Устройство создания направленного электрического разряда (управляемая молния).

Суть полезной модели: Суть полезной модели заключается в том, что устройство формирования высоковольтных импульсов создаёт одиночный импульс с высоковольтным напряжением U и длительностью t или последовательность однополярных или разнополярных импульсов с высоковольтным напряжением U и длительностью t, которые подаются на дипольную двухштыревую антенну, где в качестве одного штыря распространения электрического разряда/тока (управляемой молнии) выступает короткий электрод в диэлектрической изоляции и луч лазера или ионизированный/плазменный канал в воздухе, а в качестве второго штыря распространения электрического разряда/тока выступает длинный проводящий штырь в диэлектрической изоляции или безиндуктивная катушка с намоткой Айртона-Перри или с кольцевой безиндуктивной намоткой.
Описание полезной модели: Полезная модель относится к области электрических аппаратов, предназначенных для создания электрического разряда и его дистанционного воздействия на объект/тело, и может быть использовано в науке, в промышленности и в других применениях. Наиболее перспективно применение полезной модели в сфере дистанционного воздействия электрическим разрядом/током на объекты/тела, а также в любой сфере, где требуется использование направленных электрических разрядов в воздухе.
1 – короткий электрод в диэлектрической изоляции; 2 – проводящий штырь в диэлектрической изоляции; 3 – лазер; 4 – луч лазера (3) или ионизированный/плазменный канал в воздухе; 5 – устройство формирования высоковольтных импульсов; 6 – безиндуктивная катушка; 7 – кольцевые проводники; 8 -  перемычка-проводник; 9 -  изолятор/диэлектрик; 10 – источник питания; 11 - схема управления; 12 - повышающий высоковольтный трансформатор; 13 - ключи К; 14 - диоды D.
I
раз
раз
и др. - векторное представление величин, I и др. – скалярное представление величин. (-) в круге вектор выходит из плоскости изображения, (+) в круге вектор входит в плоскость изображения.
На фиг. 1 – дипольная штыревая антенна с длинными штырями; на фиг. 2 – вариант устройства направленного электрического разряда (управляемая молния) с использованием лазера и длинного штыря в дипольной штыревой антенне; на фиг. 3 – безиндуктивная катушка с кольцевой безиндуктивной намоткой; на фиг. 4 – устройство направленного электрического разряда (управляемая молния) с использованием лазера и безиндуктивной катушки; на фиг. 5 – вариант устройства формирования высоковольтных импульсов (5).
раз
Известно, что электрическое поле, электрический ток и электрический разряд (молния) стремятся распространяться по пути наименьшего сопротивления, например, электрический ток течёт по проводнику, молния бьёт в молниеотвод. Также известны успешные опыты по направлению электрических разрядов по лучу лазера (http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/lazer-mozhet-upravlyat-molniei, https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролазер) и опыты по направлению природных молний по лучу лазера (https://econet.ru/articles/11319-uchenye-predlozhili-upravlyat-molniyami-pri-pomoschi-lazera). Следовательно, можно направить электрический заряд по лучу лазера, который предварительно создаёт ионизированный (плазменный) канал в воздухе, по которому и распространяется электрический заряд/ток по пути наименьшего сопротивления. Но следует отметить, что направленные электрические заряды (управляемые молнии) по лучу лазера (выше) происходят между электродами, на которые подаются высоковольтные импульсы, а не в свободно выбранном произвольном направлении пространства. В тоже время, если взять дипольную штыревую антенну (на фиг. 1) с длиной каждого проводящего штыря в диэлектрической изоляции (2) (далее штырь (2)) антенны равным L>ct (где с – скорость света, t – длительность импульса) и подать на неё от устройства формирования высоковольтных импульсов (5) импульс напряжением U и длительностью t, то электромагнитное поле не успеет распространиться/«долететь» до конца каждого штыря (2) дипольной антенны, при этом электрический ток/разряд I от высоковольтного импульса будет распространяться только по штырям (2) дипольной антенны (при наличии диэлектрического покрытия на проводящих штырях), т.к. штыри (2) дипольной антенны являются проводниками (путь наименьшего сопротивления для электрического тока/разряда).
