Проектно-исследовательская работа "От колеса Франклина до электрореактивных двигателей".

Городская научная – практическая конференция учащихся

«В науку шаг за шагом» 

проектно-исследовательская работа

От колеса Франклина до электрореактивных двигателей.

Выполнил  ученик

10 класса «А»

МБОУ «Гимназия №20»

Иванов Данила

Руководитель –

учитель физики

Петрунин Олег Анатольевич 

Донской, 2014 г.

Содержание:

1. Введение.
2. Основная часть.

1.  Краткая биография Бенджамина Франклина.
2.  Исторические исследования Франклина электрических явлений.
3.  Принцип действия прибора (колеса Франклина).
4.  Колесо Франклина и электрореактивные двигатели.

2.4.1. Электрореактивные двигатели и основные тенденции развития космонавтики.

2.4.2. Проклятие Циолковского.

2.4.3. Классические плазма-моторы.

2.4.4. Что делать с плазмой?

5.  Опыты с колесом Франклина.

1. Основная идея опытов.
2. Оборудование для опытов.
3. Основная демонстрационная установка.
4. Демонстрационные опыты.

3. Заключение.
4. Литература.

1. Введение.

Актуальность темы. Электрические явления имеют огромное значение для повседневной жизни и уже активно исследуются на протяжении более чем триста лет. Несмотря на это, до сих пор нет адекватного теоретического описания всей последовательности многочисленных физических явлений, сопровождающих действия электрического поля. В частности, оказалось возможным уже на самых ранних этапах исследований создать устройство, преобразующее энергию электрического поля в механическую энергию, т.е. электродвигатель. Это, так называемое, колесо Франклина. Возникает естественное желание понять, возможно ли использование идей, заложенных в данном устройстве, для создания эффективных двигателей, в частности ракетных двигателей, используемых для перемещения в космическом пространстве.

Гипотеза: устройство – колесо Франклина и другие устройства, изготовленные из подручных средств, позволят расширить перечень демонстраций по теме «Электростатика», сделать их более эффектными, повысить привлекательность изучения данной темы.

Цель исследования: изучение возможностей применения электрического поля высокой напряжённости для создания эффективных ракетных двигателей, используемых для перемещения в космическом пространстве.

Задачи исследования:

1. Изучить имеющиеся информационные, научные и электронные источники информации по данной теме исследования.

2. Рассмотреть закономерности физических явлений, протекающих в сильных электрических полях – на основе изученного.

3. Придумать и сконструировать простейший прибор для демонстрации действия электрического поля высокой напряжённости.

4. Провести опыты, которые демонстрируют действия электрического поля высокой напряжённости, проанализировать, сравнить и обобщить результаты опытов.

5. Выявить закономерности наблюдаемых явлений, в том числе с помощью созданного оборудования.

6. Сделать выводы.

Объект исследования – электрическое поле высокой напряжённости.

Предмет исследования –  закономерности физических явлений, протекающих в сильных электрических полях.

Методы исследования:

• анализ литературы и материалов интернет-сайтов;
• конструирование устройства для демонстрации движения, возникающего в результате действия электрического поля;
• наблюдение;
• анализ;
• эксперимент;
• моделирование.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что собранные теоретические материалы могут быть использованы на уроках, занятиях элективных курсов по физике, при подготовке к выпускным экзаменам.

Практическая значимость проектно-исследовательской работы заключается в создании наглядных пособий (приборов) для демонстрации действия электрического поля.

II. Основная часть.

2.1.  Краткая биография  Бенджамина Франклина (17.01.1706 – 17.04.1790)

Длинная жизнь американского просветителя, государственного деятеля, учёного Бенджамина Франклина не поддается описанию в двух словах. 
Он родился в Бостоне семье небогатого ремесленника-мыловара и уже с десяти лет помогал отцу в его мастерской. Повзрослев, Франклин начал писать литературные сериалы. Его произведение "Бедный Ричард" выходило в свет в течение нескольких лет. Оно было бестселлером своего времени и принесло автору материальный успех.
Семнадцатилетним юношей он уже покинул родной город, а уже в 1727 г. основал в Филадельфии собственную типографию, а затем - публичную библиотеку. 
Отдавая свободное время чтению, Франклин стал одним из самых образованных людей своего времени. В зрелые годы он страстно увлекся физикой. Франклин занимался измерением теплопроводности различных материалов, изучал явления охлаждения жидкости при испарении, исследовал распространение звука в воде и воздухе и т.д. Наибольшее значение имели его работы по электричеству (1747-1753). Франклин объяснил принцип действия лейденской банки, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки; ввёл общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний "+" и "-"; разработал общую "унитарную" теорию электрических явлений, исходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обусловливает знак заряда тела. Большая заслуга Франклина - установление тождества атмосферного и получаемого с помощью трения электричества и доказательство электрической природы молнии. Обнаружив, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел даже без соприкосновения с ними, Франклин предложил эффективный метод защиты от грозового разряда - молниеотвод. Франклину принадлежит также ряд других технических изобретений: лампы для уличных фонарей, экономичная "франклиновская" печь, особый музыкальный инструмент, применение электрической искры для взрыва пороха и, наконец, "электрическое колесо", вращающееся под действием электростатических сил.

[2]

2.2. Исторические исследования Франклина электрических явлений.

