Параметрический емкостный генератор электрической энергии

Генератор предназначен для выработки электроэнергии. Генератор состоит из конденсатора с обкладками, изготовленными из токопроводящих материалов с различной работой выхода электронов, и подключенной к конденсатору нагрузки, активной или имеющей активную составляющую. С помощью устройства циклического изменения емкости (механического, по изменению расстояния между обкладками конденсатора, их площади, перемещения диэлектрика или другого, например изменения свойств диэлектрика) заряд конденсатора, обусловленный контактной разностью потенциалов между его обкладками, совершает полезную работу. Изобретение обеспечивает работу генератора, основанную на том, что имеется возможность внешним воздействием уменьшить энергию электрического конденсатора, заряженного контактной разностью потенциалов собственных обкладок, получив на выходе только электрическую энергию.

 

Изобретение (далее - генератор) относится к генераторам электрической энергии.

Ближайшим прототипом генератора является общеизвестный из техники измерений датчик Кельвина, предназначенный для определения работы выхода электронов (РВЭ) токопроводящих материалов (ТПМ) и микроскопического обследования поверхности образца ТПМ. Он состоит из образца исследуемого ТПМ, зонда, изготовленного из ТПМ с известной РВЭ, и устройства, осуществляющего механические (вибрирующие) колебания зонда перпендикулярно плоскости образца. При изменении электрической емкости между зондом и образцом возникает переменная электродвижущая сила, по амплитуде которой и известной РВЭ зонда высчитывается РВЭ или определяется рельеф образца [1].

Другим прототипом можно назвать общеизвестный параметрический генератор, состоящий из электрического колебательного контура, в который входят конденсатор и катушка индуктивности. При циклическом изменении емкости конденсатора с определенной частотой и фазой, связанных с резонансными характеристиками контура, происходит, при начальном поступлении извне заряда на конденсатор, поддержание и рост амплитуды колебаний за счет внешней работы [2].

Техническая задача, решаемая данным генератором, является осуществление возможности использования физического эффекта контактной разности потенциалов (КРП) в генераторе электроэнергии.

Техническим результатом является выработка электроэнергии с применением эффекта КРП, возникающей при контакте ТПМ с различными РВЭ.

Сущность технического решения заключается в осуществлении разрядки на нагрузку конденсатора, заряженного КРП собственных обкладок, путем уменьшения его электрической емкости.

Генератор содержит электрический конденсатор с диэлектриком, нагрузку и устройство изменения емкости (УИЕ). Обкладки конденсатора изготовлены из ТПМ. Это могут быть металлы, полупроводники или токопроводящие композиты различного происхождения. Пара ТПМ подбирается из расчета получения максимальной КРП между ними. Выбор материала диэлектрика диктуется получением наибольшей емкости конденсатора при данном конструктивном его исполнении. Обкладки конденсатора электрически подключены к нагрузке. Емкость конденсатора циклически изменяется УИЕ - это его основная функция. УИЕ, как и способ изменения емкости, могут быть любыми с учетом сохранения им (УИЕ) основной функции. Например, возможно механическое изменение расстояния между обкладками (изменяя расстояние между ними), площади обкладок (складывая или сжимая), взаимной площади (сдвигая обкладки с, или без изменения расстояния между ними), перемещение диэлектрика (например, вдвигая и выдвигая его в промежуток между обкладками), изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика посредством физического воздействия на материал диэлектрика (различными полями, механическим воздействием) и прочее. Основными функциями нагрузки являются разрядка конденсатора при уменьшении его емкости и предоставлении возможности конденсатору заряжаться КРП собственных обкладок при увеличении емкости. В связи с этим нагрузка должна быть активной или иметь активную составляющую. Конкретное исполнение нагрузки может быть самым разнообразным с учетом сохранения ей основных функций. Самый простой вариант реализации нагрузки - в виде омического сопротивления (резистора). Возможен вариант нагрузки с механическими, электронными и иными ключами, а также трансформаторный, когда конденсатор нагружен на его первичную обмотку. В трансформаторном варианте, особенно ненагруженном, могут возникнуть: реактивные и резонансные явления, придающие генератору отличительные признаки обычного резонансного параметрического генератора; токи смещения из-за несимметричности амплитуды напряжения на конденсаторе, тем большем, чем больше сопротивление нагрузки.

Чертежи и схемы не приводятся ввиду простоты конструкции генератора.

