TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Vliv tlaku vzduchu na velikost síly při Bakalářský projekt Autor práce: Vedoucí práce: Konzultant: Martin Kubáň Ing. Jiří Primas Ing. Michal Malík Liberec 2011 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 Prohlášení Byl jsem seznámen s tím, že na bakalářský projekt se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mého bakalářského projektu a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mého bakalářského projektu (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, že užít mého bakalářského projektu či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše). Bakalářský projekt jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářského projektu a konzultantem Martin Kubáň

3 Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat osobám, které mi pomohly při tvorbě mého bakalářského projektu. Na prvním místě bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Primasovi, který mi pomohl svými radami, zkušenostmi a schopností odpovědět na všechny mé otázky. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Michalovi Malíkovi, který mi se svými zkušenostmi, radami a odborným pohledem velice pomohl. Dále bych chtěl poděkovat oběma za jejich obětavost a za velké množství času, který mi věnovali. Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 4

4 Anotace Cílem mého bakalářského projektu je prozkoumat, jak působí prostředí na velikost síly vznikající na vysokonapěťovém kondenzátoru s asymetrickými elektrodami. Hlavně jsem se zaměřil na atmosférický tlak a jeho změny. V rešerši jsem shrnul základní poznatky z elektrostatiky a z problematiky Biefeld-Brownova efektu. Druhá část práce popisuje konstrukci zařízení vhodného pro měření. V kapitole Měření jsem uvedl průběh a výsledky měření závislosti velikosti síly na změně tlaku. V závěru práce je naznačeno, jakým směrem bych se rád zaměřil a popřípadě co bych chtěl na zařízení dále zkoumat. 5

5 Obsah Úvod 7 1. Rešerše Základní pojmy Vysokonapěťová asymetrický kondenzátor Měření sil Vakuová technika Tvorba přípravku a měření Konstrukce Konstrukce prvního elementu Konstrukce druhého elementu Konstrukce třetího elementu (PROTOTYP) Testování třetího elementu Vyřešení problému s třetím elementem (PROTOTYPEM) Měření na PROTOTYPU Postup Měření Měření za atmosférického tlaku Měření ve vakuové komoře.. 28 Závěr 30 Použitá literatura

6 Úvod Bakalářský projekt experimentální studium iontových větrů jsem si vybral proto, že jsem se o tuto problematiku již v minulosti zajímal. Nejvíce mě zaujalo elektro-kinetické zařízení, známé také pod názvem LIFTER, které po připojení vysokého napětí levituje. Při první schůzce na svém bakalářském projektu jsem dostal poměrně volnou ruku nad tím, co bych chtěl přesně měřit a čas na rozmyšlenou. Nejdříve jsem se rozhodl, že bych chtěl měřit výkon zařízení v závislosti na jeho parametrech. Bohužel jsem však zjistil, že touto problematikou se zabývají diplomové práce Ing. Michala Malíka a Ing. Jiřího Primase. Po dalším rozmýšlení jsem se rozhodl, že bych mohl změřit závislost některých parametrů elektro-kinetického zařízení na okolním prostředí. Především proto, že se touto problematikou doposud nikdo nezabýval. Nejdříve jsem měl v plánu použít nějakou uzavřenou nádobu, z ní odčerpat vzduch a zařízení v tomto prostředí, které by částečně připomínalo vakuum, měřit. Nakonec jsme se dohodl, že místo amatérské nádoby použiji vakuovou komoru, kterou disponuje Textilní fakulta Technické univerzity v Liberci a ve které se hodnoty blížící se vakuu dají zajistit. Cílem této práce je zkonstruovat zařízení vhodné pro měření v této vakuové komoře, a poté zjistit, jak se zařízení bude chovat v prostředí s tlakem výrazně nižším než je tlak atmosférický. 7