Причиной обращения Франклина к занятиям электричеством послужил случай. Будучи к 1743 году уже видным американским общественным деятелем, он посетил демонстрацию физических опытов в Бостоне. Эти опыты так заинтересовали Франклина, что он купил все использовавшееся при этом оборудование и сам занялся физическими исследованиями. Наилучшим образом представление об этих опытах и о «замечательной способности заостренных предметов извлекать и испускать электрический огонь» дают выдержки из писем Бенджамина Франклина члену Лондонского Королевского общества Питеру Коллинсону: «Сэр. ...Поместите чугунный шар диаметром три-четыре дюйма на горлышке чистой сухой стеклянной бутылки. Подвесьте на тонкой шелковой нити, прикрепленной к потолку, прямо над горлышком бутылки небольшой пробковый шарик, величиной с горошину; длина нитки должна быть такой, чтобы пробковый шарик соприкасался с чугунным шаром сбоку. Наэлектризуйте шар, и пробковая горошина отлетит приблизительно на четыре-пять дюймов, в зависимости от количества электричества... Если в этом положении приблизить к шару острие длинного тонкого кинжала на расстояние шести-восьми дюймов, то отталкивание мгновенно прекратится и пробковая горошина возвратится к шару. Чтобы добиться такого же действия при помощи тупого предмета, Вам придется подвести его к шару на расстояние до одного дюйма, пока не проскочит искра.

Если Вы станете подводить острие к шару в темноте, то увидите, иногда при расстоянии между ними в один фут или даже больше, как острие начинает светиться подобно светлячку. Чем менее заострен предмет, тем ближе потребуется подвести его, чтобы увидеть свет, и как только свечение становится заметным. Вы сможете извлечь электрический огонь и уничтожить отталкивание.

Чтобы убедиться в том, что острия способны не только извлекать, но и испускать электрический огонь, положите длинную острую иглу на шар, и тогда Вы не сумеете наэлектризовать его настолько, чтобы он оттолкнул пробковую горошину,... либо прикрепите иглу к концу подвешенного ружейного ствола с таким расчетом, чтобы она выдавалась вперед наподобие крохотного штыка. До тех пор, пока игла остается на своем месте, наэлектризовать ружейный ствол не удается, потому что электрический огонь будет непрерывно и тихо стекать с конца иглы. В темноте Вы сможете наблюдать картину наподобие уже упоминавшейся выше».

Хотя и до Франклина высказывалось мнение, что молния и разряд, получаемый в опытах по электричеству, есть по сути одно и то же явление, пусть и разных масштабов, опытных доказательств справедливости этой гипотезы не было. Как отмечалось П.Л.Капицей на торжественном заседании по случаю 250-летия со дня рождения Бенджамина Франклина, именно ясность и глубокое понимание изучавшихся им процессов электризации позволили американскому ученому предложить и провести опыт, который впервые наглядно показал электрическую природу грозовых разрядов.

Идея этого опыта заключалась в следующем. Предположим, что между грозовой тучей и землей находится изолированный от земли вертикальный металлический стержень. Если грозовая туча имеет электрический заряд, то заряд противоположного знака наведётся в верхней части стержня. Если на этом верхнем конце сделать острие, то наведенный заряд стечет, и стержень зарядится электричеством того же знака, что и туча. Франклин считал, что присутствие этого заряда можно будет обнаружить по искре, которая возникнет, если прикоснуться к стержню свободным концом заземленной проволоки. Он подробно описал, как следует выполнять этот эксперимент, и предложил это сделать другим, а сам решил выполнить не менее элегантный аналогичный опыт.

Вместо металлического стержня Франклин использовал бечевку, поднимая ее вверх воздушным змеем. Поскольку во время грозы всегда бывает ветер, змей можно запустить, а так как еще и идет дождь, то мокрая бечевка станет проводящей и заменит металлический стержень. Чтобы бечевка легче заряжалась, была предусмотрена возможность стекания наведённого заряда, для чего по углам рамки змея Франклин поместил острия. Для того чтобы изолировать бечевку от земли, внизу к ней была привязана защищенная от дождя шелковая лента. К концу бечевки у земли был подвешен металлический ключ, из которого Франклин во время грозы и извлекал искру.

Таким способом 12 апреля 1753 года Франклин доказал электрическую природу грозового разряда.

Следует отметить, что несколько ранее, 10 мая 1752 года, точно по описанию Франклина французский ученый Далибар изготовил изолированный металлический стержень и от него получил во время грозы электрические искры.

Опираясь на полученные им и другими исследователями данные, Франклин предложил метод борьбы с разрушениями и пожарами, причиняемыми молнией. Когда молния ударяет в здание, корабль или любой другой возвышающийся объект, прохождение тока по плохо проводящей среде сопровождается большим выделением тепла. Если дать возможность электрическому току пройти по хорошо проводящей среде, например по металлу, разрушений и пожаров не будет.

В наши дни небольшой заземленный металлический стержень - громоотвод - венчает почти каждое сооружение и является стандартным элементом его конструкции.

Изучение атмосферного электричества со времен Франклина выделилось в самостоятельный раздел геофизики.

В зонах «хорошей» погоды у поверхности Земли существует стационарное электрическое поле напряженностью около 130 В/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд порядка 3∙105 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. Наибольших значений напряженность электрического поля Земли достигает в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. Разность потенциалов между Землей и ионосферой достигает 250 кВ. Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется ее электропроводностью, которая, в свою очередь, зависит от разнообразных факторов, управляющих количеством ионизованных ионов в воздухе. Среди этих факторов - космические лучи, пронизывающие всю толщу атмосферы, ультрафиолетовое и корпускулярное излучение Солнца, излучение радиоактивных веществ, находящихся в земле и воздухе, и т.п.

