Для электрического конденсатора, это означает, что если по мере его заряда, емкость увеличивается, то энергия поглощается из среды и преобразуется в избыточную запасаемую потенциальную электрическую энергию. Ситуация для простого плоского конденсатора с воздушным диэлектриком естественная (пластины сами собой притягиваются), а это означает, что мы можем конструировать простые механические аналоги варикондов, в которых избыточная энергия запасается в форме потенциальной энергии упругого сжатия пружины, помещенной между пластинами конденсатора. Этот цикл не может быть такой же быстродействующий, как в электронных устройствах с варикондами, но заряд, на пластинах конденсатора большого размера, может быть накоплен значительный, и устройство может генерировать большую мощность, даже при низкочастотных колебаниях. При разряде, пластины вновь расходятся на исходное расстояние, уменьшая начальную емкость конденсатора (пружина освобождается). При этом должен наблюдаться эффект охлаждения среды.
Форма зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности приложенного поля показана на графике рис. 210.
Рис. 210. Изменение емкости при изменении напряжения
На начальном участке кривой, диэлектрическая проницаемость, а значит и емкость конденсатора, увеличивается при росте напряжения, а затем она падает. Заряжать емкость надо только до максимальной величины (вершина на графике), иначе теряется эффект. Рабочий участок кривой помечен на графике рис. 210 серым цветом, изменения напряжения в цикле «заряд – разряд» должны происходить в пределах этого участка кривой. Простой «заряд-разряд» без учета максимальной рабочей точки кривой зависимости проницаемости от напряженности поля не даст ожидаемого эффекта. Эксперименты с такими «нелинейными» конденсаторами, представляется весьма перспективными для исследования, тем более, что в некоторых материалах, зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от приложенного напряжения позволяет получать не 20 %, а 50-ти кратные изменения емкости.
Применение ферритовых материалов, по аналогичной концепции, также требует наличия соответствующих свойств, а именно, характерной петли гистерезиса при намагничивании и размагничивании, рис. 211.
Рис. 211. Петля гистерезиса для ферромагнетиков
Этими свойствами обладают почти все ферромагнетики, поэтому преобразователи тепловой энергии среды, использующие данную технологию, могут быть подробно экспериментально изучены. Пояснение: «гистерезис», (от греческого hysteresis – запаздывание) – это различная реакция физического тела на внешнее воздействие, в зависимости от того, подвергалось ли это тело ранее тем же воздействиям, или подвергается им впервые.
На графике, рис. 211, показано, что намагничивание начинается с нулевой отметки, достигает максимума, а затем, начинается спад (верхняя кривая). При нулевом внешнем воздействии, отмечается «остаточное намагничивание», поэтому, когда цикл повторяется, то расход энергии меньше (нижняя кривая). При отсутствии гистерезиса, нижняя и верхняя кривые идут вместе. Избыточная энергия такого процесса тем больше, чем больше площадь петли гистерезиса. Н.Е.Заевым было экспериментально показано, что удельная плотность энергии для таких преобразователей составляет примерно 3 кВт на 1 кг ферритового материала, при максимально допустимых частотах циклов намагничивания и размагничивания.
Приоритеты: заявки Н.Е.Заева на открытие «Охлаждение некоторых конденсированных диэлектриков меняющимся электрическим полем с генерацией энергии» № 32-ОТ-10159; 14 ноября 1979 года, заявка на изобретение «Способ преобразования тепловой энергии диэлектриков в электрическую», № 3601725/07(084905), 4 июня 1983 года, и «Способ преобразования тепловой энергии ферритов в электрическую», № 3601726/25(084904). Метод был запатентован, патент RU2227947, 11 сентября 2002 года.
Существует американский патент на аналогичный, маломощный, но вполне реальный способ получения свободной энергии за счет тепловых шумов.
В 1973 году Джон Вайганд (John Wiegand) запатентовал в США систему на эффекте Баркгаузена, патент № 3,757,754, схема показана на рис. 212.
Рис. 212. Рисунок из патента Вайганда, США № 3,757,754
Тепловые шумы в магнитострикционном материале позволяют практически получать небольшую мощность, без всякого внешнего источника, кроме тепла среды. Компания Wiegand Electronics выпускает источники энергии, обеспечивающие 12 Вольт и небольшой ток, что может применяться для снабжения потребителей мощностью в несколько милливатт. В показанной на рис. 212 конструкции, магнитный сердечник 14 изготовлен из магнитомягкого материала, а его цилиндрическая оболочка 12 сделана из высококоэрцитивного магнитного материала. Магнит 16 и катушка 18 обеспечивают получение мощности в нагрузке.
