НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ

Клуб "Крылатское", школа "Интеллектуал":
Дмитрий Власенко
Василий Квитко
Василий Кузнецов
Руководитель - Александр Владимирович Ефимов, ЦИАМ

Эксперименты с электростатическими устройствами проводились в школе "Интеллектуал" в рамках работ по нетрадиционным двигателям. Сами устройства изготавливались в клубе "Крылатское", школе и ЦИАМ им. П.И. Баранова.

Электростатический маятник

Модель электростатического маятника

В устройстве такого типа проводящий или диэлектрический легкий шарик перемещается между двумя заряженными пластинами. В нашей модели пластины подключались к электрофорной машине или к лабораторному источнику высокого напряжения. Хороший эффект был получен при использовании пенопластового шарика, обернутого фольгой, который с высокой частотой прыгал между пластинами, разнесенными на расстояние примерно 80 мм. Теоретически по такому принципу можно создать двигатель, в котором перемещающийся между обкладками шарик будет, например, вращать коленчатый вал.

Крестовина из конденсаторов

Если выполнить ротор и статор в виде набора конденсаторов, то при подаче на противолежащие обкладки потенциалов разного знака обкладки притягиваются, а при подаче потенциалов одинакового знака - отталкиваются. И на этом принципе возможно создание двигателя. Нужно только переключать полярность конденсаторов в определенные моменты времени.

Вертикально ориентированный электростатический двигатель

Двигатель с крестовидным статором

Конструктивно ротор двигателя представляет собой вертикально ориентированный цилиндр (в нашем случае - пластиковую бутылку) с наклеенными на боковую поверхность полосками фольги. Статор реализован в виде четырех стержней с приклеенными электропроводящими контактами, выполненными из металлизированной лавсановой пленки (елочной гирлянды). К расположенным напротив стержням подводилось напряжение одного знака: к одной паре - положительное, к другой - отрицательное. Ротор начинал вращаться после подачи напряжения, но частота вращения оказалась небольшой, и само вращение ротор начинал после некоторых "раздумий". Причин для вращения ротора может быть несколько. Одна из них - перенос заряда обкладками фольги с одного контакта на другой, как в электростатическом маятнике. Возможно, вращение возникает из-за поляризации диэлектрика.

Ротор, целиком обклеенный фольгой, также приходит во вращение. Чисто диэлектрический ротор нами не испытывался.

Электростатический двигатель Литовченко

Электростатический двигатель с 16 проволочными контактами на статоре

Конструктивно электростатический двигатель представляет собой кольцевой статор из диэлектрика и ротор в виде диска. Статор снабжен набором проволочных контактов, расположенных параллельно оси вращения ротора. Испытывались статоры с числом проволочных контактов 16 (№ 1), 36 (№ 2) и 2 (№ 3). Контакты подключались к источнику высокого напряжения 25 кВ и силы тока 1 мА.
В первом варианте ротор представлял собой диск из диэлектрика - пенопласта, во втором - диск такого же диаметра, выполненный из проводящего материала - фольги.

Целью испытаний было определение картины распределения электрических зарядов и величины крутящего момента в зависимости от геометрических и физических параметров модели.

Распределение зарядов определялось двумя способами:

А. К контактам электростатического двигателя подключался электрометр.

Схема определения жесткости нити

Для статоров № 1 и № 2 наблюдались две формы колебаний: первого вида с частотой примерно 1 Гц ; второго вида с частотой 0,027 Гц.

Частота вращения ротора при этом практически не изменялась и составляла примерно 68,97 об/мин (7,22 c-1 или 1,1495 Гц). Ее мы определяли по кинограмме. Любопытно отметить, что периодически наблюдалось уменьшение частоты вращения примерно вдвое, но затем прежнее значение снова восстанавливалось после завершения периода колебаний второго вида.

С помощью электрометра снимались показания для двух соседних и двух диаметрально расположенных электродов. Результаты наблюдения свидетельствуют о том, что колебания показаний электрометра в целом хаотичны и связаны с появлением и угасанием коронного разряда на каждом контакте. Причем, если у рядом расположенных контактов изменения можно с некоторой поправкой считать синхронными, то у диаметрально расположенных контактов показания электрометра практически независимы.

Изменение частоты вращения было связано, по-видимому, с изменением интенсивности коронных разрядов.

Следует также отметить, что при повышенной влажности воздуха (до 97 %) ротор двигателя не имел преимущественного направления вращения, тогда как при умеренной влажности ротор вращался по часовой стрелке, а при попытке раскрутить его в противоположную сторону возвращался через некоторое время к вращению по часовой стрелке.

Для статора № 3 с одной парой контактов частота вращения ротора составляла примерно 600 об/мин или 62,83 c-1.

Б. Проводилось фотографирование двигателя с большой выдержкой в темноте.

Результаты расчета плотности заряда

Наблюдалась характерная картина распределения зарядов. На фотографии видно свечение на концах контактов, причем разный оттенок свечения соответствует разной полярности. Видно, что заряды располагаются равномерно (с учетом некоторой неидеальности статора).

Измерение момента, действующего на ротор, проводилось с помощью крутильной нити.

Измеренный по трем колебаниям период составил 39 с.

Величина угла поворота крутильных весов на модели со статором № 1 и диэлектрическим ротором при двух измерениях составила 80 и 100°, а вычисленная величина момента составила 7,25 10-6 Н·м.

Как видно, величина момента мала, именно этим объясняются столь высокие требования к величине трения в опоре ротора. Даже при использовании очень хороших подшипников не удавалось получить вращение, поэтому пришлось использовать в опорах часовые камни.

Результаты расчета напряжения

По одной из рабочих гипотез, объясняющих вращение ротора, в конструкции возникали флуктуации плотности зарядов на контактах, которые вызывали местный пробой и, как следствие, движение электронов от отрицательного к положительному контакту. Появление подобного тока провоцирует возникновение движения электронов в том же направлении у соседней пары и т.д. Визуализация потоков воздуха с помощью дыма подтвердила существование направленного потока воздуха от электродов. Однако в отсутствие ротора направление движения воздуха было хаотичным, хотя и наблюдались тангенциально и радиально направленные составляющие. Причем тангенциальные составляющие в области соседних пар контактов направлены одинаково.

Косвенным подтверждением существования флуктуаций плотности зарядов на статоре и роторе может служить расчет плотности электрического потенциала, выполненный методом конечных элементов.

Нетрудно заметить, что в симметричной модели имеются места несимметричного распределения заряда. Может быть, это и является главной причиной вращения?

Изменение относительной частоты вращения ротора двигателя в зависимости от степени разрежения

Мы планируем продолжить исследования электростатического двигателя с многоконтактным статором.

Для двухконтактного статора-ротора картина возникновения вращения требует несколько иного описания. Первый импульс ротор получает под действием стекающих ионов, но последующее вращение связано с перемещением зарядов вначале на ротор, последующим притяжением к противоположному полюсу и перетеканием на него.

Результаты опытов, проведенных в барокамере при разрежении, иллюстрируются графиком частоты вращения ротора.

Предварительные результаты исследований свидетельствуют, что электростатический двигатель работоспособен и конструктивно прост. Более того, уменьшение размеров и количества элементов приводит к повышению эффективности. Однако для работы двигателя необходимо присутствие газовой среды. Не исключено, что с уменьшением размеров ротора и увеличением напряжения на контактах появится возможность осуществить вращение и в вакууме.