В зонах «плохой» погоды пылевые бури и извержения вулканов, метели и разбрызгивание воды прибоем и водопадами, пар и дым промышленных предприятий довольно активно стимулируют проявления атмосферного электричества. Однако главную роль играют облака и осадки. В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объемных зарядов на порядок превышает их плотность в чистой атмосфере. В слоисто-дождевых облаках плотность электрического заряда выше еще в несколько раз. Линейные молнии, генерируемые облаками, являются разновидностью искрового разряда, возникающего в отсутствие электродов в массе заряженных и хорошо изолированных друг от друга частиц. При средней длине молниевых разрядов в несколько километров наблюдаются внутриоблачные молнии длиной до 100 км. Токи наземных молний при средних значениях пиковых величин порядка 20 кА иногда достигают 500 кА.

Когда у поверхности Земли под действием тех или иных факторов напряженность электрического поля оказывается равной 500-1000 В/м, вблизи острых предметов начинается электрический разряд, сопровождаемый характерным шумом. При дальнейшем усилении напряженности электрического поля разряд становится видимым, иногда приобретая коронную форму. Эти свечения - так называемые огни Святого Эльма - особенно сильны бывают в горах и на море, предоставляя широкое поле фантазиям бывалых путешественников.

Возвращаясь к основоположнику учения об атмосферном электричестве, отметим, что Бенджамин Франклин занимался и другими аспектами натуральной философии. Так он создал карту течения Гольфстрима, изобрел музыкальный инструмент с трущимися стеклянными шарами, экономичную печку с подогревом воздуха на входе (до сих пор распространенную в Америке и во Франции), уличные фонари, двойные очки для старческой дальнозоркости и многое другое. Открытия Франклина в области атмосферного электричества произвели ошеломляющее впечатление на современников. Лондонское Королевское общество присудило ему в 1753 году свою высшую награду – медаль Копли, а три года спустя избрало его своим членом. К этому времени, однако, Бенджамин Франклин был уже настолько вовлечен в общественно-политическую жизнь страны, что научные изыскания ему пришлось оставить.

[1]

2.3. Принцип действия прибора (колеса Франклина).

Знания и опыт, накопленный Б. Франклином при изучении электрических явлений, позволили ему изобрести и сконструировать своеобразный прибор, называемый колесо Франклина. Чтобы понять принцип действия данного прибора, рассмотрим шар с зарядом q. Этот заряд распределён по поверхности шара равномерно и для него справедлива формула:

σ = q/(4πR2) (1)

Здесь σ - поверхностная плотность электрического заряда. Напряжённость электрического поля, создаваемого равномерно заряженным шаром вблизи его поверхности, равна:

E = kq/R2      (2)

Подставляя в (2) из (1) заряд q получаем, что:

E = 4πkσ       (3)

Формула (3) справедлива не только для заряженного шара, но и в общем случае. Также можно выразить q из формулы:

𝜑 = kq/R        (4)

Подставляя в (1) получаем:

σ = 𝜑/( 4πkR ) (5)

т.е. поверхностная плотность обратно пропорциональна радиусу R. Т. к. 𝜑 = const в любой точке тела данный результат справедлив для тел любой формы. На острие заряженного проводника поверхностная плотность может стать настолько большой, что заряды начнут улетать с этого острия. По закону сохранения импульса это приводит к вращению колеса. Большая напряженность поля E на остриях в некоторых случаях – нежелательное явление, т.к. происходит утечка зарядов и ионизация воздуха. Ионы уносят электрический заряд, образуется как бы «электрический ветер» («огни Святого Эльма»).

Итак, на острие заряженного проводника поверхностная плотность заряда достигает большой величины. Электрическое поле вблизи острия является сильным и резко неоднородным. При этом могут происходить следующие явления. Нейтральные молекулы воздуха поляризуются и притягиваются к острию. Коснувшись острия, они заряжаются одноимённо с ним и отталкиваются. Сила отталкивания превосходит ранее действовавшую силу притяжения, так как она действует на заряженные молекулы, а сила притяжения – на нейтральные. По этой причине молекулы удаляются от острия с большими скоростями, чем приближались к нему. Возникает поток заряженных частиц, направленный от острия («электрический ветер»). Это явление называют также «стеканием заряда с острия» и является дополнительным фактором, приводящим к вращению колеса. На этом принципе работает колесо Франклина. Возникает интересный вопрос: используется ли в настоящее время это изобретение Франклина или оно осталось в истории как некий забавный и оригинальный способ возбуждения движения с помощью электрического поля?

2.4. Колесо Франклина и электрореактивные двигатели. 

2.4.1. Электрореактивные двигатели и основные тенденции развития космонавтики. Это кажется фантастическим, но колесо Франклина можно рассматривать как прообраз современных плазменных двигателей или электрореактивных двигателей (ЭРД). В свою очередь, прообраз ионного двигателя был создан в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингер улучшил его характеристики.

В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году прошла первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) в тесте на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году прошло испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели СПД-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», СПД-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х гг., СПД-100 — в ряде спутников в 1990-х гг.) Практические работы над электроракетными двигателями, начатые в 1970-е гг., были связаны с ограниченными возможностями бортовых энергоустановок КА, максимальная электрическая мощность которых составляла около 1 кВт. Такой уровень мощности и предъявляемые к ЭРД требования обусловили целесообразность разработки стационарных плазменных двигателей (СПД) на основе холловского ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов. Первые образцы СПД были выполнены в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, а затем в КБ "Факел". Эти двигатели имеют достаточно высокие характеристики при указанном уровне мощности и удельном импульсе тяги, равном примерно 20 км/с; рабочим телом является ксенон.

