Недавно подал заявление на патент, хочу обсудить устройство в кругу друзей!
Введение
За последние десятилетия физика и физические знания стали очень обширны и неоднозначны. Нет смысла опираться на некоторые постулаты, особенно если рассматривать физические знания из различных базовых точек знания, допустим, классической и квантовой физики. Все современные подходы и выводы позволяют нам сомневаться в выводах, сделанных много лет назад и постараться переосмыслить новое, иногда непонятное, попытаться сформулировать новые догмы. Как бы там не было, в физике должна периодически наступать критическая пора переосмысления, иначе эту науку сложно будет назвать физикой. К сожалению, все новое принимается и провозглашается с большим трудом, но в этом есть необходимость.
Первое что я сейчас должен отметить, новое не может появиться из прямолинейных ходов и простых выводов, которые были присущи физике прошлых лет. Для появления и получения нового, нужно проделать определенный путь, совершить ряд согласованных действий. Создать определенные условия для появления нового явления. Тем не менее, многие старые и давно известные явления до сих пор имеют достаточно большое, а иногда и базовое значение. Невозможно создать что-то новое, не опираясь на базовые знания прошлых лет.
В связи со всем выше сказанным, появление нового должно проходить с оглядкой на получаемый результат. Современные физические знания могут быть различны, но только достижения современной промышленности может способствовать появлению нового оборудования и стимулировать новые физические открытия и изобретения. Современная радиоэлектронная промышленность уже очень давно использует физический процесс преобразования электромагнитной энергии в электрическую и наоборот, данный процесс очень хорошо описан и задокументирован. Появились новые схематические решения и способы данного преобразования, а многие процессы приобрели стандартный вид. Появилась возможность проводить собственные технические опыты и эксперименты, как говорят в домашних условиях, появилась возможность управления и перераспределения электрической энергии.
В попытке ответа на вопрос о том, что же такое электрическая энергия вы так или иначе придете к естественному вопросу о том, что такое сопротивление? Именно сопротивление процессу преобразования и переработки электрической энергии приводит к ее потере и аннигиляции. Мы должны в полной мере понимать данные процессы, провести ряд экспериментов для углубленного изучения функциональных особенностей сопротивления. Существование естественного активного, а также реактивного сопротивления, сопряженное как правило с выделением тепловой энергии объясняет многие процессы, происходящие при прохождении электрической энергии по проводникам и цепям. Изучая процессы, происходящие в сопротивлениях, а также сами сопротивления, вы столкнётесь с таким парадоксальным явлением как «отрицательное сопротивление». Явление «отрицательного сопротивления» встречается в различных процессах и связан с различными явлениями, нас же данный процесс будет волновать исключительно в электрических дуговых разрядах.
Электрический дуговой разряд и «отрицательное сопротивление», являются одним из удивительных парадоксальных физических явлений. Многие не понимают парадоксальность явления происходящего в электрическом дуговом разряде в принципе, считая это явление вполне обыкновенным и заурядным, а зря. Из-за градиента скоростей электрона в проводнике или точнее металле и газовой среде мы получаем нагрев электрической дуги практически до состояния плазмы в 6000 и более градусов 0С, как бы без потери энергии на этот нагрев. Многие сейчас мне возразят, мы должны преодолеть напряжение пробоя газовой среды и это будут потери. Многие вообще сейчас не поймут происходящего, потому как не до конца понимают роль сопротивления в потере энергии. Суть электрической энергии можно свести к энергии движения элементарных частиц, но об этом мы должны спросить у физиков, несмотря на множество проделанных экспериментов.
Теперь, если взять электрическую дугу как источник тепловой энергии мы выясним что интенсивность тепловой энергии зависит от тока (I) нашей дуги, но для рождения дугового разряда нужно создать напряжение пробоя, при этом сам дуговой канал имеет отрицательное сопротивление. И тут нам на помощь приходит закон Кирхгофа, если быть проще, два источника электрической энергии. Первый, с высоким напряжением для рождения дугового разряда и малой мощности, а второй, имеющий ту самую систему возврата электрической энергии обратно, но при этом высокого тока для создания мощного теплового потока. Проведенные эксперименты показали состоятельность подобной схемы, закон Кирхгофа распространяется не только на обычные электрические цепи, но и на электродуговые каналы.
