Powered by Yandex.Translation
2015-10-06
Персональный сайт Вячеслава Горчилина
Все статьи
Свободная энергия электрона

Этот метод можно назвать по-разному: доиспользование энергии электрона, её высвобождение и даже — открытие свободной энергии электрона. Суть в том, что человечество до сих пор не научилось использовать весь его потенциал. А ведь всё, что нам нужно для обеспечения энергетической независимости — взглянуть на старые вещи и понятия по-новому. Далее, мы покажем это на примерах и в несложных математических выкладках. Как всегда, постараемся не выходить далеко за школьный курс физики :)

Метод заключается в перераспределении зарядов вдоль длинной линии (ДЛ) и их съём в нагрузку в определённые моменты времени. Но, если перерапределение заряда происходит за счёт интерференции стоячих волн и является по своей природе реактивным, то съём производится уже в активную нагрузку. При определённом сочетании стоячих волн происходит увеличение КПД второго рода \(\eta_{2}\), что приводит к энергетическому выигрышу \(K_{\eta2}\) всего устройства.

Перераспределяем заряды

Для понимания сути метода — начнём с простой задачки. Имеется пять одинаковых конденсаторов \(C1 \ldots C5\). Передадим им заряд \(Q\) величиной 5 единиц (для простоты рассуждений пока будем пользоваться единицами относительными). Поскольку ёмкости одинаковы, то заряд равномерно распределится между ними, а напряжение на на каждом из них станет равным 1. Перераспределение заряда в конденсаторах Соответственно, потенциальная энергия \(W\) каждого конденсатора окажется равной 0.5. Это изображено на рисунке слева.

Напомним, что заряд связан с напряжением так: \[ Q = C\,U,\] а потенциальная энергия конденсатора находится по следующим формулам: \[ W = \frac {Q\,U} {2} = \frac {Q^{2}} {2\,C} = \frac {C\,U^{2}} {2}.\]

Перераспределим заряд таким образом: верхний конденсатор \(C1\) получит 3 единицы, \(C2\) — 2 единицы, а в нижних останется ноль. Заметим, что количество электронов в системе осталось прежним, изменилось только их местоположение, что и изображено на рисунке справа. Суммарная потенциальная энергия системы конденсаторов \(W_{gen}\) в первом случае — 2.5 единицы, во втором — уже 6.5 единиц. За счёт перераспределения заряда мы получили прибавку энергии в 2.6 раза.

Сразу заметим, что для такого перераспределения заряда с помощью обычной схемотехники может потребоваться энергия в точности равная полученной прибавке. Ниже покажем, как это сделать относительно беззатратно. Собственно, в этом и заключается вся «фишка» этого метода.

Эквивалентная схема системы колебательных контуров или длинной линии Приведенная выше модель распределения зарядов интересна ещё и тем, что мы можем её применять точно также и к системе колебательных контуров или к длинной линии (ДЛ). Пока будем рассматривать ДЛ без потерь, а значит можем ввести её эквивалентную схему состоящую только из ёмкостей и индуктивностей. Но нам нужен не весь процесс колебаний ДЛ, а только моменты, в которых весь заряд сосредоточен в ёмкостях, поэтому мы можем ещё больше успростить её эквивалентную схему. Как известно [1], полная энергия колебательного контура равна \[ W = \frac {Q_m^{2}} {2\,C},\] где: \(Q_m\) — максимальное значение заряда конденсатора колебательного контура.

Поскольку нас интересует мгновенный снимок процессов в системе, то вполне законно будет применить эквивалентную схему длинной линии, которая изображена на рисунке справа. Для наших дальнейших задач этого будет вполне достаточно.

Теперь мы можем рассматривать длинную линию достаточно простыми математическими средствами. Её частным случаем является Трансформатор Тесла (ТТ) [2], математическую модель которого мы в дальнейшем построим, чем рассеим разного рода слухи о его «магических возможностях», и в то же время — подтвердим некоторые вполне реальные догадки и предположения.

