КНИГА: Олег Джефименко, 1973г ---- Електростатични мотори

[λ]

Олег Димитрович Джефименко (1922 - 2009), роден в Украйна, умира в САЩ, е бил физик и професор емеритус (човек, пенсионирал се на съответния научен ранг) от Западно-Вирджинския университет (West Virginia Univercity).

През 1956г печели наградата Sigma Xi за своята Теория за електромагнитна ретардация и относителността. През 1971 и 1973г печели награди в надпреварата за технически апарати AAPT. Джефименко конструирал и оперирал електростатични генератори, задвижвани от атмосферно електричество.

Джефименко работил върху генерализацията на Нютоновата гравитационна теория при времево-зависимите системи. Неговото мнение било, че няма обективна причина да се изоставя Нютоновата теория за гравитационните силови полета (в услуга на една метрична гравитационна теория). Той се опитвал да развие и да разшири Нютоновата теория, правейки я съвместима с принципа на казуалността и правейки я годна за приложение към времево-зависимите гравитационни взаимоотношения.

Разширението, или генерализацията на Джефименко, се основава на съществуването на второ гравитационно силово поле, "съгравитационното поле, или полето на Хевисайд". Това може също да се нарече и гравимагнитно поле. То представлява един физичен подход, коренно различен от времево-пространствения геометричен подход на Теорията на относителността на Айнщайн. Оливър Хевисайд първи предвижда това поле в статията "Гравитационна и електромагнитна аналогия" (1893г).




Говорим за човек, който не е бил съгласен с в момента масово приетата парадигма на Айнщайн. Говорим за човек, чиито схващания са били сходни със схващанията на Хевисайд, който, както знаем, наред с Максуел, математически предвижда факта на така наречената Свободна Енергия или свръхединството в нормалната енергийна среда. Максуел, Хевисайд и други, наред с Тесла, са били научно убедени в съществуването на единна енергийна среда, която свързва всяка частица с цялото, наречена етер и именно това е противопоставяло по възгледи съвременниците Тесла и Айнщайн.

Може би най-стойностното последно дело на Джефименко е това, че през 2004г прави книгата "Електростатични експеримети" отново годна за масов прочит и, на практика, отново достъпна за света.

Настоящата книга "Електростатични мотори" в момента може да се свали от тук: http://rexresearch.com/jefimenko/jefimenkoesmotors.pdf

[λ]

Олег Д. Джефименко (Oleg D. Hefimenko)
Западно-Вирджински университет (Univercity of West Virginia)

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИ МОТОРИ

Тяхната история, видове и принципи на функциониране

С много илюстрации, от които 57 са от Дейвид К. Уолкър (David K. Walker) от Уейнсбъркския колеж (Waynesburg College)

Електретна научна компания "Стар Сити"

[Това копие носи печата на библиотеката на Колорадския университет в Денвър]

Книгата се посвещава на
един завършен фермер, майстор, музикант, преподавател и адвокат
БАЩА МИ

Предисловие

Интригуващата наука на електростатиката е била развита главно през 18ти век във време, в което технологията и индустрията са били твърде примитивни, за да приложат тази наука в практична употреба. В резултат на това, сериозните изследвания в електростатиката скоро загубили инерцията си и, с изключение на няколко изолирани усилия, на практика не съществували през 19ти век. Едва съвсем наскоро практичните страни на електростатиката започнаха да оказват влияние върху индустрията и икономиката и някога блестящата, но отдавна забравена наука, отново се появи в съсредоточието на сериозните научни разследвания.

Едно интересно препядствие, обаче, стои на пътя на много такива изследвания: поради 150-годишното пренебрегване на електростатичните изследвания е налице задълбочена липса на леснодостъпна качествена и количествена информация дори върху най-основните електростатични феномени, техники и устройства. Докато експерименталните и теоретични данни, спадащи към най-модерните науки, са добре документирани и са на лесно разположение от множество източници, голямо количество данни от полето на електростатиката трябва да бъдат извлечени чрез щателни лабораторни проучвания от първа ръка, запаметени в стари книги и списания, самото съществуване на които не е широко известно и които не са директно достъпни в коя да е от съвременните библиотеки и хранилища.

Именно с този вид препятствие се сблъска авторът, когато преди няколко години започна собственото си изследване на електростатичните мотори. За късмет, обаче, препятствието скоро се преобрази в едно много награждаващо преживяване на изучаване на всякакви "древни" книги и периодични издания и претърсвания на електростатични инвентари из всевъзможни европейски и американски научни музеи. По време на тези проучвания авторът намери голямо множество забравени публикации върху електростатичните мотори и откри, че няколко от тези стари електростатични мотори всъщност могат и да се видят в някои музеи. (Интересно е да се отбележи, че въпросните мотори обикновено не са публично изложени, явно заради липса на адекватна информация за тяхното предназначение и начин на функциониране, достъпна за персонала на музеите. Също е интересно да се отбележи, че определени видове електростатични мотори често са били използвани в редица движещи се играчки през втората половина на 18ти век и че, въпреки че някои от тези играчки са показани в музеите, те обикновено са изложени без обяснение за това, какво ги е карало да се движат или как би трябвало да са функционирали.)

Целта на тази книга е, да опише различните типове електростатични мотори, докладвани в научната литература между 1700г и днешното време и да обсъди в общи линии техните различни характеристики в дизайна и принципите им на работа. Книгата е написана за широк кръг читатели и е вложено старание, да се избягват техническите подробности, които биха били полезни само на малка група специалисти. Читателите, интересуващи се от допълнителни научни и технически данни за различните мотори, са насочени към подходящите оригинални публикации, цитирани в тази книга.

