[论文解读] 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 30

一句话总结

本文研究了比费尔德-布朗效应，即在高电压（约30 kV）下，非对称电容器会受到朝向较小电极的净力。作者通过四种电容器设计实验验证了该效应，并分析了两种机制——离子风与离子漂移，得出结论：离子漂移而非离子风解释了观测到的力的大小，尽管其理论基础尚不明确。

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.

研究动机与目标

• 通过不同几何形状的非对称电容器，实验验证比费尔德-布朗效应。
• 确定高电压非对称电容器中观测到的净力的物理起源。
• 评估离子风或离子漂移机制是否能解释观测到的力的大小。
• 为理解非对称电容器上的净力，建立热力学框架。
• 确定未来系统研究的关键实验参数——气体压力、气体种类、电压。

提出的方法

• 构建了四种具有不同物理尺寸的非对称电容器，以测试力对几何形状的依赖性。
• 施加高电压（约30 kV），并使用精密仪器测量朝向较小电极的净力。
• 利用两种理论模型估算力的大小：弹道离子风模型与离子漂移输运模型。
• 对系统中能量与动量传递进行了详细的热力学分析。
• 提出未来实验，以在真空中测试该效应，并改变气体压力与种类。
• 采用美国陆军研究实验室技术报告格式进行传播与同行评审。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电压下，非对称电容器是否受到朝向较小电极的净力？
• RQ2 哪种物理机制——离子风或离子漂移——最能解释观测到的力的大小？
• RQ3 比费尔德-布朗效应是否依赖于气体的存在，还是可能在真空中发生？
• RQ4 力如何随气体压力、气体组成和所加电压变化？
• RQ5 能否建立一个一致的热力学模型来解释非对称电容器上的净力？

主要发现

• 在四种不同的非对称电容器构型中，比费尔德-布朗效应得到了实验确认。
• 离子风的贡献至少小三个数量级，无法解释观测到的力的大小。
• 离子漂移输运机制所估算的力与观测到的量级一致。
• 目前模型尚无法清晰解释离子漂移在力生成中的理论基础。
• 该效应可能依赖于高电场下气体的电离与电荷输运，提示等离子体动力学起关键作用。
• 未来实验必须在真空中测试该效应，以确定其在无环境气体时是否依然存在。