В ближайшие одно-два десятилетия с помощью ЭРД будут решаться задачи коррекции орбиты космических аппаратов с целью устранения ошибок их выведения и ее поддержания (или изменения) в течение периода активного существования КА, компенсации возмущений, действующих на аппараты при их функционировании как на геостационарной, так и на низких околоземных орбитах; обеспечения высокоточной ориентации и стабилизации КА; доставки КА с опорной околоземной орбиты на более высокие, например, геостационарную.

Впоследствии ЭРД должны найти широкое использование при обеспечении полетов космических аппаратов к Луне и планетам Солнечной системы. В настоящее время весьма эффективно и рентабельно применение ЭРД в составе геостационарных спутников связи. Оценки показывают, что замена ЖРД МТ, обеспечивающего коррекцию орбиты, на ЭРД позволит снизить массу типового спутника на 15 % при сроке его активного существования (САС) 5 лет и на 40 % при САС 15 лет, а при постоянной массе спутника - увеличить число каналов связи и объем передаваемой информации соответственно на 30 и более чем на 50 %.

Анализ задач РКТ на ближайшую перспективу показывает, что для оснащения большинства КА потребуются ЭРД с электрической мощностью от 1 до 10 кВт (в дальнейшем - до 100 кВт), удельным импульсом тяги от 15 до 30 км/с и ресурсом работы порядка 10 000 ч. Указанный диапазон параметров ЭРД является оптимальным для выполнения задач коррекции и ориентации аппаратов различного назначения, межорбитальных перелетов, поддержания орбит низколетающих спутников и т.п. В числе перспективных направлений исследований ближайшего будущего необходимо отметить создание СПД, которые будут работать с использованием менее дефицитных, чем ксенон, веществ, так как запас рабочего тела, потребный, например, для средств межорбитальной буксировки, исчисляется десятками тонн.

В более отдаленной перспективе, по мере решения глобальных энергетических и экологических проблем и роста масштабов межорбитальных транспортных операций, технический и экономический эффекты от использования ЭРД будут возрастать. Без подобных двигателей практически невозможна организация будущих пилотируемых межпланетных экспедиций, широкомасштабного освоения Луны. Поэтому совершенствование ЭРД с потребляемой мощностью десятки-сотни мегаватт, удельным импульсом тяги 15...80 км/с, ресурсом до 5 лет, способных надежно работать на основе таких доступных веществ, как аргон, криптон, литий, натрий, азот, представляется одним из наиболее перспективных и актуальных направлений развития космического двигателестроения. Что же это за двигатели, каков принцип их работы и область применения?

[3]

2.4.2. Проклятие Циолковского

Экстремально сложная проблема создания космического аппарата, способного за разумное время (сравнимое с человеческой жизнью) преодолеть межзвездные расстояния, обусловлена парадигмой традиционной ракеты, которая несет на борту запас топлива и, как следствие, расходует на его разгон почти всю извлекаемую из топлива энергию! Математическим выражением этого проклятия является так называемая формула Циолковского, вытекающая из закона сохранения импульса: , где V – достигнутая кораблём скорость, v0 – скорость истечения струи газов или иного рабочего тела, М0 – масса корабля вместе с топливом до начала разгона, М – масса корабля после достижения скорости V. Здесь не учитываются затраты топлива на подъем с Земли и скорость истечения струи газов или иного рабочего тела, выход на орбиту, где начинается разгон до крейсерской скорости. Однако очевидно, что прежде чем отправиться в далекое путешествие, корабль будет собран из модулей на околоземной или окололунной орбите.

На сегодняшний день отсутствует ясное представление о том, как именно космические аппараты когда-нибудь преодолеют рубеж скорости в 10 000 км/с. Это - примерно 130 лет полета до ближайшей звездной системы Альфы Центавра.

Среди испытанных конструкций, способных дать существенную тягу, ядерные двигатели с теплоносителем (ЯРД) - вне конкуренции. В СССР был разработан и испытан превосходный образец такой установки - РД 0410. Скорость истечения рабочего тела из сопла, т.е. удельный импульс ЯРД может составлять 9 – 10 км/сек. Это более, чем вдвое превышает показатели любых химических ракетных двигателей. При разумном ограничении стартовой массы в 10 000 тонн и скромной нетто-массе 100 т (без учета топлива и рабочего тела), предельная скорость корабля V = 10 ln(10000 / 100) = 45,5 км/сек. Отлично для полетов в Солнечной системе, но не годится для путешествия в систему Альфа Центавра, которое продлилось бы около 29 000 лет. Двухступенчатая схема даст вдвое большую скорость, но стартовая масса вырастет на порядок. Для нашего корабля с ЯРД и нетто-массой 100 т, который разогнался до скорости 200 км/сек, стартовая масса приблизилась бы к 50 миллиардам тонн! Скорости V = 100 км/сек отвечает не столь кошмарный, но тоже впечатляющий запас рабочего тела свыше 2 миллиона тонн.

Таким образом, 100 км/сек - это трудно достижимый, практический предел для ракет с ЯРД, по мере приближения к которому начинается гигантомания.

Из формулы Циолковского вытекает, на первый взгляд, простое решение проблемы. Нужно на порядки увеличить удельный импульс v0, и тогда не придется экспоненциально наращивать расход рабочего тела. Необходимую скорость истечения струи может обеспечить так называемый плазменный двигатель. Данный термин можно отнести к большому семейству устройств, различным образом оперирующих с плазмой, включая ионные двигатели.

2.4.3. Классические плазма-моторы.