Материалът е представен в няколко глави, всяка глава описва определен клас мотори. Последователността на главите отговаря на хронологичния ред, по който най-ранния мотор от всяка една глава е бил изобретен в съответното време. Последователността на материала във всяка глава нормално също е подреден в хронологичен ред. Последната глава описва резултатите от някои от най-скорошните изследвания върху електростатичните мотори и разгръща тези резултати в непосредственото бъдеще.

Авторът е благодарен на жена си валентина за напечатването на ръкописа и за основната й помощ за публикуването на книгата. Той също е благодарен и на д-р Дейвид К. Уолкър за това, че прочете ръкописа и за нарисуването на илюстрациите към книгата.

Олег Д. Джефименко

[λ]

Съдържание

Предговор

1. Какво са електростатичните мотори?
Електромагнитни и електростатични мотори. Някои уникални характеристики на електростатичните мотори.
Класификация на електростатичните мотори.

2. Електростатични махалови мотори; Контактни мотори.
Електрическите камбани на Гордън (Gordon). Електрическа люлка. Електрическа климушка (вид люлка, бел.прев).
Електрическо перпетуум мобиле. Реципрочен мотор на Дейли (Dailey). Електрическа състезателна топка.

3. Електростатични вятърни мотори.
Електрическото хвърчило на Гордън. Електрометър на Хамилтън (Hamilton). Електрометър на Лангенбухер (Langenbucher).
Електрически планетарий. Електрическото конно състезание на Кинърсли (Kinnersley). Електрическият турникет на Бихат (Bichat).
Корона-Крафт левитация. Електрически вятърни колела и турбини. Електрическият лов на зайци на Кинг (King).

4. Искровите мотори на Франклин (Franklin) и техните наследници.
Първият мотор на Франклин. Вторият мотор на Франклин. Моторите на Муур (Moore).
Мотори тип буркан с формата на камбана. Друго електрическо перпетуум мобиле. Моторът с ядрени батерии на Дресел (Dressel).

5. Корона мотори и мотори, подобни на тях.
Ротационният феномен на Холц (Holtz). Мотор на Погендорф (Poggendorff). Мотори на Крисчънсен (Christiansen).
Електрическият турбилион на Груел (Gruel). Мотор на Руумкорф (Ruhmkorff). Мотори на Джонсън (Johnson).
Мотори на МакВей (McVay).

6. Кондензаторни мотори.
Мотор на Зиперновски (Zipernowsky). Мотор на Ван Хуфел (Van Huffel). Синхронни и асинхронни мотори.
Кондензаторни мотори на Боле (Bolee). Междупръстов мотор на Муур.

7. Индукционни мотори.
Мотор на Арно (Arno). Индукционни мотори на Вайлер (Weiler). Индукционни мотори на Боле.
Мотор на Чой (Choi) и Дън (Dunn).

8. Мотори, потопени в течност.
Потопен мотор на Вайлер. Мотори на Секер (Secker). Мотор на Куинке (Quincke).

9. Електретни мотори.
Мотор на Губник (Gubnik). Прорезно-ефектни мотори. Синхронен електретен мотор.

10. Какво да очакваме от електростатичните мотори.
Мотори за миниатюризирани системи. Нови корона мотори. Източници на мощност за електростатични мотори.
Опериране на електростатични мотори с атмосферно електричество.

Картина 1
Ето какво написал Х. Б. Дейли (H. B. Dailey) за този електростатичен мотор, който той и баща му построили през 1880г:
"Дали го има или го няма в инструмента онова нещо, което ще му придаде някаква слава или сериозен интерес, той е поне електрически мотор най-неповторим. Мотор без магнетизъм, жици и никакво желязо в строежа си. Мотор, който работи заради действието на директното бутане и дърпане на самото чисто, неперобразувано електричество".

Картина 2
Именно Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin) конструирал първите електростатични мотори през 1748г. Не е известно да съществуват каквито и да е оригинални рисунки или модели на неговите мотори, но неговият първи мотор ще да е изглеждал много подобно на тази реплика, по дизайн на автора за Електретна научна компания.

Картина 3
Вторият мотор на Франклин вероятно е изглеждал много подобно на тази реплика, също по дизайн на автора за Електретна научна компания. Докато първият мотор функционирал заради електричеството, съхранено в Лейденови буркани, този мотор функционирал заради електричеството, съхранено в самия мотор.

Картина 4
Първият корона мотор бил по дизайн на германския физик Погендорф (Poggendorff) през около 1869г. Погендорф провел щателно проучване на мотора, но не успял да оцени възможностите му заради сгрешеното вярване, че няма източници на електричество, които могат да осигурят достатъчно мощност до такъв мотор, така че да извършва полезна работа. Тази опростена версия на мотора на Погендорф е направена от автора.

Картина 5
Електретът - перманентно наелектризиран диелектрик - по същество е продукт на 20ти век. Когато електрет се постави между прорязани електроди, които са захранени с волтаж, електретът се афектира от сила. Този мотор, по дизайн на автора, се възползва от ефекта на прорязването. Роторът на мотора е направен от електрет от палмов восък и представлява два полу-диска, противоположно наелектризирани. Моторът бе построен през 1966г.

Картина 6
Един по-практичен дизайн на електретен мотор включва неподвижни електрети и въртящи се електроди. Електретите лесно могат да се извадят от мотора за поддръжка или подмяна. Моторът функционира от приблизително 60 волта прав ток. Този точно мотор беше първият въобще, задвижен от атмосферно електричество.

