DE202014004908U1

DE202014004908U1 - Elektrostatischer Induktor

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Publication number: DE202014004908U1
Application number: DE201420004908
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2024-06-19

Abstract

Anordnung zur Erzeugung und/oder Formung eines zumindest bereichsweise inhomogenen elektrischen Feldes, umfassend: a) wenigstens ein Massepotential führendes Maschinen- oder Anlagenteil (I) als Teil einer Umhausung für ein vorzugsweise strömendes Medium; b) eine Quelle mit wenigstens einem vom Massepotential abweichenden, vorzugsweise positiven, elektrischen Potential V; c) einen mit dem vom Massepotential abweichenden, vorzugsweise positiven elektrischen Potential V dieser Quelle elektrisch verbundenen, flachen Ring (3) aus einem elektrisch leitfähigen Metall, insbesondere aus Stahl, mit je einer einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten und abgewandten Ringebene, einer querschnittlichen, zur Ringebene parallelen Breite (2b) und einem Durchmesser (2a + 2b); c) eine den Ring (3) an dessen einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) abgewandten Ringebene umfassende, dielektrische Fassung (6, 7, 8) mit einem U-förmigen Querschnitt, deren Querschnittsfläche eine Breite (2b) aufweist, und die über die dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des Rings (3) wenigstens um ein Höhenmaß (δ) hinausragt; d) ein den Raum innerhalb der Fassung (6, 7, 8) oberhalb des Rings (3) füllendes Pulver aus keramischen Partikeln mit einer hohen Dielektrizitätskennzahl (ε); dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Ring (3) zum Zweck der Steigerung der Stärke des elektrostatischen Feldes auf seiner dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ringebene ein geordnetes, einlagiges System von Partikeln (P, Q) aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger aufweist: δ ≤ 1 mm; beispielsweise mit einem Durchmesser (δ) von 100 μm oder weniger: δ ≤ 100 μm; vorzugsweise mit einem Durchmesser (δ) von 10 μm oder weniger: δ ≤ 10 μm; bevorzugt mit einem Durchmesser (δ) von 1 μm oder weniger: δ ≤ 1 μm; insbesondere mit einem Durchmesser (δ) von 100 nm oder weniger: δ ≤ 100 nm.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zur Erzeugung und/oder Formung eines zumindest bereichsweise inhomogenen elektrischen Feldes, umfassend: Wenigstens ein Massepotential führendes Maschinen- oder Anlagenteil als Teil einer Umhausung für ein vorzugsweise strömendes Medium; eine Quelle mit einem von Massepotential abweichenden elektrischen Potential V; einen mit dem elektrischen Potential V dieser Quelle elektrisch verbundenen, flachen Ring aus einem elektrisch leitfähigen Metall mit je einer einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten und abgewandten Ringebene, einer querschnittlichen, zur Ringebene parallelen Breite und einem Durchmesser; eine den Ring an dessen einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil abgewandten Ringebene umfassende, dielektrische Fassung mit einem U-förmigen Querschnitt, deren Querschnittsfläche eine Breite aufweist, und die über die dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des Rings wenigstens um ein Höhenmaß hinausragt; ein den Raum innerhalb der Fassung oberhalb des Rings füllendes Pulver aus keramischen Partikeln mit einer hohen Dielektrizitätskennzahl.
Elektrische und/oder magnetische Felder werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Dazu zählt unter anderem auch die Erzeugung von Kräften und/oder Drehmomenten auf elektrisch leitende oder stromführende Elemente, beispielsweise in Motoren. Damit können die unterschiedlichsten Verbraucher angetrieben werden.
Will man beispielsweise ein Strömungsmedium beschleunigen, so wird hierzu üblicherweise an einen Motor eine Pumpe für ein flüssiges Strömungsmedium oder ein Kompressor für ein gasförmiges Strömungsmedium gekoppelt. Allerdings gibt es dabei nicht unerhebliche Verluste, nämlich Reibungsverluste oder Dichtigkeitverluste, etc. Es wäre daher wünschenswert, wenn man auf die Bestandteile eines Strömungsmediums, also auf dessen Moleküle oder Atome, unmittelbar einwirken könnte.
Mit einem elektrisch leitfähigen Ring lässt sich beispielsweise gegenüber einem Gehäuse ein elektrisches Potential bzw. Feld aufbauen. Geladene Teilchen erfahren in einem elektrischen Feld eine Kraft, die sogenannte Coulombkraft. Um damit allerdings eine technische Beschleunigung herovrrufen zu können, muss das elektrische Feld so stark als möglich sein.
Darüber hinaus wirkt ein damit erzeugtes elektrisches Feld nur auf geladene Teilchen. Dies ist bei neutralen Atomen oder Molekülen ein Problem. Denn selbst wenn diese aus einzelnen, geladenen Teilchen wie Protonen und Elektronen bestehen, so sind die darauf einwirkenden Colombkräfte einander entgegengesetzt; die Protonen zerren in die eine Richtung, die Elektronen in die andere. Die resultierende Kraft ist dabei im Allgemeinen null.
Dies kann jedoch anders sein bei Molekülen mit einem elektrischen Dipolmoment wie beispielsweise Wasser, H₂O. Dort weist das zentrale Sauerstoffatom eine negative Teilladung auf, die beiden Wasserstoffatome eine insgesamt genau so große positive Teilladung. Die Zentren dieser Teilladungen sind allerdings räumlich gegeneinander versetzt, so dass ein elektrisches Dipolmoment p besteht.
In einem elektrischen Feld E erfahren solche Moleküle eine Ausrichtung derart, dass sich ihr elektrisches Dipolmoment p parallel bzw. antiparallel zu der Richtung des Feldes E einstellt.
Infolge dieser Ausrichtung können die beiden gegeneinader versetzten Dipolzentren solcher Moleküle in einem inhomogenen elektrischen Feld E ≠ const. unterschiedliche Kräfte F erfahren. Diese sind zwar antiparallel zueinander, aber nicht gleich groß, so dass eine resultierende Gesamtkraft ungleich Null bleibt, welche das betreffende Molekül translatorisch in Richtung des elektrischen Feldes E beschleunigt, gemäß der Formel F = m·a.
Es hat sich herausgestellt, dass für diese Kraft gilt: m·a = (p·σ)E, bzw.: a = (p·σ)E/m.
Man erkennt, dass diese Beschleunigung um so größer ist, je stärker die Inhomogenität oder Divergenz σE des Feldes E ist.
Daraus resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Anordnung derart weiterzubilden, dass sich damit ein elektrisches Feld E erzeugen lässt, dessen Inhomogenität oder Divergenz σE so stark als möglich ist.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der elektrisch leitfähige Ring zum Zweck der Steigerung der Stärke des elektrostatischen Feldes auf seiner dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ringebene ein geordnetes, einlagiges System von Partikeln aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger aufweist: δ ≤ 1 mm; beispielsweise mit einem Durchmesser δ von 100 μm oder weniger: δ ≤ 100 μm; vorzugsweise mit einem Durchmesser δ von 10 μm oder weniger: δ ≤ 10 μm; bevorzugt mit einem Durchmesser δ von 1 μm oder weniger: δ ≤ 1 μm; insbesondere mit einem Durchmesser δ von 100 nm oder weniger: δ ≤ 100 nm.
Diese kleinen Partikel können als kugelförmig betrachtet werden. Sie können beispielsweise aus flüssigen, geschmolzenen Tröpfchen erzeugt werden und haben dann eine glatte Oberfläche mit einer gleichmäßigen Wölbung, sind also kugelförmig. Werden solche weitgehend kugelförmigen Partikel in einer Ebene aneinandergereiht, so dass sie möglichst nahe beieinander liegen, wobei sie sich nicht berühren müssen, so haben sie insgesamt eine erheblich größere Oberfläche als die Ebene, auf der sie liegen. Denn die Kugeloberfläche F_K ist F_K = 4πr², während der Kugelquerschnitt F_Q gegeben ist zu F_Q = πr².
Zwar können Kugeln nicht vollkommen ohne Zwischenräume nebeneinander gelegt werden; bei einer schachbrettartigen Anordnung der Kugeln ist jeder Kugel eine viereckige Fläche F_V zugeordnet von F_V = 4r², jedoch gilt: F_K/F_V = π ≈ 3,14.
Bedenkt man ferner, dass gleichartige elektrische Ladungen q bevorzugt an der Oberfläche eines leitfähigen Gegenstandes sitzen, so erkennt man, dass dadurch eine erheblich gesteigerte Ladungsspeicherfähigkeit einhergeht. Dies ist vergleichbar mit der Kapazität C eines Kondensators.
Die Auflösung der glatten, ebenen Oberfläche des elektrisch leitfähigen Rings durch die mit diesem in elektrischem Kontakt stehenden, ebenfalls elektrisch leitfähigen, näherungsweie kugelförmigen Partikel erhöht also die „Kapazität” bzw. das Ladungsspeicherungsvermögen des Rings deutlich, und da die elektrischen Ladungen q die Quelle des elektrischen Feldes E sind, kann damit eine erhebliche Steigerung des elektrischen Feldes E erreicht werden; jede Inhomogenität des Feldes E wird dementsprechend mit verstärkt, und also auch der Wert a = (p·σ)E/m für die Beschleunigung eines Moleküls mit der Masse m und dem elektrischen Dipolmoment p.
Diese Inhomogenität wird dadurch hervorgerufen, dass die Ladungsträger auf einem elektrisch leitfähigen Ring samt dessen Partikel-Oberfläche konzentriert sind. Betrachtet man eine Schnittebene entlang einer Mittelachse durch diesen Ring, so gehen alle Feldlinien von dem in der Schnittdarstellung nahezu punktfömigen Ringquerschnitt aus und erfüllen den ganzen Raum, bis sie in eine entgegengesetzte Elektrode münden. Die Feldlinien bündeln sich also im Bereich des elektrisch leitfähigen Rings zusehends, mit dem Effekt, dass entsprechend ausgerichtete Dipol-Moleküle zu diesem Ring hin beschleunigt werden, weil das diesem jeweils näher gelegene Dipolzentrum eine stärkere Anziehung erfährt als die auf das entferntere Dipolzentrum einwirkende Abstoßung.
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Ring-Baugruppe schlägt die Erfindung folgende Vorgehensweise vor:
