Аннотация: Доклад, прочитанный 25.08.2009 на семинаре в Иерусалимском доме технологий. Для просмотра рисунков надо кликнуть по номеру - рисунок отобразится в отдельном окошке.
1. Вступление
Я хочу рассказать, как можно было бы сделать летательный аппарат, и для этого предлагаю теорию (в рамках существующей физической парадигмы). Эта теория использует и объясняет известный эффект - так называемый эффект Бифельда-Брауна (Biefield-Brown Effect), состоящий в том, что плоский конденсатор, находящийся под высоким постоянным напряжением, имеет тенденцию к движению в сторону положительного полюса - см.
рис. 1, где показано изменение веса конденсатора в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.
Этот эффект был открыт в 1923 году американскими учеными Брауном и Бифельдом в Калифорнийском Институте Специальных исследований [6]. Примечательно, что этот эффект не был предсказан теоретически. В [1, 7] приведены обстоятельное описание и анализ этого эффекта и приведены многочисленные ссылки по теме. Там же рассмотрено и проанализировано несколько известных гипотез о природе этого эффекта. При этом показано, что все эти гипотезы по тем или иным причинам оказываются недостаточными для полного объяснения этого эффекта. Кроме того, все эти гипотезы используют новые, не общепринятые представления о физических явлениях. В [6] приведены ссылки на патенты Брауна и анализируются известные теории эффекта, при этом указывается их несостоятельность. В [2] предлагается еще одна теория этого эффекта. В [3, 5, 8, 9, 10] описываются эксперименты, демонстрирующие этот эффект. В [1, 4, 6, 7] приведены сведения, указывающие на то, что работы по практическому применению этого эффекта велись и , возможно, привели к созданию действующих аппаратов. Предложение автора представлено в [11, 12] и основано на теории, изложенной в [13].
2. Описание эффекта Брауна
Вначале я опишу изобретение Брауна так, как оно представлено Карагодиным Д.А. в [1]. Изобретение Брауна вначале имело вид простого бакелитового ящика, но стоило положить его на весы и подключить к источнику энергии напряжением 100 киловольт, как аппарат в зависимости от полярности прибавлял или терял примерно один процент своего веса. Затем Браун в 50-х годах прошлого века построил дисковидный аппарат 8 метров диаметром, который достигал скорости 6 метров/сек в его лаборатории. Диски были вариацией простого конденсатора из двух пластин, заряженных постоянным напряжением 50КВ. Пластины диска имели разные формы и площади (в одном диске). Когда диски заряжались, они начинали двигаться по круговому пути (вокруг высокой мачты). Для поддержания их полета требовалась энергия всего 50Вт.
Браун также построил экспериментальные диски диаметром 1 метр. Когда они заряжались напряжением 50КВ, скорость их перемещения была столь впечатляюща, что изобретением заинтересовались военные. Проведя тесты в вакууме, Браун заявил, что диски летали с еще большей эффективностью.
Многие ученые и инженеры были свидетелями полетов дисков Брауна, но лишь некоторые из них верили, что в основе движения лежит открытый им эффект. Его учителем был доктор Пауль Альфред Бифельд, профессор физики и астрономии и один из восьми бывших одноклассников А. Эйнштейна по Швейцарии. В отличие от своих коллег Бифельд проявил большой интерес к открытию Брауна, и оба - профессор и студент - проводили эксперименты с заряженными электрическими конденсаторами и разработали физический принцип, ставший известным как эффект Бифельда-Брауна.
Томас Таунсенд Браун умер в California, 22 октября 1985 года. Его лаборатория была разукомплектована, большинство оборудования продано. Томас Браун получил множество патентов на различные электрокинетические аппараты на базе эффекта Бифельда-Брауна, но с его смертью практически все исследования были прекращены.
Долгое время эффект Бифельда - Брауна был засекречен и только в последние годы в Интернете родственниками Брауна были опубликованы несколько патентов и ряд статей Т. Брауна на эту тему.
В экспериментах Брауна были выявлены определенные требования к конденсатору:
- материал диэлектрика должен обладать способностью хранить электрическую энергию без коронного разряда и последующего пробоя на краях конденсатора, например, иметь форму диска; если соответствующий коэффициент для обычных диэлектриков равен 7, то применение оксида титаната бария (спекшаяся керамика) дает коэффициент 6.000 с перспективой доведения до 30.000;
- эффект прямо пропорционален площади пластин конденсатора и величине напряжения приложенного к пластинам;
- эффект проявляется больше при увеличении массы диэлектрического материала между пластинами.