Картина 7
При този електретен мотор, разработен в лабораторията на автора (както и всички електретни мотори, представени на тези фотографии), се използват няколко тънки електрета от слюда, които играят ролята на активни елементи. Тази подредба на електретите се възползва добре от наличното пространство и ни позволява да построим относително мощни електретни мотори.

Картина 8
Този "пръстеновиден" електретен мотор, построен през 1967г от Д. К. Уолкър (D. K. Walker), има неподвижен цилиндричен електрет. Роторът е направен от четири двойки огънати алуминиеви плочи, обгръщащи електрета. Моторът не се нуждае от комутатор. Мотоът е работил няколко години без нужда от никаква поддръжка.

Картина 9
Корона моторите може би са най-обещаващите електростатични мотори. Тази модерна версия на мотора на Погендорф има цилиндричен ротор вместо диск. Моторът оперира от източник, осигуряващ 6000 волта, както и от заземена полева антена.

Картина 10
Оперирането на електростатични мотори от антени може да се демонстрира с този учебен апарат. Генераторът на Ван де Граф (Van de Graaff generator) произвежда електрически заряди във въздуха. Островърхата антена събира зарядите от въздуха и ги доставя до терминала на елетростатичния мотор, чиито друг терминал е заземен.

Картина 11
Авторът и Д. К. Уолкър опитват да задвижат електретен мотор от 7-метрова антена пред сградата по физика на Западно-Вирджинския университет. Високата сграда екранираше атмосферното поле и моторът не проработи, въпреки че оперираше много добре от същата антена, поставена в незасенчения автомобилен паркинг.

Картина 12
Авторът оперира електростатични мотори посредством летяща антена.

[λ]

1.
Какво са електростатичните мотори?

Конвенционалните електрически мотори създават механично движение като резултат от магнитните сили, действащи върху електрически токове. Тези мотори са подходящо наречени електромагнитни мотори. Има, обаче, друг вид електрически мотор, при който движението е резултат от електрически, или "електростатични", сили, действащи между електрически заряди. Мотори от този вид се наричат електростатични мотори.

Интересно е да се отбележи, че по природата си електростатичните сили са много по-силни от магнитните сили. Има много начини, по които това може да се демонстрира. Например, въпреки че може да е нужно значително усилие, за да се отлепи един магнит от даден обект, за към който е плътно привлечен, изисква се много по-голямо усилие, за да се счупи самия магнит; това е понеже магнитът и обектът са слепени от магнитни сили, докато молекулите в материята на магнита (както и у всяко друго тяло) се държат заедно от електростатични сили.

Защо, тогава, не използваме електростатични сили в нашите устройства, и най-вече в моторите, поне не  всъщо толкова широк мащаб, колкото използваме "по-слабите" магнитни сили? Има две основни причини за това. Първо, трудно е да се постигнат удовлетворителни концентрации на електрически заряди, без това да предизвика разпад на средата, която ги заобикаля и поддържа (въпреки че с модерните изолиращи материали и техники тази трудност става прогресивно по-малка). Второ, мощните електростатични устройства изискват напрежение от много киловолти, за да оперират, и до скоро такива волтажи не можеха да се произвеждат удобно и икономично.

Само че ние не се нуждаем единствено от мотори с голяма мощност. Еднакво важни са и моторите с малка мощност, способни да извършват редица специални задачи. В това отношение електростатичните мотори могат успешно да се съревновават с електромагнитните си братовчеди дори и сега.

Въпреки че електростатичните мотори все още не са широко познати или използвани, те вече държат поне пет впечатляващи рекорда в сравнение с електромагнитните мотори:
1. Първият електрически мотор, построяван някога, е бил електростатичен. Бил е построен около 100 години, преди някой да си въобрази първия електромагнитен мотор.
2. Електрическият мотор, който е работил най-дълго време без прекъсване, по-дълго от кой да е електрически мотор, е бил електростатичен. Това е бил мотор във вид на махало, познат като "електрическо перпетуум мобиле", инсталиран в Инсбрукския университет (University of Insbruck), Австрия, през 1823г. Оттогава той е работил без прекъсване поне до 1909г, захранван от купчина на Замбони (Zamboni pile) (вид ранна високоволтова батерия).
3. Електростатичните мотори са били задвижвани с волтажи от типа на 100 000 волта, което е много повече от волтажите, подходящи за функционирането на електромагнитните мотори.
4. Електростатичните мотори са били задвижвани от токове, по-малки от 10^-9 ампера, което е много по-малко от токовете, нужни за задвижване на електромагнитните мотори.
5. Първият електрически мотор, който е бил задвижен директно от атмосферното електричество, е бил електростатичен мотор. Никой от днешните елекромагнитни мотори не може да оперира директно от този източник.

Дори този кратък списък, отразяващ някои от по-очевидните особености на електростатичните мотори, показва доста ясно, че електростатичните мотори притежават редица неповторими качества. Тези качества без съмнение ще правят електростатичните мотори все по-важни за науката, инженерството и технологията на бъдещето.

Възможни са множество различни електростатични мотори по вид и по дизайн. Обичайно електростатичните мотори се класифицират според някаква ярка черта от начина им на функциониране или някаква ярка черта на дизайна им. Така, по отношение начините за доставяне на електрическите заряди до активната част на един мотор, можем да говорим за контактни мотори, искрови мотори, корона мотори, индукционни мотори и електретни мотори. По отношение на средата, в която се намира активната част на даден мотор, можем да говорим за потопени или газови мотори. По отношение на материала и дизайна на активната им част, можем да говорим за диелектрични мотори (активната част е направена основно от диелектричен материал) и проводящо-плочкови, или кондензаторни, мотори (активната част е направена основно от метал и представлява вариращ кондензатор). Накрая, по отношение на степента на въртене на даден мотор спрямо приложеното в него напрежение (при AC моторите) говорим за синхронни и асинхронни мотори.