Zunächst werden ring- oder segmentförmige Isolatoren in eine ringförmige, nut- oder rinnenförmige Vertiefung einer Halterung bzw. eines späteren Teils eines Strömungskanals eingelegt, wobei diese insgesamt einen etwa U-förmigen Querschnitt aufweisen. In den querschnittlich U-förmigen Hohlraum wird sodann der Ring aus einem elektrisch leitfähigen Material hineingelegt oder eingepasst. Dabei ist darauf zu achten, dass die freien Kanten der Seitenschenkel der querschnittlich U-förmigen Isolatoren über die noch sichtbare Stirnseite des Rings aus einem elektrisch leitfähigen Material überstehen. Dadurch entsteht quasi eine Art flacher Trog, in welchen das Pulver aus mikro- oder nanoskopischen Partikeln hineingeschüttet werden kann, ohne über diesen solchermaßen hergestellten Rand herabzufallen.
In einem folgenden Schritt wird die soweit fertiggestellte Montageeinheit mit dem Ring aus einem elektrisch leitfähigen Material – bevorzugt mitsamt des darauf geschütteten Pulvers aus mikro- oder nanoskopischen Partikeln – zwischen zwei vorzugsweise ringförmigen Magnetpolen platziert – vorzugsweise an der ersten Position einer Fertigungsstraße. Das senkrechte Magnetfeld magnetisiert den Ring, der die vorzugsweise magnetisierbaren, mikro- oder nanoskopischen Partikeln anzieht.
Der Ring aus einem elektrisch leitfähigen Material kann an eine Spannungsquelle, insbesondere an eine Gleichspannungsquelle, angeschlossen werden.
Die Magnetpole werden mit einem pulsierenden magnetischen Feld senkrecht zu der sichtbaren Stirnfläche des Rings erregt; davon werden die mikro- oder nanoskopischen Partikel absatzweise geschüttelt und verteilen sich dabei in einer einlagigen Schicht. Dabei können sich im Bereich ausgeprägter Magnetpole ringförmige Strukturen der mikro- oder nanoskopischen Partikel einstellen, in deren Mitte sich jeweils ein Magnetpol befindet. Weiter entfernt von solchen ausgeprägten Magnetpolen kann sich eine Struktur mit dem Umfangsverlauf des Rings folgenden Reihen von mikro- oder nanoskopischen Partikeln ergeben.
Anschließend kann die Montage-Einheit an eine zweite Position der Fertigungsstrasse befördert werden. Dort wird eine Keramik-Paste unter senkrechtem Druck in den verbleibenden Hohlraum in der ringförmigen Rinne oberhalb des Rings und der mikro- oder nanoskopischen Partikel gedrückt. Dabei umströmt diese Keramik-Paste die mikro- oder nanoskopischen Partikel und füllt die zwischen diesen entsprechend der verlangten τ = 1,05 verbliebenen Lücken aus. Nachdem der Innenraum gefüllt ist, wird die überflüssige Paste abgekratzt, -geschabt oder geschnitten.
Schließlich wird diese Montage-Einheit an eine dritte Position der Fertigungsstraße transportiert – in einen Keramik-Brennofen, wo die Keramik-Paste gebrannt wird und zu einem festen Körper erhärtet, in den die mikro- oder nanoskopischen Partikel eingebettet sind.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass das Massepotential führende Maschinen- oder Anlagenteil ein Strömungskanal ist, vorzugsweise mit einem sich von einem Strömungseinlass in Richtung zu einem Strömungsauslass erweiternden Querschnitt, insbesondere ein Diffusor. Ein Strömungsabschnitt mit einem sich verändernden Querschnitt begünstigt eine Inhomogenität des Feldes.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der elektrisch leitfähige Ring sich im Bereich des Strömungsauslasses befindet. Dorthin ist das Strömungsmedium zu beschleunigen, was durch Anziehung mittels dieses Rings und der darauf applizierten mikro- oder nanoskopischen Partikel erfolgt.
Der Strömungsauslass kann etwa radial zur Haupt-Strömungsrichtung im Bereich des Einlasses orientiert sein, insbesondere ringförmig gestaltet sein.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass sich der Querschnitt des Strömungskanals, insbesondere Diffusors, von dem Strömungseinlass zum Strömungsauslass hin kegelförmig erweitert.
Die Erfindung empfiehlt, dass sich der elektrisch leitfähige Ring auf der gedachten Verlängerung der Kegelmantelfläche des sich kegelförmig erweiternden Strömungskanals befindet. Dadurch kann eine maximal inhomogene Struktur erzeugt werden.
Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der elektrisch leitfähige Ring in einer nutförmigen Aufnahme eines den Strömungskanal zumindest bereichsweise begrenzenden Teils der Umhausung aufgenommen ist.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Teil der Umhausung des Strömungskanals mit einer nutförmigen Aufnahme für den elektrisch leitfähigen Ring in den Strömungskanal oder Diffusor zumindest bereichsweise hinein gewölbt ist, beispielsweise nach Art eines Trichters, insbesondere eines Trichters mit einem in den Strömungskanal hinein gewölbten Querschnitt. Damit wird für das Strömungsmedium eine sanfte Umlenkung von der axialen Strömungsrichtung am Einlass in die radiale Strömungsrichtung am Auslass bewirkt – Turbulenzen in der Strömung werden vermieden, welche ansonsten den Wirkungsgrad der Anordnung reduzieren könnten.
Der elektrisch leitfähige Ring sollte aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material bestehen und magnetisiert sein. Dadurch kann er während des Herstellungsverfahrens die mikro- oder nanoskopischen Partikel magnetisch anziehen und festhalten.
Es hat sich bwährt, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings aus einem Übergangsmetall bestehen oder aus einer Legierung mit einem Übergangsmetall, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings aus einem magnetischen, vorzugsweise ferromagnetischen Metall bestehen oder aus einer Legierung mit einem solchen Metall, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung. Durch Magnetkräfte können die Partikel bei der Herstellung einerseits justiert und andererseits festgehalten werden.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings aus Nickel bestehen oder aus einer Legierung mit Nickel, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung.
Eine bevorzugte Konstruktionsvorschrift besagt, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings mit einer erhärteten Masse umhüllt sind, vorzugsweise mit einer keramischen Masse, insbesondere mit einer gebrannten, keramischen Masse. Diese soll die mikro- oder nanoskopischen Partikel festhalten, ggf. gegeneinander isolieren und auch eventuell vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Strömungsmedium schützen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings im Bereich der Nahordnung an Schnitt- oder Eckpunkten eines Dreiecksgitters auf der Ringfläche angeordnet sind, vorzugsweise an den Schnitt- oder Eckpunkten eines Gitters aus gleichseitigen Dreiecken, insbesondere mit einer Kantenlänge oder Schrittweite t = τδ, wobei τ = 1,01 ... 1,5, vorzugsweise τ = 1,02 ... 1,2, insbesondere τ = 1,05 ... 1,1.
Es ist weiterhin erstrebenswert, dass die Partikel mit einem Durchmesser δ von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings im Bereich der Fernordnung in mehreren Gruppen mit jeweils mehreren, vorzugsweise n₁ konzentrischen Kreisen mit Radius t, 2t, ..., b – t, b angeordnet sind und/oder auf mehreren, vorzugsweise n₂ konzentrischen Kreisen mit Radius a – b; a + b + t, ..., a + b, wobei vorzugsweise n₁ = πα/b und/oder n₂ = 2b/t „fast” ganze Zahlen sind.
Mit großem Vorteil umfasst die Quelle des elektrischen, von Massepotential abweichenden Potentials V eine Gleichspannungsquelle. Damit lässt sich ein polares elektrisches Feld hervorrufen, welches auf die Strömungspartikel eine maximale Beschleunigung ausübt. Die Spannungsquelle muss keine Hochspannungsquelle sein. Bevorzugt werden Spannungen unterhalb von 10 kV, beispielsweise unterhalb von 1 kV. Insbesondere unterhalb von 500 V oder Spannungen unterhalb von 200 V oder gar unterhalb von 100 V.
Dem Erfindungsgedanken folgend kann weiterhin vorgesehen sein, dass in der Speiseschaltung zwischen der Quelle des elektrischen, von Massepotential abweichenden Potentials V eine Tunneldiode angeordnet ist. Damit lässt sich u. a. die Spannung an dem Ring – und damit die Stärke des elektrischen Feldes – regeln.
Die Tunneldiode kann zwischen zwischen wenigstens einem Speiseanschluss des elektrisch leitfähigen Rings und Massepotential geschalten sein, so dass die Potentialdifferenz zwischen dem elektrisch leitfähigen Ring und dem Massepotential an der Tunneldiode anliegt.
Die Tunneldiode sollte zwischen einer Spannung U₁ und einer Spannung U₂ > U₁ eine negative Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen, d. h., einen mit steigender Spannung sinkenden Strom. Es gibt demzufolge ein lokales Strom-Maximum im Bereich der unteren Spannung U₁ und ein lokales Strom-Minimum im Bereich der oberen Spannung U₂ dieses Bereichs.
Bevorzugt stimmt die untere Spannung U₁ oder die obere Spannung U₂ > U₁, wo der negative Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie endet, mit der von der Gleichspannungsquelle abgegebenen Spannung überein. Damit kann erreicht werden, dass immer nur diejenige Ladungsmenge auf den Ring und die dortigen, mikro- oder nanoskopischen Partikel fließt, welche erforderlich ist, um die Spannung an dem Ring aus elektrisch leitfähigem Material konstant zu halten.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die maximale Stärke E₁₁ des elektrostatischen Feldes auf seiner Achse und die Ladung q des Induktors mit den Basis-Parametern V, a, b, c, δ, τ durch eines oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Verhältnisse zusammenhängen: E₁₁ = √3q/18πε₀α²; q = 512Vπ³ε₀α²δ^–1ƒ(ε)g(τ)[1 – (1 + b²/c²)^–0,5]·cos^–1(1 – b/a); ƒ(ε) ≡ (ε – 1)/(ε + 1); g(τ) ≡ E(3 + √3)/τ + 1]^–1; α ≥ 50b ≥ 125c; wobei