За прошедшие полвека земная космонавтика уверенно освоила околоземное пространство и начала изучение планет Солнечной системы, опираясь на традиционные двигатели на химическом топливе. Конечно, еще многие годы космонавтика будет полагаться на старую добрую «химию». Но химические двигатели имеют серьезное ограничение, связанное с энергетикой химических реакций. Они чрезвычайно «прожорливы», то есть имеют низкий удельный импульс (отношение импульса к массовому расходу топлива). Поэтому космические аппараты, которые ученые посылают к окраинам Солнечной системы, несут совсем небольшую полезную нагрузку, даже с учетом гравитационных маневров в поле тяготения планет, используемом для дополнительного разгона. Вполне возможно, что на смену «химии» придут электрореактивные двигатели (ЭРД). Именно на ЭРД в последнее время возлагают большие надежды конструкторы космической техники.    

Любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабоионизированную плазму, но плазменным, ионным, электрореактивным обычно называется лишь тот, который ускоряет плазму за счет электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы. Однако сделать это очень сложно, поскольку любое электрическое поле, ускоряющее заряды в плазме, придаст равные по модулю суммарные импульсы ионам и электронам. В самом деле, изменение импульса заряда q за время dt равно Fdt , где F = qE - сила, действующая на заряд в поле с напряженностью E. Поскольку плазма в целом электрически нейтральна, сумма всех положительных зарядов Q равна (по модулю) сумме отрицательных -Q . Отсюда следует, что за бесконечно малое время dt вся масса положительных ионов получит импульс QEdt. Равный по величине, но направленный в противоположную сторону импульс получит вся масса отрицательных зарядов. В сумме эти импульсы равны нулю, поэтому они никак не изменят импульс двигателя и, следовательно, тяги не возникнет.

Таким образом, для электрического разгона плазмы необходимо как-то разделить разноименные заряды, чтобы разогнать заряды одного знака, в то время как заряды другого знака выведены из зоны действия ускоряющего поля. Однако эффективно разделить заряды крайне сложно! Этому препятствуют кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы и немедленно восстанавливающие электрическое равновесие. Применяемые в существующих плазменных двигателях методы разделения положительных ионов с электронами используют электростатическое или магнитное поле. В первом случае двигатель традиционно называется ионным, а во втором - плазменным.

2  3      4   5        6   7

Схема электростатического ионного двигателя.

 Источник «Большая Советская Энциклопедия»

Функциональная схема «классического» ионного двигателя»:

1 — подвод рабочего тела; 2 — ионизатор; 3 — пучок ионов; 4 — фокусирующий электрод; 5 — ускоряющий электрод; 6 — блокирующий электрод; 7 — нейтрализатор; 8 — основной источник энергии; 9 — вспомогательный источник энергии.

В сравнительно узком интервале между сетчатыми анодом 4 и катодом 5 происходит разгон положительных ионов газа (ксенон, аргон, водород и т.д.), являющегося рабочим телом двигателя. При этом свободные электроны, образующиеся в процессе ионизации, притягиваются к аноду, после чего выводятся в истекающую наружу струю положительно заряженного газа, для его нейтрализации. Катод 6 блокирует притягивание к аноду электронов, покидающих нейтрализатор 7. Анодом (+) является не только электрод 4, но и вся внешняя оболочка камеры, в которой происходит ионизация газа. Анод имеет наибольший потенциал ~1 000 В, в то время как потенциал катода 5 составляет ~100 В, а у катода 6 он еще ниже. Скорость струи газа, ускорившейся в промежутке между сетками 4 и 5, может доходить до 200 км/сек. Однако тяга ионного двигателя ничтожно мала, в лучшем случае достигая нескольких грамм (~ 0.1 ньютона).

Это прямо связано с проблемой разделения ионов и электронов. Которая в этом, как и во всех других плазменных двигателях, решается крайне неэффективно.

Оптимистически предположим, что тягу ионного двигателя с удельным импульсом 200 км/сек удалось довести до 1 ньютона (10 грамм). Тогда корабль со стартовой массой около 15 000 тонн, из которых 14 900 т приходится на рабочее тело (газ), сумеет разогнаться до 1 000 км/сек (по формуле Циолковского 1000 ~= 200 ln (15 000 / 100)). Время разгона T выражается формулой T = p/F, где p - полученный кораблем импульс и F — сила тяги. В данном случае имеем T = 100000 кг ∙ 1000000 м/сек / 1 Н = 100 млрд. секунд, что составляет примерно 3200 лет!

Мощность такого двигателя равна F∙v0 = 200 000 Ватт. Реально работающие образцы имеют на порядок меньше. Чтобы сократить время разгона до крейсерской скорости V, т.е., увеличить тягу, следует повысить потребляемую электрическую мощность и, соответственно, габариты двигателя. Предположим, что таким образом мы увеличили тягу в 1 000 раз и сократили время разгона до разумных 3,2 года. Неплохо для скорости V = 1000 км/сек, хотя до Альфы Центавра пришлось бы лететь еще 1 300 лет. Однако потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что соответствует мощности энергоблока средней АЭС. Это означает, что не существует разумных источников энергии для космических ионных двигателей с тягой хотя бы в десятки килограмм.

Еще в 60-х годах А.И. Морозов предложил свой концепт плазменного двигателя, который был успешно испытан в 70-х. Здесь заряды разделяются радиальным магнитным полем, которое прикладывается в зоне разгона положительных ионов продольным электрическим полем. Значительно более легкие электроны, под действием сил Лоренца, спирально навиваются на силовые линии магнитного поля и как бы «выдергиваются» магнитным полем из плазмы. При этом массивные ионы по инерции проскакивают магнитное поле, ускоряясь электрическим в продольном направлении. Механизм нейтрализации работает также, как в ионном двигателе. Данная схема, имея перед ним определенные преимущества, не позволяет добиться существенно большей тяги при сравнимой мощности. Магнитный метод разделения зарядов далек от эффективного решения проблемы и не позволяет создавать плазменные двигатели, которые могли бы быть использованы для межзвездных путешествий.

