Что такое ионный ветер
Алюминиевая пищевая фольга и тончайшая медная проволочка, а между ними — лишь 3 сантиметра воздуха. Фольга и проволочка закреплены на квадратном диэлектрическом каркасе из легких пластиковых палочек. Конструкция покоится на столе, и как на любой предмет, на нее действует сила тяжести со стороны Земли. Но стоит создать между фольгой и проволочкой разность потенциалов в несколько тысяч вольт, подав на нее высокое постоянное напряжение порядка 30000 вольт от маломощного источника питания, как конструкция, словно по волшебству, взлетает.
Речь здесь не идет о взлетающем конденсаторе, ведь обкладки, если их вообще можно так назвать, почти не перекрывают друг друга по сколь-нибудь значимой доле своих площадей, а значит практически никакого накопления энергии в диэлектрике между «обкладками» не происходит.
Если бы конструкцию не удерживали на столе тончайшие крепкие ниточки, она продолжила бы свое поступательное движение в направлении электрода из тонкой проволоки, но поскольку ниточки крепко держат изделие, оно просто зависает в воздухе над столом и как-бы левитирует над ним.
Эффект Бифельда-Брауна — это один из тех немногих физических эффектов, которые не так то просто однозначно объяснить и внятно описать даже сегодня. Фактически возле электрода-проволочки малой площади напряженность электрического поля в десятки раз превышает напряженность возле электрода-фольги большой площади.
Это значит, что на окружающее пространство данные «обкладки» воздействуют по-разному. В пространстве между электродами и около них имеет место сильно несимметричная картина постоянной во времени напряженности электрического поля.
Здесь есть, конечно, в качестве одной из составляющих, так называемый «ионный ветер», вклад которого, однако, в движение конструкции очень и очень мал, на «ионный ветер» приходится менее сотой доли всей тяги — менее 1% подъемной силы.
Ионного ветра хватает разве что на то, чтобы немного отклонить язычок пламени, как в школьном эксперименте с высоким напряжением на кончике иглы, поднесенной к зажженной свече. Это совсем мизерная сила, она не сможет даже приподнять фольгу от стола, не говоря уже о том, чтобы удерживать в подвешенном состоянии на натянутых нитях изделие весом в десятки и сотни грамм. Из 100 грамм тяги «ионный ветер» создает максимум 1 грамм.
Кроме того, 40% тяги при работе не в вакууме создает движение потока воздуха, возникающее вследствие эффекта коронного разряда на резкой грани в электрическом поле. На этом принципе уже сегодня работают электростатические безлопастные вентиляторы.
Возле тонкого электрода атомы воздуха ионизируются, и начинают двигаться в направлении широкого электрода, по пути они сталкиваются с другими молекулами воздуха, отдают им долю собственной кинетической энергии, или опять же ионизируют, и те поэтому ускоряются.
Вся соль эффекта в том, что около 49% тяги, как говорят ученые, имеют здесь неизвестную природу, то есть практически половина общей подъемной силы как-то связана с действием несимметричного электрического поля на окружающее пространство, и вообще не связана с величиной тока, создаваемого потоком ионов воздуха.
По всей вероятности речь идет о воздействии этой заряженной конструкции на гравитационное поле над электродом малой площади. Если убрать ниточки, которые удерживают изделие на столе, оно будет все время стремиться вверх — в сторону электрода малой площади.
На этом принципе, как предполагают российские ученые Эмиль Бикташев и Михаил Лавриненко, можно попробовать построить очень эффективный двигатель для космического аппарата. Эксперимент в вакууме подтвердил принципиальную возможность данной затеи.
Что такое ионный ветер
Каждое свое вычисление астроном Иоганн Кеплер делал по 70 раз, чтобы избежать случайной ошибки.
Наши спонсоры
«Ионный ветер» – физическое явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля.
Повышение напряжения электрического поля вблизи положительного электрода приводит к ионизации окружающего воздуха, после чего образовавшиеся ионы начинают перемещаться к отрицательно заряженному собирающему электроду, увлекая за собой нейтральные частицы воздуха.
А передвижение воздуха и есть ветер, который можно почувствовать кожей или обнаружить по действию на пламя свечи (оно отклоняется).
Подробнее:
Устройство для создания ионного ветра довольно простое. Оно содержит «острый» и «тупой» электроды с присоединённым к ним источником высоковольтного питания (ВИП).