Това класифициране на електростатичните мотори, обаче, не прави възможно уникалното определение на всеки индивидуален мотор. Също, при повечето електростатични мотори обикновени са възможни два или повече операционни режима (например, определени мотори могат по желание да се задвижват така, все едно са контактни, искрови или корона мотори). Следователно, приписването на определен мотор към един от изброените типове или категории често е в малка или голяма степен условно. Това, разбира се, важи и за настоящата книга, в която определени мотори, описани в следващите глави, може еднакво добре да се обсъждат в други глави под различно заглавие, и включването на някои мотори в определена глава понякога е продиктувано от факта, че такова категоризиране би довело до по-кохерентно развитие на въпросната тема.

[λ]

2.
Електрически махаови мотори; Контактни мотори

Ако под "електрически мотор" се разбира устройство, преобразуващо електрическа енергия в продължително механично движение, тогава първите два електрически мотора са били изобретени в началото на 1740-те години от Андрю Гордън (Andrew Gordon), шотландски бенедиктински монах и професор по философия в Ерфурт (Erfurt), Германия. [1]

Бележка от преводача: Да не забравяме, че "философията" в онези векове е имала широко значение и е включвала науката като цяло.

Първият мотор на Гордън било устройство, познато като "електрически камбани" (вторият му мотор ще бъде описан в следващата глава). Устройството и функционирането му било както следва. Метален звънец (махало) бил провесен на копринена нишка между две положително заредени камбани (Фиг. 1). От първоначалния контакт с една от камбаните, махалото възприемало заряд със същата полярност, като този на камбаната. Поради отблъскването на еднаквите заряди и привличането на противоположните заряди, махалото тогава било отблъсквано от ударената камбана и привлечено към втората камбана. Когато махалото ударело втората камбана, то отдавало първоначалния си заряд и добивало заряд от същата полярност, която имала втората камбана. Тогава махалото било отблъсквано от втората камбана и привлечено от първата камбана, която отново удряло, и тн.

По-късните автори описват множество вариации на Гордановите камбани, най-вече като устройства за демонстрации в лекторски зали за онагледяване на електростатичните сили. Такива устройства са шиоко използвани за тази цел дори и днес.

През 1752г Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin) направил едно гениално приложение за Гордановите камбани. Той свързал камбаните към изолиран гръмоотвод като предупредително устройство, което предупреждавало, когато гръмоотводът се наелектризира.[2]

Бележка от преводача: Противно на разпространената обща култура, светкавиците не са единствено в посока от небето към земята. Съществуват и светкавици от земята към небето, които се наблюдават по-рядко, но в действителност процесът на този феномен се състои и от двете неща. Мигове преди да удари светкавица, и от небето и от земята започват да се протягат плазмени пътечки, приличащи на виещи се змии. Това става твърде бързо и невъоръженото око не може да го долови, но лесно се долавя от видео-камера или фото-леща. Самият момент, когато светкавицата иили гръмотевицата става факт, се реализира, когато тези две плазмени пътечки, протегнати от земята и от небето, се срещнат и се получи затворен електрически път между небето и земята. Уикипедия, Онагледяване Така, когато гръмоотводът се наелектризира, това означава, че от него се протяга "водач", който всеки момент може да направи връзка с небето.

(Изглежда, че по онова време нито Франклин, нито другите учени подозирали колко опасно можело да бъде това "предупредително устройство". Екстремната опасност на експериментите с изолирани гръмоотводи станала явна година по-късно, когато през 1753г руският физик Джордж Вилхелм Рихман (Heorge Wilhelm Richmann) бил убит от светкавица, която влязла в лабораторията му по такъв гръмоотвод, защото го приближил, с намерение да измери наелектризираността му със специално направен електрометър.)

В една по-късна модификация на Гордъновото изобретение една от двете камбани била монтирана на Лейденов буркан (Фиг.2); тогава камбаните ще звънят дотогава, докато има достатъчно електрическа енергия, съхранена в буркана, за да се движи махалото. (Франклин описал функционирането на електрическо махало, захранвано от Лейденов буркан, през 1747г, виж препратка 2, стр. 189)

Фигура 1
Така наречените "електрически камбани" представлявали първото устройство, което преобразувало електрическа енергия в продължително механично движение. Те били изобретени през около 1742г от Андрю Гордън (Andrew Gordon), професор по философия в Ерфурт, Германия.

Фигура 2
В една по-късна модификация на изобретението на Гордън една от двете камбани била монтирана на Лейденов буркан. Тогава камбаните звънели дотогава, докато в буркана имало достатъчно електрическа енергия, за да задвижва махалото.

Фигура 3
Понякога Гордъновите камбани били изработвани като комплект от три камбани и две махала, всички били провесени на хоризонтална ос, а централната камбана била изолирана от оста и заземена посредством лека верижка.

Фигура 4
Друга модификация на Гордъновите камбани, била комплект камбанни знънчета, подреди в кръг около централна камбана върху дървена основа. За всяка от външните камбани има отделно махало.

Фигура 5
Електрическият и механичен принцип на изобретениеот на Гордън може да се използва не само за биенето на звънчета, но и за създаване на механично движение по принцип. В тази "електрическа люлка" този принцип бил използван за опериране на анимирана играчка.

Фигура 6
През 18ти и 19ти век били изобретени различни електростатично задвижвани играчки. Тази "електрическа калушка" била просто една проводяща ос, клатеща се върху хоризонтална ос на същия принцип като камбаните на Гордън.