Таким образом можно утверждать о парадоксальном явлении происходящем в газовой среде при дуговом разряде. Так или иначе мы должны будем вспомнить догму прошлых лет о законе сохранения энергии который совершенно не соблюдается в нашем эксперименте. На самом деле, закон сохранения энергии является просто догмой и не отвечает на конкретный базовый экспериментальный вопрос, который мы нарушаем в нашем эксперименте или точнее сказать в устройстве!
Электрическая энергия и сопротивление
При попытке ответить на относительно простой вопрос, что же такое электрическая энергия мы можем очень долго лукавить, вспоминая свойства электрической энергии и т. д. Но давайте попробуем на этот вопрос ответь просто, что мы передаем по проводам? Если с водой или газом все понятно, тогда, что такое электрическая энергия? В попытке ответить на данный вопрос я считаю не нужно сильно лукавить и искать подводные камни, нужно вспомнить что такое ток. Ток – это направленное движение запряженных частиц в проводнике с током! С электрической энергией еще проще – это движение заряженных частиц в проводнике с током, конечный потребитель получает просто заряженные частицы, которые двигаются в его проводнике или розетке с током. Ох, сколько критики я сейчас получу в мой адрес, как же электрическое и электромагнитное поле, как же, как же? Так мы сейчас про электрическую энергию или про электромагнитную, так если про электрическую, значит, порождённую движением заряженной частицей. Если упрощённо, электрон проходя через поперечное сечение проводника вызывает электромагнитное поле, электрон вращаясь на своих орбитах в полосовом магните вызывает магнитное поле и т. д., но в основе все-таки движение заряженной частицы. Значит, рассуждая про электрическую энергию мы должны принять факт движения и как следствие скорости данного движения, разумеется, для заряженной частицы.
Электрическая энергия, вообще, термин энергия должен нам говорить о наличие какой-либо силы или энергии чего-либо. Если мы с вами пришли к выводу о том, что электрическая энергия есть следствие движения заряженной частицы, значит и сила этой энергии будет в движении нашей заряженной частицы. У исследуемых нами заряженных частиц есть масса m, значит сила нашего движения будет выражаться простой формулой F = m υ / t (H.), где υ – это скорость нашей заряженной частицы, m – это, разумеется, масса, t – это время действия нашей силы в секундах. Формула для нашей энергии будет иметь вид E = m υ2 / 2 (Дж.). Конечно, в электродинамике мы привыкли пользоваться несколько иными формулами, но моя задача сейчас немного изменит взгляд на само явление электрической энергии. Понятно, элементарные частицы относятся к квантовому миру, значит и процессы мы должны рассматривать с точки зрения квантовой физики, тем не менее, эксперименты по фотоэффекту никто не отменял.
Приняв формулу характеризующую электрическую энергию как энергию движения E = m υ2 / 2 (Дж.), мы должны задать себе один простой вопрос, если есть движение, значит должны быть условия, тормозящие этот процесс движения. Да, и этими условия называются сопротивлением R (Ом), сопротивление проводников, сопротивление нагрузки и т.д. Все это приводит к потере электрической энергии, а точнее к уменьшению скорости движения заряженных частиц в проводнике, или как вы, наверное, догадались к уменьшению напряжения, точнее потенциала (U = (φ1 – φ2) Вольт) в проводнике.
Рассуждать о скорости движения и о сопротивлении заряженных частиц в проводнике с током мы можем перейти к закону Ома для участка цепи, R = U / I, где, U – это напряжение в проводнике (Вольт), I – это, собственно, сам ток, точнее сказать количество тока в проводнике (Ампер). В современной электронике и электротехнике закон Ома применяется практически на каждом шагу или участке цепи. Схемотехнически процессы преобразования, характеризующие изменение уровня напряжения или тока в основном происходит с помощью преобразования электрической энергии в электромагнитную и наоборот с использованием трансформаторов и дросселей, нас этот процесс не устраивает, являясь визуально не наглядным. Для более наглядной демонстрации процесса, сопряженного с изменением скорости заряженных частиц, исходя из сопротивления, мы можем собрать преобразователь напряжения, в котором исходный ток потребителя будет удвоен. При этом мы не будем прямо преобразовывать электрическую энергию в электромагнитную и наоборот. Для этих целей и наглядности всего происходящего процесса мы будем использовать конденсатор, с помощью которого электрическая энергия будет использоваться как бы повторно или вторично. Наше демонстрационное устройство будет иметь два канала разнесенных по времени.