Работу генератора рассмотрим на примере с нагрузкой в виде резистора. В начальный период времени емкость конденсатора максимальна, а его обкладки замкнуты через резистор. УИЕ начинает уменьшать емкость конденсатора. Повышающееся напряжение на конденсаторе вызывает ток в резисторе. В момент минимальной емкости конденсатора и полной его разрядки напряжение на его обкладках равно КРП. Далее УИЕ начинает увеличивать емкость конденсатора. Происходит понижение напряжения на конденсаторе ниже КРП и зарядка его до КРП через резистор. УИЕ во время полного цикла совершает суммарно положительную работу, которая преобразуется в электрический ток и тоже выделяется на нагрузке. Далее цикл повторяется.

Доказательство возможности осуществления генератора. Рассмотрим конденсатор с обкладками, выполненными из материалов с различной РВЭ. Конденсатор имеет возможность изменять свою емкость. Переведем конденсатор в положение максимальной емкости и замкнем его обкладки через резистор. При этом конденсатор зарядится до напряжения, равного КРП, и энергия его заряда будет

где E₁ - энергия заряда конденсатора в положении максимальной емкости с замкнутыми обкладками;

C₁ - емкость конденсатора в положении максимальной емкости;

U - контактная разность потенциалов [3].

Этот заряд напрямую снять с конденсатора невозможно, так как суммарная КРП в замкнутой цепи равна нулю. Теперь уменьшим емкость конденсатора. Очевидно, снижение емкости заряженного конденсатора вызовет повышение напряжения на его обкладках выше КРП и возникновение тока в резисторе. Кроме того, на уменьшение емкости будет затрачена положительная внешняя работа, величина которой будет зависеть от взаимоотношения двух параметров: скорости изменения емкости конденсатора и величины сопротивления резистора. Эта работа, какова бы ни была ее природа, также выделится в виде тепла на резисторе. Однако конденсатор разрядится не до конца - на нем останется КРП. Далее, отключив резистор, вернем емкость конденсатора к первоначальной величине. При этом, поскольку заряд на конденсаторе остался, выделится положительная внешняя работа, связанная с уменьшением энергии заряда, а напряжение на обкладках станет меньше КРП обкладок конденсатора. И теперь, при исходной максимальной емкости конденсатора, мы имеем энергию

где Е₂ - энергия изолированного конденсатора после увеличения его емкости;

С₂ - емкость конденсатора в положении минимальной емкости,

с учетом того, что напряжение на обкладках станет меньше КРП в той мере, в которой C₁ больше С₂. Очевидно, что Е₂ меньше E₁, откуда следует вывод: имеется возможность внешним воздействием уменьшить энергию электрического конденсатора, заряженного контактной разностью потенциалов собственных обкладок, получив на выходе только электрическую энергию, работа которой включает работу внешнего воздействия. Таким образом, заряд такого конденсатора может совершать полезную работу.

Эффективность генератора (отношение разности E₁ и Е₂, выделяемой в нагрузку, к внешней работе по изменению емкости конденсатора) обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки.

Итог. Возможность снятия заряда с конденсатора, заряженного КРП собственных обкладок, путем уменьшения его емкости неоспорима, исходя из школьного курса электростатики (опыт с пластинами и электроскопом, ([4], стр.105) и работоспособности прототипа - датчика Кельвина, имеющего на выходе только ЭДС и не являющегося резонансным параметрическим генератором, где электрические колебания поддерживаются исключительно внешней работой.

Источники информации:

1. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. М.: Мир, 1989.

2. Бухараев А.А., Овчинников Д.В., Бухараева А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор). Завод. лаб., 1997, N5.

3. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. Учебное пособие для вузов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

4. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика. Учеб. пособие, книга 2. Электродинамика. Оптика. - М.: Физматлит, 2000 г.

1. Параметрический емкостный генератор электрической энергии, содержащий электрическую емкость, выполненную с возможностью ее циклического изменения и изготовленную из токопроводящих материалов, и устройство циклического изменения емкости, отличающийся тем, что он снабжен нагрузкой, емкость выполнена в виде конденсатора, обкладки которого изготовлены из токопроводящих материалов с различной работой выхода электронов и электрически подключены к нагрузке, причем нагрузка выполнена с возможностью разрядки конденсатора при уменьшении его емкости и с обеспечением возможности конденсатору заряжаться при увеличении емкости.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что устройство циклического изменения электрической емкости конденсатора выполнено с возможностью изменения емкости посредством изменения расстояния между обкладками конденсатора, или изменения площади обкладок, или изменения взаимной площади обкладок, или перемещения диэлектрика, или изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика посредством физического воздействия на его материал.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нагрузка выполнена активной или имеет активную составляющую.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящие материалы выполнены из комбинации двух и более металлов, полупроводников или проводящих электрический ток искусственных или естественных материалов, имеющих различные работы выхода электронов.