ЗАМОК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ
ELECTROSTATIC LOCKING UNIT

Замок электростатический (ЗЭС) - относится к устройствам фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов различных механизмов и устройств с возможностью их последующего обратного разъединения, и функционирует за счет электростатической (кулоновской) силы притяжения между электродами, заряженными противоположными электрическими зарядами и разделенными узким слоем диэлектрика. Данное устройство может служить запирающим устройством (замком), а также использоваться во многих других аналогичных технических целях. Известны запорные устройства - активные магнитные замки, основанные на магнитном взаимодействии электромагнита и якоря из металла с большой магнитной проницаемостью, между которыми при протекании электрического тока через электромагнит возникает сила притяжения, удерживающая замок в закрытом состоянии. Основным недостатком данного устройства является необходимость в постоянном источнике питания: без подачи электроэнергии замок открывается, постоянная мощность таких устройств обычно не менее 5-10 Вт. ЗЭС не имеет вышеуказанного недостатка, поскольку необходимость в электроэнергии необходима только в момент запирания. Кроме того, для функционирования ЗЭС требуется минимум электроэнергии, что позволяет использовать его в автономных решениях, когда подвод сетевого электропитания затруднителен или исключен; позволяет использовать только возобновляемые источники энергии: солнечные батареи; термопары; электрические генераторы малой мощности, преобразующие механическую энергию движения фиксируемых частей и элементов в момент фиксации (закрытия) ЗЭС в электрическую. Несмотря на очевидные преимущества перед магнитными замками, в настоящее время использование электростатической силы для фиксации и удержания отдельных элементов имеет ограниченное применение, как правило, в тех областях техники, где для достижения необходимого эффекта достаточно сравнительно небольшого усилия. Широкое распространение получили электростатические зажимные патроны (electrostatic chuck), в основном использующиеся для захвата и удержания кремниевых подложек при производстве микросхем и других полупроводниковых приборов, например: патент США №5207437, патент США №5625526, патент США №7724493 В2. Также используются так называемые электростатические держатели (electrostatic holder) для бумаги, как правило, в устройствах для печати, например: патент США №3571678, патент США №4751609, патент США №5307579. Все эти технические решения имеют в своей конструкции общие элементы: электроды, между которыми размещается один или несколько слоев диэлектрика так, что если сообщить электродам электрические заряды противоположного знака посредством источника электропитания, они притягиваются друг к другу, а также притягивают удерживаемый объект, на котором под воздействием электрического поля электродов возникает поляризационный заряд, притягивающийся к электродам. Известны попытки создания запорных устройств (замков), использующих электростатические силы притяжения для захвата и удержания в фиксированном (закрытом) состоянии соответствующие запорные элементы, например: патент США 4912460, патент РФ №2042028, патент РФ №2158438. В этих устройствах аналогично используются электроды и диэлектрики для накопления электрических зарядов противоположного знака для электростатического захвата и фиксации друг относительно друга электродов, кинематически связанных с запорным механизмом. Однако все эти технические решения имеют один общий и принципиальный недостаток: простое подключение электродов к источнику электрической энергии, используемое или подразумеваемое в данных технических решениях, не только не гарантирует получение требуемого технического результата - создание стабильных зарядов и сил притяжения между ними, удерживающих электроды в фиксированном друг относительно друга состоянии, но во многих случаях обуславливает принципиальную невозможность получения такого результата. Именно гарантированное накопление стабильных электрических зарядов, создающих устойчивую к внешним и внутренним воздействиям силу электростатического притяжения между фиксируемыми электродами ЗЭС, является основным техническим результатом настоящего изобретения, включающего в себя соответствующую электрическую схему и другие технические элементы.
d
Рассмотрим устройство на фиг.1, состоящее из двух одинаковых плоских электродов 1 из проводника (пластин, имеющих площадь S), разделенных нанесенными на электроды одинаковыми слоями диэлектрика 2 (с относительной диэлектрической проницаемость ε и суммарной толщиной d). Пластины могут двигаться друг относительно друга в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, при этом образовавшееся пространство 3 между слоями диэлектрика заполняется воздухом, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость, приблизительно равную единице. В таком виде данное устройство является электрическим конденсатором переменной емкости, величина которой зависит от величины воздушного зазора между электродами x:
0
0
d
-12
Где ε - электрическая постоянная, равная 8,85·10 Ф/м. Когда х=0, емкость конденсатора будет равна: С(0)=εεS/d. Если зарядить электроды одинаковыми противоположными зарядами Q, между электродами возникнет разность потенциалов U=Q/C(x) и электростатическая (кулоновская) сила притяжения.