раз
раз
-6
Следовательно, если один штырь дипольной антенны заменить на короткий электрод в диэлектрической изоляции (1) кроме его конца, который расположен рядом с лучом (4) лазера (3) (на фиг. 2), а второй штырь (2) остаётся неизменным, то получается дипольная штыревая антенна, у которой один штырь (2) в виде проводника в диэлектрической изоляции, а второй штырь представляет собой короткий электрод (1) в диэлектрической изоляции и луч (4) лазера (3) или ионизированный/плазменный канал в воздухе (4). После подачи от устройства формирования высоковольтных импульсов (5) импульса с высоковольтным напряжением U и длительностью t на такую дипольную антенну (на фиг. 2), электрический ток/разряд I будет распространяться с одной стороны дипольной штыревой антенны по штырю (2), а с другой стороны по короткому электроду (1) и по лучу (4) лазера (3) или по ионизированному/плазменному каналу в воздухе (4), т.е. будет направленный электрический разряд I по лучу (4) лазера (3) (управляемая молния) в свободно выбранном направлении пространства куда направлен луч (4) лазера (3). Недостатком данного варианта устройства направленного электрического разряда (управляемой молнии) с использованием лазера (3) и одного длинного штыря (2) в дипольной штыревой антенне на фиг. 2 является то, что длина штыря (2) должна быть больше величины L>ct. Соответственно, даже для коротких импульсов электрического разряда длительностью t=1мкс=10с длина штыря (2) должна быть больше L>300м, что является неприемлемым для мобильных устройств, а также представляет технические трудности и для стационарных устройств.
-6
вн
нар
раз
раз
раз
раз
раз
раз
раз
вн
вн
вн
вн
вн
Чтобы кардинально уменьшить длину штыря (2) его можно скрутить в виде катушки, но в этом случае возникнет большая индуктивность, которая ограничит возрастание тока электрического разряда, следовательно, надо использовать безиндуктивную намотку при уменьшении длины штыря (2), например, намотку Айртона-Перри (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Types_of_winding_by_Zureks.png), которая используется при производстве безиндуктивных проволочных сопротивлений. В этом случае при намотке на радиус R количество витков намотки Айртона-Перри составит n=L/πR=ct/πR и для толщины провода намотки d получаем длину намотки равную nd=dL/πR=dct/πR, т.е. длина штыря с безиндуктивной намоткой Айртона-Перри уменьшается в d/πR раз. Например, при R=100мм и d=1мм получаем уменьшение длины в d/πR≈314 раз, т.е. длина штыря в виде безиндуктивной катушки (6) с безиндуктивной намоткой Айртона-Перри для t=1мкс=10с составит ≈1м. Недостатком намотки Айртона-Перри является то, что намотка делается проводом диаметром d, который сложно уменьшить, если требуется определённое сечение провода, а также наличие перехлёста проводов в этой обмотке, которое создаёт неравномерность при взаимной компенсации магнитных полей встречных токов в проводах этой обмотки, а также разница длин встречных проводов, обусловленная наличием их перехлёста в этой обмотке, кроме этого намотка Айртона-Перри технологически сложна и дорога.  Чтобы исключить эти недостатки намотки Айртона-Перри модифицируем её, заменив встречную намотку двух проводов из n витков - n плоскими кольцевыми проводниками (7) с n-1 изоляторами (9) между ними на фиг. 3 (сверху) и соединённые n-1 перемычками-проводниками (8).  Кольцевые проводники (7) с внутренним радиусом R, внешним радиусом R и толщиной d располагаются параллельно друг другу через изоляторы (9) толщиной х так, что их оси симметрии совпадают, и электрически соединяются между собой перемычками-проводниками (8) толщиной b и высотой х, равной толщине х изоляторов (9), при этом перемычки-проводники (8) находятся на диаметрально противоположных сторонах каждого кольцевого проводника (7) относительно его оси симметрии и с противоположных плоскостей каждого кольцевого проводника (7). Соответственно, при подключении первого кольцевого проводника (7) к устройству формирования высоковольтных импульсов (5) на фиг. 3 (снизу) и подачи от него высоковольтного импульса напряжением U и длительностью t в первом кольцевом проводнике (7) происходит разделение тока I на две равные части I/2, которые протекают по полукольцам первого кольцевого проводника (7) до перемычки-проводника (8) на диаметрально противоположной его стороне и соединяются в ней (8) в ток I, который переходит во второй кольцевой проводник (7), где опять происходит разделение тока I на две равные части, которые протекают по полукольцам второго кольцевого проводника (7) навстречу токам в полукольцах первого кольцевого проводника (7) до перемычки-проводника (8) на диаметрально противоположной его стороне и соединяются в ней (8) в ток I, который переходит в третий кольцевой проводник (7) и т.д. Токи I/2, протекающие по полукольцам соседних кольцевых проводников (7) направленны встречно, соответственно, их магнитные поля взаимно компенсируются, что полностью аналогично безиндуктивной намотке Айртона-Перри, следовательно, данная кольцевая безиндуктивная намотка представляет из себя безиндуктивную катушку (6), у которой минимальная индуктивность, при этом длина проводников, по которым течёт ток I/2, одинакова и отсутствуют перехлёсты проводников. Для кольцевой безиндуктивной намотки безиндуктивной катушки (6) длина проводников (полуколец) для максимальной длительности t импульса должна быть L=nπR>ct, откуда количество кольцевых проводников (7) в безиндуктивной катушке (6) должно быть больше n>ct/πR, и габаритная длина кольцевой безиндуктивной катушки (6) составит n(d+x)=(d+x)ct/πR, т.е. много меньше длины штыря (2) n(d+x)=(d+x)ct/πR<<L=ct. При этом чем больше радиус R и меньше толщина d и х кольцевых проводников (7) и изоляторов (9) между ними, тем короче длина кольцевой безиндуктивной катушки (6), и возможен мобильный вариант её применения.