ε₀: die elektrische Konstante ist,
ε >> 1: die relative Dielektrizitätskennzahl der Kondensator-Keramik ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem vertikalen Strömungskanal in einem Vertikalschnitt;
das Detail A aus mit einem Schnitt quer durch einen elektrisch leitfähigen Ring der erfindungsgemäßen Anordnung;
einen Schnitt durch die entlang der Linie B-B mit einer Draufsicht auf die dem Strömungskanal zugewandte Oberseite des elektrisch leitfähigen Rings nach und ;
das Detail C aus mit einer vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts aus der Schnittfläche;
das Detail A₁ aus mit einer vergrößerten Darstellung eines Schnitts durch elektrisch leitenden Partikel auf der Oberseite des elektrisch leitenden Rings;
das Detail D aus mit einem Schnitt quer durch einen elektrisch leitfähigen Ring entlang eines elektrischen Anschlusses;
ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Speisung des elektrisch leitfähigen Rings mit einer Gleichspannung unter Verwendung einer Tunneldiode;
die Strom-Spannungs-Kennlinie der Tunneldiode aus ; sowie
eine perspektivische mit einem aufgebrochenen Schnitt durch die ringförmige Anordnung nach zur Veranschaulichung der Herleitung bestimmter Formeln.
Anwendungsgebiete eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Feld-Generators (EFG) sind die Erzeugung heterogener elektrostatischen Felder hoher Feldstärke; beispielsweise zur Beschleunigung eines Arbeitsstoffes (AS) in energetischen Einrichtungen, zum Beispiel Turbinen. Als AS ist überhitzter Dampf eines polaren Dielektrikums, zum Beispiel H₂O, angenommen.
Die beispielhafte Einrichtung eines EFGs enthält folgende Elemente (die ):

I – Diffusor;
II – Verteiler des Durchflusses ASs;
III – Ringrinne;
IV – Turbinenleiträder-Anlage;
V – System der Regenerierung des verbrauchten ASs;
VI – Geschwindigkeitssensor für das Arbeitsmedium Ass