Понякога Гордъновите камбани били правени като комплект от три камбани и две махала, като всички били провесени от хоризонтална ос, а централната камбана била изолирана от оста и заземена посредством лека верижка (Фиг. 3). Друга модификация на Гордъновите камбани, била комплект камбанни знънчета, подреди в кръг около централна камбана (Фиг. 4); за всяка външна камбана било въведено отделно махало и всяко се движело между дадената външна и вътрешната камбана (централната камбана обикновено била заземена, външните камбани били свързани към електростатичен генератор).

Електрическият и механичен принцип на Гордъновото изобретение може да се използва, разбира се, не само за биене на камбанки, но и за редица други цели. Всъщност, този принцип по-късно бил използван в две електрически задвижвани играчки: "електрическата люлка" и "електрическата калюшка", които ползвали, съответно, изолирано махало, направено като люлка (Фег. 5) и изолирана проводяща, люлееща се ос, способна на осцилиране около хоризонтална ос (Фиг. 6).[3,4]

Освен Франклиновите камбани, всичките устройства по-горе са били проектирани да оперират о телектростатичен генератор или от Лейденови буркани, заредени от такъв генератор. Само че, през 1806г била изобретена една високоволтова  химическа батерия ("суха купчина", по-късно позната като "купчина на Замбони"(Zamboni pile) от Георг Беренс (Georg Behrens) и през 1810г тази купчина била адаптирана от Джузепе Замбони (Giuseppe Zamboni), така че да задвижва примитивни електростатични мотори. [5] Що се отнася до това, че купчините на Замбони могат да останат активни за много години наред, малките мотори, които функционирали на тяхна база, били известни като "електрическо пертетуум мобиле".


Бележка от преводача:
Уикипедия
Купчината на Замбони е ранна електрическа батерия, изобретена от Джузепе Замбони през 1812г.



Купчината на Замбони е "електростатична батерия" и е съставена от дискове сребърно фолио, цинково фолио, и хартия. Друг вариант е дискове от "сребърна хартия" (хартия с тънък слой от цинк от едната й страна), позлатена от една страна или сребърна хартия, намазана с манганов оксид и мед (за ядене). Използват се дискове приблизително 20мм в диаметър, натрупани един върху друг, като това натрупване може да е с дебелина няколко хиляди диска, след което се притискат в стъклена тръба с капаки накрая или се подреждат между три стъклени пръчки с дървени плочки в краищата и се изолират, като се потопят в разтопена сяра или катран.
Купчините на замбони с модерна конструкция са се произвеждали дори и през 1980-те години, за да осигурят волтажа за ускоряване при вакумните тръби за засилване на изображения, най-вече с военна употреба. Днес такива волтажи се добиват от инверторните вериги с транзистори, захранвани от обикновени (нисковолтови) батерии.
Електродвигателната сила за елемент е приблизително 0.8 волта; при хиляди елементи, натрупани един до друг, купчините на Замбони имат потенциална разлика в киловолтен обсег (хиляди волта), но дават ток в наноамперния обсег. Смята се, че известната ОКсфордска електрическа камбана, която продължава да звъни от 1840г, се захранва от двойка Замбонови купчини.

Точно така пише, "смята се". Причината е, както авторът отбелязва в предисловието си, че персонала на музеите, както и широката общественост в лицето на Уикипедия, като цяло си нямат представа от електростатика. Явно никой не може да каже захранват ли се от тях или не. Работата е, че електростатичното електричество е първична и чиста форма на енергията, а токът и магнетизма са преработена и непървична форма на енергия, която много рядко се среща в природата (Франсис, "Електростатични експерименти"). Много е лесно една електростатична батерия да възстанови заряда си по непредвиден начин заради нормалните взаимодействия на природните сили в околната среда. Затова дали такива "електрически перпето мобилета" се захранват или не се захранват от електростатичните си батерии, малко хора знаят какво се случва.



Пример за такова перпетуум мобиле е показан на Фиг. 7 (виж Глава 4 за друг дизайн). Апаратът се състоял от леко, неогъваемо, изолирано махало, окачено точно над равновесния си център, с малък проводящ пръстен на върха. Пръстенът се намирал между терминалите на две Замбонови купчини. Когато пръстенът влизал в контакт с един от терминалите, той приемал заряд от него и би лотблъскван от същия и привлечен към втория терминал, и така нататък, точно като махалото в Гордъновите камбани. Докладвано е, че едно такова перпетуум мобиле функционира без прекъсване от поне 86 години.[6]

Фигура 7
Това електрическо махало функционирало с една купчина на Замбони, ранна високоволтова батерия. Тъй като батерията продължила да бъде активна много години, махалото станало известно като "електрическо перпетуум мобиле".

 

Фигура 8
Може би най-сложното устройство, извлечено от Гордъновите камбани, е бил този реципрочен електростатичен мотор, построен през 1880г от Х. Б. Дейли и Е. М. Дейли.

   


Най-сложното устройство, произлязло от Гордъновите електрически камбани, може би е реципрочният електростатичен мотор (Фиг.8 и Картина 1), построен през 1880г от Хауард Б. Дейли и Илай М. Дейли (Howard B. Dailey, Elijah M. Dailey).[7] Моторът, който сега е в Историческо технологичния музей на Смитсъновия институт (Museum of History and Technology at Smithsonian Institution) бил описан от един от построилите го по следния начин:

"Тази машина оперира заради директното действие на статично-електрическите привличания и отблъсквания. Целият е направен от фино дърво, стъкло и твърда гума, няма използван магнитен материал. Маховикът е от ламелирано, меко дърво и се движи в плъзгащи се лагери (потърсете "plain bearing", бел.прев) с много малък диаметър. Движещите се топчета, монтирани върху оста от вулканит (минерал, меден телурид, бел.прев), са направени от дърво, издълбани са отвътре, така че стената им е дебела 2мм. Те са покрити с алуминиево фолио за статична проводимост. Неподвижните топчета са от плътно дърво".