Для оптимальной наглядности мы можем использовать в качестве первичного генератора обычную схему мультивибратора, разумеется, на практике такие схемы не приветствуются, для этих целей существуют специализированные микросхемы, например TL494CN. На рисунке 1, приведена схема нашего устройства.
Рисунок 1.
Детальное объяснение работы мультивибратора и транзисторных ключей Q3 и Q4 является излишней, а вот процессы, происходящие на лампе LA1 и конденсаторе С3 давайте разберем более подробно. При включении транзистора Q4 ток источника проходя через лампу LA1 неизбежно будет ограничен сопротивлением лампы и реактивным сопротивлением конденсаторе С3, но при этом во всех точках замера в одно и тоже время замера будет одинаков, а вот напряжение по мере движения от источника к конденсатору будет падать. При этом, падение напряжения будет завесить от внутреннего реактивного сопротивления конденсатора возрастая по мере накопления заряда и увеличивающегося сопротивления. Далее транзистор Q4 закрывается и открывается транзистор Q3, при этом вся накопленная энергия конденсатора С3 будет разряжена на нашей лампе LA1, график заряда и разряда конденсатора приведен на рисунке 2.
Рисунок 2.
Математически нашу схему не сложно описать обычной формулой Ома, R(цепи) = R(LA1) + R(C3), I(цепи) = U(цепи) / R(цепи), обратите внимания, ток зависит от общего сопротивления цепи и в любой точке цепи одинаков. Далее, U(цепи) = I(цепи) * R(цепи), U(LA1) = I(цепи) * R(LA1), U(C3) = I(цепи) * R(C3), при этом напряжения на лампе и на конденсаторе всегда будут различны и зависят от сопротивления лампы и реактивного сопротивления конденсатора. Но что абсолютно справедливо, напряжение на конденсаторе никогда не достигнет напряжения цепи и будет теряться на сопротивлении лампы, хотя, может быть очень близко по значению (вопрос только во времени), математически это выглядит так U(цепи) = U(LA1) + U(C3), U(LA1) = I(цепи) * R(LA1). Тут мы должны задать себе один вопрос, насколько нам важно свечение лампы? Схему можно использовать по-разному и от номинальной емкости конденсатора и частоты переключений будут зависеть многие параметры ее работы. При оптимизации схемы и множестве проделанных экспериментов, мы убедимся в одном, напряжение на лампе будет 0,5 от напряжения источника, а ток при этом станет в два раза больше, как бы удвоится или сказать точнее будет использоваться вторично. Физически, мощность, как произведение тока на напряжение Р = I * U, потребляемая из источника останется прежней. Таким образом мы подошли к одному, главному выводу, сопротивление влияет на напряжение. Данное правило очень хорошо известно современной энергетике, для передачи электроэнергии на большие расстояния энергетики увеличивают напряжение линий энерго передачи (ЛЭП) для уменьшения потери на сопротивлении.
В дальнейшем, с практической точки зрения, нас будет интересовать одно схематическое изделие, десульфуратор рисунок 3. Используемый для
Рисунок 3.
оздоровления пластин аккумулятора. Устройство работает практически по тому же принципу что и описанное выше, но тут уже используется не только конденсатор, но и дроссель для накопления и возврата энергии обратно в аккумулятор. А вот падение напряжения мы в схеме не наблюдаем, так же, как и удвоения тока, но нам это и не нужно. Единственный эффект необходимый нам от устройства, это способность брать и отдавать энергию обратно в цепь!
Подобных схем и устройств предостаточно, нам важен базовый принцип их работы, а также базовый принцип описываемых нами физических явлений. Во-первых, падение напряжения зависит от сопротивления (если не будет сопротивления, значит и напряжение падать не будет), во-вторых, электрическую энергию можно накопить, сохранить и через некоторое время вернуть обратно практически в том же объеме, в-третьих, электрическую энергию не сложно преобразовать, увеличив или уменьшив напряжение, но мощность при этом будет оставаться практически неизменной (с учетом КПД преобразователя), Р = I * U.
