[논문 리뷰] Force on an Asymmetric Capacitor

Thomas B. Bahder, C. Fazi|ArXiv.org|2002. 10. 31.

Power Transformer Diagnostics and Insulation참고 문헌 10인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 커패시터에 고전압(~30 kV)을 가했을 때 작은 전극 쪽으로 순력이 작용하는 Biefeld-Brown 효과를 조사한다. 저자들은 네 가지 커패시터 설계에서 이 효과를 실험적으로 검증하고, 이온 풍압과 이온 이동 두 메커니즘을 분석하여, 관측된 힘의 크기를 설명하는 데 이온 이동이 이온 풍압보다 더 적합하다고 결론 내리지만, 이론적 기반은 아직 명확하지 않다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기하학적 형태를 가진 비대칭 커패시터에서 Biefeld-Brown 효과를 실험적으로 검증하기.
• 고전압 비대칭 커패시터에서 관측된 순력의 물리적 기원 규명하기.
• 관측된 힘의 크기를 설명할 수 있는가를 평가하기 위해 이온 풍압 또는 이온 이동 메커니즘이 어느 것이 더 적합한지 분석하기.
• 비대칭 커패시터에 작용하는 순력에 대한 열역학적 프레임워크 개발하기.
• 미래의 체계적 연구를 위한 핵심 실험 변수—기체 압력, 기체 종류, 전압—식별하기.

제안 방법

• 기하학적 차원에 따라 다른 네 개의 비대칭 커패시터를 제작하여 기하학적 구조에 따른 힘의 의존성 테스트하기.
• 정밀 측정 장비를 사용하여 약 ~30 kV의 고전압을 인가하고 작은 전극 쪽으로의 순력을 측정하기.
• 구성된 두 가지 이론 모델(탄도적 이온 풍압과 이온 이동 운반)을 사용하여 힘의 크기를 추정하기.
• 시스템 내 에너지 및 운동량 이행에 대한 철저한 열역학적 분석 수행하기.
• 진공에서의 효과를 시험하고 기체 압력 및 종류를 변화시켜 향후 실험 제안하기.
• 배포 및 동료 심사 목적으로 미군 연구소 기술 보고서 형식 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 커패시터에 고전압을 가했을 때 작은 전극 쪽으로 순력이 작용하는가?
• RQ2 관측된 힘의 크기를 설명하는 데 가장 적합한 물리적 메커니즘은 이온 풍압인가, 이온 이동인가?
• RQ3 Biefeld-Brown 효과는 기체의 존재에 의존하는가, 아니면 진공에서도 발생할 수 있는가?
• RQ4 기체 압력, 기체 조성, 인가된 전압에 따라 힘이 어떻게 변화하는가?
• RQ5 비대칭 커패시터에 작용하는 순력에 대해 일관된 열역학적 모델을 구성할 수 있는가?

주요 결과

• Biefeld-Brown 효과는 네 가지의 서로 다른 비대칭 커패시터 구성에서 실험적으로 확인되었다.
• 이온 풍압는 관측된 힘 크기의 설명에 적어도 세 계단(10³ 배) 정도 너무 작아서 부적절하다.
• 이온 이동 운반 메커니즘은 관측된 순서의 힘 크기와 일치하는 힘 추정치를 제공하였다.
• 이온 이동이 힘 생성에 기여하는 데 있어 이론적 기반은 여전히 명확하지 않으며 현재 모델로는 설명되지 않는다.
• 효과는 고전압장에서의 기체 이온화 및 전하 이동에 의존할 가능성이 높으며, 이는 플라즈마 역학이 핵심일 수 있음을 시사한다.
• 미래의 실험은 진공에서 효과가 여전히 존재하는지 확인하기 위해 수행되어야 한다.