового способа электропитания космических аппаратов, наземных пользователей электрической энергией магнитного поля Земли и реализующего его устройства, заключается в следующем.

На Рис. приведена структура силовых линий магнитных полей, обусловленных радиационными поясами Земли и их взаимодействие между собой. (Авиакосмическая техника и технология №4, 2014, С. 26-34).

Магнитное поле Земли связано с магнитными полями, обусловленными радиационными поясами Земли.

а) - круговой ток; б) - северный магнитный полюс; в) - внешний радиационный пояс; г) - внутренний радиационный пояс; д) - южный магнитный полюс.

Рис. Структура силовых линий магнитных полей, обусловленных радиационными поясами Земли и их взаимодействия между собой

Изменяющиеся магнитные поля радиационных поясов индуцируют на поверхности Земли индукционные токи - токи Фуко, в результате которого Земля излучает индуцированное, магнитоэлектрическое вихревое поле, которое мы называем магнитным полем Земли.

В реальных условиях магнитное поле распространяется в материальной среде, которая этим полем намагничивается. Магнитное поле Земли - это пространство, в котором действуют магнитные силы, связанные с намагниченностью Земли в целом. В качестве силовой характеристики магнитного поля используется понятие напряженности Н.

Напряженность магнитного поля рассматривается в физике как вспомогательная величина, но с учетом того, что в СГС единицей напряженности магнитного поля (эрстед) и единица магнитной индукции (гаусс) численно совпадают и имеют одинаковую размерность, переход от единиц напряженности магнитного поля в СГС к единицам магнитной индукции в СИ осуществляется просто: напряженность поля 1 гамма (γ) соответствует индукции 1нТл; . Э=79,5775 А/м. (Ю.К. Меньшаков. Теоретические основы технических разведок. Москва, изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, С. 477).

Напряженность магнитного поля Земли на магнитном экваторе 0,34 эрстед, у магнитных полюсов - около 0,66 эрстед (~10^-5 нТл). В системе СИ напряженность магнитного поля Земли .

Принцип работы квантового способа электропитания космических аппаратов и наземных пользователей электрической энергией магнитного поля Земли основан на магнитоэлектрической индукции, открытой М. Фарадеем в 1831 году (Патент №2598312 МПК , 2016, RU).

Если в магнитное поле Земли поместить магнитную антенну, то под действием магнитного поля Земли содержащиеся в активном веществе магнитные диполи ориентируются в направлении поля Земли, усиливая напряженность магнитного поля.

В основе предлагаемого квантового способа лежит магнитная накачка активного рабочего вещества, магнитной антенной магнитоэлектрическим полем Земли, активного вещества статорной обмотки асинхронной машины, активного вещества электрического трансформатора постоянным напряжением индуцируемым в фазовой обмотке магнитной антенне.

накачка в приборах квантовой электроники - процесс возбуждения, активной среды (рабочего вещества) квантовой магнитной антенной под действием, магнитоэлектрического магнитного поля Земли, в результате которого нарушается равновесие распределения микрочастиц по энергетическим уровням. (Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия", Москва, 1969, с. 309)

Под термином индуцированное понимается совокупность радиотехнических, оптических устройств - генераторы, магнитные квантовые антенны, усилители и преобразователи частоты магнитоэлектрических волн, действие которых основано на явлении индуцированного (вынужденного) приема излучения, усиления. Вынужденное усиление возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания магнитоэлектрических волн огромным количеством атомов, молекул под действием внешнего магнитного поля Земли. Вынужденное излучение, усиление может происходить в диапазонах радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения (Квантовая электроника. - М.: Изд. «Советская энциклопедия», 1969, с. 11).

Согласно принципа применения взаимности для излучения приемных антенн (Г.Н. Кочержевский Антенно-фидерные устройства. - М.: Изд. «Связь», 1968, с. 106) направленные свойства антенны (амплитудная и фазовая характеристики направленности, коэффициент направленного действия) при ее работе в качестве передающей или в качестве приемной остаются одинаковыми (при условии, что приемник и передатчик присоединяются к одним и тем же точкам антенны). Из принципа взаимности вытекает обратимость процессов приема и излучения (передачи).