Работает генератор Вайганда следующим образом: тепловые шумы в сердечнике 14 скачкообразно меняют его магнитные свойства, в том числе и его магнитную проницаемость. В результате этих изменений, для магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 12, изменяются условия распространения в пространстве, и часть его поля, проходящая через внешнее пространство, также меняет свою величину. Это изменение создает влияние на поле магнита 16, отклоняя его в сторону от катушки.
Все так сложно, а в устройстве создается мощность всего несколько милливатт! Тем не менее, устройства находит свое применение, например, был разработан электронный замок для двери с таким вечным источником электропитания, постоянно подзаряжающим аккумулятор.
Отметим российские работы по созданию полупроводниковых преобразователей тепла. Известен проект группы авторов из Санкт-Петербурга, под руководством Каминского В.В. «Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора», заявка на изобретение № 2005120519/28 от 22.06.2005, авторы В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павлов, С.М. Соловьёв, Н.В. Шаренкова. Рабочее тело преобразователя сделано из сульфида самария SmS, мощность экспериментальной установки очень мала, милливатты.
Другое направление исследований: в США известны проекты в MIT (Massachusetts Institute of Technology), которые можно назвать «современной термионикой». Более ста лет назад, исследователи «термионики» занимались получением тока между горячим катодом и холодным анодом в электронно-вакуумной лампе.
Современные ученые создают микроструктуры в полупроводниковых материалах, для этих же целей, но для работы при относительно невысоких температурах. Эти многослойные полупроводниковые структуры называют «термальные диоды». Пока им удается получать рабочие температуры от 200 до 400 градусов Цельсия, но это уже лучше, чем 1000 градусов, требуемые для получения эффекта в электронно-вакуумных лампах прошлого века.
Подобный преобразователь, называемый «термочип» (Thermo Chip) развивала компания ENECO, США. В настоящее время, компания куплена фирмой MicroPower Global, работающей совместно с Университетом Техаса, США. Рабочее тело преобразователя – теллурид свинца. Эффективность не хуже кристаллических солнечных панелей и достигает 20 %, причем солнечного света не требуется.
Калифорнийский институт в США также ведет исследования по прямой конверсии тепла в электроэнергию, их преобразователи уже достигают 40 % эффективности. Устройство называется AMTEC «The alkalimetal thermal to electric converter».
Американская компания Fellows Research Group, Inc., разработала и запатентовала технологию преобразования тепловой энергии среды, которая использует акустические волны в газе высокого давления. Источник звуковых волн требует небольшую мощность, но создаваемая волнами энергия на выходе устройства намного превышает затраты источника. Система работает с теплообменником, поглощающим рассеянную тепловую энергию среды. Описание приведено в патенте США № 6385972.
Устройство очень «шумное», но работает. Отметим, что звуковые волны относятся к известному нам виду продольных волн в среде, соответственно, отбор энергии у эфирной среды происходит через молекулы газа, с которыми связан эфир. Вещество всего лишь посредник для работы с эфирной средой.
Профессор Симко (Symko) из Университета штата Юта, США, возглавляет проект «термоаккустического пьезоэлектрического конвертера энергии» (Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC). Известный пьезоэффект может не только производить звуковые волны, но, в некоторых условиях, при этом поглощается тепло окружающей среды. По-моему, эти эффекты могут быть одним из вариантов эффектов Заева, описанных ранее, и связанных с нелинейными диэлектриками.
Отметим отдельное направление – концентрация рассеянной тепловой энергии зеркалами. Расчеты и эксперименты показывают, что даже при отсутствии солнечного света, в полной темноте, но при комнатной температуре, мощность рассеянного теплового излучения составляет примерно 400 ватт на один квадратный метр. С помощью зеркал, рефлекторов и других концентраторов, можно сфокусировать эту рассеянную энергию на теплообменнике и нагреть рабочее тело до любой температуры. Таким образом, можно обеспечить работу обычной паровой машины, двигателя Стирлинга или другого привода, который будет вырабатывать электроэнергию, днем и ночью.