Der Elektroschaltplan ist in wiedergegeben.
Alle oben genannte Elemente sind feststehend. Der Turbinenrotor, die Erhitzer ASs und die Thermoisolierung sind auf der bedingt nicht gezeigt.
Bauelementebasis des Elektroschemas – der Quelle des negativen Potentials V – befindet sich außerhalb der Ringrinne.
Die Teile des EFGs sind im Hohlraum der Rinne III eingebaut (die , , ): 1 – die Nanosphäre; 2 – der Polarisator; 3 – der Ring; 4 – die Nadel, 5, 6, ... 9 – die Isolatoren.
In der Elektroschaltung werden eine Batterie E₁, Widerstände R₁, R₂ und eine Tunneldiode (TD) aufgenommen. Die , und veranschaulichen verschiedene Berechnungsschemen.
Bauelemente-Werkstoff: 1 – Nickel; 2 – Keramik CaTiO₃; 3 – ferromagnetischer nichtrostender Stahl; III und 4 – antimagnetischer nichtrostender Stahl; 5, 6, ... 9 – Sitall.
Die Nanosphäre 1 des vorgegebenen Durchmessers δ = 30 nm ([3] S.39) wird nach der Dampf-Kondensierung-Methode hergestellt. Das einschichtige System der n Nanosphären (die ) ist auf der oberen geschliffenen Ebene des Rings 3, der 2b breit und 2(a + b) im Durchmesser ist, fixiert. Die «Nahordnung» der Einordnung von Nanosphären sieht schachbrettartig mit dem Schritt t (die ) aus. Die obere Ebene des Rings 3 ist mit n Parallelogrammen bedingt (gedanklich) gefüllt, die aus zwei gleichseitigen Dreiecken gebildet sind, in deren Gipfeln die Nanosphären disponiert sind. Die Seite des Dreieckes ist gleich t. Die Gesamtmenge der Dreiecke ist gleich 2n. Die Fläche S des Rings 3 (wie auch die Fläche der oberen Ebene Π des Polarisators 2), die Fläche des Parallelogramms S_p, der Schritt t und die Nanosphären-Zahl n auf der Ebene des Rings 3 sind: t = τδ; τ = 1,05; S = 4παb; S_p = √3t²/2; n = S/S_p ≡ 8παb/(√3τ²δ²). (1)
Die «Fernordnung” der Einordnung von Nanosphären (die ) wird als das System n₁ der konzentrischen Kreise mit dem Radius r ∈ [t; b] und das System n₂ der konzentrischen Kreise mit dem Radius r ∈ [α – b; α + b] dargestellt, wo n₁ = πα/b; n₂ = 2b/t.(2)
Der Ring 3 stützt sich auf den ringförmigen Isolator 8. Die Zylinderoberflächen des Rings 3 stützen sich auf Isolatoren 6 und 7, die als gebogene Streifen über die obere Fläche des Rings 3 auf die Höhe δ hinausragen. Die Nanosphären-Schicht der Dichte δ ist von oben mit der Keramik-Schicht 2 der Dichte c >> δ geschützt, deren hohe Polarisierbarkeit wegen der relativen Dielektrizitätskennzahl (RDK) ε = 150 gesichert ist. Die Fähigkeit des Polarisators, die Lücken zwischen den Nanosphären zu füllen, wird durch die höchstzulässige (bei τ = 1,05) Größe von Keramikpulver-Teilchen (δ₁ = 1,5 nm = 1,5·10^–9 m) gewährleistet.
Es muss erwähnt werden, dass vorhandene Methoden eine Herstellung von Nanosphären ([3] Kap. 1) eine enge Verteilung von Teilchen nach Größen nicht erlauben und zur Bildung einer Isolierschicht auf ihrer Oberfläche führen. Das erste Problem kann gelöst werden, indem die Bedingungen der Metall-Verdampfung sich nähern, wenn als „Rohstoff” die Nickel-Folie und als Energieträger der Laser-Strahl eingesetzt werden. Mit anderen Worten, die Nickel-Verdampfung soll in der Umgebung des Laser-Fokus stattfinden, wenn eine dünne Nickelstreife mit eingestellter Geschwindigkeit durch diese Umgebung gezogen wird, und alle Dämpfe, die sich an den abgekühlten Gehäuse-Wänden kondensieren, aus dieser Umgebung entfernt werden.
Betrachten wir als Beispiel eine Zusammenstellung des EFGs. Hinsichtlich ihres Durchmessers δ = 30 nm genau ausgewählte n Nanosphären (n = 3,6·10¹³ Stück) sind systemlos auf der Fläche des Rings 3 verteilt. Die Ringfläche wird durch Isolatoren 6–7 bei ausgeschalteter Elektrik begrenzt. Das Ausgangspotential der Nanosphären ist V₀ = 0.
Wir schalten das senkrechte, magnetische Feld ein und beginnen, die absolute Größe des Potentials bis V = +31 V zu erhöhen. Die Nanosphären 1 und der Ring 3 magnetisieren sich. Die senkrechten Nanosphären-Bewegungen werden durch die Anziehung des Rings unterdrückt. Das System stabilisiert sich bei τ = 1,05 ( ). Das Keramikpaste-Aufladegebläse schaltet sich ein. Die Paste wird unter senkrechtem Druck in den ringförmigen Hohlraum der Rinne III eintreten, dort die Nanosphären umströmen und die Lücken zwischen den Nanosphären füllen. Das Aufladegebläse bildet eine Paste-Schicht der Dichte c und schaltet sich aus. Die Paste über die Schicht wird weggeschnitten. Die Rinne III, die zu dem Verteiler II noch nicht angeschweißt ist (die ), wandert in die Keramik-Brennkammer. Nach dem Brennen wird die Oberfläche Π des Keramik-Rings geschliffen. Beim Brennen bei einer Temperatur von 1200°C werden die Bauteile entmagnetisiert.
Trapezförmiger Schnitt des Keramikrings 2 (die ) sorgt für Haltbarkeit und Dichtheit der Ankopplung, die den elektrodynamischen Belastungen, bedingt durch Bewegung des Arbeitsstoffes, unterliegt.
Die Eigenkapazität C₁ und die Ladung q₁ der abgeschiedenen Sphäre, die δ im Durchmesser ist und das Potential V im Medium mit RDK ε hat, sind ([4] S. 359): C₁ = 2πε₀εδ; q₁ = C₁V, (3) wobei ε₀ = 8,854·10^–12 F/m – die elektrische Konstante.
Betrachten wir eine beliebige Nanosphäre P ( ), die vom Rand des Rings 3 nicht weiter als zwei Schritte t entfernt ist. Der Abstand |P_1-i| vom Zentrum der genannten Nanosphäre (dem Punkt P₁) bis zum Zentrum der nicht abgeschirmten i-Nanosphäre ist:
wobei (bei δ₁ << δ) die größte Zahl von Nanosphären, welche von dem Punkt P₁ sichtbar sind, gleich 12 ist ( ) Dabei ist das Potential φ₁, das die Wechselwirkung der Nanosphäre P₁ mit dem Ring 3 und mit 12 Nanosphären kennzeichnet, φ₁ = V + (4πεε₀)^–1 Σ_i=1 ¹² q₁/I_i = [(3 + √3)/τ + 1]V. (5)
Dabei ist die Kapazität C₁(3) und die totale Ladung q₀ der Nanosphäre durch folgende Gleichungen gegeben: q₀ = C₁φ₁ ≡ 2πVεε₀δ[(3 + √3)/τ + 1] = 5,5 q₁ = C(τ)·V. (6)
Diese entsprechen dem „Korrespondenzprinzip”: Die Kapazität C(τ) (6) bei τ → ∞ ist gleich der Kapazität der abgeschiedenen Sphäre C₁(3):C(τ) = C₁ [(3 + √3)/τ + 1].
Zählen wir die Verhältnisse auf, die die Dichte n der freien Ladung auf der Fläche jeder Nanosphäre erhöhen, die nicht weniger als zwei Schritte t von zylindrischen Oberflächen des Rings 3 entfernt sind:

1. Die Montage-Einheit „Ringrinne” geht auf die erste Position der Fertigungsstraße – zwischen den Magnetpolen. Das senkrechte Magnetfeld magnetisiert den Ring 3, der die Nanosphären anzieht.
2. Der Ring 3 schließt zu der Quelle des negativen Potentials V an, dabei
3. werden die Nanosphären von pulsierendem senkrechtem magnetischem Feld absatzweise geschüttelt.
4. Die Montage-Einheit wird auf die zweite Position verlegt. Die Keramik-Paste wird unter dem senkrechten Druck in den Hohlraum der Ringrinne gedrückt. Die Paste umströmt die Nanosphären und füllt die Lücken zwischen ihnen entsprechend der verlangten τ = 1,05. Nachdem der Innenraum gefüllt wird, wird die überflüssige Paste abgeschnitten.
5. Die Montage-Einheit wird auf die dritte Position – in den Paste-Brennofen – verlegt, entsprechend der Technologie ihrer Polarisation.

