УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ СРЕДЕ
DEVICE FOR SHAPING UNIFORM ELECTRIC FIELD IN ELECTROCONDUCTIVE MEDIUM

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]
1
2
абс
где F - сила взаимодействия двух зарядов, Q и Q - величины зарядов, ε - 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]:
1
2
N
1
2
M
где I, I, … + I - токи, входящие в узел, I, I, … + I - токи выходящие из узла.
1
2
N
4. Все входящие цепи входных токов (I+ I+ … + I) 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).
1
2
3
При использовании источника питания, равном 220 В (согласно формуле (3) закона Ома), получаем для первого кольца добавочное сопротивление R=44 Ом, R=22 Ом, R=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.