"За да функционира двигателят, неподвижните топчета се зареждат с електричество от генератор на статично електричество, като например машината на Холц (Holtz), горните топчета са свързани за единия терминал на машината чрез месинговото топче, а долните неподвижни топчета са свързани за противоположния терминал на машината чрез оста, която ги свързва към основата. При нормални условия, когато е зареден, двигателят ще направи около 375 завъртания в минута".

"Ореховата основа, на която е монтиран двигателят, е дълга 35.5см, широка е 10.15см и е дебела 4.44см. Движещите се топчета са с диаметър около 3.81см; горните неподвижни топчета са с диаметър 4.44см, а долните неподвижни топчета са с диаметър 3.81см. Четирите стъклени пръчки, монтирани вертикално, са високи около 15.24см и са на разстояние 15.24см една от друга по основата. Диаметърът на маховика е 14.60см, позлатен е и има малки телени спици. Свързващата ос е с дължина 17.78см".

*Авторът е благодарен на г-н Елиът Сивоуич (Elliot Sivowitch), музеен специалист от Смитсъновия институт, че учтиво предостави това описание и фотографията на мотора на Дейли.

Електрическият принцип на Гордъновите камбани може също да се използва и за продължително движение във всички посоки. Забележително устройство от такъв тип било "електрическата състезателна топка", или "електрическият планетарий", за което М. Гуйот (M. Guyot) осигурява отлично описание.[8]

Фигура 9
Електрическият принцип на Гордъновите камбани може да се използва и за създаване на продължително всепосочно движение. Тази "електрическа състезателна топка" била ускорявана по проводящ обръч от същия механизъм, който задвижвал махалото на Гордъновите камбани.




Апаратът се състоял от изолиран, хоризонтален, проводящ обръч, позициониран над проводящия диск, с вертикална рамка, концентрична спрямо обръча (Фиг. 9). Подредбата се състояла от пътека за лека стъклена сфера, поставена върху диска между обръча и рамката. Когато обръчът и дискът били свързани към електростатичен генератор, сферата се движела по тази пътека заради привличането и отблъскването, упражнявани от обръча и от диска върху точките от сферата, които добивали заряди от контакта с диска и обръча (търкалянето на сферата обикновено трябвало да се стартира от леко бутване с ръка, но след като сферата започнела да се търкаля, тя продължавала да се търкаля дотогава, докато електростатичният генератор работел).

Тъй като движещите се елементи в гореописаните мотори били зареждани чрез контакт, моторите може да се класифицират като "контактни мотори". Този метод на зареждане, обаче, не е нито единственият възможен, нито пък най-изгодния. Следователно контактните мотори вероятно винаги ще са по-нисшестоящи от моторите, описани в следващите глави. В тази връзка може да е полезно да се отбележи, че, при по-задълбочено изследване на Гордъновите камбани и други сходни устройства, може да се разпознае, че зареждането на движещите се елементи в тези устройства обикновено се случва посредством искра, която прескача от неподвижен електрод (камбана) към движещ се елемент (махало), веднага щом последното се приближи достатъчно до първото. Така, действителният физически контакт между движещата се част и неподвижните компоненти в тези устройства въобще не е нужен за функционирането им. Всъщност, такъв контакт е вреден, тъй като води до енергийни загуби от сблъсъка и от триенето.



Препратки

1. P. Benjamin, A History of Electricity, John Wiley and Sons, New York, 1898, pp. 506, 507.
2. J. Sparks, Ed., The Works of Benjamin Franklin, Whittemore, Niles, and Hall, Boston, 1856, Vol. 5, p. 301.
3. F. M. Avery, Modern Electricity and Magnetism, Sheldon and Company, New York, 1885, p. 241.
4. A. Neuburger, Ergbtzliches Experimentierbuch, Ullstein & Co., Berlin, 1920, pp. 434-436.
5. Gilbert, Annalen der Physik, Ser. 1, Vol. 49, pp. 35-46, (1815).
6. Muller-Pouillet, Lehrbuch der Physik und Meteorologie, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1909, 10th edn.,Vol. 4, p. 338.
7. H. B. Dailey, Modern Electrics, Vol. 5, pp. 916-917 (1912).
8. M. Guyot, Nouvelles Recreations Physiques et Mathematiques, Gueffier, Paris, 1786, Vol. 1, pp. 272-274 and Plate 27.

[λ]

3.
Електрическо-вятърни мотори (задвижвани от електрически вятър)

Както вече бе споменато в предходната глава, Андрю Гордън изобретил два електрически мотора. Вторият му мотор бил "електрическото хвърчило", [1] [2] също познат и като "електрически вихър", "електрическо колелце" или "електрическо реагиращо колело" (фиг. 10). Електрическото хвърчило се състояло от една или повече леки метални ръце с островърхи краища, огънати под прав ъгъл към всяка ръка и в една и съща окръжна посока. Хвърчилото било балансирано на връх в центъра си, върху изолирана игла. Когато игласа се свържела с електростатичен генератор, получавал се коронен разряд^* от острите върхове на хвърчилото.

^*Бележка от автора: Коронният разряд е спонтанно електрическо провеждане в газ (въздух), произлизащо от остри проводими тела, чийто електростатичен потенциал, относително към земята, е 3000 волта или повече.