Следовательно, в качестве второго штыря дипольной штыревой антенны может применяться длинный штырь в диэлектрической изоляции (2) на фиг. 2 или безиндуктивная катушка (6) с намоткой Айртона-Перри или с кольцевой безиндуктивной намоткой по фиг. 3. Также следует отметить, что кольцевую безиндуктивную намотку по фиг. 3 можно изготовить в виде многослойных печатных плат, на которых сформированы кольцевые проводники (7), перемычки-проводники (8) и изоляторы (9), что значительно технологически упрощает и удешевляет производство безиндуктивной катушки (6), и делает её более компактной по габаритным размерам, т.к. в печатных платах размеры d и x могут быть меньше 100мкм.
раз
вн
раз
На фиг. 4 устройство направленного электрического разряда (управляемая молния) с использованием лазера и безиндуктивной катушки, в котором к устройству формирования высоковольтных импульсов (5) с одной стороны подключается короткий электрод в диэлектрической изоляции (1) кроме его конца, который расположен рядом с лучом (4) лазера (3), а с другой стороны безиндуктивная катушка (6), которая дополнительно полностью помещается в герметичный изолятор (9). После подачи от устройства формирования высоковольтных импульсов (5) высоковольтного импульса напряжением U и длительностью t на такую дипольную антенну (на фиг. 4), электрический ток/разряд I будет распространяться с одной стороны дипольной антенны по длине n(d+x)=(d+x)ct/πR безиндуктивной катушки (6), а с другой стороны по короткому электроду (1) и лучу (4) лазера (3) или ионизированному/плазменному каналу в воздухе (4), т.е. будет направленный электрический разряд I по лучу (4) лазера (3) (управляемая молния) в свободно выбранном направлении пространства куда направлен луч (4) лазера (3).
пит
раз
разобр
воз
раз
разобр
Устройство формирования высоковольтных импульсов (5) может быть любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении формирования высоковольтных импульсов требуемого напряжения U и требуемой длительности t. На фиг. 5 изображён вариант устройства формирования высоковольтных импульсов (5), состоящий из источника питания (10), схемы управления (11), повышающего высоковольтного трансформатора (12) и мостовой схемы, состоящей из ключей К (13) и диодов D (14). Устройство формирования высоковольтных импульсов (5) может формировать одиночные импульсы напряжением U и длительностью t или последовательность однополярных или разнополярных импульсов напряжением U и длительностью t. При формировании устройством формирования высоковольтных импульсов (5) однополярных импульсов (фиг. 5 сверху) схема управления (11) в первом такте цикла работы выдаёт сигнал управления включения лазера (3), который создаёт ионизированный/плазменный канал в воздухе (4). Далее схема управления (11) с задержкой времени (равной времени формирования ионизированного/плазменного канала в воздухе (4)) выдаёт сигнал включения на время t двух ключей К (13), которые подключают источник питания (10) с напряжением U к первичной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12), в которой возникает ток I. На вторичной высоковольтной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12) формируется высоковольтный импульс напряжением U и длительностью t, который поступает в дипольную антенну, состоящую из короткого электрода в диэлектрической изоляции (1) и луча (4) лазера (3) с одной стороны, и безиндуктивной катушки (6) с другой стороны. Возникает направленный по лучу (4) лазера (3) электрический разряд/ток I (управляемая молния). Во втором такте цикла работы сначала отключается сигнал управления лазером (3), а затем отключаются два ключа К (13). Возникает обратный ток I обратного электрического разряда/тока нейтрализации зарядов, который протекает через вторичную высоковольтную обмотку повышающего высоковольтного трансформатора (12) и формирует в первичной обмотке ток I, который возвращает неиспользованную в электрическом разряде (управляемой молнии) первого такта энергию в источник питания (10) через диоды D (14). При формировании последовательности (пачки) импульсов первый и второй такт цикла работы повторяются необходимое количество раз, при этом повторное включение лазера (3) не обязательно, т.к. уже сформирован ионизированный/плазменный канал в воздухе (4) лазером (3) и протеканием прямого и обратного электрических разрядов/токов I и I по нему.