7 1. Rešerše 1.1. Základní pojmy Elektrické pole Elektrické pole je fyzikální pole, v němž se projevují silové účinky elektrických nábojů. Tvar elektrického pole je určen tvarem zdroje elektrického pole. Velikost síly, kterou se dva náboje přitahují, je definována Coulombovým zákonem (viz obr. č. 1), kde F je síla, která působí mezi dvěma bodovými náboji Q 1 a Q 2, 0 je permitivita vakua, r je relativní permitivita prostředí a r je vzdálenost dvou bodových nábojů. Směr síly je dán polaritou nábojů [2, 4]: F 1 Q.. Q (1) 4 0 r r Obr. č. 1: Elektrické pole dvou nesouhlasných nábojů 8

8 Elektrické intenzita Elektrická intenzita je veličina, která je definována jako síla, která působí na jednotkový kladný náboj v daném místě pole: E( r ) F( r ) Q. (2) Směr vektoru elektrické intenzity je dán směrem působící elektrické síly. Orientace elektrické intenzity je daná tak, že elektrická intenzita směřuje od tělesa s kladným nábojem k tělesu se záporným nábojem [2]. Dielektrika Dielektrika jsou elektricky nevodivé látky. Neobsahují žádné volné elektrické náboje, a proto se jeví navenek jako elektroneutrální. Vnější elektrické pole ale na částice dielektrika působí, a tím je ovlivňováno rozložení náboje v dielektriku. Vložením dielektrika do elektrického pole dochází k polarizaci dielektrika. Dielektrika lze dále rozdělit podle toho, jakým způsobem polarizace daného dielektrika probíhá: a) Nepolární dielektrika jejich struktura je taková, že těžiště kladných i záporných nábojů vzájemně splývají. Pokud vložíme takovéto dielektrikum do elektrického pole, dojde k vzájemnému posunu těžišť kladných a záporných nábojů (tedy kladně nabitého atomového jádra vzhledem k záporně nabitému elektronovému obalu) do určité vzdálenosti, čímž se z nepolární částice stane elektrický dipól. Ten se v elektrickém poli natočí vždy tak, aby ležel ve směru intenzity vnějšího pole. Tento typ polarizace bývá také někdy označován jako polarizace atomová nebo elektronová. Mezi typické zástupce této skupiny patří např. dusík nebo kyslík. b) Polární dielektrika částice polárních dielektrik mají nenulový dipólový moment i v nepřítomnosti vnějšího elektrického pole. Částice dielektrika jsou obvykle tvořeny kladnými a zápornými ionty. Tyto částice se při přiložení vnějšího elektrického pole orientují ve směru elektrického pole. Tento druh polarizace se nazývá iontovou nebo orientační polarizací. Do této skupiny dielektrik patří např. voda, některé organické molekuly, apod. Vlastní dipólové momenty polárních dielektrik jsou o několik řádů větší než navozené momenty dielektrik nepolárních. c) Feroelektrika některé látky jako např. titaničitan barnatý BaTiO 3 nebo fosforečnan draselný KH 2 PO 4 se vyznačují nejen vysokými hodnotami relativní permitivity, ale hlavně tím, že se v elektrickém poli chovají obdobně jako feromagnetické látky v poli magnetickém. Při 9

9 teplotách vyšších než je Curieův bod mají tyto látky konstantní susceptibilitu a jejich polarizace je úměrná intenzitě vnějšího elektrického pole. Při teplotách nižších ale susceptibilita závisí na vnějším elektrickém poli a pozorujeme elektrickou hysterezi, která se při kruhové změně budícího elektrického pole projeví hysterezní smyčkou. Na obr. č. 2 vidíme graf závislosti polarizace na intenzitě budícího elektrického pole pro Seignettovu sůl (vinan sodno-draselný NaKC 4 H 4 O 6.4H 2 O) nad Curieovým bodem (a) a pod Curieovým bodem (b). Obr. č. 2: Graf závislosti polarizace Seignettovy soli na vnějším elektrickém poli nad kritickou teplotou (a) a pod kritickou teplotou (b) [2] Permitivita Permitivita vyjadřuje vztah mezi el. indukcí D a el. intenzitou E v tomtéž bodě pole. Pro popis dielektricky dokonale měkkého prostředí platí: D E. (3) Relativní permitivita Relativní permitivita je skalární veličina vyjadřující, jak se na zeslabení silových účinků el. pole vzhledem k vakuu podílí prostředí. Pro vakuum je 1, takže 1 pro libovolné izotropní prostředí a platí [1]: r r, (4) 0 r 10