Я нашел также статью Сергеева [3], который измерял силу, действующую на изолированный (для исключения ионного ветра) конденсатор. Он говорит, что сила пропорциональна площади пластин конденсатора, величине напряжения, приложенного к пластинам, и диэлектрической проницаемости (что получилось у меня - скажу ниже).
В 1939 году Браун, объясняя этот эффект, создал теорию электрогравитации. Он до конца своих дней утверждал, что открыл стыковочный эффект между гравитацией и электричеством.
Эффект объясняют также ионным ветром - отталкиванием положительной пластины от положительных ионов воздуха. Но такое объяснение опровергается экспериментами с закрытыми конденсаторами и экспериментами в вакууме, где этот эффект также наблюдается. Существуют и другие теории. Описания этих теорий скупы и не позволяют их проверить. Таким образом, известные теории по тем или иным причинам оказываются недостаточными для полного объяснения этого эффекта. Кроме того, эти теории используют новые, не общепринятые представления о физических явлениях (электрогравитация, эфир и т.п.).
В последнее время появились работы японских ученых под руководством Такааки Миша. Можно сказать, что они развивают теорию электрогравитации. Ими предполагается, что заряженные частицы в сильном электрическом поле создают дополнительное гравитационное поле. Честно говоря, я не могу сейчас воспроизвести их теорию. Но у них описываются многочисленные эксперименты, подтверждающие эффект Бифельда-Брауна.
Тем не менее, все не авторы собственных гипотез утверждают, что до настоящего времени данный эффект теоретически не обоснован, гипотезы, высказываемые различными авторами в разных странах, не позволяют теоретически обосновать данные, получаемые при экспериментальной проверке данного эффекта.
В конце 2006 г. в Интернете был опубликован отчет 2005 г. научно - исследовательской лаборатории Министерства обороны США, в частности, об исследовании эффекта Бифельда - Брауна и несимметричных конденсаторов в качестве силообразующих элементов. В отчете отмечается, что это физическое явление на сегодняшний день относится к "Unconventional Science".
Тем не менее, существует много патентов на устройста, использующие этот эффект. Более того, существует много информации о серьезных и многолетних разработках летательных аппаратов, использующих этот эффект. Упоминаются серьезные фирмы и ведомства различных стран, описываются испытания и т.п. Указывается, что американцами были сделаны попытки создания на этом принципе "летающих тарелок" и по данным, имеющимся в Интернете, в начале 60 - Х годов такие попытки увенчались успехом. Итак, возможно, что были сделаны значительные прорывы, но они скрывались от глаз ученых и общественности. Например, полагают что бомбардировщик В2 построен с применением соответствующей технологии, что позволило увеличить скорость полёта самолёта и снизить его расход топлива - см.
рис. 3.
Тут показан самолет из "Файла секретных документов " - см.
рис. 4.
3. Теория
Если верить всему этому, то, спрашивается, зачем браться за повторение пройденного и изобретать велосипед? Зачем делать то, что делается много лет и, возможно, стоит на вооружении каких-то стран?
Меня вдохновляет тот факт, что нет теории и (если это так) существующие конструкции построены в известной степени методом тыка. "Нет ничего практичнее хорошей теории" - сказал Больцман. Теория позволит выбрать направление технического усовершенствования, оптимизировать конструкции, сломать недоверие финансистов.
Перейдем к теории, ибо без нее отсутствует метод конструктивного расчета аппарата, что затрудняет его промышленную реализацию.
На основе этого эффекта можно конструировать летательные аппараты. Принципиальная схема их конструкции приведена на
рис. 7, где
1 - бортовой высоковольтный источник постоянного напряжения,
2 - плоские конденсаторы.
Направление перемещения аппарата регулируется включением того или иного конденсатора и полярностью напряжения, приложенного к нему. Как видно, конструкция очевидна, проста, не имеет подвижных элементов, может двигаться с любой скоростью и не нуждается в аэродроме.
Как будет показано далее, важным фактором является вид функции распределения зарядов по пластине конденсатора. Известен метод расчета этой функции. На
рис. 8 показана функция распределения плотности объемного заряда - см. [14] и
рис. 9.
