СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2020 года по МПК H02N11/00 H01J1/304 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам генерации электроэнергии и может быть использовано для промышленного получения электроэнергии и применено для обеспечения электроэнергией широкого круга промышленных, транспортных и бытовых потребителей.

Широко известны различные способы получения электрической энергии, преобразующие один из видов энергии в электрическую: электрохимический, термоэлектрический, магнитоэлектрический, пьезоэлектрический, фотоэлектрический, с использованием ядерной энергии и другие (см. "Большая Советская энциклопедия". - М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1978, т. 10, с. 580-581). Общими для них проблемами являются низкий КПД преобразования исходной энергии в электрическую, а также экологическое загрязнение окружающей среды при утилизации используемых природных ресурсов. При этом, например, для создания и поддержания электромагнитного поля в генераторах или двигателях постоянного тока, для работы термоэлектрических генераторов, используемых в качестве источников тока, требуется потребление значительных объемов энергоносителей. Источники тока, преобразующие энергию солнечного излучения, эффективно могут быть использованы только в районах с большим числом солнечных дней в году. Кроме того, ряд источников электроэнергии в процессе функционирования наносит существенный вред окружающей природе (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции).

В том числе, известен способ получения электроэнергии, в котором для получения в обмотке, пронизываемой изменяющимся магнитным потоком, электрического тока, создают в прокачиваемом горючим газом объеме волну горения путем его поджига разрядом. При этом создаваемый магнитный импульс создает в обмотке с ферромагнитным элементом импульс электрического тока (см. «Способ получения электроэнергии», патент РФ №2091975, МПК⁶ H02N 11/00, Н05Н 1/24, Н01М 14/00, 1993 г.). Здесь химическая энергия горючего газа преобразуется в энергию магнитного импульса и далее в энергию электрического тока.

Недостатком этого способа является конструкционная сложность, низкий КПД, загрязнение окружающей среды.

Известен способ получения электрического тока, сущность которого заключается в том, что в процессе получения электрического тока для создания в носителе потока движущихся свободных электрических зарядов на него воздействуют потоком частиц полем космической среды, сформированным в зоне размещения носителя, создавая различную концентрацию электрических зарядов на разных его концах, обеспечивая тем самым направленное движение свободных электрических зарядов при наличии внешней цепи (см. «Способ получения электрического тока», патент РФ №2471284, МПК⁶ H02N 11/00, G21M 7/00, 1998 г.). В данном изобретении генерируемый постоянный ток получают, преобразуя энергию потока частиц поля космической среды.

Изобретение требует мощный внешний источник космического излучения, имеет низкий КПД преобразования энергии потока космических частиц в электроток.

Известен способ получения электроэнергии с помощью электростатического индукционного генератора переменного тока (впервые описанного в опубликованной 6 мая 1891 г статье Н.Теслы «Устройства электростатической индукции переменного тока», см. Тесла Н. Лекции и статьи. - М.: «Tesla Print», 2003. с. 188-189), в котором электрический ток индуцируется в проводнике, пронизываемом изменяющимся потоком переменного электрического поля, образуемого движущимися над пластинами проводника-приемника заряженными поверхностями.

Недостатком данного способа является сложность образования изменяющегося потока электрического поля движущимися заряженными поверхностями. Такая технология создания поля сопровождается большими потерями, связанными с выполнением механической работы по вращению плоскостей индуктора, испытывающему противодействие кулоновских сил, и необходимостью использования механизмов подвижного токосъема для подачи напряжения на индуктор, что значительно усложняет устройство генератора и снижает эффективность его работы. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа невысок. Последующие, развивающие этот способ, аналогичные изобретения (см. «Емкостной электростатический генератор», патент РФ №2075154, МПК⁶ H02N 1/08, 1993 г.) не устраняют указанные недостатки.

Также известен способ получения электроэнергии, в котором электроэнергию получают электрическим соединением между собой через нагрузку обкладок электрического конденсатора, которые размещают перпендикулярно силовым линиям электростатического поля и периодически экранируют от его воздействия (см. «Способ получения электроэнергии», патент РФ №2471284, МПК⁶ H02N 1/08, H02N 11/00, 2010 г.). Здесь энергия электростатического поля преобразуется в энергию переменного тока.