10 D E0 E 0. (5) Kondenzátor Kondenzátor je dvojpólová součástka konstruovaná takovým způsobem, aby vykazovala kapacitu definované velikosti. Je tvořena dvěma vodivými elektrodami (viz obr. č. 3), které jsou od sebe odděleny dielektrikem. Obr. č. 3: Deskový kondenzátor Kapacita Elektrická kapacita C vyjadřuje schopnost vodivých těles shromažďovat elektrický náboj. Je definována takto: C Q, (6) kde Q je hodnota elektrického náboje a je hodnota elektrického potenciálu na povrchu daného tělesa. Elektrická kapacita je vlastností každého vodiče, ale využívá se především u kondenzátorů. Zde místo potenciálu na povrchu tělesa uvažujeme rozdíl potenciálů (tedy napětí) mezi elektrodami [4]: C Q Q U. (7)

11 1.2. Vysokonapěťový asymetrický kondenzátor Biefeld-Brownův efekt byl objeven v roce Thomas Townsend Brown experimentoval s rentgenovou trubicí (ve které jsou dvě asymetrické elektrody) a pozoroval dosud nepopsanou sílu, která pohybovala celou trubicí. Experimentům s touto silou a jejímu popsání zasvětil T. T. Brown většinu svého života [5]. Biefeld-Brownův efekt lze nejlépe prezentovat na zařízení, které lze označit jako vysokonapěťový asymetrický kondenzátor, často se také používá název elektro-kinetické zařízení, nebo také LIFTER. Základem každého elektro-kinetického zařízení jsou dvě elektrody. Jedna je menší, druhá větší. Po té, co je k elektrodám připojeno vysoké napětí, začne zařízení vykazovat vznik malé síly v řádu přibližně 0,001 N působící na celé zařízení ve směru od větší elektrody k menší (viz obr. č. 4). Obr. č. 4: Schéma kondenzátoru a směr vznikající síly Elektro-kinetické zařízení má mnoho podob. Na obr. č. 5 vidíme, jak vypadal jeden z modelů, který byl patentován roku 1960 T. T. Brownem. 12

12 Obr. č. 5: Model elektro-kinetického zařízení, které bylo patentováno [11] Využití: Největší využití, kde by se mohl Biefeld-Brownův efekt uplatnit, je pohon. NASA prováděla několik experimentů (kolem roku 2002) s využitím Biefeld-Brownova efektu pro manévrovací pohon družic [12]. Praktické využití ale komplikuje nutnost použít velmi vysokého napětí a malá efektivita [6] Měření sil Měření sil pomocí siloměrů Siloměry jsou přístroje k měření velikosti síly. Měřítkem velikosti síly je stupeň deformace pružné části siloměru, například pružiny. Tvar a tuhost pružné části siloměru jsou voleny s ohledem na měřicí rozsah siloměru a na způsob odečítání hodnoty deformace. Měřená síla se odečítá buď opticky na stupnici, nebo prostřednictvím elektrického měření. V soustavě SI je jednotkou síly newton (N). 13