Die weitere Erhöhung der Größe η₀ ist nicht mit einem zusätzlichen Energieaufwand verbunden.
Die Flächendichte η₀ der freien Ladung wird mit der Zunahme der Oberflächenkrümmung H = 2/δ steigen, aber auf den Flächen der inneren Hohlräumen in den Leitern ist η₀ = 0 ([2] S.62; [4] S.357). Also wird der überwiegende Teil der Leiter-Ladung im Hohlraum des EFGs auf den vom Ring 3 entfernen Abschnitten der Nanosphären-Flächen verteilt, d. h. im Bereich von Nanosphären-Spitzen (die ; ), wo gegenseitiges Abstoßen von Negativ-Ladungen – freien Elektronen – und Abstoßen der freien und in der Oberflächenschicht wandernden Elektronen von der Negativ-Ladung des Rings 3 berücksichtigt ist ( ).
Bei völlig geladener Nanosphären-Oberfläche ist in dem EFG die durchschnittliche Zahl η₀ der Flächendichte der freien Ladung, mit Rücksicht auf Gleichungen (1)–(6) gegeben zu η₀ = q₀n/S.
Da die Oberflächenladungen sich nach oben verschieben (die ), bildet sich in der Nanosphäre-Spitze ein Kugelsegment, dessen Oberfläche S_c = πδh = πδ²/4 ist, wobei h = δ/4 die Höhe des Segments und die Bogenlänge gleich τδ ist (die ). Anders gesagt, wegen der Ladungs-Verschiebung nach oben ist die Flächendichte der freien Ladung zusätzlich um das Vierfache angestiegen; nach (1)–(6) ist die durchschnittliche Größe der Flächendichte η₀ der freien Ladung im EFG um 5,5·4 = 22 mal größer:
wobei das Endergebnis (7) wegen der Reduktion seiner Größe auf 0,54% wesentlich vereinfacht wird.
Die Dichte der gebundenen Ladung η(P) in einem beliebigen Trennpunkt P der Fläche Π, die das Medium des Arbeitsstoffes von dem Medium des Festdielektrikums trennt, berechnen wir nach folgender Formel ([2] §26) (s. Anhang): η(P) = e(2πc²ε)^–1·f(ε)cos³⊝_i; f(ε) ≡ (ε – ε₁)/(ε + ε₁); ε₁ = 1, (8) wobei

e: der Ladungswert der freien Ladung ist;
⊝_i: der Winkel der Lotabweichung des Strahls PQ_i, der den Punkt P mit dem Zentrum i-Nanosphäre – dem Punkt Q_i – verbindet ( );
i: = 1, 2, ... n₂ – 1, n₂;
c: ist die Höhe der Kegel-Familie mit einer gemeinsamen Spitze im Punkt P (gemessen mit Abweichung ±δ/2);
ε₁: (= 1) ist die RDK des Arbeitsmediums ASs;
ε: (= 150) ist die RDK des Kalziumtitanats CaTiO₃.