пит
раз
пит
раз
раз
раз
При формировании устройством формирования высоковольтных импульсов (5) разнополярных импульсов (фиг. 5 снизу) схема управления (11) в первом такте цикла работы выдаёт сигнал управления включения лазера (3), который создаёт ионизированный/плазменный канал в воздухе (4). Далее схема управления (11) с задержкой времени выдаёт сигнал включения на время t двух ключей К (13), которые подключают источник питания (10) с напряжением U к первичной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12), в которой возникает ток I. На вторичной высоковольтной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12) формируется высоковольтный импульс напряжением U и длительностью t, который поступает в дипольную антенну, состоящую из короткого электрода в диэлектрической изоляции (1) и луча (4) лазера (3) с одной стороны, и безиндуктивной катушки (6) с другой стороны. Возникает направленный по лучу (4) лазера (3) электрический разряд/ток I (управляемая молния). Во втором такте цикла работы сначала отключается сигнал управления лазером (3), а затем отключаются включенные в первом такте два ключа К (13), и включается вторая пара ключей К (13), которая подключает источник питания (10) с обратной полярностью напряжения U к первичной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12), в которой возникает ток I, противоположно направленный аналогичному току в первом такте. На вторичной высоковольтной обмотке повышающего высоковольтного трансформатора (12) формируется высоковольтный импульс с противоположным (напряжению в первом такте) напряжением U и длительностью t, который поступает в дипольную антенну, состоящую из короткого электрода в диэлектрической изоляции (1) и луча (4) лазера (3) с одной стороны, и безиндуктивной катушки (6) с другой стороны. Возникает направленный по лучу (4) лазера (3) электрический разряд/ток I (управляемая молния), в котором ток I направлен противоположно аналогичному току в первом такте. При формировании последовательности (пачки) импульсов первый и второй такт цикла работы повторяются необходимое количество раз, при этом повторное включение лазера (3) не обязательно, т.к. уже сформирован ионизированный/плазменный канал в воздухе (4) лазером (3) и протеканием прямого и обратного электрических разрядов/токов I по нему.
раз
раз
раз
раз
Длительность импульса t определяется расстоянием S до объекта/тела воздействия электрическим разрядом/током I, и должна быть равна или больше величины t≥S/c. Лазер (3) может использоваться как для создания ионизированного/плазменного канала в воздухе (4), так и в качестве лазерного дальномера (https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерный_дальномер) для измерения расстояния S до объекта/тела воздействия и расчёта длительности импульса t≥S/c. Длина L проводящего штыря (2) в диэлектрической изоляции или длина проводников в безиндуктивной катушке (6) с намоткой Айртона-Перри (nd) или с кольцевой безиндуктивной намоткой (n(d+x)) должна быть равна или больше максимальной требуемой дальности S воздействия электрическим разрядом/током I на объекты/тела. Максимальная требуемая дальность S воздействия электрическим разрядом/током I на объекты/тела также определяет необходимую мощность лазера (3) и устройства формирования высоковольтных импульсов (5) (величину напряжения U и тока I). Кроме этого, следует отметить, что т.к. дальность/расстояние S до объекта/тела воздействия может меняться в широких пределах, то оптимально использовать полумостовую, или мостовую схему (на фиг. 5), или аналогичную схему в устройстве формирования высоковольтных импульсов (5), поскольку они позволяют регулировать соответствующую длительность t≥S/c импульса в широких пределах с минимальными потерями, что невозможно в резонансных схемах формирования высоковольтных (синусоидальных) импульсов.
Короткий электрод в диэлектрической изоляции (1) может быть любого типа, формы и конструкции при выполнении основной функции – обеспечении протекания через него электрического тока от устройства формирования высоковольтных импульсов (5) до луча (4) лазера (3). Оптимально, он должен быть из материала с минимальным удельным электрическим сопротивлением и должен иметь диэлектрическое покрытие с напряжением пробоя большим, чем напряжение U высоковольтных импульсов. Например, медный проводник в силиконовой изоляции (кроме той его стороны, которая расположена рядом с лучом (4) лазера (3)).