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, а следовательно и энергия атомов в целом в рабочем веществе не произвольна. При переходе атомного электрона с одного уровня энергии на другой атом может излучать или поглощать магнитоэлектрические волны.

Такой переход называется вынужденным или индуцированным. Переход электрона в состояние с большей энергией ε₂ сопровождается поглощением порции (кванта) энергии магнитоэлектрического поля Земли.

Условием вынужденного поглощения является равенство

,

где υ - частота поглощения; h - постоянная Планка, равная 6,62⋅10²³ эрг/сек; ε₁, ε₂ - энергии начального и конечного уровней.

Обратный вынужденный переход (прием) связан с испусканием кванта энергии в виде магнитоэлектрической волны. При этом частота и фаза колебаний возникших магнитоэлектрических волн в точности совпадают с частотой и фазой первичной волны, вызвавшей переход. Именно вынужденное излучение, вынужденный прием приводит к усилению амплитуды первичного значения магнитоэлектрического поля Земли.

Согласно интегральным формулировкам уравнений Максвелла под электромагнитными, магнитоэлектрическими полями следует понимать среду, пространственно-временное состояние которой полностью определяется (задается) четырьмя векторами:

- вектор напряженности электрического поля ;

- вектор электрического смещения ;

- вектор индукции магнитного поля ;

- вектор напряженности электрического поля .

Эти векторы удовлетворяют четырем уравнениям Максвелла:

1)

2)

3)

4)

где вектор - вектор плотности электрического тока

ρ - объемная плотность электрического заряда .

Наряду с электромагнитной индукцией имеет место симметричное явление магнитоэлектрической индукции при ).

Следовательно, среда пространственно-временного состояния физически описывается не одним, а двумя явлениями: электромагнитной индукцией и магнитоэлектрической, которым соответствуют электромагнитное поле и магнитоэлектрическое.

На практике в настоящее время применяются только электромагнитные волны и соответственно в качестве приемных, передающих антенн используются только электрические антенны. (Патент №2570651 МПК H04J 1/00, 2015, RU) Структура магнитоэлектрического поля отличается от структуры электромагнитного поля только местами линий векторов Е и Н. Электромагнитные волны, достигая приемных электрических антенн, возбуждают в них электродвижущие силы (ЭДС) пропорциональные мгновенному значению напряженности электрического поля. Магнитоэлектрические волны, достигая приемных магнитных антенн, возбуждают в них ЭДС пропорциональную мгновенному значению магнитного поля.

Волновое сопротивление воздушной (вакуумной) среды W_C имеет чисто активный характер и численно равно (Г.Б. Белочерковский. Основы радио-техники и антенны, часть I, С. 329)

где

- меридиональная составляющая вектора Е,

- азимутальная составляющая вектора Н,

, магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума),

, электрическая постоянная (диэлектрическая постоянная вакуума).

Соответственно волновое сопротивление среды, заполненное магнитоэлектрическим полем для свободного пространства определяется выражением. (Авиакосмическая техника и технология №4, 2014: - С. 26-34).

Физический смысл волнового сопротивления среды при распространении электромагнитных волн определяет отношение напряженности электрического поля к напряженности магнитного поля подобно тому, как волновое сопротивление длинной линии определяет отношение напряженности к току бегущей волны в проводах линии.

Физический смысл волнового сопротивления среды при распространении магнитоэлектрических волн определяет как отношение напряженности магнитного поля к напряженности электрического подобно тому, как проводимость длинной линии определяет отношение тока к напряжению.

На основании перестановочной инвариантности вытекающей из уравнения Максвелла при применении в качестве передающих магнитных антенн происходит усиление излучающих радиосигналов, а при применении их в качестве приемных происходит соответственно увеличение чувствительности приемных устройств. (Авиакосмическая техника и технология №4, 2014: - С. 26-34, Г.Н. Кочержевский. Антенно-фидерные устройства. Изд-ство "Связь", Москва 1968, С. 24).