Отрицательное сопротивление
Из предыдущей темы мы выяснили, падение напряжения зависит от сопротивления, если теряется напряжение значит теряется и энергия. Да, для преодоления сопротивления мы должны затратить определенное количество энергии, это естественно как в механике, так и в электродинамике. В отличие от механики в электродинамике существуют такие явления как отрицательное сопротивление, я сейчас про электрическую дугу, вернее про электрический дуговой разряд. Давайте вспомним что нам известно про данное явление.
Наверняка многим известны электродуговые плавильные печи, обычный сварочные аппарат забывать тоже не стоит. В итоге мы приходим к тому, что электрическую дугу используют в первую очередь для нагрева, допустим, металла для его плавления или сварки. И действительно температура в центре электродугового разряда достигает 6000 оС и более градусов. Температура нашей дуги зависит от тока I протекающего в нашем электродуговом разряде. Сопротивление дуги и в том числе сварочной дуги будет иметь отрицательные характеристики, иными словами, сопротивление сварочной дуги до значения тока в 1000 Ампер вообще будет отсутствовать, рисунок 4. Лишь при токе в 1000 Ампер у сварочной дуги начинает появляться небольшое сопротивление, из-за того что плотность электрической дуги начинает превышать определенные параметры, электроны начинают мешать движению друг друга, но стоит поменять плотность дугового разряда иными словами увеличить диаметр электрода и все станет на свои места.
Рисунок 4.
Сейчас многие скажут, если следовать нашим рассуждениям, то получается, примени мы схему подобную схеме десульфуратор, мы получим электродуговой разряд без потери энергии, нет сопротивления, значит и энергия тратится не будет. Да, это почти так, но не совсем, для создания, или как бы для рождения электрической дуги мы должны преодолеть напряжение пробоя газовой среды, которая зависит от расстояния пробоя, состава газовой среды и некоторых иных параметров. Мы можем выразить это формулой U(цепи) = I * R + U(дуги), где U(цепи) — это напряжение цепи в нашем устройстве, U(дуги) — это напряжение необходимое для пробоя газовой среды и зажигания электрической дуги, а вот I * R — относятся к вторичной цепи, и не имеет отношения к дуговому разряду. Получается потери тут есть, да, разумеется, есть, если бы этого не было, наверное, уже давно было бы придумано устройство подобное тому, что предлагается к изучению.
Сейчас мы должны ответить на один простой вопрос, а каково вообще сопротивление электродугового канала? Ответ прост, его нету, сопротивление отрицательное. Значит мы должны применять нашу идею не к электродуговому каналу создавая его, а уже к готовому или созданному электродуговому каналу! Совершенно верно, и в этом нам поможет закон Кирхгофа (два источника ЭДС) и вполне рабочая блок схема, изображенная на рисунке 5!
Рисунок 5.
Мне не известно по какой причине подобные открытия не были сделаны ранее, но многочисленные эксперименты подтверждают работоспособность представленной модели устройства, рисунок 5. Устройство представлено в виде обобщенной блок схемы, так как создать подобное устройство с подобным эффектом работы можно различными схемотехническими решениями и способами. Задача данного реферата показать возможный способ создания устройства и детально объяснить физический принцип работы всего устройства как базовую точку изобретательской мысли.
Принцип и форма работы устройства
Рисунок 5, в блок схему входят следующие компоненты и узлы, V2(VDC + C1(CP)) — это, блок питания устройства с постоянным напряжением и возможностью принимать часть энергии устройства обратно. конденсатор C1(CP) выполняет функцию накопителя возвращаемой обратно энергии, V1(VPULSE) — это, импульсный блок управления ключами Q1 и Q2 устройства, работает по однотактной модели, Q2(Q_PMOS) — это, ключ управления высоковольтным трансформатором Tr1, Q1(Q_PMOS) — это, мощный ключ управления основным током устройства с накоплением энергии в индукторе L1(INDUCTOR) и конденсаторе C2(C) соответственно, D1(DIODE) — это, диод стока электроэнергии обратно в блок питания, D2(DIODE) — это, защитный диод от высоковольтного напряжения, Tr1 — это, высоковольтный трансформатор, необходимый для создания электрической дуги на разряднике E1(SPARK_GAP), ток вторичной обмотки ограничен конденсатором C3(C), E1(SPARK_GAP) — это, электрический разрядник SPARK_GAP соответственно, электрический зазор, L1(INDUCTOR) + C2(C) — это, индуктор с конденсатором необходимые для накопления электрической энергии и создании необходимой нагрузки.