На
рис. 10 показана эта аппроксимация при различных b: функция - тонкая синяя линия, аппроксимирующая ее функция - красная толстая линия. Здесь Ch - гиперболический косинус и это очень важно для дальнейшего. Поэтому я уделил этому много времени.
Рассмотрим теперь координатную ось ох, направленную перпендикулярно поверхности пластины конденсатора из ее центра - см.
рис. 11, где показаны положительная и отрицательная пластины конденсатора.
Пусть объемно заряженный слой имеет толщину а. Для отрицательной пластины a-->0, поскольку все электроны находятся на поверхности. Для положительной пластины а>0, поскольку положительные ионы в тысячи раз больше электронов. Для отрицательной пластины ее объемный заряд превращается в поверхностный заряд - см.
рис. 9.
В свое время я разработал (точнее, обнаружил) вариационный принцип оптимума для электрических и электродинамических систем и написал об этом книгу - см.
рис. 13 и
рис. 14.
Вариационные принципы найдены во многих областях физики. Но в электротехнике он был до меня неизвестен - из него следуют уравнения Кирхгоффа. Для инженера вариационный принцип хорош тем, что на его основе может быть построен эффективный вычислительный алгоритм.
Я нашел вариационный принцип для уравнений Максвелла. На основе этого принципа вместе с принципом максимума Понтрягина я разработал метод решения уравнений Максвелла при данных зарядах, распределенных в по функции Дирака или ступенчатой функции. Метод позволяет найти аналитическое решение. Применяя этот метод к данной задаче можно найти напряженности поля, создаваемого указанными зарядами. При этом оказывается, что помимо поля, создаваемого зарядами, как таковыми, возникает еще поле, определяемое взаимным расположением зарядов, а именно распределением их по функции гиперболического косинуса. Можно условно сказать, что система зарядов не эквивалентна сумме зарядов. Напряженность этого дополнительного электрического показана на
рис. 15. Таким образом, в этом случае создается т.н. гармоническое статическое электрическое поле , т.е. волновое изменение напряженности этого поля.
Замечу, что я доказал и существование гармонического статического магнитного поля в окрестности торца постоянного магнита. Потом оно было обнаружено и экспериментально - оно составляет примерно 5-10% от основного поля.
Важно отметить, что амплитуды напряженностей резко уменьшаются при переходе от функции Дирака (для отрицательных зарядов) к импульсной функции (для положительных зарядов) - см. формулу (24) на
рис. 15.
Объяснение природы сил, движущих конденсатор (и метода расчета этих сил) основано на том, что, в диэлектрике конденсатора возникает это гармоническое статическое электрическое поле. Это поле создается неравномерным (по гиперболическому косинусу) распределением поверхностной плотности электрических зарядов на пластинах конденсатора. Амплитуда этой волны зависит от размера зарядов на пластинах конденсатора. Точнее, амплитуда тем больше, чем меньше размеры зарядов. Поскольку заряды-электроны намного меньше зарядов-ионов (размер положительного иона в тысячи раз превышает размер электрона), то отрицательно заряженная пластина конденсатора создает более "высокую" волну, чем положительно заряженная пластина конденсатора.
В конденсаторе положительные и отрицательные заряды имеют равные (по абсолютной величине) функции распределения объемной плотности и поэтому их суммарные напряженности будут равны (по абсолютной величине) и их сумма будет равна нулю. Однако функции распределения поверхностной плотности различны для отрицательных и положительных зарядов. Поэтому напряженности, создаваемые этими зарядами, не скомпенсированы. Точнее, напряженность, создаваемая отрицательными зарядами на уровне положительных зарядов намного превышает напряженность, создаваемую положительными зарядами на уровне отрицательных зарядов. Эта разность напряженностей и является силой, действующей на конденсатор - см.
рис. 11. Формула для определения этой силы показана на
рис. 16.
Толщина диэлектрика в конденсаторе определяется по величине пробойного напряжения для данного материала. Толщина не влияет на силу.