Чтобы убедиться в этом предположим, что 1 грамм ионов удалось разделить с электронами и последние скопились на выходе из сопла, навиваясь на силовые линии поперечного магнитного поля с индукцией B = ~ 10 000 Тл. Тогда этот избыточный отрицательный заряд составит примерно - 95 000 Кл. Легко проверить, что соответствующие «избыточные» ионы с общей массой 1 г за несколько фемтосекунд разгонятся до ~10 000 км/сек. При этом электроны избыточного заряда не приобретут равного импульса навстречу ионам, что нивелировало бы реактивный эффект, т.к. за магнитное поле завернет эти электроны на круговые траектории с радиусами порядка 1 метр. Таким образом, для придачи аппарату тягового импульса 10 000 кг • м / сек = 0,001 кг • 10 000 000 м/сек придется в объеме нескольких кубометров создать магнитное поле порядка 10 000 Тесла.

Такие экстремальные поля создаются только взрывомагнитными генераторами А.Д. Сахарова и их современными вариациями, причем они существуют лишь микросекунды и в объемах, измеряемых кубическими дециметрами. При этом энергия магнитного поля будет иметь порядок 10 ТДж. С учетом того, что кумулятивные генераторы способны преобразовать до 20 - 30 % энергии химического взрыва, для придания космическому аппарату тягового импульса ~10 000 кг∙м/сек пришлось бы эффективно утилизировать энергию ядерного взрыва мощностью ~10 Кт. При массе корабля в 100 т потребуется миллион таких импульсов, чтобы увеличить его скорость всего на 100 км/сек. И то лишь при условии, что ядерные заряды не пришлось везти на борту и они были заблаговременно размещены в космосе на участке разгона. Но миллион ядерных бомб — это несколько тысяч тонн плутония, которого за весь период существования ядерного оружия было произведено немногим более 300 тонн. Таким образом, имея лишь плазменным мотор с магнитным разделением зарядов, о полете к звездам лучше забыть.

2.4.4. Что делать с плазмой?

По-видимому, проблема эффективного разделения зарядов в плазменных двигателях принципиально неразрешима. Существуют передовые проекты плазменных двигателей с мощностью 5 МВт и удельным импульсом 1 000 км/сек, но их тяга была бы равна 5 000 000 Вт / 1 000 000 м/сек = 5 Н, поэтому проблема сокращения времени разгона остается непреодолимой. Не говоря уже о том, что в космосе трудно добыть мегаватты потребляемой электрической мощности.

Понимая эти проблемы, разработчики плазменных моторов ищут другие подходы. Заметный энтузиазм вызывает новый концепт VASIMR (рис.1), который в лаборатории показывает лучшие среди плазменных движков результаты: удельный импульс 50 км/сек, тяга 6 ньютонов и КПД 60 - 70 % (тест VX-200). Строго говоря VASIMR даже не является плазменным двигателем, потому что он генерирует высокотемпературную плазму, которая разгоняется в сопле Лаваля - за счет газодинамических эффектов и без электричества. Через трубку 1 под давлением подается газ, который сначала разогревается и слегка ионизируется микроволновым излучением от 3. Затем поток плазмы, изолированный от стенок магнитным полем катушек 4, дополнительно разогревается антенной 5, которая излучает радиоволны на циклотронной частоте (это частота винтового вращения электрона вокруг силовой линии продольного магнитного поля). Такой резонансный нагрев повышает температуру плазмы до миллионов градусов, после чего она истекает в магнитное сопло Лаваля 6. Последнее предохраняет стенки от контакта с горячей плазмой и преобразовывает энергию теплового движения ионов в энергию поступательного движения газовой струи. В сущности, VASIMR позволяет получить очень горячую, высоко ионизированную плазму посредством микроволнового нагрева. Ускорение плазмы происходит вполне аналогично тому, как ускоряется газовая струя на выходе из обычного ракетного двигателя. Сжиганием химического топлива такую температуру плазмы получить нельзя, но за счет ядерного взрыва это сделать можно. Результаты VASIMR демонстрируют некоторый прогресс, но они по-прежнему бесконечно далеки от потребностей межзвездных экспедиций и явно не имеют перспектив развития в этом направлении. Что касается удельного импульса, то VASIMR является шагом назад.

Есть еще один, сравнительно новый концепт плазменного двигателя - MPD thruster, с которым связывают большие надежды. Идея заключается в следующем. Создается такой плазменный разряд между анодом и катодом, чтобы соответствующий электрический ток j индуцировал кольцевое магнитное поле B. Силой Лоренца jxB поле действует на движущиеся заряды тока j, отклоняя часть из них в продольном направлении. Так возникает истекающий "вправо" сгусток плазмы, который создает тяговый толчок. Двигатель работает в импульсном режиме, т.к. необходимы короткие паузы между разрядами для скапливания зарядов на электродах.

