2016-08-12
2. Коаксиальный конденсатор и электрофорная машина
Ранее мы показали, что перераспределение зарядов по поверхности конденсатора зависит от её типа,
и при определённых условиях влияет на изменения КПД второго рода.
Далее мы рассмотрим трёхобкладочный коаксиальный конденсатор, одна из обкладок корогого имеет неровную поверхность,
а также проанализируем схему его включения вместе с электрофорной машиной [1].


Из предыдущей части мы уже знаем, что коэффициент прироста КПД можно приблизительно подсчитать по формуле:
\[ K_{\eta2} \approx {C_1 \over \ C_2}, \, g \gg 1 \]
где \(g\) — коэффициент отношения форм поверхностей конденсаторов.
Подставляя всё в предыдущую формулу можно получить окончательный результат для этой схемы:
\[ K_{\eta2} \approx {\ln (r_3/r_2) \over \ \ln (r_2/r_1)}, \, g \gg 1 \]
Для того, чтобы получить \(g \gg 1\) нужно сделать поверхность внешней обкладки конденсатора неровной.
Как вариант, можно использовать сетку: кривизна составляющих её прутиков может быть достаточной для получения нужного соотношения.

Тестатика
Можно ли в предыдущей схеме заменить источник высокого напряжения HV электрофорной машиной (ЭМ)?
Её отличие будет состоять в том, что при каждом обороте на конденсатор будет поступать относительно малый заряд,
который схема должна обязательно утилизировать, иначе накопившись он может тормозить вращающийся диск.
Кроме того, для правильной работы схемы — нужен переключатель,
поэтому в обычном виде ЭМ не подходит, придётся её доработать.
На нижнем рисунке слева изображён такой подход.
Там в виде сектора представлен лепесток ЭМ, с которого снимается заряд при помощи щёток.
Но в данной конструкции их две: первая (по ходу движения сектора) сбрасывает заряд на внутренний конденсатор \(C_1\),
затем следует небольшой промежуток в котором оба контакта щёток замкнуты между собой,
а следовательно заряд перетекает на внешний конденсатор \(C_2\),
после чего начинает работать дроссель \(L_1\) пропуская заряд на нагрузку \(R_n\).
Как видим, отличие этой конструкции от классической ЭМ — наличие на одном из её полюсов двух щёток вместо одной.
На рисунке справа представлен симметричный вариант схемы, когда задействованы щётки обратной стороны диска, несущие противоположные заряды.
Её принципиальное отличие — отсутствие заземления.

Необходимо остановиться на дросселе \(L_1\) (\(L_2\)).
Дело в том, что нагрузка \(R_n\) при классических напряжениях ЭМ должна быть очень высокоомной, что нам не очень подходит.
Для её уменьшения необходимо трансформировать напряжение в общеприменимое, например, в 220 Вольт.
Это можно сделать разными способами, мы же предлагаем такой: \(L_1\) (\(L_2\)) должен из себя представлять трансформатор Тесла (ТТ) [2],
который может работать, как дроссель, и который без труда справится с высоким входным напряжением и с его трансформированием.
Здесь нужно вспомнить, что ТТ является четвертьволновой длинной линией, а потому на одном из ёё концов будет максимум напряжения, на другом — максимум тока.
При реальных оборотах машины он получится довольно громоздким, но вполне допустимым.
Например, для оборотов в 1400 об/мин, 36 секторах на диске и проводе в 0.1 мм, ТТ может быть высотой в 50 см и диаметром 40 см.
Нужно заметить, что для такого способа нужно хорошее согласование параметров схемы с параметрами этого трансформатора.

Интересным представляется ещё один вариант схемы, когда внутренний конденсатор накапливает заряд со всех секторов ЭМ,
но перетекает он на внешний только один раз за весь оборот диска.
В этом случае съём заряда производится всего одной щёткой,
но дополнительно нужно установить замыкающий контакт в какой-то части диска ЭМ.
Вместо контакта можно применить разрядник, который будет срабатывать по достижению определённого напряжения.
В любом случае, в этой схеме потребуется другая согласовка с выходным трансформатором (TV1),
в котором есть смысл применить сердечник из феррита или даже из трансформаторной стали.
В нём условно верхняя часть работает, как дроссель, а нижняя — как трансформатор.
Симметричный вариант схемы делается аналогиным образом.
Понимая принцип создания таких устройств можно придумать свои схемы включения коаксиального конденсатора и ЭМ.
Используемые материалы