Для нахождения величины этой силы воспользуемся принципом виртуальной работы (см. [1]): сила притяжения будет равна отношению бесконечно малого приращения энергии конденсатора ΔW к бесконечно малому приращению Δх, т.е. производной энергии по координате х (это является простым следствием закона сохранения энергии: работа внешней силы полностью идет на изменение электростатической энергии конденсатора). Энергия конденсатора при постоянном заряде равна
Тогда, подставляя (1) в (2) и дифференцируя, получаем:
Где W(0) - энергия конденсатора в положении, когда х=0. Следует отметить, что энергия конденсатора растет линейно с ростом х, а полученная сила притяжения не зависит от величины воздушного зазора х и является постоянной величиной, определяемой емкостными параметрами устройства и размером накопленных зарядов (или W(0) - начальной электрической энергии, сообщенной устройству).
Выражение для силы притяжения (3) можно получить непосредственно, как произведение величины заряда на одной из пластин Q на результирующую напряженность электрического поля Е, действующую на заряд, равную сумме напряженности электрического поля, создаваемую зарядом на другом электроде, и напряженности, создаваемой вектором электрической поляризации диэлектрика.
d
d
-5
4
-3
Отношение силы притяжения к энергии заряда F/W в (2) и (3) равно отношению ε/d, которое может достигать огромных значений. Например, если относительная диэлектрическая проницаемость ε=100 (обычная конденсаторная керамика), а толщина диэлектрика d=10 мкм (10 м), для того, чтобы создать удерживающее усилие, эквивалентное 1 тонне (10 Н), достаточно сообщить конденсатору энергию в 10 Дж. Однако если для этого просто включить в электрическую цепь источник питания (например, аккумуляторную батарею), работать такое устройство не будет. Причина заключается в том, что сила притяжения между электродами ЗЭС принципиально зависит от стабильности зарядов на электродах: любая возможность оттока зарядов с электродов или колебаний величины зарядов в результате переходных процессов, возникающих при зарядке электродов, резко уменьшает силы притяжения при возникновении даже очень малого (по сравнению с шириной слоя диэлектрика) воздушного зазора между электродами.
0
x=0
0
0
Для того чтобы в этом убедиться, рассмотрим работу вышеописанного устройства на фиг.1, заряжающегося от аккумуляторной батареи 4 с постоянной ЭДС, равной U: для перевода устройства из открытого состояния (электроды разряжены и могут свободно двигаться друг относительно друга) в закрытое положение (х=0) подсоединяют к аккумуляторной батарее 4 с помощью включателя 5. Для идеальной электрической цепи мы в начальный момент времени получим стационарный заряд на конденсаторе Q=C(0)U и силу притяжения , совпадающую с силой в (3). Но данные выражения будут верны только для положения х=0. Разность потенциалов на конденсаторе теперь всегда постоянна и равна U, если мы начнем увеличивать воздушный зазор х, емкость конденсатора, согласно формуле (1), начнет уменьшаться, а заряд на конденсаторе, равный произведению напряжения и емкости, тоже начнет уменьшаться (начнется разряд через аккумулятор):
Также будет убывать энергия конденсатора . Для нахождения силы притяжения между пластинами конденсатора теперь нужно подставить (4) в (3):
d
-5
-6
-5
Сила притяжения резко уменьшается при возникновении даже очень малых воздушных зазоров. Так, в рассмотренном выше примере с ε=100 и d=10 мкм (10 м), при возникновении воздушного зазора с толщиной х=d/10=1 мкм (10 м) сила притяжения уменьшается в 121 раз, а при х=d=10 мкм (10 м) уменьшается более чем в 10000 раз и составляет менее 1 Н.