MPD - thruster не нуждается в разделении разноименных зарядов, потому что в разрядном токе они движутся во встречных направлениях и, соответственно, силы Лоренца имеют одинаковые направления. Теоретически этот концепт имеет выдающиеся показатели на фоне других плазменных моторов, потому что может развивать килограммы тяги. Однако магнитное поле в принципе не способно разгонять электрические заряды, потому что сила Лоренца действует перпендикулярно скорости заряда и, стало быть, не меняет его кинетическую энергию. MPD - thruster лишь отклоняет направление движения зарядов так, что плазма вылетает наружу в продольном направлении. Но для того, чтобы ток между анодом и катодом был достаточно плотным для создания тяги, придется затратить много электрической энергии. Во всяком случае, потребляемая электрическая мощность не уступает мощности плазменной струи. При удельном импульсе ~1 000 км/сек и тяге в 100 кг потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что практически невозможно генерировать в космосе. Но даже при таких, возможных пока лишь теоретически показателях MPD -thruster-а, оснащенный им корабль с нетто-массой 100 т разгонится до 10 000 км/сек за 317 лет (!) при нереальной стартовой массе 2 200 000 тонн. Кроме того, невозможно вообразить себе расход миллионов тонн газа в двигателе, пропускающем через него мощные электрические разряды. Очевидно, что никакие электроды не выдержат таких тепловых и химических нагрузок.

Таким образом ясно, что ни один из экспериментально проверенных или теоретически просчитанных плазменных двигателей не способен доставить космический корабль к ближайшим звездам хотя бы за время человеческой жизни. По-видимому, плазменные двигатели звездолетов навсегда останутся в сфере научной фантастики. Однако они имеют важные применения в качестве маневровых, корректирующих орбиты и т.п. вспомогательных двигателей космических аппаратов, поэтому усилия по их разработке вполне оправданы. Что касается ядерных ракетных двигателей, то они также не годятся для межзвездных полетов, но прекрасно подходят для межпланетных путешествий в Солнечной системе. При этом ядерный импульсный двигатель, утилизирующий энергию ядерных взрывов, вероятно имеет потенциал развития для отправки автоматического зонда в одну из ближайших звездных систем.

[4]

2.5. Опыты с колесом Франклина.

2.5.1. Основная идея опытов.

      Нам уже известно, что такое колесо Франклина и принцип работы данного прибора. И то, что для вращения колеса необходимо создать электрическое поле высокой напряжённости.      

      Для демонстрации опытов по теме нужно использовать высоковольтный источник электрического напряжения. К сожалению, современные высоковольтные источники электрического напряжения дорогостоящие и их приобретение затруднительно. Поэтому в своих опытах я использовал электрофорную машину, имеющуюся в кабинете физики.

 2.5.2. Оборудование для опытов.

      Основным прибором для постановки демонстрационных опытов является электрофорная машина, самостоятельно изготовленные модели колеса Франклина, модель электростатического фильтра, воздушный конденсатор. Для опытов необходимы некоторые другие приборы и материалы, а также соединительные провода.

2.5.3. Основная демонстрационная установка.

      Внешний вид основной демонстрационной установки показан на рис.1: к электрофорной машине с помощью соединительных проводов подключается колесо Франклина. При вращении ручки электрофорной машины происходит разделение электрических зарядов, в результате которого колесо электризуется. Электрическое поле вблизи острия является сильным и резко неоднородным. Возникает поток заряженных частиц, направленный от острия («электрический ветер»). При достаточно интенсивном электрическом ветре возникает вращение колеса.

2.5.4. Демонстрационные опыты

Рассмотрим серию демонстрационных опытов, которые можно показать с помощью данного оборудования на уроках физики, посвященных изучению электрических явлений. Отмеченные звёздочкой опыты предназначены для углублённого курса физики.

Опыт 1. Электрический ветер

Цель: демонстрация действия «электрического ветра».

Проведение эксперимента. Возьмите стеариновую свечу с малым пламенем и установите на подъёмном столике. На одном из полюсов электрофорной машины закрепите проволоку, один конец которой установите на уровне пламени и на расстоянии 4-5 см от него. Если привести в действие машину, то пламя свечи гаснет. Почему?

Ответ: На выступах и остриях проводника плотность электрических зарядов может быть большой. В этом случае электрическое поле вблизи проводника вызывает ионизацию молекул воздуха. Возникающие ионы образуют поток, направленный от острия, что обнаруживается по поведению пламени свечи.

Опыт 2. Колесо Франклина.

Цель: демонстрация вращения колеса Франклина.

Проведение эксперимента. Установите между пластинами конденсатора колесо Франклина. Соедините пластины с полюсами электрофорной машины и зарядите конденсатор. Колесо Франклина приходит во вращательное движение. Почему?

Ответ: На колесе Франклина по индукции наводятся заряды, плотность которых на остриях достаточно большая. На нейтральные молекулы воздуха, находящиеся вблизи острия, действуют электрические силы, которые вызывают расщепление молекул на ионы. Разноимённо заряженные ионы относительно заряда острия притягиваются и нейтрализуются. Одноимённо заряженные ионы, взаимодействуя с зарядами на остриях, приходят в движение, одновременно начинают двигаться и острия, т.е. колесо, которое приобретает вращательное движение.

Опыт 3. Исчезновение дыма.

Вариант 1.

Цель: демонстрация очистки воздуха от загрязнений с помощью электрического поля.

Проведение эксперимента. Возьмите стакан и крышку с двумя закреплёнными медными электродами. Клеммы крышки соедините проводниками с полюсами электрофорной машины. Заполните стакан дымом, опустите незаряженные электроды в стакан и достаньте их. Дым в стакане сохраняется.

Затем зарядите электрофорную машину и, следовательно, электроды. Опустите их в стакан с дымом. Дым в стакане моментально исчезает. Как объяснить исчезновение дыма?

Ответ: Частицы дыма, находясь в электрическом поле, поляризуются. Под действием сил электрического поля они перемещаются к электродам.

Вариант 2. Модель электрофильтра для очистки воздуха от пыли и дыма.

Две широкие трубки (металлическая и стеклянная, каждая длиной по 400 мм); лист латунной или медной фольги; упругая прямая проволока (толщиной 0,1 мм, длиной 600 мм); 2 зажима-крокодила; высокий штатив на изолирующей подставке с зажимом для крепления широких трубок и 2 лапками на изолирующих стержнях; ленточный генератор или электрофорная машина.