Острым электродом может быть игла, лезвие, тонкая проволока (в нашем случае это были острые края обломанного карандашного грифеля; кромка медной пластины).
Ускорение молекул газа происходит следующим образом.
В непосредственной близости от «острого» (коронирующего) электрода возникает коронный разряд и электрически заряжаются молекулы воздуха, превращаясь при этом в ионы. Мы наблюдаем это в виде плазмы голубого свечения.
На втором этапе образовавшиеся ионы ускоряются под действием сильного электрического поля по направлению к противоположному электроду, называемому осадительным электродом. В процессе движения ионы сталкиваются с нейтральными молекулами и придают им движение в том же направлении.
На третьем этапе ионы и другие заряженные частицы достигают поверхности осадительного электрода и отдают ему полученный ранее электрический заряд.
Ионный ветер
Термин «ионный ветер» считается неправильным из-за неправильного представления о том, что только положительные и отрицательные ионы были в первую очередь вовлечены в это явление. Исследование 2018 года показало, что в период отрицательного напряжения электроны играют большую роль, чем отрицательные ионы. В результате термин «электрический ветер» был предложен в качестве более точной терминологии. [1]
Б. Уилсон в 1750 году [2] продемонстрировал силу отдачи, связанную с тем же коронным разрядом, а предшественником ионного двигателя была вертушка коронного разряда. [3] Коронный разряд из свободно вращающегося рычага вертушки с концами, загнутыми к острым концам [4] [5], дает воздуху объемный заряд, который отталкивает острие, потому что полярность одинакова для острия и воздуха. [6] [7]
В 2018 году исследователи из Южной Кореи и Словении использовали фотографию Шлирена, чтобы экспериментально определить, что электроны, помимо ионов, играют важную роль в генерации ионного ветра. Это исследование впервые предоставило прямые доказательства того, что электрогидродинамическая сила, ответственная за ионный ветер, вызвана увлечением заряженных частиц, которое возникает, когда электроны и ионы отталкивают нейтральные частицы.
В 2018 году группа исследователей Массачусетского технологического института построила и успешно выполнила полет на первом в истории прототипе самолета, управляемом ионным ветром. [10]
Электрический ветер: как создание ионолёта может изменить современную авиацию
Инженеры Массачусетского технологического института провели успешное испытание ионолёта. В действие такой аппарат приводит ионная тяга — явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля. Силовая установка обеспечила ионолёту тягу в три ньютона. Аппарат смог пролететь 60 м.
От идеи до воплощения
Автор исследования Стивен Барретт задумал разработку бесшумного и безопасного для окружающей среды летательного аппарата несколько лет назад. Вдохновение для создания ионного самолёта инженер черпал из фильма и сериала «Звёздный путь». Наблюдая в детстве за космическими кораблями, скользившими по воздуху на экране телевизора, будущий инженер мечтал однажды претворить фантастическую задумку сценаристов в жизнь.
«Я полагал, что турбины и пропеллеры не будут нужны летательным аппаратам будущего. В моём воображении самолёты должны были напоминать шаттлы из «Звёздного пути», которые тихо скользят по воздуху, могут вертикально садиться и взлетать, а также зависать над поверхностью», — сообщил Баррет.
Около девяти лет назад Баррет начал искать способы создания двигательной установки для «самолёта будущего». Инженер решил обратиться к явлению ионного ветра, также называемому эффектом Бифельда — Брауна. В 1921 году физики Пауль Бифельд и Томас Браун выяснили, что ионный ветер возникает между двумя отрицательно заряженными электродами, если по металлическому проводу между ними пустить ток.
В 1960-е годы в США изобретатель и авиаконструктор Александр Прокофьев-Северский продолжил изучение этого явления и даже пытался построить свой ионолёт. Его модель могла взлетать и садиться, а также поворачиваться в воздухе. Электричество к аппарату подводилось по специальному кабелю.
Однако проблема создания ионолёта, который смог бы летать, заключалась в том, что его силовой установке требовался ток очень высокого напряжения. Учёные из Массачусетского технологического института смогли решить эту проблему. В фюзеляже ионолёта они расположили литиево-полимерные батареи, генерирующие электричество напряжением 40 тыс. вольт, которых, по их расчётам, должно было хватить для поднятия в воздух небольшого аппарата. Масса готового ионолёта составила 2,27 кг, размах крыльев — 5 м.