0
При этом в момент закрытия устройства (х=0) после подачи напряжения от аккумуляторной батареи на электроды в цепи начинается переходный процесс - возникают постепенно затухающие колебания, обусловленные наличием у реальной электрической цепи и у батареи, кроме емкости фиксируемых электродов, собственных неустранимых емкостей, индуктивностей и сопротивлений, величины которых вместе с емкостью фиксируемых электродов будут определять частоту колебаний ω и скорость их затуханий β, а начальная амплитуда будет определяться начальными условиями (величиной U) (см. [2]):
к
к
к
В первом приближении такую реальную электрическую цепь можно представить в виде эквивалентной схемы замещения, содержащей последовательно соединенные индуктивность L, емкость С и сопротивление R, т.е. в виде простейшего колебательного контура, и для ω и β имеем: , .
0
0
Из формулы (6) видно, что при включении питания в начале переходного процесса, когда затуханием еще можно пренебречь, величина заряда на электродах будет колебаться от 0 до 2Q=2C(0)U, и будут возникать моменты времени, когда сила электростатического притяжения, пропорциональная квадрату заряда, будет равна нулю. Любое воздействие на электроды в этот момент приведет к возникновению воздушных зазоров, стремительному уменьшению силы притяжения согласно формуле (5), и сделает невозможным дальнейшую фиксацию электродов ЗЭС друг относительно друга без приложения дополнительной внешней силы, т.е. устройство не сможет выполнить свое функциональное назначение.
Факторами, создающими силу отталкивания между электродами, когда заряды на электродах уменьшаются до нуля, являются: сила упругости, противодействующая электростатической силе притяжения, деформирующей электроды и диэлектрик, которые в данном случае становятся подобны сжатой пружине; магнитная сила ампера, возникающая между симметрично расположенными электродами, по которым одновременно протекают одинаковые токи противоположных знаков. На фиг.5 показаны такие токи, отталкивающиеся друг от друга и равные производным по времени от зарядов (6). Эти токи будут колебаться в противофазе с величинами зарядов и будут принимать максимальные по модулю значения именно в моменты времени, когда заряды на электродах становятся равны нулю.
На основании вышеперечисленного, можно сделать вывод, что устройство на фиг.1 не может выполнять свою основную функцию - фиксацию электродов. Для достижения этого технического результата и успешной работы ЗЭС необходимо исключить возможность возникновения токов, обратных токам зарядки электродов. Для этого достаточно включать в рабочую электрическую схему ЗЭС электрические вентили - устройства с нелинейной ВАХ: максимально малым сопротивлением в прямом направлении и максимально большом в обратном. Например, таким устройством может быть выпрямительный диод. На фиг.2 пара таких вентилей, обозначенных цифрой 6, включенных последовательно с электродами и источником питания в цепь ЗЭС, исключают обратный ток и удерживают заряды на электродах, обеспечивая постоянную силу притяжения между ними согласно формуле (3), а также служат фильтром, устраняющим колебания переходного процесса при включении источника питания. Таким образом, на фиг.2 приведен ЗЭС, гарантирующий достижение нужного технического результата: два электрода 1, диэлектрик 2, нанесенный на электроды, при этом электроды могут плотно без воздушных зазоров примыкать друг к другу своими сторонами, покрытыми диэлектриком, и как минимум один из электродов может двигаться относительно второго, образуя между ними зазор 3; два электрических вентиля 6, каждый из которых соединен последовательно со своим электродом максимально близко к электроду таким образом, чтобы обеспечить возможность электродам накапливать противоположные электрические заряды и исключить возможность их обратного тока; переключатель (электрический ключ) 5, замыкающий электроды и электрические вентили в единую цепь с источником электрического питания 4 при закрытии ЗЭС, а также в другом положении замыкающий электроды накоротко (или через шунтирующее сопротивление 7) при открывании ЗЭС.
