ИССЛЕДУЕМ ВАРИАНТЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ

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

Вода камень точит - гласит народная мудрость. Вот и наши целенаправленные усилия в области создания электростатических двигателей увенчались успехом - заработал так называемый двигатель Литовченко.

В настоящее время известно несколько типов электростатических двигателей. Мы экспериментировали со следующими устройствами:
- электростатическим маятником;
- набором конденсаторов с переключением полярности на обкладках при вращении;
- "игольчатым" двигателем на парных токах - почти как у Литовченко;
- диэлектрическим диском без проводящей подложки с "иголками";
- диском с проводящей подложкой;
- собственно с двигателем Литовченко.

В журнале "Двигатель" № 3 - 2008 мы писали о наших опытах с некоторыми из указанных двигателей. В данной статье мы расскажем о результатах экспериментов с двумя последними вариантами двигателя.

Начнем с электростатического двигателя "с проводящей подложкой". Принципиальное отличие этого двигателя от других заключается в том, что во вращательное движение приводится конденсатор с кольцевыми обкладками. В основу был положен известный патент, в котором предлагалось к диску из диэлектрического материала направить по касательной два заостренных контакта. К контактам следовало подвести высокое напряжение противоположной полярности. Вращательный момент должен возникать вследствие действия двух факторов:

- стекания ионов с острия и передачи их импульса диску;
- притягивания заряженного диска к наклоненному контакту с потенциалом противоположного знака.

Мы экспериментировали с двигателем такого типа и убедились в его работоспособности. В нашей классификации он получил название "диэлектрический диск без проводящей подложки "с иголками". В дальнейшем попробовали сделать двигатель с минимальным потоком ионов, т.е. постарались убрать все острые контакты, расположить ось контакта перпендикулярно диску, а заостренный конец провода, ориентированный к диску, заменить "пятачком". Диск вращаться переставал или вращался очень медленно.

После этого смастерили самодельный кольцеобразный "конденсатор наоборот", представляющий собой два диэлектрических диска с прокладкой из фольги между ними. Подобный "пирог" на хорошем подшипнике при минимальном потоке ионов и нормальном к диску положении контактов легко приводился во вращение. Более уравновешенный диск CD или DVD вращался с угловой частотой около 4,5 об/с. При увеличении мощности источника питания частота вращения доходила до 100 об/с.

По нашему мнению, принцип работы двигателя заключается в следующем. Заряд стекает с отрицательного контакта статора и как бы заряжает кусочек конденсатора. По мере движения по окружности заряженный участок приближается к противоположному контакту. На этот участок диска начинают действовать электростатические силы притягивания. Далее заряд, приблизившись к контакту противоположного знака, перетекает на него. При этом со стороны положительного контакта к диску (по направлению против вращения) наблюдается развитый коронный разряд, т.е. поток положительных ионов. Коронный разряд в той или иной степени возникает при расположении контакта как перпендикулярно, так и наклонно к плоскости диска. Если контакт заизолирован вплоть до "пятачка", то разряд имеет меньшую протяженность, но он все равно существует. Свечение и коронный разряд на стороне отрицательного контакта также наблюдаются, однако гораздо менее интенсивные. То, что на участке диска, движущегося от одного контакта к другому, формируется электрический заряд, сомнений не вызывает. Опыты с таким двигателем подтвердили его работоспособность в разреженной атмосфере вплоть до давления, равного одной десятой части атмосферного давления.

Диск двигателя начинал раскрутку самостоятельно, то есть вращательный момент возникал и "на стопе". Перед запуском контакты самопроизвольно, под действием электростатических сил, начинали колебаться. При этом несколько увеличивалась площадь заряжаемого участка диэлектрика. Установлено, что заряд на "обкладке конденсатора" стремится расположиться на внешней поверхности кольца. Первичный момент силы, приводивший диск во вращение, возникал из-за свойства диэлектрика втягиваться в зазор между обкладками конденсатора. В дальнейшем движение происходило под действием электростатических сил. Влияние количества контактов на скорость вращения нами пока не исследовалось.