Недостатком является необходимость организации механического движения экрана внутри вакуумируемого рабочего пространства устройства.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ получения электрического тока, в котором в вакуумной камере, содержащей катод, термически соединенный с источником тепла, располагают токосъемный электрод сетчатой конструкции, а анод помещают вне вакуумной камеры над токосъемным электродом, причем токосъемный электрод периодически соединяют при помощи переключателя с конденсатором, накапливающим электрическую энергию преобразователя, при этом в паузах между тактами токосъема конденсатор через тот же переключатель подключают к обмотке выходного трансформатора, преобразующего постоянное напряжение в переменное, причем в тех же паузах на анод подают положительные импульсы высокого напряжения от выпрямителя, соединенного с трансформатором так, что периодически отсасывают пространственный заряд от катода, увеличивая его эмиссионную активность, при этом полезную нагрузку подключают к одной из обмоток трансформатора (см. «Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию», патент РФ №2087990, МПК⁶ H01J 45/00, 1994 г.). В этом изобретении получают импульсный переменный ток, используя внешнюю тепловую энергию для термоэмиссии электронов и энергию импульсов электростатического поля для перемещения образующегося электронного облака от катода в область токосъемного электрода.

Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа, способа является низкий КПД преобразования энергии, связанный с необходимостью использования стороннего источника тепла для разогрева катода, формирования импульсного режима генерации тока, потерями, вызванными использованием трансформаторных преобразований и дополнительного пускового электрода, что значительно усложняет устройство генератора и снижает эффективность его работы.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса преобразования энергии электрического поля в энергию электрического тока.

Поставленная задача достигается путем создания между эмиттером и анодом электровакуумного прибора, содержащего эмиттер, коллектор и анод, электростатического поля, применяя которое совместно вызывают автоэлектронную эмиссию и перемещают образовавшийся поток электронов от эмиттера к коллектору, а возникающую при этом разность потенциалов между коллектором и эмиттером используют для получения постоянного тока в подключенной к ним цепи полезной нагрузки.

Сущность изобретения состоит в замене энергозатратной термоэлектронной эмиссии на автоэлектронную и организации процесса движения носителей заряда с эмиттера на коллектор энергией электростатического поля вместо энергии поля импульсного. При этом используется ряд известных физических эффектов.

В том числе, общеизвестно и очевидно, что если на одном конце электрической цепи каким-либо способом (термическим, фотонным, полевым, туннельным и т.д.) организовать эмиссию электронов, то вся цепь приобретает положительный потенциал. Поэтому, экспортированные к другому концу цепи эмиссионные электроны в результате действия электростатических сил притяжения будут там захватываться. Таким образом, поддерживая эмиссию электронов с эмиттера и их перемещение к коллектору, получаем между эмиттером и коллектором разность потенциалов и протекание тока в связывающей их электрической цепи. Сила тока I при этом будет ограничена эмиссионной производительностью эмиттера и выбором способа эмиссии.

где:

J_Э - плотностью тока эмиссии, S_Э - рабочая площадь эмиттера.

Наиболее перспективно использование для этих целей автоэлектронного способа эмиссии, также именуемого полевым электронным или электростатическим. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются безынерционность, отсутствие подогрева, высокая плотность тока и резко нелинейная вольт-амперная характеристика. Замечательным свойством автоэлектронного способа эмиссии является и то, что для возбуждения автоэмиссии используется лишь энергия электростатического поля и способ не требует иных затрат энергии. При этом, в стационарном режиме теоретически возможно достижение плотности тока до 2…3 10¹² А/см², практически - до 10¹¹ А/см² на наноразмерных остриях автокатодов (см. Г.Р. Фурсей Автоэлектронная эмиссия. - М.: Лань, 2012. с. 105, 125, 230).

Автоэлектронная эмиссия из металлов в вакуум изучена наиболее полно. В этом случае плотность тока j следует закону Фаулера-Нордхейма:

где j - плотность тока эмиссии, Е - напряженность электрического поля, ϕ - работа выхода, функции а и b зависят от геометрии и работы выхода.

Автоэмиссия с учетом пространственного заряда для плоскопараллельного вакуумного диода приводит к известной формуле Богуславского-Ленгмюра:

где d - расстояние между электродами, k=2π(2m_e/e) (см. Г.Р.Фурсей Автоэлектронная эмиссия. - М.: Лань, 2012. с. 52).

Аналогично, закон справедлив для вакуумных термодиодов с любой конфигурацией катода и анода и для любых температур катода, при которых возможна термоэлектронная эмиссия. В общем случае,

где g - постоянная (так называемый первеанс) данного диода, зависящая от конфигурации и геометрических размеров его электродов (см. Гуртовник А.Г. и др. Электровакуумные приборы и основы их конструирования. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 77).

При этом, КПД преобразования энергии термоэмиссионным способом, как правило, не превышает 15%. Ограничение технически связано с потерями в организации термической эмиссии и образованием области пространственного электронного заряда между эмиттером и коллектором, препятствующей эмиссии электронов с поверхности эмиттера.

В общем классическом понимании, работа генератора электроэнергии заключается в разделении зарядов, происходящем на участке преобразования энергии под действием некоторой сторонней электродвижущей силы. Накапливаемые при этом на эмиттере и коллекторе генератора заряды противоположного знака создают выходное электрическое напряжение, подаваемое потребителям электроэнергии (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. -М.: Физматлит, 2008, с. 94-106).