На фиг.3 представлен ЗЭС, содержащий кроме электродов 1, заряжаемых непосредственно от источника электрического питания (первичные электроды), вторичный электрод 12, отделенный слоями диэлектрика 2 от первичных электродов и плотно к ним примыкающий при фиксации (закрытии) ЗЭС, так что при накоплении электрических зарядов на первичных электродах на вторичном электроде на поверхности контакта (через диэлектрик) с первичными электродами накапливаются вторичные заряды, индуцированные (наведенные) электрическими полями первичных зарядов на первичных электродах; при этом индуцированные вторичные заряды имеют противоположный знак по отношению к индуцирующим их первичным зарядам, что создает силу электростатического притяжения между первичными и вторичными электродами. Функционирование такого ЗЭС полностью аналогично тому, что показан на фиг.2, и во многих случаях оказывается удобнее и проще.
-3
Очень важным для нормальной работы ЗЭС является включение одного из электродов в состав вращательной кинематической пары (например, посредством шарового шарнира) для того, чтобы дать возможность этому электроду совершать небольшие повороты для точной подгонки к другому электроду при закрытии ЗЭС. Иначе, неизбежные технические допуски при монтаже элементов ЗЭС будут приводить к неустранимым воздушным зазорам и невозможности нормальной работы ЗЭС. Например, в случае плоских электродов, когда плоскость одного электрода становится непараллельной плоскости другого, для электрода длиной 1 см достаточно угла в 10 радиан, чтобы воздушный зазор между электродами составил до 10 мкм, что практически исключает возможность работы ЗЭС.
Для более надежной работы ЗЭС возможно включение в общую цепь параллельно электродам ЗЭС дополнительного конденсатора, электрические вентили при этом должны располагаться между электродами и дополнительным конденсатором. На фиг.4 этот дополнительный конденсатор обозначен цифрой 8. Такое включение особенно оправдано при использовании автономных источников питания: импульсного генератора (например, пьезогенератора) или источника с нестабильным напряжением (например, солнечной батареи или термопары). Поскольку без подзарядки электроды ЗЭС будут медленно разряжаться из-за неизбежных токов утечки, при достаточно большой емкости дополнительного конденсатора срок нахождения ЗЭС в закрытом состоянии может быть практически не ограничен. Если аналогично дополнительному накопительному конденсатору параллельно ему включить в цепь конденсатор переменной емкости, то это позволит после закрытия ЗЭС, изменяя емкость этого конденсатора, регулировать напряжение на закрытом ЗЭС, увеличивая его, и, соответственно, увеличивать силу притяжения между электродами. Если емкость такого конденсатора мала по сравнению с емкостью электродов в закрытом состоянии, то его можно включать в цепь параллельно фиксируемым электродам, минуя электрические вентили. На фиг.4 данный конденсатор обозначен цифрой 9. Увеличивая емкость такого конденсатора, можно уменьшать напряжение на электродах ЗЭС и уменьшать силу притяжения между электродами. Емкость такого конденсатора в момент закрытия ЗЭС не должна превышать некоторого критического значения, иначе работа устройства может стать нестабильной из-за переходных процессов в момент закрытия ЗЭС. Идеальным является вариант, когда емкость такого управляющего конденсатора в момент фиксации (закрытия) ЗЭС равна нулю, а в момент открытия становится на несколько порядков больше емкости фиксируемых электродов С(х). В этом случае данный управляющий конденсатор может использоваться для открытия и закрытия ЗЭС: для закрытия одновременно с подключением электропитания управляющий конденсатор переводится в положение, когда его емкость равна нулю, для открытия одновременно с отключением ЗЭС от электропитания конденсатор переводится в положение, когда его емкость максимальна. Существенным для работы ЗЭС является снабжение его электрической схемой открытия, предусматривающей в момент открытия перезарядку одного из электродов зарядом противоположного знака, при этом другой электрод остается заряженным первоначальным зарядом. В результате между электродами возникнет электростатическая сила отталкивания, ускоряющая открытие ЗЭС, что может быть особенно важным при возникновении эффекта слипания электродов и/или диэлектриков ЗЭС в результате длительного нахождения в закрытом состоянии. На фиг.4 приведена электрическая схема такого ЗЭС, дополнительно содержащая катушку индуктивности 11 и электрический вентиль 10, каждый из которых усиливает эффект электростатического отталкивания.