Возможность безопорного движения объясняется тем, что заряды конденсатора взаимодействуют с электрическим полем конденсатора. То, что заряд и созданное им поле, являются автономными и независимыми объектами (а не единым объектом), показано еще Фарадеем. В нашем случае третий закон Ньютона кажется нарушенным. Но надо помнить, что эти заряды взаимодействуют через независимое от них поле. Надо рассматривать взамодействие четырех объектов - зарядов и созданных ими полей. Аналогичное кажущееся нарушение третьего закона Ньютона наблюдается при взаимодействии токов: выполняется закон Био-Савара-Лапласа взаимодействия токов, но нарушается третий закон Ньютона. Но нужно вспомнить, что речь не может идти о чистом взаимодействии между токами: ток создает магнитное поле и взаимодействует с этим полем, а не непосредственно с другим током. При этом выполняется более общий для физики закон сохранения импульса (в механике он следует из законов Ньютона). Другим возражением является кажущееся нарушение закона сохранения импульса. Тут нужно вспомнить, что этот закон выполняется в замкнутой системе. Однако, движущийся конденсатор изменяет электрическое поле и, в результате движения, создает еще и магнитное поле. Эти поля не ограничены в объеме конденсатора. Следовательно, система не является замкнутой.
Итак, существование гармонического статического электрического поля и следующее из этого существование сил, движущих конденсатор, следуют непосредственно из уравнений Максвелла. Можно вспомнить, что точно также из уравнений Максвелла следует намного более важный для практики результат - существование электромагнитных волн. И это не единственный случай, когда математика предсказывает физические феномены.
4. Техническая реализация
Что касается величины диэлектрической проницаемости, то в настоящее время получены диэлектрики с очень высокой диэлектрической проницаемостью, например, керамика ССТО и недавно синтезированное вещество с диэлектрической проницаемостиью около 105 (а при определенных условиях - и на порядок выше, 106). Это - не сегнетоэлектрик - см.
рис. 17.
Примеры расчета сил указаны на
рис. 18. Итак, при существующих материалах и определенной конфигурации конденсаторов можно построить летательный аппарат с большой подъемной и движущей силами.
Вообще говоря, я совсем не исключаю, что эффект Бифельда-Брауна может объяснятся несколькими причинами и то, что я предлагаю, - только одна из них. Но мои расчеты показывают, что при определенной конфигурации конденсатора и большой диэлектрической проницаемости этот эффект должен проявится сильно.
Повторюсь, конструкция ЛА (см.
рис. 7) получается простой, надежной, подобно вертолету не нуждается в аэродромах, может зависать и двигаться в любых направлениях с любой скоростью, но, в отличие от вертолета, не имеет движущихся частей, а, главное, не имеет винтов - частей, наименее надежных и наиболее уязвимых в бою. Кроме того, предлагаемый ЛА, может летать в разреженных слоях атмосферы, может летать и в космосе, а для выхода в произвольную точку космоса не должен разгоняться до космических скоростей.
7. The Biefeld-Brown effect, http://www.biefeldbrown.com/
8. Видео по запросу "Biefeld-Brown effect", http://video.google.ru/videosearch?hl=ru&q=Biefeld%E2%80%93Brown+effect&lr=&um=1&ie=UTF-8&ei=ftZuSo3YG4-8jAfB5_WTBQ&sa=X&oi=video_result_group&ct=title&resnum=4#
9. Jean-Louis Naudin, The Lifter Project, http://jnaudin.free.fr/lifters/main.htm
10. L. McCrackin, Biefield-Brown Lifters, http://www.odec.ca/projects/2006/mccr6l2/home.html
11. Хмельник С.И. Конструирование летательных аппаратов на основе эффекта Бифельда-Брауна. "Доклады независимых авторов", изд. "DNA", Россия-Израиль, 2009, вып. 12, printed in USA, Lulu Inc., ID 7157429, ISBN 978-0-557-07401-3\ 210
12. Летательный аппарат на основе эффекта Бифельда-Брауна, http://la.mic34.com/
13а. Хмельник С.И. Вариационный принцип экстремума в электромеханических и электродинамических системах. Publisher by "MiC", printed in USA, Lulu Inc., ID 1769875, Израиль, 2008, ISBN 978-0-557-04837-3.
13в. Khmelnik S.I. Variational Principle of Extremum in Electromechanical and Electrodynamic Systems. Publisher by "MiC", printed in USA, Lulu Inc., ID 1142842, Israel, 2008, ISBN 978-0-557-08231-5
14. Разинкин В.П., Востряков Ю.В., Хрусталёв В.А., Матвеев С.Ю. Расчет емкости конденсаторов СВЧ диапазона с учетом неравномерного распределения заряда. Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия. http://ktor.ref.nstu.ru/TOP/2004/hir.doc