Ersetzen wir die freie Ladung e durch ihr Differential dq (die ) und berücksichtigen die Aufzeichnung (7):
wobei r, φ polare Koordinaten in der Ebene B-B sind, die die Spitzen von Nanosphären in sich einschließt (die ). Das Einsetzen (9) in (8) bringt den folgenden Ausdruck des Differentials der gebundenen Ladungsdichte: dη = 144Vε₀εδ^–1(2πc²ε)^–1f(ε)cos³θrdr·dφ = (72/πδc²)ε₀f(ε)c³(c² + r²)^–1,5rdrdφ; cosθ ≡ c(c² + r²)^–0,5; dη = E(c² + r²)^-1 ^, ⁵rdrdφ; E ≡ (72/πδ)Vcε₀f(ε); r ∊ [0; b]; φ ∊ [0; 2n]. (10)
Die Flächendichte η(P) der gebundenen Ladungen in der Spitze P des imaginären Kegels, der sich auf zwei Systeme der konzentrischen Kreise stützt (2), ist durch folgende Integrale gegeben:
Bei charakteristischen Größen des EFGs – α = 0,25 m; b = 4c = 0,01 m – verhalten sich die Werte des zweiten (unterstrichenen) Integrals und des ersten Integrals in Gleichung (11) wie 0,32:303. Also ist die Größe η der Flächenladungsdichte der gebundenen Ladungen in diesem Fall praktisch unabhängig von der radialen Verschiebung der Kegelspitze; daher kann man den unterstrichenen Ausdruck in (11) unberücksichtigt lassen. Mit Rücksicht auf (10) errhalten wir: η(P)2πE[c^–1 – (b² + c²)^–0,5] = 144Vε₀δ^–1ƒ(ε)[1 – (1 + b²/c²)^–0,5]. (12)
Die gebundene Ladung q des EFGs ist durch die Flächendichte η(P) aus Gleichung (12), multipliziert mit der Fläche S = 4παb der oberen Ebene Π des Polarisators 2 gekennzeichnet (die ): q = 4παb·η(P) = 576παbVε₀δ^–1ƒ(ε)[1 – (1 + b²/c²)^–0,5], τ = 1,05. (13)
Ausführliche Berechnungen mit Berücksichtigung der Gleichungen (6) und (7) führen zu einer exakten Formel, welche die starke Abhängigkeit von q(τ) wiederspiegelt: q = (64/√3)(π/τ)²(V/δ)αbε₀[(3 + √3)/τ + 1]·f(ε)[1 – (1 + b²/c²)^–0,5] (13')
Als Beispiel soll die Ladung q bei folgenden Parametern des EFGs berechnet werden: α = 0,25 m; b = 0,01 m; c = 0,0025 m; δ = 3·10^–8 m; V = 31 V; ε = 150; f(ε) = 0,9868; τ = 1,05; q = 0,031 C. (14)
Berechnung der Kapazität C₂ ([1] S.23) und der Ladung q₂ des Rings 3: C₂ = 4π²ε₀εα/In(8α/b) = 2,47·10^–9F; q₂ = C₂V = 7,7·10^–8 C « q; (15) dabei wird die Ladung des Rings 3 um 8 Größenordnungen niedriger als die Ladung des Nanosphären-Systems (1), (6):
wobei η₁ als «Isoliertheit-Koeffizient» des EFGs bei festgelegter Wahl der Parameter (14) die Größe des Verhältnisses der gebundenen Ladung zu der freien Ladung, die diese gebundene Ladung „erzeugt” hatte, angibt. Die letzte Gleichung (16) erlaubt es, die Ladung des Rings 3 in der Aufzeichnung unberücksichtigt zu lassen (7).
Beginnend mit der Berechnung der Parameter des AS-Strombeschleunigers führen wir das kartesische Koordinatensystem O₁X₁X₂X₃ (die ) ein, dessen Anfang – Punkt O₁ – auf der Achse GeFs auf der Höhe H₀ über der Ebene Π liegt, wobei die Ebene Π die Plusladung q = 0,031 C enthält. Die Achse O₁X₁ ist senkrecht nach unten gerichtet.
Die kartesische Komponenten des achssymmetrischen elektrostatischen Feldes sind:
wobei E_i transzendente Koordinatenfunktionen sind ([2], Aufgabe 18.2). Für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit v(x₁) des Arbeitsstoffs ASs im Punkt der Achse O₁X₁ (auf der Höhe ξ = H₀ – x₁ über der Ebene Π) beschränken wir uns auf die Betrachtung des Potentials (Φ₁(ξ) und der Feldstärke E₁(ξ) der Ladung q des Ringes mit dem Radius a >> b ([1] S.23): Φ₁(ξ) = q/[4πε₀ε₁·√(a² + ξ²)]; E₁(ξ) ≡ –dΦ₁/dξ = qξ/[4πε₀ε₁(α² + ξ²)^1,5]; ε₁ = 1. (18)
Die Funktion E₁(ξ) erreicht bei ξ₁ = α/√2 ≡ h₀ den Höchstwert E₁(ξ₁) ≡ E₁₁ und bei ξ₀ ≡ H₀ den Minimalwert (im Hohlraum des Diffusors) E₁₀.
Mit den Werten des Beispiels (14) ergibt sich: α = 0,25 m; h₀ = 0,1768 m; H₀ = 0,5 m; q = 0,031C; E₁₁ = q(α/√2)/[4πε₀(α² + α²/2)^1,5] ≡ √3q/(18πα²ε₀) = 1,716·10⁹ V/m; E₁₀ = qH₀[4πε₀(α² + H₀ ²)^1,5]^–1 = 7,975·10⁸ V/m. (19)
Berechnen wir die Geschwindigkeit v₁ der Ausströmung des Dampfes aus dem Diffusor mit Rücksicht auf elektrodynamische Faktoren. Für das inhärente Dipolmoment
des Moleküls H₂O, die Polarisierbarkeit
und die Total-Dipolmomente
in den Feldern E_1i (17) gilt ([2] S.179, [6] Tab.16, 92):
Die Polarisations-Parameter der Moleküle β_i, die Kosinus-Durchschnittswerte v_i der Winkel zwischen Vektorrichtungen
und E_i ([2] S.181), und die Potentialenergien der Moleküle U_i in den Feldern E_i bei der Temperatur T₁ = 383 K sind:
β₀ = 0,921; β₁ = 1,9866; v₀ = 0,2909; v₁ = 0,535; |U₀| = 1,4175·10^–21 J; |U₁| = 5,62·10^–21 J; (23) wobei k = 1,3807·10^–23 J/K – die Boltzmann-Konstante.
Der Eintritt des Dampfes EFGs in den Diffusor-Hals mit dem Radius r₀ liegt auf der Höhe H₀ über der Ebene Π, d. h. auf der Ebene x₁ = 0. Die Eintritts-Dampfgeschwindigkeit ist v₀ = 100 m/s. Die Masse des Moleküls H₂O m = 3·10^–26 kg. Die Abströmgeschwindigkeit des Dampfes aus dem Diffusor v₁ = [v₀ ² + 2(|U₁| – |U₀|)/m]^0,5 = 539 m/s. (24) ist hoch genug für weitere Anwendung in der Turbine (ohne zusätzliche Dampferhitzung).
Die höchste reduzierte Molekülenergie W₁ ist 180 Mal niedriger als die Energie I der Ionisierung des Moleküls H₂O: W₁ = |U₁| + kT₁ = 1,09·10^–20 J; I = 12,6 eV = 2·10^–18 J >> W₁. (25)
Deshalb ist die (unzulässige) Ionisierung der Moleküle des EFGs im Diffusor kaum wahrscheinlich.
Somit werden die durch das Feld E geordnet orientierten, neutralen polaren Moleküle ASs von oben in den Bereich der Stärke-Spitzenwerte (BSSW) eingezogen ([4] S.363) und senkrecht nach unten mit auflaufender Anströmung ASs fortgetragen. Unter den hier betrachteten Bedingungen hat der BSSW die Form einer Dünnschicht-Sphäre mit dem Radius h0 = α/√2, deren Zentrum im Punkt O der Ebene Π (die ) liegt. Die Schicht ist mit einer senkrechten zylindrischen Fläche mit dem Radius r₀ = 0,3α begrenzt.
Der positive Anwendungseffekt des EFGs ist durch die einzigartig hohe Flächengröße der Nanoteilchen-Raumeinheit bedingt: 10⁸ m²/m³. Dabei ist es notwendig, zu bemerken, dass die GEFs-Montage-Energieintensität hoch ist und die verbrauchbare Kapazität niedrig ist.
Grundlage des Arbeitsprinzips des Elektro-Schaltplans des EFGs ist der Tunnel-Effekt, der darin liegt, dass Elektronen durch die Potentialbarriere des p-n-Übergangs laufen, ohne ihre Kraft zu verändern. Für das Erzeugen des Tunnel-Effektes wird Halbleitermaterial (Germanium, Arsenid Gallium) mit Beimischungen von Fremdatomen in sehr hoher Konzentration (bis 10²¹ Fremdatomen pro 1 cm³) verwendet, während normalerweise die Konzentration von Beimischungen in Halbleitern 10¹⁵ cm^–3 nicht übersteigt.
Die Halbleiter mit so hohem Fremdstoffgehalt nennt man „entartet”, und ihre Eigenschaften sind sehr nah an den Eigenschaften von Metallen. Die Breite des p-n-Übergangs erweist sich als sehr klein (~0,01 Mikrometer), was zur erheblichen Erhöhung der elektrischen Feldstärke auf dem Übergang (~10⁸ V/m) führt. Bei diesen Verhältnissen gibt es endliche Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron, das sich in die Richtung der sehr engen Barriere bewegt, durch diese Barriere hindurchgeht (wie durch einen „Tunnel”) und den freien Zustand mit gleicher Energie auf der anderen Seite der Barriere-Schicht belegt. Die beschriebene Erscheinung wurde „Tunnel-Effekt” genannt ([5] §5-4).
Tunnel-Dioden (TD) arbeiten bei Frequenzen bis 10¹¹ Hz. Die Dauer eines Tunnel-Übergangs ist t_T ~ 10^–13 s.
Auf der wird die Strom-Spannungs-Kennlinie (SSK) p-n-Übergangs mit dem Tunnel-Effekt gezeigt. Auf der Strecke OA führt der Durchlassspannungsanstieg U zu dem Anstieg des Vorwärtsstroms I. Der maximale Vorwärtsstrom I₊ entspricht der Durchlassspannung U₁ (der Punkt A). Der Minimalvorwärtsstrom I_– entspricht der Durchlassspannung U₂ (der Punkt B). Das Ändern der Quelle-Polarität auf 180° führt zu Umlenkung des Tunnelstroms. Mit dem Anstieg der Rückspannung U₀ steigt der Tunnel-Strom linear. Auf diese Weise beim Tunnel-Effekt fehlt die einseitige Leitfähigkeit des p-n-Übergangs.
Die Hauptbesonderheit von SSK ist die folgende: Bei der Durchlassspannung U > U₁ wird der Vorwärts-Tunnelstrom bis I_– stark sinken und bei U = U₂ aufhören. Die Kurve 1, die der elektrischen Durchflutung des p-n-Übergangs entspricht, stimmt bei U ∈ [U₂; U₃] mit der Kurve 2 des Diffusionsstroms überein. Für den „negativen” Sperrschichtwiderstand des p-n-Übergangs gilt: R_– = +ΔU/(–ΔI) = (U₂ – U₁)/(I_– – I₊). (26)
Bei geeigneter Wahl der Parameter des Elektro-Schaltplans ( ) kompensieren (mikroskopische) Rückgänge |ΔU| Schwankungen des Potentials |V| = 31 V.
Beispiel:
Die Batteriespannung ( ) ist E₁ = |V|; die Widerstandswerte sind R₁ = R₂ = 10 Ohm; der Rheostat-Auslastungskoeffizient ist R₁: α = 0,5; die Tunneldiode hat folgende Parameter: U₁ = 0,18 V; U₂ = 2U₁; I₊ = 8I_– = 0,005 A; R_– = –41,14 Ohm; der Potentialabfall |V| und der durchschnittliche Kompensationsstrom i sind mit folgenden Gleichungen verbunden: |V| – |ΔV| = E₁ + (αR₁ + R₂ + R_–)i; i = (I₊ + I_–)/2) = 0,0028 A, (27) daraus |ΔV| = 0,073 V, dabei wird die aufgewendete Leistung N = |V|·i = 0,087 W (28) nicht übersteigen.
Bei der Herleitung der obigen Zusammenhänge wurden folgende Formeln verwendet (vgl. hierzu auch ): η(P) = e(2πc²ε₂)^–1cos³θ·(ε₂ – ε₁)/(ε₂ + ε₁) C/m²; (5) wobei η(P) die Flächendichte der gebundenen Ladungen im Punkt P der Fläche Π ist, welche zwei gleichmäßige dielektrische Medien (1 und 2) trennt. Diese Medien zeichnen sich aus durch relative Dielektrizitätskennzahlen (RDK) ε₁ und ε₂. e bezeichnet die negative Punktladung, die sich mit Abstand c unter der horizontalen Fläche Π befindet. θ ist der Winkel zwischen der Richtung der Normale zu der Fläche Π und dem Radiusvektor (–r₂), der die Ladung e und den Punkt P (die ) verbindet. Die Normale ist nach unten – aus dem Medium 1 ins Medium 2 – gerichtet.
Mit der Fläche Π ist das kartesische Koordinatensystem (KKS) Oxyz verbunden, dessen Achse Oz nach unten gerichtet ist und durch die Ladung e läuft, die in den Punkt A gesetzt wurde. Der Anfang des KKSs – der Punkt O – ist vom Punkt A um den Abstand c entfernt. Die Spiegelung des Punktes A liefert den Punkt A', der sich auf der anderen Seite der Fläche Π befindet – im Medium 1.
Wir ermitteln das Potential φ₂ im Medium 2 als Potential, das von zwei Punktladungen gebildet wird – von der echten Ladung e und von der fiktiven Ladung e', die sich im Punkt A' befindet: φ₂ = (4πε₀)^–1(e/ε₂r₂ + e'/ε₂r₁), (1*) wobei