Для повышения надежности закрытия и открытия ЗЭС целесообразно создание двух разных групп контактов присоединения электродов в электрическую цепь ЗЭС: группы симметричных контактов, каждый из которых расположен на своем электроде симметрично контакту, расположенному на противолежащем электроде, заряжаемому противоположным по знаку зарядом, к которому он притягивается (аналогично контактам на фиг.5), так что при разрядке электродов при открытии ЗЭС создается дополнительная отталкивающая противолежащие электроды электромагнитная сила ампера (сила взаимодействия токов разрядки противолежащих электродов), облегчающая и ускоряющая открытие ЗЭС; и группы антисимметричных контактов, каждый из которых расположен на своем электроде антисимметрично контакту, расположенному на противолежащем электроде, заряжаемому противоположным по знаку зарядом, к которому он притягивается (аналогично контактам на фиг.6), так что при зарядке электродов при закрытии ЗЭС создается дополнительная притягивающая противолежащие электроды электромагнитная сила ампера (сила взаимодействия токов зарядки противолежащих электродов) облегчающая и ускоряющая закрытие ЗЭС; при этом при закрытии ЗЭС подключение электродов в цепь происходит только через антисимметричные контакты (симметричные отсоединены), а при открытии ЗЭС подключение электродов происходит только через симметричные контакты (антисимметричные отсоединены). Для усиления этого эффекта в некоторых случаях оказывается полезным включение в ЗЭС электромагнитного привода для доводки и начальной фиксации замка с помощью электромагнита. После окончания закрытия ЗЭС и возникновения устойчивой силы притяжения между электродами электромагнит отключается, и действуют только электростатические силы притяжения.
Для повышения наглядности изложенного выше материала изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:
фиг.1 - устройство, содержащее электроды 1, разделяющий электроды диэлектрик 2, зазор между диэлектриками 3, который можно уменьшить до нуля, источник питания 4 и электрический ключ 5, но которое не может стабильно выполнять функции замка электростатического (ЗЭС);
фиг.2 - замок электростатический (ЗЭС), содержащий все вышеперечисленные элементы устройства на фиг.1, дополнительно содержащий электрические вентили 6, обеспечивающие получение необходимого технического результата при закрытии ЗЭС, и содержащее шунтирующее сопротивление 7;
фиг.3 - замок электростатический (ЗЭС), отличающийся от ЗЭС на фиг.2 тем, что кроме первичных электродов 1, напрямую заряжаемых от источника электропитания, содержит вторичный электрод 12, на котором зарядами на первичных электродах индуцируются вторичные заряды;
фиг.4 - замок электростатический (ЗЭС), отличающийся от ЗЭС на фиг.2 тем, что содержит конденсатор 8 для увеличения срока нахождения ЗЭС в закрытом состоянии, управляющий конденсатор переменной емкости 9, а также содержит схему перезарядки одного из электродов зарядом противоположного знака при открытии ЗЭС для ускорения открытия, которая дополнительно включает электрический вентиль 10 и катушку индуктивности 11;
фиг.5 - фигура, иллюстрирующая эффект отталкивания за счет электромагнитной силы ампера, возникающий между электродами, заряжаемыми зарядами противоположных знаков и подключенными к источнику питания симметрично;
фиг.6 - фигура, иллюстрирующая эффект притяжения за счет электромагнитной силы ампера, возникающий между электродами, заряжаемыми зарядами противоположных знаков и подключенными к источнику питания антисимметрично.
Источники информации
1. Фейнман Ричард Ф., Лейтон Роберт Б., Сэндс Мэтью Фейнмановские лекции по физике. Вып.5: Электричество и магнетизм: Учебное пособие. Пер. с англ. / Под ред. Я.А. Смородинского. Изд. 5-е. М.: Издательство ЛКИ, 2010. - 304 с.
2. Иванов А.Е, Иванов С.А. Электродинамика: учебник. - М.: КНОРУС, 2012. - 576 с.