13 Princip: Podle Hookova zákona platí, že čím je větší působící síla, tím větší je deformace a tím větší je také výchylka na stupnici siloměru. d E, (8) y l kde d je poměrné délkové prodloužení (přičemž l označuje délku vzorku), E y je modul l pružnosti v tahu. Obr. č. 6: Princip měření síly siloměrem Siloměry: Jedná se o zařízení, které lze využít pro měření všech druhů sil. Měření sil pomocí vah Váhy jsou zařízení pro měření hmotnosti objektů pomocí tíhy. Pracují na různých fyzikálních principech. Vážení je jedním z nejstarších a nejrozšířenějších postupů měření. 14

14 Obr. č. 7: Analytická váha KERN ABT 220-5DM Obr. č. 8: Závěsná váha Kern HCB 50 15

15 Měření sil pomocí otáček Otáčkoměr je přístroj sloužící k měření otáček. Používá se například pro zjištění rychlosti různých rotujících částí, ale i třeba rychlosti rotace posuvného pásu. Způsoby měření otáček: Otáčky lze měřit kontaktním, nebo bezkontaktním měřením. Kontaktní měření Kontaktní měření otáček se realizuje pomocí přístroje, který snímá rotační pohyb (například řemenice nebo hřídele). Nebo pomocí přístroje, který snímá obvodovou rychlost přiložením snímacího kolečka na obvod hřídele. Obr. č. 9: Kontaktní otáčkoměr PROVA RM-1501 Bezkontaktní měření Bezkontaktní měření nevyžaduje žádný dotyk s měřeným předmětem. Ve většině případů je to měření praktičtější a jednodušší, ale ne vždy výhodnější. Můžeme ho provádět dvěma hlavními způsoby. První způsob je pomocí světelného paprsku, druhý způsob pomocí magnetického pole. 16

16 Obr. č. 10: Digitální stroboskop: Fototachometr DT-2259 (umožňuje bezkontaktní měření otáček) Měření pomocí světelného paprsku: Toto měření lze provést dvěma základními principy. První princip funguje na základě trvalého paprsku světla, který svítí na světelný senzor. Předmět přerušuje paprsek a impulsy jsou snímány senzorem, v čítači je pak vyhodnocována jejich frekvence. Druhý princip funguje opačně. Vysílán je přerušovaný paprsek o nastavitelné frekvenci. V okamžiku, kdy frekvence souhlasí s počtem otáček, čítač frekvenci vyhodnotí. [9]. Měření pomocí magnetického pole: Toto měření funguje následovně. Na rotující předmět se připevní magnet. V blízkosti předmětu s magnetem se připevní zařízení, které reaguje spínáním obvodu na magnetické pole. Například kontakt jazýčkového relé. Do obvodu se zařízením se zapojí napětí a obvod se připojí k čítači. Pokud se magnet přiblíží k relé, obvod se sepne a objeví se na čítači impuls napětí. Když se magnet vzdálí, obvod se rozepne. Na čítači se pak načítá počet napěťových impulsů. Frekvenci pak získáme jednoduše. Počet otáček dělíme časem [9]. 17

17 1.4. Vakuová technika Vakuum Vakuum je ve fyzice označováno jako prostor, v němž je tlak plynu výrazně nižší než normální atmosférický tlak v okolí. Jde tedy o prostor, který je tak prázdný, jak je to jen možné. Tlak je udáván v Pascalech. Dokonalé vakuum by tedy mělo mít tlak 0 Pa. Nejvyšší dosažené vakuum na zemi se blížilo Pa. Podle kvantové teorie ale ani prostor bez jakékoliv hmoty není úplně prázdný. Pro svůj projekt jsem však potřeboval tlak snížit jen natolik, abych viděl, jestli se vznikající síla na elektro-kinetickém zařízení změní či ne. Nevěděl jsem přesně, jak moc budu muset tlak snížit, ale doufal jsem, že mi k tomu postačí dostupná vakuová komora. Kvalita vakua: dokonalé vakuum 0 Pa (absolutně prázdný prostor) extrémně vysoké vakuum < Pa ultravysoké vakuum vysoké vakuum Pa Pa nízké vakuum Pa 3 atmosférický tlak 101, Pa Vývěva Vývěva je prostředek pro získávání vakua. Jde vlasně o zařízení, které z daného prostoru odčerpává molekuly plynu. Tlak v daném prostoru může být snížen jedním z těchto způsobů, nebo jejich kombinací: snížením teploty systému při zachování konstantního objemu a konstantního látkového množství v něm obsaženém, zvýšením objemu systému při konstantní teplotě a konstantním počtu molů, snížením látkového množství v systému za konstantní teploty a objemu. Vývěv existuje velice mnoho typů a druhů. Nejznámější a nejpoužívanější jsou vývěvy rotační a pístové. Ty však nedosahují příliš dobrých hodnot, ale jsou snadno dostupné a cenově výhodné. Velice dobrých výsledků dosahuje iontová vývěva, která je však velmi drahá a nákladná na provoz [10]. 18