Проводящий штырь в диэлектрической изоляции (2) может быть любого типа, формы и конструкции при выполнении основной функции – обеспечении протекания через него электрического тока от устройства формирования высоковольтных импульсов (5). Оптимально, он должен быть из материала с минимальным удельным электрическим сопротивлением и должен иметь диэлектрическое покрытие с напряжением пробоя большим, чем напряжение U высоковольтных импульсов. Например, медный проводник в силиконовой изоляции.
Лазер (3) может быть любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении формировании высокоэнергетического луча требуемой мощности и спектра излучения, который ионизирует воздух в заданном направлении на требуемую дальность. Оптимально, длина волны (частота) создаваемого лазером (3) излучения должна быть такой, при которой происходит наибольшая ионизация молекул воздуха. Например, для воздуха (азота и кислорода) – ультрафиолетовый спектр излучения, который наиболее сильно поглощается воздухом, что соответствует максимальной передачи/переходе энергии луча лазера (3) в энергию ионизации молекул воздуха.
нар
вн
нар
вн
Кольцевой проводник (7) в виде электропроводящего кольца должен быть из материала с минимальным удельным электрическим сопротивлением при выполнении основной функции – обеспечении протекания через него электрического тока. Например, медное кольцо минимальной толщины d и требуемым сечением d(R-R), которое обеспечивается разницей радиусов (R-R).
Перемычка-проводник (8) может быть любого типа, формы и конструкции при выполнении основной функции – обеспечении протекания через него электрического тока. Например, медный проводник электрически соединяющий (например, пайкой) соседние кольцевые проводники (7).
Изолятор (9) может быть любого типа, формы и конструкции при выполнении основной функции – обеспечении диэлектрической изоляции между кольцевыми проводниками (7) и диэлектрической изоляции безиндуктивной катушки (6). Например, силиконовый изолятор с напряжением пробоя большим, чем напряжение U высоковольтных импульсов.
пит
Источник питания (10) может быть любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении создания требуемых величин напряжения U и тока I.  Например, аккумуляторная батарея.
Схема управления (11) может любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении формирования временных интервалов управления ключами К (13) и лазером (3), требуемой длительности. Например, в качестве схемы управления (11) может использоваться программируемый таймер сигналов.
Повышающий высоковольтный трансформатор (12) может любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении формирования требуемого высоковольтного напряжения U на его выходе. Например, импульсный повышающий высоковольтный трансформатор с первичной и вторичной обмотками в диэлектрической изоляции с напряжением пробоя большим, чем напряжение U высоковольтных импульсов.
Коммутационные ключи К (13) могут быть любого типа, формы, конструкции и схемотехнического решения при выполнении основной функции – обеспечении замыкания и размыкания электрических цепей. Например, механические реле или транзисторные ключи.
Диод D (14) может быть любого типа, формы и конструкции при выполнении основной функции – обеспечении однонаправленного протекания тока требуемой величины и со значением обратного напряжения диода требуемой величины. Диод D (14) должен быть с минимальным временем восстановления. Например, диод Шотки.
На фиг. 1-5 не показаны вспомогательные механические узлы и детали, которые обеспечивают механическую жёсткость и прочность соединений различных устройств, частей и узлов, а также обеспечивают диэлектрическую изоляцию различных устройств, частей и узлов между собой, и которые не оказывают никакого влияния на принцип работы.
Прямых и близких аналогов или прототипов нет, а родственным прототипом является электрошокер (https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрошоковое_оружие ). Недостатком данного прототипа является контактный способ воздействия на объект/тело.
раз
Преимуществом данного устройства создания направленного электрического разряда (управляемая молния) является то, что в нём реализовано создание направленного электрического разряда I по лучу (4) лазера (3) (управляемая молния) в свободно выбранном направлении пространства куда направлен луч (4) лазера (3) для дистанционного воздействия электрическим разрядом на объект/тело.
Вторым преимуществом данного устройства создания направленного электрического разряда (управляемая молния) является то, что использование в качестве второго штыря дипольной антенны безиндуктивной катушки (6) с безиндуктивной намоткой Айртона-Перри или с кольцевой безиндуктивной намоткой (по фиг. 3) позволяет многократно (на порядки) уменьшить габаритную длину L>ct второго штыря дипольной антенны.