В настоящем техническом предложении, также как во всяком генераторе, преобразуется энергия. А именно, энергия электростатического поля - в энергию электрического тока. Энергия электростатического поля в понимании современной квантовой физики представляет собой электродинамическую энергию потока квантов электрического поля, существующего между заряженными частицами.

Природа электродинамики более понятна с учетом физики квантового электростатического взаимодействия заряженных частиц (кулоновских, пондемоторных сил), осуществляемого посредством испускания и поглощения фотонов электромагнитного поля, имеющих энергию и импульс: «В классической электродинамике взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через поле: заряд создает поле, которое действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие электромагнитного поля и заряженной частицы выглядит как испускание и поглощение частицей фотонов, а взаимодействие между заряженными частицами является результатом их обмена фотонами: каждый из электронов испускает фотоны (кванты переносящего взаимодействие электромагнитного поля), которые затем поглощаются другими электронами» (Статья «Квантовая теория поля» //Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор A.M. Прохоров. 1983.; И.В. Савельев. Курс общей физики. Т.3. - М.: Лань. 2008. с. 239-240). Например, с начала прошлого века известно и практически измерено давление света, являющегося разновидностью электромагнитного излучения, образующегося вследствие наличия у его фотонов (квантов) импульса.

В качестве примера технических аналогов, преобразующих энергию электростатического поля в энергию электрического тока, а также в энергию механической работы, с использованием особым образом ориентированных электростатических сил и полей, можно привести устройства по патентам РФ: №2185526, №2225066, №2458451, №2471283, №2471284, №2629846.

Пути реализации заявленного способа получения электрического тока рассмотрим на примере возможных вариантов конструкции генератора электроэнергии, представленных на рисунках фиг. 1 и фиг. 2.

Генератор содержит размещенные в вакуумной камере 1 эмиттер 2, коллектор 3, анод 4, цепь нагрузки Rн 5, подключенную к эмиттеру 2 и коллектору 3, а также экранирующую (защитную) сетку 6 и магнитное поле 7, образованное внешним источником магнитного поля в виде постоянного или электрического - магнита. При этом цепь нагрузки может стандартно экранироваться от действия анодного поля (на рисунках не показано).

Работа генератора электрического тока заключается в следующем.

Электростатическое поле напряженностью Е создают подачей анодного напряжения U_a на анод 4 относительно эмиттера 2 устройства. Под его действием вызывается автоэлектронная эмиссия с поверхности эмиттера 2, а образовавшийся поток электронов направляется к коллектору 3 генератора. Причем, в примере, представленном на фиг. 2, в направлении потока электронов к коллектору 3, вынесенному за пределы зоны максимального действия анодного поля, участвует магнитное поле 7 с индукцией В, направленное перпендикулярно силовым линиям анодного поля, а потому создающее силы Лоренца F_л=V×В, соответствующе изменяющие траекторию потока эмитированных электронов, движущихся со скоростью V. Экранирующая (защитная) сетка 6 дополнительно препятствует перемещению эмиссионных электронов от коллектора к аноду.

Накопившиеся на коллекторе эмиссионные электроны понижают потенциал коллектора 3 относительно эмиттера 2 генератора до разности U_эк, в результате чего, в подключенной к ним цепи нагрузки Rн 5 протекает постоянный электрический ток I_к=U_эк/Rн. При этом, величины U_эк и I_к определяются эмиссионной производительностью (плотностью тока j_э) эмиттера и значением нагрузки Rн.

С учетом того, что работа рассматриваемого генератора возможна при использовании эмиссии электронов с поверхности эмиттера любой природы, причем результата! эмигрирования описываются одними и теми же выражениями и практически идентичны для термо- и автоэлектронной эмиссии, для проверки работоспособности предлагаемого способа была собрана схема на ламповом пентоде 6Ж7, изображенная на фиг. 3. Эмиссия с оксидного катода пентода возбуждалась стандартной цепью косвенного накала с напряжением 6,3В. Положительное напряжение на экранирующую сетку С_э, в отличие от штатной схемы использования пентода, не подавалось. В результате, лампа приобрела свойства триода с так называемой «правой характеристикой», при которой без положительного сигнала на управляющей сетке С лампа закрыта и анодный ток отсутствует (см. И.П. Жеребцов. Основы электроники. - Л-д.: Энергоатомиздат, 1985. с. 198). Соединив играющую роль коллектора сетку С через вольтметр (с входным импедансом 10 Мом) с эмиттером в виде катода К, получаем конструкцию предлагаемого генератора, непринципиально отличающегося лишь способом эмиссии действующего в нем электронного потока.