ε0: – die elektrische Konstante ist;
r₂ und r₁: – die Entfernungen des Beobachtungspunktes P zu den Punkten A bzw. A'.

Als Potential φ_i im Medium 1 ermitteln wir als Potential, das von der fiktiven Ladung e'' gebildet wird, die sich im Punkt A befindet: φ₁ = (4πε₀)^–1e''/ε₁r₂ (2*)
Auf der Grenzfläche Π sind die folgenden Voraussetzungen erfüllt: r₁ = r₂; Z = 0; φ₁ = φ₂; ε₁·∂φ₁/∂n = ε₂·∂φ₂/∂n; (3*) dabei gilt: ∂/∂n(1/r₁) = –∂/∂n(1/r₂); ∂φ_i/∂r = (∂φ_i/∂z)cosθ; r_icosθ = c; i = 1,2 (4*)
Einsetzen der Ausdrucke (1)*–(2)* in die zwei letzten Gleichungen (3*), (4*) liefert: e''/ε₁r₂ = e/ε₂r₂ + e'/ε₂r₁; e''·∂/∂n(1/r₂) = e·∂/∂n(1/r₂) + e'·∂/∂n(1/r₁). (5*)
Einbeziehung der ersten Gleichung (3*) und (4*) mit folgenden Kürzungen der Gleichungen (5*) führen zu dem folgenden Gleichungssystem: e''/ε₁ = (e + e')/ε₂; e'' = e – e', (6*) woraus sich Terme für die fiktiven Ladungen e' und e'' ergeben: e' = e(ε₂ – ε₁)/(ε₂ + ε₁); e'' = 2eε₁/(ε₂ + ε₁). (7*)
Einsetzen von (7*) in die Gleichungen (1*)–(2*) resultiert in folgenden Formeln für die Potentiale φ₁, und φ₂: φ₁ = (4πε₀)^–1e''/ε₁r₂ ≡ (4πε₀)^–1·(2e/r₂)/(ε₂ + ε₁); z < 0; (8*) φ₂ = (4πε₀)^–1(e/ε₂r₂ + e'/ε₂r₁) ≡ (4πε₀)^–1(e/ε₂)[r₂ ^–1 + r₁ ^–1(ε₂ – ε₁)/(ε₂ + ε₁)]; z ≥ 0; (9*)
Die Positionen der Geraden AP und A'P bestimmen sich durch die Länge des horizontalen Vektors OP = r_1,2·sinθ und durch den Drehwinkel dieses Vektors um die Achse Oz. Die Grenzlage OP' dieses Vektors entspricht der Achse Ox und kennzeichnet sich durch die Gleichung
Normalkomponenten E_in der Kraftvektoren mit Rücksicht auf (4*), sind:
wobei, ähnlich der ersten Gleichung (4*), der formale Änderungssatz 1/r_i eingeführt wird: ∂/∂r₁(1/r₂) = –∂/∂r₁(1/r₁) ≡ 1/r₁ ²; ∂/∂r₂(1/r₁) = –∂/(1/r₂) ≡ 1/r₂ ² (12*)
Beim Fehlen freier Ladungen auf der Fläche Π wird die Flächendichte η(P) der gebundenen Ladungen im Punkt P der Fläche Π mit dem Sprung der Normalkomponente des Polarisationsvektors
= –E_iε₀(ε_i – 1); i = 1,2 ([1] §7 [2] §21) bestimmt:
Im Patentanspruch auf EFG wird folgendes angenommen:
Als Medium 1 – Dampf H₂O; RDK: ε₁ = 1;
als Medium 2 – CaTiO₃; ε₂ ≡ ε >> 1,
dadurch entfällt der zweite Summand in der eckigen Klammern der Gleichung (13)*.
Einsetzen (11)* in (13)* resultiert:
Durch einfache Umformungen in der Gleichung (14*), mit Rücksicht auf die letzte Gleichung (4*), kommen wir zum endgültigen Ausdruck η(P), der im Gauß-Einheitssystem ([2] §26 und im SI-System identisch aussieht:
η(P) = [e·cosθ/4πr₂ ²]·[(ε₂ – ε₁)/ε₂]·[2ε₁/(ε₂ + ε₁)] ≡ [e·c/2πr₂ ³]·[c²/(c²ε₂)]·[(ε₂ – ε₁)/(ε₂ + ε₁)] ≡ [e·cos³θ/(2πc²ε₂)]·[(ε₂ – ε₁)/(ε₂ + ε₁)] ≡ [e·cos³θ/(2πc²ε)]·[(ε – 1)/(ε + 1)] (15*)
Literatur