Заметим, что все наши удачные конструкции немного отличались от "классического" двигателя Литовченко, у которого контактные проводники должны располагаться параллельно оси ротора. Попытки заставить вращаться ротор относительно статора с 36 равномерно распределенными по окружности контактными проводниками неизменно приводили к "прилипанию" диска ротора к одной из сторон статора из-за поляризации. Именно явление поляризации приводило к торможению диска, так как на его стороне, обращенной к контакту, появлялся заряд противоположного знака.

И тут нам помог случай. Во время проведения серии экспериментов с различными материалами все наши попытки заставить вращаться диски без подложки заканчивались безрезультатно. Тогда наш главный экспериментатор Вася Кузнецов поставил на диск катушку скотча и со словами "а вот так вот" расположил контакты параллельно оси вращения на некотором удалении от наружной поверхности катушки. И случилось чудо - конструкция пришла в движение, причем самостоятельно, без первоначального толчка. Ток был минимален. В темноте свечение было очень слабым, почти незаметным. Дальнейшие опыты показали, что свечение наблюдается только со стороны положительного контакта. Для обеспечения работоспособности конструкции необходимо наличие эмиссии ионов. Этого можно добиться двумя способами: увеличивая напряжение источника или уменьшая диаметр проволоки, заостряя контакты. Следует отметить, что данная конфигурация вполне соответствовала электростатическому двигателю Литовченко с двумя контактами.

Напомним, что конструктивно электростатический двигатель Литовченко состоит из кольцевого статора из диэлектрика с проводящими контактами, расположенными параллельно оси, и диэлектрического диска ротора. Статор "классического" двигателя Литовченко снабжается 36 проволочными контактами, подключаемыми к источнику высокого напряжения напряжением 25…30 киловольт. Ротор представляет собой диск из диэлектрика или звездообразный диск, выполненный из проводящего материала. Увы, изготовленный нами ротор указанной конфигурации категорически не хотел вращаться. В движение удавалось приводить ротор только при радиально расположенных контактах (см. "Двигатель" № 2 - 2008).

И вот, наконец, удача. В чем же причина отсутствия вращения в предыдущих вариантах двигателя? Ротор "прилипал" к одной из сторон статора. Данное явление можно объяснить тем, что электроны были не способны покинуть поверхность контактов статора и перетечь на ротор, а под действием поляризации на поверхности ротора образовывался заряд противоположного знака. Естественно, разноименно заряженные поверхности притягивались. Увеличение напряжения приводило только к тому, что возникал пробой между соседними контактами.

Для подтверждения нашей гипотезы был сделан статор с двумя парами контактов, расставленными под углом 90°. Контакты мы изготовили из сталистой омедненной проволоки. Напряжение подводилось одноименное на диаметрально расположенные контакты. Для большей наглядности мы использовали высоковольтный источник  повышенной мощности и ротор с проводящей подложкой (кольцевой конденсатор с вертикальным расположением подложки). Если ротор был тщательно отбалансирован, то он приводился во вращение самостоятельно. Первоначально движение было медленным, но со временем ротор начинал вращаться быстрее, и, в конце концов, частота вращения превысила 100 об/c. По мере увеличения частоты вращения на контактах появлялось свечение, наиболее яркое и протяженное на положительном контакте. Фактически, как и в предыдущем двигателе, наблюдался мощный коронный разряд, направленный против вращения, в сторону, противоположную заряженной поверхности.

Для обеспечения работоспособности при меньшем напряжении, с другим, менее мощным источником, вдоль контакта натягивалась тонкая медная проволока. В этом случае ротор также приходил в движение. Вопрос о правильном выборе материала контактов с минимальной работой выхода остается пока открытым. Использованная нами сталистая омедненная проволока дала хорошие результаты при радиальном расположении контактов, но оказалась чрезмерно жесткой и слишком толстой при ориентации контактов параллельно оси. Остается также открытым и вопрос об оптимальном числе разнополярных контактов. Падение напряжения из-за паразитных токов при увеличении числа контактов существенно, но с утечками можно бороться. Теоретически увеличение числа контактов должно приводить к увеличению момента на роторе.

Для проверки работоспособности двигателя в условиях пониженного давления мы провели ряд опытов при давлении, составляющем 5 % атмосферного. Оказалось, что ротор двигателя приходит во вращение и в этом случае.