Немного математики
Рассмотрим систему из одинаковых по ёмкости конденсаторов: \[ C1 = C2 = C_{i} = C \qquad (1.1)\] где: \(i\) — номер конденсатора в интервале \(1..N\), а \(N\) — общее их количество, ёмкость \(C\) — известная нам величина. Также, нам известен заряд \(Q_g\), который мы передаём этой системе конденсаторов, и функция распределения напряжения (заряда) вдоль этой системы — \(f(x)\). Распределение заряда по единичным ёмкостям Для упрощения рассуждений примем, что \(x\) — это относительная величина показывающая точку замера заряда, напряжения или энергии вдоль конденсаторов, изменяющаяся от нуля до единицы.
Для суммирования нам потребуются дискретные значения этой величины в каждой точке (далее покажем, что для непрерывного \(x\), формулы выводятся точно так же). Введём её: \[ x_i = \frac {i} {N} \] где: \(i\) — номер конденсатора. Тогда напряжение на каждом конденсаторе \(C_i\) будет находиться так: \[ U_i = U_m \, f(x_i) \qquad (1.2)\] Выразим \(Q_g\) через известные \(C_g\) и \(f(x)\), и найдём неизвестное пока \(U_m\) — амплитудное значение напряжения. Для этого вначале определим заряд на любом из конденсаторов. Он будет равен: \[Q_i = C \, U_i = C \, U_m \, f(x_i),\] тогда суммарный заряд выразится следующим образом: \[ Q_g = \sum^N_{i=1} |Q_i| = C\,U_m\sum^N_{i=1} \big|f(x_i)\big|, \qquad (1.3)\] \(Q_i\), который стоит под знаком суммы, записываем для общего случая — по модулю, т.к. мы должны суммировать все заряды: положительные и отрицательные. Теперь мы можем найти неизвестную ранее величину: \[ U_m = \frac {Q_g} {C} {1 \over \sum_{i=1}^{N} \big|f(x_i)\big|} \qquad (1.4)\] Мы уже добралсь до потенциальной энергии в каждом конденсаторе, которая, исходя из предыдущих формул, равна: \[ W_i = \frac {Q_i \, U_i} {2} = \frac {C \, U_m^{2} \, f(x_i)^{2}} {2},\] и теперь можем подсчитать общую потенциальную энергию всей системы конденсаторов: \[ W_g = \frac {C \, U_m^{2}} {2} \sum_{i=1}^{N} f(x_i)^{2}\] Подставляя сюда результат из (1.1) и (1.4) получаем важную формулу: \[ W_g = \frac {Q_g^{2} \, N} {2 \, C_g} {\sum_{i=1}^{N} f(x_i)^{2} \over \left[ \sum_{i=1}^{N} \big|f(x_i)\big| \right]^{2}} \qquad (1.5)\] Приблизить эту модель к реальной ДЛ можно ещё больше, если увеличить \(N\) (число конденсаторов) до предельно большой, а \(x_i\) до предельно малой величины. Переходя к пределам и интегрированию получаем этот результат в общей интегральной форме: \[ W_g = \frac {Q_g^{2}} {2 \, C_g} {\int^1_0 f(x)^2 \, dx \over \left[\int^1_0 \big|f(x)\big| \, dx \right]^2} \qquad (1.6)\] К этой формуле мы позже ещё вернёмся, а пока найдём приращение энергии по отношению к системе с равномерным распределением напряжения (заряда). Из-за следующей формулы, собственно, и весь этот «сыр-бор»: \[ K_{\eta2} = {\int^1_0 f(x)^2 \, dx \over \left[\int^1_0 \big|f(x)\big| \, dx \right]^2} \qquad (1.7)\] где: \(K_{\eta2}\) — коэффициент увеличения \(\eta_2\), или приращение энергии в системе. Если в этой формуле посмотреть на числитель и знаменатель, то можно заметить, что это простое отношение суммы квадратов к квадрату суммы. Об \(\eta_{2}\) читайте здесь.

В рамках этой работы мы не рассматриваем возможное дополнительное приращение энергии в системе за счёт захвата электронов (и прочих частиц) из атмосферы или из земли.