Широкую металлическую трубку устанавливают в вертикальном положении, зажав ее в лапке штатива на изолирующей подставке. Сквозь трубку пропускают упругую проволоку и укрепляют ее в двух других лапках штатива с изолирующими рукоятками так, чтобы проволока располагалась по осевой линии трубки. При помощи зажимов-крокодилов один конец проволоки и трубку соединяют соответственно с отрицательным и положительным полюсом источника высокого напряжения, например, с кондукторами ленточного генератора (см. рис.). Как только генератор будет приведен в действие, в трубке между ее стенками и проволокой создастся электрическое поле.

Если в собранную и находящуюся под напряжением установку через нижнее отверстие трубки ввести дым, например, от зажженной папиросы, то воздух, выходящий из верхнего отверстия трубки, будет очищен от дыма. Под действием электрического поля частицы дыма, наэлектризовавшись при трении о воздух в восходящей струе, будут осаждаться на проволоке.

Ещё одно объяснение этому явлению может быть то, что подведя к электродам (металлическому цилиндру и проволоке) высокое напряжение, у проволоки создаётся коронный разряд. Образовавшиеся при этом ионы, стакиваясь с частицами дыма, присоединяются к ним. Заряженные таким образом частицы дыма под действием поля устремляются к цилиндру и оседают на нём. Вследствие этого газ выходит из трубы очищенным.  

Для большей наглядности можно металлическую трубку заменить широкой стеклянной, в нижнюю часть которой в этом случае следует ввести кусок латунной или медной фольги, согнутой в неполный цилиндр, высотой несколько меньшей, чем сама трубка. Соединив проволоку с отрицательным кондуктором ленточного генератора, фольгу соединяют с положительным.

Опыт 4. Назначение шаров на полюсах электрофорной машины.

Цель: понять назначение шаров на концах стержней полюсов электрофорной машины.

Проведение эксперимента. Снимите шары и получите разряд между концами стержней. Длина его в пределах 5-10 мм. Установите шары, искровой разряд получается 80-100 мм и более.

Ответ: С острых частей наблюдается сильное стекание зарядов, вследствие чего, разряд получается коротким, а с шаров почти нет, поэтому разряд более длинный.

Опыт 5*. Демонстрация искрового разряда между электродами автомобильной свечи. 

Цель: продемонстрировать искровой разряд между электродами автомобильной свечи.

Проведение эксперимента. Соберите следующую опытную установку: свечу закрепите в лапке штатива, её корпус и центральный электрод присоедините к борнам катушки Румкорфа, катушку подключите к батарее элементов на 6 В и приведите в действие. Между электродами свечи возникает искровой разряд. Кусочек ваты, прикреплённый к концу проволоки и смоченный эфиром, поднесите к искровому разряду между электродами. Вата вспыхивает. Почему?

Ответ. Эта вспышка происходит аналогично вспышке горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Иногда между электродами свечи образуется мостик из нагара и электрический разряд не возникает, вспышки горючей смеси не происходит. Для демонстрации указанного явления можно ввести в зазор между электродами кусочек угля и пронаблюдать отсутствие разряда.

III. Заключение.

В данной работе рассмотрена история исследований Б. Франклина электрических явлений. Творческая деятельность учёного привела, в частности, к изобретению вертушки, называемой колесом Франклина. Даётся описание принципа действия колеса Франклина. Описано в теории и подкреплено демонстрационными опытами действие электрического поля на окружающие тела.  В процессе их проведения были получены убедительные доказательства возникновения «электрического ветра».

Цель исследования достигнута, так как были созданы приборы, которые могут быть использованы в качестве эффективных наглядных пособий для  демонстрации  действия электрического поля. Сконструированные модели оказались вполне работоспособными, на их основе были разработаны и проведены разнообразные опыты, использование которых на уроках физики позволит значительно расширить перечень демонстраций по теме «Электрическое поле», сделать их более эффектными, повысить привлекательность изучения данной темы для учащихся. В проектно-исследовательской работе показано, что электрическое поле высокой напряжённости находит применение в электрореактивных двигателях, широко применяемых в современной космонавтике.

Также выполнены задачи исследования: изучены различные источники информации по теме; на основе изученной информации дано объяснение принципа действия колеса Франклина, приведено описание ионных двигателей как одного из видов электрореактивных двигателей, широко использующихся в современной космонавтике. Понимание сущности явления позволило не только создать опытную модель, но и на её основе разработать возможные демонстрации; выявлены основные закономерности и дано объяснение наблюдаемым явлениям, связанным с действием электрического поля высокой напряжённости. Таким образом, появилась ещё одна интересная задача, связанная с придумыванием и внедрением устройств, в основе которых лежат рассмотренные явления, связанные с действием электрического поля высокой напряжённости, в повседневную жизнь, а также выявить новые закономерности действия электрического поля высокой напряжённости, а значит, исследование продолжается!

4. Литература:

1. Журнал «Квант» 2001 года №6, автор статьи А.Васильев.
2. http://www.alhimik.ru/great/franklin.html
3. http://libspace.narod.ru/444.html
4. https://sites.google.com/site/extremalmechanics/next_orion
5. Физика: учебник для 10 кл.шк. и кл. с углубл. изуч. физики / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Э.Е. Эвенчик и др.; М.: Просвещение 1999.
6. Физика. 10 кл. Профильный уровень : учебник для общеобразоват. Учреждений / В.А. Касьянов. – 12-е изд., дораб. – М. : Дрофа, 2011.