«Электрификация» транспорта
Инженеры провели испытания ионолёта в закрытом помещении — в спортивном зале. В ходе эксперимента аппарат вертикально поднялся в воздух и пролетел около 60 м на высоте 47 см от пола, после чего благополучно приземлился. Испытания учёные успешно повторили десять раз.
«Это первый в истории полёт самолёта, который не имеет в своей двигательной конструкции никаких движущихся частей. Инженерам открывается перспективный путь для создания новых ионолётов», — заявил Баррет.
По словам изобретателей, в отличие от современных лайнеров, ионолёту не требуется топливо, то есть он является экологически чистым. Кроме того, новый аппарат работает бесшумно. Американские учёные планируют усовершенствовать конструкцию ионолёта, чтобы он смог перемещаться на большие расстояния и в конечном счёте перевозить пассажиров.
По мнению российских экспертов, переход на электрическое движение в авиации открывает новые перспективы в самолётостроении.
«Становится труднее совершенствовать текущие авиационные двигатели, делать их более эффективными. В этом случае перевод авиации на электричество кажется перспективным, даже логичным. На дорогах уже появились электромобили, теперь дело за воздухом. Можно смело сказать, что электроэнергия начинает играть важную роль в развитии транспорта», — сообщил в беседе с RT инженер-исследователь Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН Александр Наумов.
По мнению Наумова, результаты испытаний американских учёных выглядят многообещающими. Однако создание полноценного ионолёта сопряжено с рядом трудностей. Так, в отличие от реактивных двигателей, у ионных довольно маленькая плотность тяги. Это означает, что для взлёта такому аппарату потребуется довольно большая силовая установка, скорее всего, превышающая размеры самого ионолёта.
«Конечно, до практического использования ионолётов пока далеко. Однако нет никаких оснований сомневаться в возможности появления самолётов, работающих на ионной тяге. Такие аппараты, вероятно, пригодятся и в космической отрасли — для долгосрочных полётов к другим планетам», — отметил Наумов.
Озонный ветер
В летнюю жару продукты быстро портятся. И если вы находитесь на природе, вам пригодится озонирующий ионный вентилятор для сохранения продуктов и готовой еды. Подобное устройство несложно сделать своими руками.
Озон эффективно уничтожает бактерии, а потому широко используется для обработки продуктов питания перед упаковкой и даже в процессе их транспортировки. По словам советника по научно-техническим разработкам Группы компаний «ИнноВент» Юрия Московко, в контейнерах, в которых продукция с фабрик бортового питания доставляется в самолёты пассажирских авиакомпаний, устанавливаются озонирующие ионные вентиляторы.
Эффективность ионного вентилятора зависит от величины поданного напряжения, формы и соотношения размеров электродов, а также их взаимного расположения. Неплохие результаты показывает конструкция, где вместо металлической трубы применены две параллельные пластины.
В качестве блока питания для ионного вентилятора можно взять модуль строчной развёртки от старого телевизора или преобразователь напряжения от сломанной шаровой плазменной лампы, но проще всего воспользоваться высоковольтным блоком от озонатора. Готовые озонаторы доступны за небольшие деньги в «посылторге» AliExpress, где предлагаются варианты с питанием от сети переменного тока 220 В и источника постоянного напряжения 12 В. Последний может работать от бортовой сети автомобиля.
Поскольку озонатор использует переменное напряжение 2,5 кВ, а нужно постоянное, вам потребуются высоковольтные диод и конденсатор. Мы позаимствовали выпрямительный диодный столб из старого ЭЛТ-монитора, а керамический конденсатор на 6,3 кВ нашли среди дедушкиных радиодеталей. Читателям, которые захотят получить максимально сильный воздушный поток, порекомендуем вместо выпрямителя установить умножитель напряжения в два-три раза.
Трубчатый электрод мы изготовили из металлической банки от растворимого кофе (удалили у неё донышко). Банку вставили в трубу, изготовленную из пластиковой бутылки, после чего нагрели всё это над газовой плитой. Бутылка, начав сжиматься, плотно зафиксировала банку внутри себя.
По окончании сборки и испытания устройства поместите его в безопасный корпус из диэлектрического материала, закрытый защитными сетками в местах забора и выдачи воздуха.