– L.D. Landau, E.M. Lifschitz. Elektrodynamik der Kontinua. Fismatlit, Moskau, 2001.
– J.P. Terletzki, J.P. Rybakov. Elektrodynamik. Vysschaja schkola, Moskau, 1990.
– A.I. Gusev, A.A. Rempel. Nanokristallische Stoffe. Fismatlit, Moskau, 2001.
– B.M. Javorski, A.A. Detlaff. Physik-Handbuch. Nayka, Moskau, 1968.
– B.S. Gerschunski, A.V. Romanovskaja u. a. Handbuch Grundlagen Elektronentechnik. Vyscha schkola. Kiev, 1974.
– A.A. Rovdel, A.M. Ponomareva. Handbuch physikalisch-chemischen Werte. „Chemie". Leningrad, 1983

Bezugszeichenliste

I: Diffusor
II: Durchflussverteiler
III: Ringrinne
IV: Strömungsleitanordnung
V: Strömungssystem
VI: Geschwindigkeitssensor
1: Partikel
2: Polarisator
3: elektrisch leitfähiger Ring
4: Stift, Nadel
5: Isolator
6: Isolator
7: Isolator
8: Isolator
9: Isolator
P: Partikel
Q: Partikel
Π: Ebene

Claims

Anordnung zur Erzeugung und/oder Formung eines zumindest bereichsweise inhomogenen elektrischen Feldes, umfassend: a) wenigstens ein Massepotential führendes Maschinen- oder Anlagenteil (I) als Teil einer Umhausung für ein vorzugsweise strömendes Medium; b) eine Quelle mit wenigstens einem vom Massepotential abweichenden, vorzugsweise positiven, elektrischen Potential V; c) einen mit dem vom Massepotential abweichenden, vorzugsweise positiven elektrischen Potential V dieser Quelle elektrisch verbundenen, flachen Ring (3) aus einem elektrisch leitfähigen Metall, insbesondere aus Stahl, mit je einer einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten und abgewandten Ringebene, einer querschnittlichen, zur Ringebene parallelen Breite (2b) und einem Durchmesser (2a + 2b); c) eine den Ring (3) an dessen einem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) abgewandten Ringebene umfassende, dielektrische Fassung (6, 7, 8) mit einem U-förmigen Querschnitt, deren Querschnittsfläche eine Breite (2b) aufweist, und die über die dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des Rings (3) wenigstens um ein Höhenmaß (δ) hinausragt; d) ein den Raum innerhalb der Fassung (6, 7, 8) oberhalb des Rings (3) füllendes Pulver aus keramischen Partikeln mit einer hohen Dielektrizitätskennzahl (ε); dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Ring (3) zum Zweck der Steigerung der Stärke des elektrostatischen Feldes auf seiner dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ringebene ein geordnetes, einlagiges System von Partikeln (P, Q) aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger aufweist: δ ≤ 1 mm; beispielsweise mit einem Durchmesser (δ) von 100 μm oder weniger: δ ≤ 100 μm; vorzugsweise mit einem Durchmesser (δ) von 10 μm oder weniger: δ ≤ 10 μm; bevorzugt mit einem Durchmesser (δ) von 1 μm oder weniger: δ ≤ 1 μm; insbesondere mit einem Durchmesser (δ) von 100 nm oder weniger: δ ≤ 100 nm.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Massepotential führende Maschinen- oder Anlagenteil ein Strömungskanal ist, vorzugsweise mit einem sich von einem Strömungseinlass in Richtung zu einem Strömungsauslass erweiternden Querschnitt, insbesondere ein Diffusor.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Ring (3) sich im Bereich des Strömungsauslasses befindet.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsauslass etwa radial zur Haupt-Strömungsrichtung im Bereich des Einlasses orientiert ist, insbesondere ringförmig gestaltet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Strömungskanals, insbesondere Diffusors (I), von dem Strömungseinlass zum Strömungsauslass hin kegelförmig erweitert.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der elektrisch leitfähige Ring (3) auf der gedachten Verlängerung der Kegelmantelfläche des sich kegelförmig erweiternden Strömungskanals befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Ring (3) in einer nutförmigen Aufnahme eines den Strömungskanal zumindest bereichsweise begrenzenden Teils (II) der Umhausung aufgenommen ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (II) der Umhausung des Strömungskanals mit einer nutförmigen Aufnahme für den elektrisch leitfähigen Ring (3) in den Strömungskanal oder Diffusor zumindest bereichsweise hinein gewölbt ist, beispielsweise nach Art eines Trichters, insbesondere eines Trichters mit einem in den Strömungskanal hinein gewölbten Querschnitt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Ring (3) aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material besteht und magnetisiert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) aus einem Übergangsmetall bestehen oder aus einer Legierung mit einem Übergangsmetall, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) aus einem magnetischen, vorzugsweise ferromagnetischen Metall bestehen oder aus einer Legierung mit einem solchen Metall, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) aus Nickel bestehen oder aus einer Legierung mit Nickel, vorzugsweise als Hauptbestandteil der Legierung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) mit einer erhärteten Masse umhüllt sind, vorzugsweise mit einer keramischen Masse, insbesondere mit einer gebrannten, keramischen Masse.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) im Bereich der Nahordnung an Schnitt- oder Eckpunkten eines Dreiecksgitters auf der Ringfläche angeordnet sind, vorzugsweise an den Schnitt- oder Eckpunkten eines Gitters aus gleichseitigen Dreiecken, insbesondere mit einer Kantenlänge oder Schrittweite t = τδ, wobei τ = 1,01 ... 1,5, vorzugsweise τ = 1,02 ... 1,2, insbesondere τ = 1,05 ... 1,1.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P, Q) mit einem Durchmesser (δ) von 1 mm oder weniger auf der dem benachbarten, Massepotential führenden Maschinen- oder Anlagenteil (I) zugewandten Ebene des elektrisch leitfähigen Rings (3) im Bereich der Fernordnung in mehreren Gruppen mit jeweils mehreren, vorzugsweise n₁ konzentrischen Kreisen mit Radius t, 2t,..., b – t, b angeordnet sind und/oder auf mehreren, vorzugsweise n₂ konzentrischen Kreisen mit Radius a – b; a + b + t, ..., a + b, wobei vorzugsweise n₁ = πα/b und/oder n₂ = 2b/t „fast” ganze Zahlen sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle des elektrischen, von Massepotential abweichenden Potentials V eine Gleichspannungsquelle umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speiseschaltung zwischen der Quelle des elektrischen, von Massepotential abweichenden Potentials V eine Tunneldiode angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneldiode zwischen zwischen wenigstens einem Speiseanschluss des elektrisch leitfähigen Rings (3) und Massepotential geschalten ist.
Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneldiode zwischen einer Spannung U₁ und einer Spannung U₂ > U₁ eine negative Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, d. h., einen mit steigender Spannung sinkenden Strom.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Spannung U₂ > U₁, wo der negative Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie endet, mit der von der Gleichspannungsquelle abgegebenen Spannung übereinstimmt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Stärke E₁₁ des elektrostatischen Feldes auf seiner Achse und die Ladung q des Induktors mit den Basis-Parametern (V, a, b, c, δ, τ) durch eines oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Verhältnisse zusammenhängen: E₁₁ = √3q/18πε₀α²; q = 512Vπ³ε₀α²δ^–1ƒ(ε)g(τ)[1 – (1 + b²/c²)^–0,5]·cos^–1(1 – b/a); ƒ(ε) ≡ (ε – 1)/(ε + 1); g(τ) ≡ E(3 + √3)/τ + 1]^–1; α ≥ 50b ≥ 125c; wobei ε₀ die elektrische Konstante ist, ε >> 1 die relative Dielektrizitätskennzahl der Kondensator-Keramik ist.