18 Obr. č. 12: Princip membránové vývěvy Obr. č. 13: Princip Rootsovy vývěvy 19

19 2. Tvorba přípravku a měření 2.1. Konstrukce V této kapitole se budu zabývat konstrukcí zařízení, na kterém budu měřit počet otáček elektro-kinetického zařízení v závislosti na prostředí. Zkonstruované zařízení by mělo být pevné, lehké, bezpečné a do budoucna bych chtěl, aby jeho drobné změny byly snadno proveditelné. Stojan Stojan, který jsem chtěl pro svůj element vyrobit, se musel vejít do vakuové komory o průměru 25 cm a výšce 40 cm. Proto jsem se snažil použít materiál, který při malém objemu bude dostatečně pevný. Nejdříve mě napadlo použít pro výrobu rámu stavebnici Merkur, ze které by se zajisté celá konstrukce dala snadno udělat. To jsem však brzy zamítl, protože je tato stavebnice převážně ze železa. A při napětí kolem 20 kv by mohla snadno přeskočit jiskra. Nakonec jsem stojan vyrobil z trubice na rozvod drátů vysokého napětí a plexiskla. Jako podklad jsem použil plexisklo, na které jsem přilepil tavnou pistolí jeden díl trubice, na který jsem pak nasadil zatočenou část trubice. Na její konec a dolů na podložku jsem připevnil kovové kontakty z klíčového šroubu, do kterých se bude umisťovat osa elementu. Protože jsem na desku připevnil ke šroubu ještě vysokou matici, šla výška pro umístění elementu nastavit na vyhovující pozici (viz obr. č. 14 a 15). Obr. č. 14: Princip stojanu 20

20 Obr. č. 15: Hotový stojan pro měření elementu Element Počátek konstrukce Nyní bylo třeba vyrobit element, který se upevní do stojanu. Pan Ing. Malík mi sice element z jeho diplomové práce nabídl plně k dispozici, ale jak jsem zjistil, velikost vakuové nádoby byla v průměru pouze 24 cm a model by se do této nádoby nevešel. Bylo proto třeba upravit starý model, nebo vytvořit nový. Rozhodl jsem se pro vytvoření nového modelu. Jako předlohu jsem použil diplomovou práci pana Ing. Michala Malíka a také práci Ing. Jiřího Primase. Tam jsem se hlavně zaměřil na parametry, které by odpovídaly největší síle. To bylo velice nutné, protože síla tohoto zařízení se pohybuje v řádech cca v 0,001 N. Ačkoliv jsem se modelem z diplomové práce inspiroval, rozhodl jsem se zkusit vytvořit model zcela jiný. 21

