[論文レビュー] Force on an Asymmetric Capacitor

Thomas B. Bahder, C. Fazi|ArXiv.org|Oct 31, 2002

Power Transformer Diagnostics and Insulation参考文献 10被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、高電圧（約30 kV）下で非対称コンデンサが小さな電極に向かって合力を受けるBiefeld-Brown効果を調査する。著者らは4種類のコンデンサ設計においてこの効果を実験的に検証し、イオン風とイオン移動の2つのメカニズムを分析した結果、観測された力の大きさを説明するのはイオン移動であり、イオン風ではないと結論づけた。ただし、その理論的根拠はまだ明確でない。

ABSTRACT

When a high voltage (~30 kV) is applied to a capacitor whose electrodes have different physical dimensions, the capacitor experiences a net force toward the smaller electrode (Biefeld-Brown effect). We have verified this effect by building four capacitors of different shapes. The effect may have applications to vehicle propulsion and dielectric pumps. We review the history of this effect briefly through the history of patents by Thomas Townsend Brown. At present, the physical basis for the Biefeld-Brown effect is not understood. The order of magnitude of the net force on the asymmetric capacitor is estimated assuming two different mechanisms of charge conduction between its electrodes: ballistic ionic wind and ionic drift. The calculations indicate that ionic wind is at least three orders of magnitude too small to explain the magnitude of the observed force on the capacitor. The ionic drift transport assumption leads to the correct order of magnitude for the force, however, it is difficult to see how ionic drift enters into the theory. Finally, we present a detailed thermodynamic treatment of the net force on an asymmetric capacitor. In the future, to understand this effect, a detailed theoretical model must be constructed that takes into account plasma effects: ionization of gas (or air) in the high electric field region, charge transport, and resulting dynamic forces on the electrodes. The next series of experiments should determine whether the effect occurs in vacuum, and a careful study should be carried out to determine the dependence of the observed force on gas pressure, gas species and applied voltage.

研究の動機と目的

• 異なる幾何形状を有する非対称コンデンサにおけるBiefeld-Brown効果の実験的検証。
• 高電圧非対称コンデンサで観測された合力の物理的起源の特定。
• 観測された力の大きさを説明できるのはイオン風かイオン移動のどちらのメカニズムかの評価。
• 非対称コンデンサに作用する合力を理解するための熱力学的枠組みの構築。
• 今後の体系的調査のための主要な実験的パrameter（気体圧力、気体種、電圧）の同定。

提案手法

• 幾何形状の異なる4つの非対称コンデンサを製作し、力の幾何依存性を検証。
• 高電圧（約30 kV）を印加し、精密計測器を用いて小さな電極に向かう合力を測定。
• 2つの理論的モデル（ボールスティック的イオン風とイオン移動輸送）を用いて力の大きさを推定。
• 系内のエネルギーおよび運動量移動について詳細な熱力学的分析を実施。
• 真空での効果のテストおよび気体圧力・気体種の変更を想定した今後の実験を提言。
• 配布および共同レビューの目的で、米国陸軍研究所技術報告書形式を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電圧下の非対称コンデンサは、小さな電極に向かって合力を受けるか？
• RQ2 力の大きさを最もよく説明するのは、イオン風かイオン移動のどちらの物理的メカニズムか？
• RQ3 Biefeld-Brown効果は気体の存在に依存するのか、それとも真空中でも発生するのか？
• RQ4 力の大きさは気体圧力、気体組成、印加電圧にどのように依存するか？
• RQ5 一貫性のある熱力学的モデルは、非対称コンデンサに作用する合力を説明できるか？

主な発見

• Biefeld-Brown効果は、4種類の異なる非対称コンデンサ構成において実験的に確認された。
• イオン風は、観測された力の大きさを説明するには少なくとも3桁以上小さすぎる。
• イオン移動輸送メカニズムによる力の推定値は、観測されたオーダーと一致した。
• イオン移動が力生成に寄与するという理論的根拠は、現在のモデルではまだ明確でない。
• この効果は、高電界下での気体イオン化および電荷輸送に依存している可能性が高く、プラズマダイナミクスが鍵を握っていると考えられる。
• 今後の実験では、大気中の気体が存在しない状態でも効果が持続するかを確認する必要がある。