Современные вертолеты достигли совершенства, значит, у них нет будущего, значит, их должно чтото вытеснить, пусть даже пока не совсем понятное и привычное. Разумеется, еще очень долго вертолет, как и дрон, в ряде наших дел будут незаменимыми помощниками, как служит нам столетиями колесо или аэростат. Но рано или поздно появятся экранолеты, ионолеты, лифтеры. Наступает их время, значит, пора с одним из них познакомиться поближе.

 конденсатор, лифтер, заряд, электрод, проводник
Лифтер

Лифтер, по существу, является очень интересной и пока не очень понятной демонстрацией так называемого эффекта Бифельда-Брауна. Этот эффект заключается в том, что в несимметричном заряженном конденсаторе, у которого один электрод своими размерами превышает другой, возникает сила, стремящаяся переместить конденсатор в сторону наименьшего электрода.

 

В современном варианте, которому посвящено большое число статей, размышлений и домыслов, лифтер представляет собой призму, боковая поверхность которой — тонкая фольга. Над ней на изоляционных стойках на сравнительно большом расстоянии расположен второй электрод — тонкий проводник. Изначально лифтер, он же конденсатор Бифельда-Брауна, был устроен немного по-другому: большой электрод представлял собой что-то вроде сетки. Почему конструкция видоизменилась — понятно: во-первых, так легче создать очень сильное электрическое поле в окрестности малого электрода и можно запросто увеличить подъемную силу увеличением числа ячеек, во-вторых.

электрод, проводник, конденсатор, лифтер, заряд
Конденсатор Бифельда-Брауна

Отдаленно этот эффект напоминает электрическое сегнерово колесо или так и не полетевший так называемый «ионолет», но там все происходит с точностью да наоборот: острый заряженный проводник своим острием отталкивается от окружающей среды, в данном случае, от воздуха. Все происходит будто это стекание заряда.

 

С эффектом Бифельда-Брауна ситуация значительно сложнее. Начнем с того, что природа этого чрезвычайно занимательного эффекта до конца не понятна. Было предположение, что эффект Бифельда-Брауна будет иметь место даже в вакууме. Однако пентагоновская военщина с этим вопросом быстро управилась, как следует его протестировав, и успокоилась.

 

 

«Вакуумная гипотеза» сыграла свою положительную роль: оказалось, что подъемная сила такого альтернативного летательного аппарата пропорциональна квадрату приложенного напряжения. Все верно: индуцированный электрический дипольный момент воздуха пропорционален напряженности электрического поля, а сила, с которой заряженное тело притягивается к электрически поляризованной среде, пропорциональна произведению напряженности электрического поля на поляризованность окружающей среды, то есть на суммарный электрический дипольный момент единицы объема.

 

И это — вне зависимости от того, что дальше происходит с поляризованной средой: обычное пондеромоторное взаимодействие заряженного тела с воздухом или коронный разряд ионизованного воздуха с последующим ионным ветром. Обычное притяжение к воздуху — плохая мысль: сила, действующая на тело, должна полностью компенсироваться перепадом давления. Не все в порядке и с появлением коронного разряда. 

 

Электрогидродинамика, есть такая наука, не смогла объяснить появление подъемной силы у лифтера; задачу забросили, а значит, она стала принадлежать «малой физике». Ну что же, раз уже проводятся соревнования по запуску лифтеров в полет, раз уже появились первые молодые призеры, поднявшие с помощью лифтера тело с массой больше 100 грамм, то самое время специалистам малой физики попробовать себя и в этой чрезвычайно интересной экспериментальной задаче. При этом пока не надо забывать, что если лифтер летает, то летает пока только на привязи. Связано это с очень большими токами утечки. Конечно, лифтер можно зарядить, затем отсоединив его от источника высоковольтного напряжения, пустить в свободный полет. Он взлетит, но очень быстро плавно опустится…

 

Эксперимент — единственная возможность разобраться, что происходит и, по возможности, вдохнуть в лифтер «вторую жизнь», сопровождающуюся действительно свободным полетом. Экспериментировать лучше с одной единственной ячейкой, о которой придется поговорить подробнее. Измерить зависимость подъемной силы F от напряжения — мало и неинтересно. Хорошо бы выяснить, как размеры лифтера влияют на подъемную силу. Поэтому, сохраняя соотношение между размерами малого электрода E- и большого E+, измерения веса следует провести для двух ячеек, все размеры которых отличаются ровно в два раза. Иначе разобраться, какой электрод и как влияет на величину F, так просто не удастся.

 

В качестве стоек С, удерживающих электроды на фиксированном расстоянии, следует взять пару фторопластовых стержней с продольными прорезями, позволяющими изменять расстояние между электронами. Это, кстати, позволяет заменить тонкий проволочный малый электрод плоским с толщиной, равной диаметру тонкого цилиндрического проводника. Это для будущего, т.к. рассчитать электрическое поле, создаваемое двумя тонкими плоскими электродами несоизмеримо легче, чем плоским электродом и цилиндром. Не надо забывать, что это не совсем обычная задача электростатики: заданы не заряды проводников, а их потенциалы.

Ионолет, электрическое поле, аппаратура, проводник
Ионолет

Два плоских электрода вместо одного плоского и одного тонкого проводника — некое новшество: кажется, уже всем надоело повторять чужое. И еще: подавать напряжение на лифтер целесообразнее через пару высоковольтных резисторов с сопротивлением 500 мОм каждый. Это дает возможность уменьшить максимальную силу тока в цепи, а значит, и подавить хотя бы один из мешающих процессов.