21 Osa elementu Osu elementu jsem nejdříve vyrobil z dřevěné tyčky, na jejichž konce jsem dal kovové zakončení kvůli přívodu napětí. Toto se mi však neosvědčilo. Dřevěná tyčka byla příliš těžká. Nakonec jsem jako osu použil obyčejné brčko, které bylo sice velmi křehké, ale bylo také rovné, lehké a snadno nahraditelné. Na konce jsem nasunul malé kovové válečky. Délka brčka odpovídala daným 14 cm vhodným pro stojan. Malé nesrovnalosti v délce jsem neřešil, protože bylo možné ji dorovnat díky posuvné matici ve stojanu. Popis elementu Element se skládá z osy a dvou křídel. Každé křídlo obsahuje anodu (drát na špejli) a katodu (alobal na kartonu). Drát na špejli z obou křídel je přiveden na vrchní konec osy, kde je připojen na kladný pól zdroje. Drát vedený z alobalového potahu obou křídel je přiveden na zem, viz. obr. č. 16. Obr. č. 16: Pohled na element, ze kterého jsem vycházel 2.2. Konstrukce prvního elementu První element jsem vyrobil z dřevěné krabičky o rozměrech 75x75x35 mm, kterou jsem polepil alobalem. A na ni jsem připevnil špejle s drátkem. Bylo mi řečeno, že si mám dát pozor, aby čelo katody nebylo příliš tenké. Proto jsem udělal zvolil tloušťku 35 mm. Ačkoliv jsem se inspiroval diplomovou prací pana Ing. Michala Malíka, rozhodl jsem se, že katodu udělám 22

22 společnou. Bylo to hlavně proto, že jsem potřeboval střed dobře připevnit ke křehkému brčku a také proto, že jsem potřeboval využít maximální sílu po celé možné délce modelu. Bohužel, jak jsem zjistil při měření, model se nezačal točil. Bylo to právě proto, že hrana byla až moc tlustá. A také proto, že model byl poměrně těžký. Obr. č. 17: První element, hotový 2.3. Konstrukce druhého elementu Druhý element jsem oproti prvnímu vyráběl velice odlehčený. Použil jsem pouze ústřižek z papírové krabice, brčka a alobal, místo špejlí jsem použil duté tyčinky z umělé hmoty, které jsem slepil tavnou pistolí. Jako osu jsem nadále používal plastové brčko. Element byl opravdu velice lehký a pevný. Při měření se mi však po krátké chvíli přestal točit. Protože jsem si myslel, že je to způsobeno velice tenkou katodou (7 mm), rozhodl jsem se ke konstrukci nového modelu. 23

23 Obr. č. 18: Druhý element, rozpracovaný Obr. č. 19: Druhý element, hotový 24

24 2.4. Konstrukce třetího elementu (PROTOTYP) Při výrobě třetího elementu, jsem se inspiroval zkušenostmi z předchozí výroby. Použil jsem krabičku o rozměrech 110x55x14mm, drátek jsem připevnil na dřevěné špejle. Model byl velice lehký. Měření však skončilo stejně jako s druhým elementem. Model se začal točit, ale po cca 15 sekundách začal zpomalovat a do 30 sekund se zastavil úplně. Obr. č. 20: Třetí element, jeho testování 2.5. Testování třetího elementu Když se u třetího elementu objevila stejná vada jako u druhého elementu, hledal jsem, čím by to mohlo být způsobené. Bylo jasné, že hranou to být nemůže, protože kdyby to bylo hranou, element by se vůbec neroztočil. Myslel jsem si, že by to mohlo být spojenou katodu, protože model, podle něhož jsem se inspiroval, měl katodu spojenou jen drátkem, viz obr. č. 16. Myslel jsem si, že se proud vzduchu okolo obou katod navzájem ovlivňuje. Tak by mohlo dojít až k postupnému zániku výsledné síly, a tedy k zastavení celého zařízení. Se svým vedoucím práce a konzultantem jsme si ještě mysleli, že by to mohlo být způsobeno oxidací kontaktů na koncích osy. Při námi používaném napětí (10 15 kv) vzniká kolem kontaktů sršení, při kterém dochází k vytvoření vrstvy oxidu na povrchu kovu, která postupně zvětšuje třecí sílu v ose otáčení. 25