В эксперименте, изменяя анодное напряжение U_a от 0 В до значения в 250 В, номинального для данного пентода, измеряли напряжение U_кс между катодом и сеткой, получив при этом совокупность значений выходной характеристики генератора: U_кс(U_a), изображенной на рисунке фиг. 4. Начальное значение характеристики U_кс=0,4 В при U_a=0 соответствует уровню термоэлектронной эмиссии, примененной в данном варианте. В теории конструирования радиоламп это явление носит название «прямой ток сетки» (см. Гуртовник А.Г. и др. Электровакуумные приборы и основы их конструирования. - М.: Энергоатомиздат, 1988. с. 127-128). На интервале U_a=(0В…75 В) наблюдаем монотонный рост значений U_кс=(0,4 В…0,59В), характерный для автоэлектронной эмиссии, описываемой выражением (3). В дальнейшем, при U_a=(75В…250 В) наступает насыщение U_кс=0,62 В, определяемое эмиссионной производительностью термокатода данной лампы. Анодный ток при этом отсутствовал: I_а=0,0 мкА.

Таким образом, полученные экспериментальные результаты соответствуют теоретическим положениям и подтверждают работоспособность предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемого способа получения электрического тока дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:

позволяет упростить конструкцию генераторов, производящих электроэнергию;

экономичнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;

является экологически чистым способом производства электроэнергии.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения электрического тока отличается иной, более простой и более экономичной технологией образования электрического тока, осуществляемого путем замены энергозатратной термоэлектронной эмиссии на электрополевую и организации процесса движения носителей заряда с эмиттера на коллектор энергией электростатического поля вместо энергии поля импульсного, без более сложных и энергоемких операций нагрева термокатода и трансформаторных преобразований тока.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия известных и широко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике технологий автоэлектронной эмиссии и управления эмиссионным электронным потоком, а также не требует использования каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов.

В частности, целесообразно использовать технологии изготовления радиоламп типа тетродов и ламп бегущей волны. Автоэлектронные эмиттеры находят в современной технике широкое применение как яркий точечный источник электронов в электронных микроскопах (просвечивающих и растровых), в рентгеновских микроанализаторах, а также как интенсивный источник электронов в ускорителях, приборах СВЧ и др. (см. Шредник В. Н. Автоэлектронная эмиссия// Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988.- Т. 1.- С. 21). Известны многочисленные разработки автоэмиттеров, например, по патентам РФ: №2651584; №2097869; №2074444. Особенно перспективны автоэмиттеры на базе наноуглеродных материалов, имеющие наименьшее удельное значение напряжений возбуждения автоэмиссии (см. Д.А. Усанов, Р.К. Яфаров. Исследование автоэлектронной эмиссии из наноуглеродных материалов. - Издательство Саратовского университета, 2007.).

Способ получения электрического тока относится к области электротехники и может быть использован для промышленного производства электроэнергии. Электроэнергию получают путем создания между эмиттером и анодом электровакуумного прибора, содержащего эмиттер, коллектор и анод, электростатического поля, с помощью которого совместно вызывают автоэлектронную эмиссию и перемещают образовавшийся поток электронов от эмиттера к коллектору, а возникающую при этом разность потенциалов между коллектором и эмиттером используют для получения постоянного тока в подключенной к ним цепи полезной нагрузки. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса преобразования энергии электрического поля в энергию электрического тока. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения электрического тока, включающий создание между эмиттером и анодом электровакуумного прибора, содержащего эмиттер, коллектор и анод, электрического поля, под действием которого поток эмитированных с поверхности эмиттера электронов направляется к коллектору, что приводит к понижению потенциала коллектора относительно эмиттера, а возникающая разность потенциалов используется для получения тока в цепи полезной нагрузки, отличающийся тем, что используют электростатическое поле, применяя которое совместно вызывают автоэлектронную эмиссию и перемещают образовавшийся поток электронов от эмиттера к коллектору, при этом в цепи полезной нагрузки, которую подключают к коллектору и эмиттеру, получают постоянный электрический ток.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коллектор в форме сетки размещают между эмиттером и анодом, причем сетку изготовляют с проницаемостью, обеспечивающей проникновение электрического поля от анода к эмиттеру и непопадание эмитированных электронов на анод.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что между коллектором и анодом помещают и подключают к эмиттеру экранирующую сетку, чем экранируют коллектор от поля анода и дополнительно препятствуют попаданию электронов на анод.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коллектор располагают за пределами зоны максимального действия поля анода, при этом поток эмитированных электронов направляют на коллектор с помощью ориентированного поперечно к полю анода постоянного магнитного поля, которое формируют внешним источником магнитного поля с использованием постоянного или электрического магнита.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед коллектором помещают и подключают к эмиттеру защитную сетку, чем исключают отражение электронов от поверхности коллектора и их перемещение к аноду.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что цепь полезной нагрузки экранируют от воздействия анодного напряжения и иных внешних электромагнитных возмущений.