Въздухът близо до тези върхове става зареден със заряди от същата полярност, като тази на хвърчилото, след което се отблъскват от върховете заради отблъскването на еднаквите заряди (появяващото се в резултат движение на въздуха е познато като "електрически вятър"). По сходен начин, самите остри върхове са отблъсквани от зарядите във въздуха и хвърчилото следователно се завърта в обратната посока на онази, в която са насочени върховете.

Също така, електрическото хвърчило се е използвало за биене на камбанки и звънчета. Това се постигало, като от хвърчилото се подавала петле, което, докато се въртяло хвърчилото, последователно удряло няколко камбанки, поставени в кръгова формация под устройството (фиг.2). [3]

През 1760г, Хамилтън (Hamilton), професор по философия в Дъблин, предложил да се използва подобно устройство като електрометър. [4] В този електрометър от хвърчилото били провесени малки тежести. Със завъртането на хвърчилото, тежестите се отмествали от вертикалната посока заради центрофугичните сили. Това отместване било мярката за скоростта на хвърчилото и, следователно, за силата на източника, към който било вързано. По-софистициран електрометър, възползващ се от електрическото хвърчило, е описан от Якоб Лангенбухер (Jacob Langenbucher) [5], сребърен ковач от Аугсбург, Германия, който влагал голяма част от времето и средствата си в подобряване на електростатични генератори и в изучаване на електростатичните феномени. В този електрометър хвърчилото било закрепено върху тънък вертикален цилиндър. За цилиндъра била прикрепена тънка нишка. Нишката минавала през малък скрипец, а за свободния й край била прикрепена лека чинийка. В чинийката се поставяла малка тежест. Със завъртането на хвърчилото, нишката се намотавала върху цилиндъра, повдигайки чинийката и тежестта. Максималната тежест, която можело да се повдигне от този електрометър, била мерило за силата на източника, от която се оперирало хвърчилото.

Фигура 10
Андря Гордън (Andrew Gordon) изобретил два електрически мотора. Вторият му мотор се казвал "електрическо хвърчило".

Фигура 11
Също така, електрическото хвърчило се е използвало за биене на камбанки с помощта на петле, провесено от него.


Принципът на електрическото хвърчило по-късно бил използван за опериране на планетарий, изобразяващ орбиталните движения на Слънцето, Луната и Земята (фиг.12). [6] В такъв планетарий, познат и като "електрически телурий", по-дългата огъната ръка носела голяма сфера в единия край, а от другия край имало по-малка огъната ръка, всеки край на която носел по една малка сфера. Трите сфери представлявали Слънцето, Луната и Земята. Ръцете били закрепени на остри върхове и всяка ръка имала перпендикулярен остър връх в хоризонталната равнина. Когато инструментът се свържел с електростатичен генератор, двете системи се въртели около точките си на опора, малката система, бидейки по-лека, се въртяла по-бързо от голямата. Относителните маси на сферите били нагласени така, че системата Земя-Луна да се върти дванадесет пъти за всяко едно завъртане на Слънцето.


Една интересна вариация на електрическото хвърчило е конструирана през 1761г от Ебенезър Кинърсли (Ebenezer Kinnersley), учител в едно училище във Филаделфия и близък приятел на Бенджамин Франклин. Кинърсли нарекъл устройството "електрическо конно състезание". [7] Това било кръст, оформен от две парчета дърво, с равни дължини (вероятно около 42см), монтирано хоризонтално върху централна ос. Леки фигурки на кон и ездача му били поставени в края на всеки кръст. Движението било произвеждано от коронен разряд от шпорите на ездачите (фиг.13). Електрическото конно състезание е била популярна играчка през втората половина на 18ти век. Интересни описания на тази играчка се дават от Лагенбухер (Ref. 5, p. 206 and Plate 8) и от Гуйот (Guyot). [8]

Фигура 12
Принципът на електрическото хвърчило по-късно бил използван за задвижване на планетарий, изобразяващ орбиталните движения на Слънцето, Луната и Земята. Масите на сферите били нагодени така, че системата Земя-Луна да се завърта дванадесет пъти за всяко завъртане на Слънцето.

Фигура 13
Една интересна вариация на електрическото хвърчило е конструирана през 1761г от Ебенезер Кинърсли (Ebenezer Kinnersley), приятел на Бенджамин Франклин. Кинърсли нарекъл устройството "електрическото конно състезание". Електрическото конно състезание била популярна играчка през втората половина на 18ти век.


За да се покаже по-убедително, че електрическото хвърчило преобразувало електрическа енергия в механична енергия, електрически хвърчила били поставени на хоризонтални оси и били подредени така, че да повдигат малки тежести (фиг.14) или да се катерят по наклонени релси (фиг.15). [9]

Оперирането на електрическото хвърчило в течности било изследвано от Айме (Aime). [10] Исторически свидетелства за проучванията на електрическите хвърчила били представени от Томлинсън (Tomlinson). [11] Механизмът на хвърчилото е дискутиран по обстоен начин от Маскарт (Mascart). [12] Едно количествено проучване на силите, действащи върху електрическото хвърчило, е проведено от Кампфер (Kampfer). [13]

По-ефикасна модификация на електрическото хвърчило е предложена през 1887г от Бичат (Bichat). [14] "Електрическият турникет" на Бичат се състоял от лека вертикална рамка, способна да се върти около вертикална ос и да поддържа две тънки вертикални жици, произвеждащи коронен разряд по цялата им дължина. Вертикалните страни на рамката действали като "спойлери", предотвратяващи коронен разряд от "задната страна" на жиците. Прост мотор възоснова на устройството на Бичат е показано Фиг. 16.

Фигура 14
Електрическото хвърчило преобразувало електрическа енергия в механична енергия и можело да повдига малки тежести.