Принцип работы устройства не сложен, сводится к накоплению части электроэнергии, затрачиваемой на нагрев или освещение и возврату ее обратно в цепь питания в связи с отсутствием сопротивления. Для этих целей устройство должно быть оснащено блоком питания V2, с постоянным напряжением DC и возможностью периодического накопления возвращающейся энергии, допустим, с помощью электролитического конденсатора C1 с расчетной емкостью CP. Основным модулем устройства является генератор прямоугольных сигналов V1 с расчетным интервалом по времени пульсации VPULSE, необходим для управления основными силовыми ключами Q1 и Q2 (допустим Q_PMOS, созданными по мосфет технологии), время открытия и закрытие ключей одинаково и не разнесено по времени. Время пульсации VPULSE рассчитывается исходя из применяемых компонентов и материалов схемы и может варьироваться в достаточно широком диапазоне. Открытие ключа Q2 вызовет ЭДС индукции в слаботочном повышающем трансформаторе Tr1, что в сою очередь вызовет появление повышенного (высоковольтного) напряжения между клеймами 3 и 4 необходимого и достаточного для создания устойчивого электродугового разряда в разряднике E1с электрическим зазором SPARK_GAP. Ток протекающий между клеймами 3 и 4 цепи трансформатора Tr1 будет не высок и ограничен реактивным сопротивлением конденсатора С3 с расчетной емкостью С. Защитный диод D2 с необходимыми параметрами или маркой DIODE, должен обеспечивать надежную защиту от встречного повышенного (высоковольтного) напряжения протекающего между клеймами 3 и 4 цепи трансформатора Tr1. В то же время защитный диод D2 должен надежно выдерживать большой прямой ток проходящий от блока питания V2, через разрядник E1 (с электрическим зазором SPARK_GAP) для накапливания на конденсаторе C2 (с расчетными параметрами C) и индукторе L1 (с расчетными параметрами INDUCTOR), создавая при этом необходимую или заданную мощность теплового или светового плазменного потока в связи с открытым силовым ключом Q1 (допустим Q_PMOS, созданными по мосфет технологии). После закрытия силового ключа Q1, энергия запасенная в конденсаторе C2 (с расчетными параметрами C) и индукторе L1 (с расчетными параметрами INDUCTOR), пройдя диод стока электроэнергии обратно в блок питания D1 (с необходимыми параметрами или маркой DIODE), будет частично возвращена обратно в блок питания V2. Разряд конденсатора С3 (с расчетной емкостью С), после закрытия силового ключа Q2, будет осуществятся через индуктор L1 и диоды D1и D2, по этой причине часть электрической энергии, с трансформатора Tr1 через защитный диод ключа Q2, так же будет стекать обратно в блок питания V2.
В основе работы устройства используются три известных и понятных физических явления и приложенных к нам физических законов. Первое, это, возможность преобразования электрической энергии в электромагнитную и обратно, данное явление позволяет накапливать и некоторое время хранить электрическую энергию, емкость конденсатора и электромагнитная индуктивность дросселя. Второе физическое явление сводится к отсутствию сопротивления (отрицательное сопротивление) электродугового канала, данное явление известно давно и позволяет пропускать через электродуговой канал достаточно большие токи без потери электрической энергии на нагрев плазмы в данном канале. Второе физическое явление проверялось экспериментально и не вызывает никакого сомнения. Треть явление сводится к закону Кирхгофа и утверждает о том, что токи из различных источников ЭДС будут суммироваться на одной нагрузке и действительно данное правило работает и для электродугового канала. Таким образом, устройство не коим образом не противоречит действующим законам физики. Основой возникновения тепловой энергии в плазменном канале служит эффект разности скоростей заряженных частиц, мощность выделяемой энергии зависит от количества протекающих заряженных частиц через поперечное сечение или упрощенно от тока канала.