25 2.6. Vyřešení problému s třetím elementem (PROTOTYPEM) Problém měl nakonec jednodušší řešení, než se na začátku zdálo. Při měření jsem používal vysokonapěťový zdroj GLASSMAN FX SERIES, na kterém jsem nastavil proudové omezení na 1 ma. Při měření se sice odběr proudu na display zobrazoval v rozmezí μa, reálný odběr však mohl být chvilkově i vyšší (display nemusel impulzní změny zaznamenávat). Protože čím déle se měří, tím více iontů se nachází v okolí zařízení a tím se zvýší i vodivost okolí. Vedoucí mé práce Ing. Primas vyslovil myšlenku, že zde dochází k vzniku tzv. strimmerů vodivých kanálů, které chvilkově zvýší proud procházející mezi elektrodami, což způsobí zapnutí proudové ochrany zdroje, která zdroj vypne. Kvůli nízko nastavené hodnotě proudové ochrany tedy nemohlo zařízení fungovat dostatečně efektivně. Když jsem proudové omezení nastavil na maximum (10 ma), zařízení se točilo v pořádku. Ačkoliv jsem měl nyní dva funkční elementy, rozhodl jsem se provádět měření na třetím elementu (PROTOTYPU). 26

26 3. Měření na PROTOTYPU V této kapitole se budu zabývat měřením počtu otáček v různých prostředích. Všechny měření budu provádět při napětím 13,3 kv. Proudové omezení bude při každém měření totožné, tedy 10 ma Postup měření Na vrchní část stojanu jsem připojil napětí, na dolní část jsem připojil uzemnění. K napájení jsem použil vysokonapěťový zdroj GLASSMAN FX SERIES, který lze regulovat do napětí 50 kv. Proudové omezení lze nastavit v rozsahu 1 ma až 10 ma. Po jeho zapnutí jsem začal zvyšovat napětí, při napětí 11,3 kv se přípravek začal točit. Dále jsem ho pomalu zvyšoval. Při napětí 13,7 kv začalo docházet k přeskokům a element se přestal točit. Otáčky jsem na elementu měřil při napětí 13,3 kv. Potom, co se element roztočil, začal jsem počítat otáčky. Na počítání otáček nebylo třeba použít otáčkoměr, protože přípravek nedosahoval příliš vysokých otáček. Proto jsem otáčky počítal sám po dobu 60 s. Provedl jsem 5 měření pro danou hodnotu napětí, abych minimalizoval vliv chyby měření. Obr. č. 21: PROTOTIP, měření otáček 27

27 3.2. Měření za atmosférickém tlaku Atmosférický tlak: Napětí při kterém jsem měřil: p= Pa U=13,3 kv Tabulka č. 1: Naměřené hodnoty číslo měření počet otáček/min Průměrné otáčky: Ot 120,6 ot / min 5 Při měření na PROTOTYPU za atmosférickém tlaku (p= Pa) při napětí U=13,3 kv, proudovém omezení nastaveném na I=10 ma jsem naměřil průměrný počet otáček Ot=120,6/min Měření ve vakuové komoře Jak plyne z popisu uvedeného výše, zařízení již bylo v této fázi připraveno k meření za sníženého tlaku. K tomuto účelu jsem použil vakuovou komoru, která je k dipozici v Poloprovozu netkaných textilií na FT TUL, viz obr. č