 

 

С измерениями нужно быть тоже очень аккуратным и внимательным. Если плавно поднять напряжение, скажем до 15 кВ, а затем снизить его до 0, чувствительные весы могут показать существенное изменение веса ячейки после проведения такого измерения. В этом нет ничего странного и необычного. Налицо — дрейф и не только и не столько аппаратуры, сколько дрейф, обусловленный нестационарностью процесса, т. е. последствиями взаимодействия заряженного до высокого потенциала металлического тела с окружающей ионизированной средой. При обработке результатов этот дрейф придется учесть. Один из способов, как это сделать, — представить дрейф в виде ломаной непрерывной зависимости от времени, а два параметра, описывающие дрейф, найти из условия обнуления изменения веса в конце измерения и из условия симметрии таким образом восстановленной функции.

Ячейка, лифтер, весы, дрейф, процесс
Ячейка лифтера на чашке весов

Если то или иное явление опирается только на один процесс, то такое явление очень часто оказывается масштабно-инвариантным. Другими словами, измерения той или иной величины, проведенные для одного размера системы или масштаба явления, автоматически соответствуют всем другим размерам. Надо лишь догадаться о соответствующих преобразованиях переменных, описывающих явление. В аэродинамике так испытывают летательные аппараты на моделях малого размера.

 

В потенциальной электростатике, то есть при заданных потенциалах, такими преобразованиями являются U → U/a, F → F/a2, где U — напряжение, F — сила, a — характерный размер системы. Вот почему рекомендуется сохранить неизменными соотношения между геометрическими параметрами такого несимметричного конденсатора. Кстати говоря, квадратичный характер зависимости подъемной силы лифтера полностью соответствует таким преобразованиям и, похоже, удовлетворяет экспериментальным данным, полученным для конструкции с плоскими медными электродами толщиной 0,3 мм. Вот зачем силу лучше представить в виде зависимости величин F от квадрата напряжения.

 

Ситуация существенно меняется, если малые плоские электроды заменить тонкими цилиндрическими проводниками с сохранением отношения D/H = 3/500, если D — диаметр проводника, равный толщине плоского большого электрода. Теперь подъемная сила при прочих равных условиях не только возросла почти в 2 раза, но и перестала подчиняться масштабированию. При этом для большого конденсатора (H = 5 см) подъемная сила приближенно описывается квадратичным законом: F ~ U2, а для малого (H = 2,5 см) наблюдается пороговый характер зависимости F ~ (U2 – U0 2) при U2 ≥ U0. Это означает только одно: в конденсаторе с очень тонким цилиндрическим проводником возникает еще одно явление, принципиально отличающееся от того, что происходит в системе с большой толщиной проводников.

 

 

Возможно, что именно в таких системах возникает коронный разряд, и начинает работать с ионным ветром электрогидродинамика. Но не надо забывать и о сравнительно больших конденсаторах, для которых подъемная сила соизмерима с потерей веса системой малого размера. Для больших конденсаторов пороговый характер зависимости даже если и наблюдается, то только при малых напряжениях. Словами будет сказано: уменьшение диаметра тонкого проводника над большим плоским электродом в два раза приводит к увеличению подъемной силы примерно в 4 раза. Это не предел для уменьшения, лишь бы тонкие проводники выдержали столь большой потенциал.

Подъемная сила, конденсатор, электроды, проводник
Подъемная сила конденсатора с двумя плоскими электродами

Пара сотен микроньютонов — это много или мало? Сравнивать всегда следует с чем-нибудь аналогичным. Если речь здесь зашла о так называемой «электрогравитации» — есть такое странное направление — то можно припомнить эффект Каземира. Там конденсатор с площадью пластин в 1 см2 и расстоянием между ними в 1 мк, правда помещенный в вакуум, должен создавать в тысячу раз меньшую силу, то есть одну десятую микроньютона. А вообще, лучше ссылаться на «электроантигравитацию» — это когда электродинамика, а конкретно физика взаимодействия заряженного тела с окружающей средой, помогает уменьшить силу, с которой тело действует на подвес или опору, другими словами, создает видимость уменьшения гравитации. На самом деле гравитация никуда не девается; самолет, вертолет, аэростат сколь бы свободно они не летали, по-прежнему испытывают притяжение к земле.

 

Лифтер — очень перспективная конструкция. Остается надеяться, что еще один «жюль верн» напишет бестселлер «Робур-завоеватель 2». Дальше — дело «малой физики». «Малая физика» вовсе не означает мало физики; физики в таких задачах хоть отбавляй. Просто «большой физике» с ее коллайдером, токамаком и полетом на Марс не до того, а может быть даже ей это и не интересно. Коллайдер — это не наше, токамак — святое, а до Марса на лифтере не доберешься: нужна среда. Пока же физики грезят о новом виде материи - четырехфермионном конденсате. Потенциально это может привести к настоящему технологическому прорыву — созданию чистой электроэнергии, квантовых компьютеров и летающих автомобилей.

Подъемная сила, конденсатор, электроды, цилиндрический проводник
Подъемная сила конденсатора с тонким цилиндрическим проводником

Сам по себе интерес к чему-либо не возникает на пустом месте, нужна востребованность. Не хочется верить, что воздушный винт, он же пропеллер, и реактивный двигатель — верхняя точка инженерного творчества. Кстати, самолет летает не из-за уравнения Бернулли, а потому, что крыло, грубо говоря «дует», а на самом деле направляет воздух вниз. Что-то подобное происходит с окружающей средой и в несимметричном конденсаторе.

 

Статья была опубликована в журнале "Наука и техника"

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!