Энергетический выигрыш
Внимательно посмотрим на числитель и знаменатель формулы (1.7). Числитель — не что иное, как удельная выходная энергия (удельная энергия съёма), а знаменатель — удельная входная энергия (удельная энергия возбуждения ДЛ). Тогда формулу можно ещё упростить: \[ K_{\eta2} = \frac {W_{out}} {W_{in}} \qquad (1.8)\] Это соотношение можно смоделировать в данном проекте. В нём можно получить разные сочетания стоячих волн, и как следствие — разные распределения зарядов вдоль ДЛ. В этом моделировании, в реальном времени производится подсчёт \(W_{in}\), \(W_{out}\) и \(K_{\eta2}\) по приведенным выше формулам.
Мощность на выходе устройства
Выходная мощность считается довольно просто: умножается энергия съёма с ДЛ \(W_g\) и основная частота возбуждения \(F\). Вспоминая формулу (1.6), найдём эту мощность: \[P_g = W_g \, F = \frac {Q_g^{2}} {2C_g} \, K_{\eta2} \, F \qquad (1.9)\] По сути, \(\frac {Q_g^{2}} {2C_g} \, F\) — это входная мощность, мощность возбуждения ДЛ. Если её обозначить как \(P_{in}\), то можно получить совсем простую формулу отношений входной и выходной мощности: \[P_g = P_{in} \, K_{\eta2} \qquad (1.10)\]
Необходимо заметить, что в реальности есть ещё потери в самомой ДЛ, в запитывающих её устройствах, в съёмных системах и т.п., которые могут достигать 30..50%. Если учитывать этот КПД, то можно вывести наиболее общую формулу работы нашего устройства: \[P_g = P_{in} \, K_{\eta2} \, \eta_1 \qquad (1.11)\] где: \(\eta_1\) — КПД первого рода в относительных единицах.
Немного о трансформаторе Тесла и его правильном возбуждении
Трансформатор Тесла (ТТ) является частным случаем длинной линии, поэтому все рекомендации по его возбуждению в равной степени относятся к любой ДЛ. Все нюансы работы этого трансформатора описать невозможно даже в рамках нескольких статей, но некоторые из них постараемся осветить. Будем исходить из нашей мат. модели, а точнее, из формулы (1.9). Обратим внимание на её левую часть: \[ P_g \sim \frac {Q_g^{2}} {C_g}\] Напомним, что \(P_g\) — это снимаемая с ТТ мощность, которая пропорциональна квадрату заряда \(Q_g\) и обратно пропорциональна ёмкости катушки ТТ. \(Q_g\) — это не что иное, как энергия толчка от индуктора, который равен произведению \(C_I \, U_I\), где: \(C_I\) — ёмкость в цепи индуктора, а \(U_I\) — напряжение на нём в момент открывания ключа. Следовательно, нам нужно использовать максимально возможные напряжения для индуктора и уменьшить межвитковую ёмкость на ТТ, причём увеличение \(U_I\) значительно важнее уменьшения \(C_g\). Ёмкость в цепи индуктора \(C_I\) будет зависеть от мощности ключа и подбирается под его параметры.

Само собой разумеется, что при увеличении резонансной частоты катушки ТТ мы прямо пропорционально увеличиваем и выходную мощность. Она будет ограничиваться только элементной базой нашего устройства.

Как показывает формула (1.9) — нам нужно максимально передать заряд с индуктора на катушку ТТ, а не трансформировать одно напряжение в другое, как это происходит в обычном трансформаторе. Поэтому межобмоточную связь между индуктором и вторичной катушкой ТТ нужно делать по-возможности маленькой.

Ещё один совет не связан с нашими выкладками, но сильно влияет на КПД ТТ — это добротность вторичной катушки. Понятно, что её нужно мотать виток к витку, а сам совет — мотайте литцендратом — многожильным проводом каждая жилка которого изолирована. Дело в том, что на высоких частотах ток бежит в основном по поверхности проводника, следовательно, чем больше будет площать его поверхности [4], тем лучше. Литцендрат увеличивает эту площадь в несколько раз.

Добротность, в самом широком смысле, также связана и совмещением двух резонансов: LC и волнового. В точках их пересечения можно максимально приблизиться к совпадению описанных выше расчётов с реальными данными.

Немного о съёме

Методы съёма энергии с длинной линии — отдельная тема для исследований. Поэтому укажем только на некоторые известные подходы к данной проблеме. Самым простым способом съёма служит ёмкостная связь между ДЛ и металлической сеткой (фольгой, катушкой съёма) с которой, через ключ, в определённые моменты времени и снимается энергия на нагрузку. Этот способ и приведен на макете. Нельзя забывать, что сетка должна быть не всегда сплошной, например, в данном моделировании нужны две сетки — на две половинки ДЛ, а нагрузка должна включаться между ними.

В качестве ключа может выступать как разрядник [5], так и электронная схема. Разрядник имеет плюс в своей простоте и работе в диапазоне достаточно высоких напряжений. Недостаток — сложная регулировка и низкая стабильность. Электронная схема работает с меньшими напряжениями, но более стабильна и может пропускать ток в нагрузку не только с отсечкой по некоторому пороговому напряжению, но и в строго определённые моменты времени. К слову, если схема работает с отсечкой по напряжению, она должна имеють небольшой гистерезис.

Еще один способ достаточно хорошо известен — это съём с 6-7 катушек намотанных также, как и главный ТТ; он расположен в центре, а катушки — по окружности. Каждая такая катушка вносит свой вклад в общую прибавку. Недостаток такого метода — задействование достаточно большого пространства и электрическое поле на всём его протяжении, а значит — довольно большие потери.

Все расчёты, приведенные выше, приводились для ёмкостей и напряжений. Но их можно перевести для индуктивностей и токов — результат будет таким же. Из этого напрямую следует второй способ съёма — разрыв цепи в пучности тока в определённые моменты времени, и пропускание его через нагрузку. Моменты разрыва цепи в точности те же, что и для напряжения [6].

По всей видимости, идеальным методом съёма будет синтез этих двух методов.


Горчилин Вячеслав, 2015 г.
* Перепечатка статьи возможна с условием установки ссылки на этот сайт и соблюдением авторских прав

« Назад
2009-2017 © Vyacheslav Gorchilin