28 Obr. č. 22: Vakuová komora Tato komora umožňuje pracovat v rozsahu od tlaku atmosférického až do tlaku cca 5 kpa, vzduch se dá průběžně odsávat olejovou rotační vývěvou a tlak měřit připojeným ručkovým manometrem. Při prvním měření za sníženého tlaku bylo testované zařízení (prototyp) umístěno do komory a postupně byl snižován tlak. Stejně jako v předchozím měření byla proudová ochrana vysokonapěťového zdroje GLASSMAN nastavena na proud 10 ma a pracovní napětí U=13,3 kv zůstalo stejné. Při postupném odsávání vzduchu z komory se až do tlaku 85 kpa nedal pozorovat žádný markantní rozdíl v rychlosti rotace křídla. Bohužel při tlaku již cca 80 kpa došlo k elektrickému průrazu na zařízení (jiskře), rotace se zastavila a toto první měření muselo být ukončeno. V případě druhého měření byl tlak v komoře snížen až na hodnotu 7 kpa, a teprve potom zapnut vysokonapěťový zdroj. V tomto případě již nedošlo ke vzniku jiskry, ale ke vzniku fialového hadovitě se měnícího výboje. I v tomto případě se zařízení nezačalo otáčet. 29

29 Závěr Díky tomuto projektu jsem zjistil, jak vyrobit nejlepší zařízení (PROTOTYP) pro měření Biefeld-Brownouva efektu v prostředí s různými tlaky. Zjistil jsem například, že element nesmí mít příliš širokou hranu, která tuto sílu zcela potlačí. Při konstrukci a měření jsem zjistil, že velkou roli hraje také aerodynamika a tvar zařízení. Protože mě tato právě velice zaujala, rád bych v ní pokračoval i dále. Rád bych se v ní zaměřil na maximalizaci této síly a na její praktickou aplikaci. Z provedených experimentů jasně vyplývá, že měření vlivu tlaku vzduchu na Biefeld- Brownův efekt je velmi komplikované. Nabízejí se v zásadě pouze dvě možnosti jak měření zrealizovat. První možností je precizně změřit otáčky zařízení za normálního atmosférického tlaku s opravdu velkou přesností a porovnat je s otáčkami při pouze velmi mírně sníženém tlaku. Tlak ale bude muset být snížen opravdu jen velmi málo, aby nedošlo ke zmenšení elektrické pevnosti vzduchu, a následně ke vzniku jiskry. Takto precizně měřit otáčky ovšem nebylo možné. Druhou variantou je pokusit se vyčerpat vzduch natolik, aby nevznikal již žádný výboj, tedy na hodnotu pouze jednotek Pa a méně. Při tomto vakuu bych očekával, že již nebudou k dispozici žádné částice a k rotaci zařízení tedy vůbec nedojde. Tento pokus ovšem nebyl proveden, protože takto nízkého tlaku nelze s pro mě dostupným zařízením dosáhnout. Zde se otevírá pole pro další výzkum. 30

30 Použité literatura [1] Mechlová, E. Výkladový slovník fyziky pro základní vysokočkolský kurz, Prométheus, ISBN [2] Bláhovec, A. Elektrotechnika I. Informatorium, ISBN [3] ALDAX Electronics by Sinclair and Pierre Kondenzátory [online]. [cit ] URL:< [4] Ing. Jiří Primas. Elektrické vlastnosti vysokonapěťového kondenzátoru s asymetrickými elektrodami. Diplomová práce [5] O elektronice a vysokém napětí Levitující kondenzátor [online]. [cit ] URL:< [6] M. Rost, V. Hubata-Vacek, J. Smolka, A. Valta; Biefeld-Brownův efekt - Fakulta jaderná a fyzikálne inženýrská, Brehová 7, Praha 1 URL:< [7] Wikipedie: otevřená encyklopedie; Siloměr [online]. [cit ] URL:< [8] Wikipedie: otevřená encyklopedie; Váhy [online]. [cit ] URL:< [9] Qtest- měřící přístrojová technika; Měření otáček [online]. [cit ] URL:< [10] Ing. Milan Erben, Ph.D.; Vakuová technika [online]. [cit ] URL:< [11] Brown, T. T.; Elektrokinetic Apparatus. U.S. patent č , [12] NASA; Apparatus and Method for generating a thrust using a two dimensional asymmetrical capacitor module. U.S. patent č ,