Фигура 15
Електрическото хвърчило развивало достатъчно механична енергия, за да се катери по наклонени релси.

Фигура 16
По-ефикасна модификация на електрическото хвърчило била предложена през 1887г от Бичат, който нарекъл това устройство "електрически турникет".



През последните години принципът на електрическото хвърчило (реакционна сила, действаща върху остър връх като резултат от коронен разряд от него) беше предложен за една летяща машина ("корона-корабна левитация"). [15] Подемната сила, осъществима от такава машина, обаче, не изглежда да е от практическа значимост. [16]

В близко сродство с електрическото хвърчило били "електрическо-вятърните колела" и "електрическите вятърни турбини". Както електрическото хвърчило, те са били изобретени през 1740-те години и се възползвали от коронен разряд от остри върхове, за да функционират. Бенджамин Франклин изучил тези устройства през 1747г (той за първи път научава за тях от своя приятел Филип Синг (Philip Syng). Според Франклин (Ref. 7, p. 184), те били "леки вятърно-мелнични колела, направени от витла от твърда хартия; също... малки колелца, от същата материя, но оформени като водни колела". Вероятният им външен вид е показан на фигури 17 и 18. По-късните версии на тези устройства са описани от Гуйот ( Ref. 8, pp. 274, 275 and Plate 27), от Лангенбухер (Ref. 5, pp. 75, 76 and Plate 3), от Гейл (Gale) [17] и от Нойбургер (Neuburger). [18]

Една забавна електрическа играчка, използваща електрическия вятър за свое задвижване, била направена от У. Р. Кинг (W. R. King), познат на Джеймс Вимшурст (James Wimshurst) (дизайнерът на електростатичната машина, носеща неговото име). Тази играчка, която може да се нарече "електрически лов на заек", която сега се намира в Научния музей в Лондон, е показанав опростена форма на фиг.19. Състои се от малка турбина за електрически вятър, монтирана на вертикална ос, носеща пет метални ръце в горния си край; ръцете, поддържащи фигурките на зайци, три кучета и един конник, които се преследват една друга в красива малка градина, се въртят, захранвани от турбината под тях.

Фигура 17
Близко свързано с електрическото хвърчило на Гордън, било "колелото с електрически вятър". Както електрическото хвърчило, то било изобретено през 1740-те години и ползвало коронен разряд от остри върхове, за да функционира.

Фигура 18
Бенджамин Франклин изучавал тази "турбина за електрически вятър" през 1747г. Той заключил, че действието й зависело не толкова от електрическия вятър, колкото от силите между зарядите, намиращи се върху движещите и стационарните й части.

Фигура 19
Забавна електрическа играчка, ползваща електрическия вятър, за да се задвижва, направена от Е. Р. Кинг (E. R. King), познат на Джеймс Вимшурст (James Wimshurst). Тази играчка, която може да се нарече "електрически заешки лов", сега се намира в Научния музей в Лондон.


При проучването на моторите с електрически вятър, Бенджамин Франклин заключил, че действието им не зависело толкова от електрическия вятър, колкото от отблъскването и привличането на електрическите заряди, присъстващи върху движещите се и стационарните части на моторите (Ref. 7, p. 184). Много е вероятно това заключение да го е довело до изобретяването на големите му електрически мотори, известните "електрически колела", които са описани в следващата глава.




Препратки

1. P. Benjamin, A History of Electricity, John Wiley and Sons, New York, 1898, pp. 506, 507.
2. J. C. Poggendorff, Geschichte der Physik, Johann A. Barth, Leipzig, 1879, p. 846.
3. V. K. Chew, Physics for Princes, Her Majes-ty's Stationery Office, London, 1968, p. 13.
4. B. Wilson, Philosophical Transactions, Vol. 51, p. 896 (1760).
5. J. Langenbucher, Beschreibung einer be-trachtlich verbesserten Elektrisiermaschine, Mathaus Reigers, Augsburg, 1780, pp. 54-56 and Plate 3.
6. G. Adams, An Essay on Electricity, London, 1799, 5th edn., pp. 580-581 and Plate 4.
7. J. Sparks, Ed., The Works of Benjamin Franklin, Whittemore, Niles, and Hall, Bos-ton, 1856, Vol. 5, p. 371.
8. M. Guyot, Nouvelles Recreations Physiques et Mathematiques, Gueffier, Paris, 1786, Vol. 1, pp. 249, 250 and Plate 25.
9. H. J. Oosting, Zeitschrift fur den Physikali-schen und Chemischen Unterricht, Vol. 9, pp. 84-85 (1896).
10. R. Aime, Annates de Chimie et de Physique, Ser. 2, Vol. 62, p. 421 (1833).
11. C. Tomlinson, Philosophical Magazine, Ser. 4, Vol. 27, p. 202 (1864).
12. M. E. Mascart, Traite d'Etectricite Statique, G. Masson, Paris, 1876, Vol. 1, pp. 175-179.
13. D. Kampfer, Annaten derPhysik, Ser. 3, Vol.. 20, pp. 601-614 (1887)
14. E. Bichat, Annates de Chimie et de Physique, Vol. 12, pp. 64-79 (1887).
15. A. Christenson and S. Moller, AIIA Journal, Vol. 5, pp. 1768-1733, (1967).
16. L. B. Loeb, Electrical Coronas, University of California Press, Berkley, 1965, pp. 402-406.
17. L. D. Gale, Elements of Natural Philosophy, Mark H. Newman, New York, 1846, p. 164.
18. A. Neuburger, Ergotzliches Experimentier-buch, Ullstein & Co., Berlin, 1920, pp. 432, 433.