В соответствии с выражением (Авиакосмическая техника и технология №4, 2014: - С. 26-34)

где

- мощность принимаемая магнитной антенной,

- мощность принимаемая электрической антенной,

При применение магнитной антенны для усиления магнитоэлектрического (магнитного) поля Земли, основанного на использовании индуцированного приема системой возбужденных частиц активного вещества, например пермоллоя с целью обеспечения электрической энергией космических аппаратов энергией магнитоэлектрического поля Земли, энергетический потенциал магнитоэлектрического (магнитного) поля в системе СИ повысится от начального значения, равного до значения

Энергия магнитного поля Земли цилиндрической катушки (статорной катушки) обмотки асинхронной может определятся выражением (X. Кухлинг. Справочник по физике, С. 351)

где

- абсолютная магнитная проницаемость ,

Н - напряженность магнитного поля ,

V - объем магнитного поля ,

W- энергия магнитного поля [Дж].

При запитывании индуцированным напряжением в фазовой обмотке магнитной антенне обмотку магнитопровода из активного вещества электрического трансформатора и статорную обмотку асинхронной машины, энергетический потенциал магнитоэлектрического (магнитного) поля Земли с целью обеспечения электрической энергией магнитного поля Земли наземных пользователей, повысится от значения до значения

Положительный эффект использования предложенного технического решения, преимущества квантового способа электропитания космических аппаратов, наземных пользователей электрической энергией магнитного поля Земли и реализующего его устройства по сравнению с известными решениями позволяет:

1) разработать и создать малогабаритный источник электрической энергии, обладающий высоким энергетическим потенциалом (большой мощностью) для космических аппаратов, используя энергию магнитного поля Земли;

2) разработать и создать экологически чистый источник электрической энергии, обладающий высоким энергетическим потенциалом (большой мощностью) для наземных пользователей, используя энергию магнитного поля Земли.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков предложенного технического решения.

Таким образом, предложенный квантовый способ электропитания космических аппаратов, наземных пользователей электрической энергией магнитного поля Земли и реализующее его устройство соответствует критериям новизны, изобретательскому уровню, промышленная применяемость и дает при использовании положительный эффект.

Изобретение относится к способу электропитания космических аппаратов и наземных пользователей электрической энергией. Производят прием солнечного излучения, при котором фотоэлементом, состоящим из двух контактирующих разнородных полупроводниковых пластин, преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Причем осуществляют когерентный прием магнитоэлектрических волн магнитного поля Земли малогабаритной сверхширокополосной магнитной антенной когерентного индуцированного приема, фазовая обмотка которой размещена на кольцевом сердечнике из активного вещества. Магнитные моменты указанного вещества ориентируют вдоль силовых линий магнитного поля, и индуцируют в обмотке электродвижущую силу источника напряжения. Далее запитывают этим напряжением обмотку магнитопровода из активного вещества электрического трансформатора и статорную обмотку асинхронной машины, размещенную в пазах магнитопровода из активного вещества, вмонтированного в статор асинхронной машины. Техническим результатом является возможность создания малогабаритных источников электрической энергии большой мощности для космических аппаратов и экологически чистых источников электроэнергии для наземных пользователей. 1 ил.

Способ электропитания космических аппаратов и наземных пользователей электрической энергией, заключающийся в том, что производят прием солнечного излучения, при котором фотоэлементом, состоящим из двух контактирующих разнородных полупроводниковых пластин, преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию, отличающийся тем, что осуществляют когерентный прием магнитоэлектрических волн магнитного поля Земли малогабаритной сверхширокополосной магнитной антенной когерентного индуцированного приема, фазовая обмотка которой размещена на кольцевом сердечнике из активного вещества, ориентируют его микроскопические магнитные моменты вдоль силовых линий магнитного поля и индуцируют в обмотке электродвижущую силу источника напряжения, затем запитывают этим напряжением обмотку магнитопровода из активного вещества электрического трансформатора и статорную обмотку асинхронной машины, размещенную в пазах магнитопровода из активного вещества, вмонтированного в статор асинхронной машины.