Aktualizacja: 2010-08-05

Jonolot - silnik jonowy

Zobacz galerie - silnik jonowy

1. Zasada działania

Działanie pola elektrycznego objawia się przez przyciąganie ładunków różnoimiennych lub odpychanie się ładunków jednoimiennych.

Siły występujące miedzy ładunkami elektrycznymi Ea i Eb są wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu dzielącej je odległości r. Sformułowanie powyższe nazywane jest prawem Coulomba. Wartość k jest współczynnikiem proporcjonalności zależnym od środowiska w jakim zachodzi zjawisko przyciągania. Prawo Coulomba przedstawione w postaci powyższego równania ma analogiczną postać matematyczną dla pola: grawitacyjnego, magnetycznego, elektrycznego. Świadczy to o podobieństwie tych stanów energetycznych, które nazywamy polami sił. Obrazem graficznym pola elektrycznego są linie. Jako zwrot linii sił pola elektrycznego przyjmowany jest kierunek w którym posuwałby się w danym polu ładunek dodatni.

ładunki elektrostatyczne

Rys. 1 Linie sił pola

Linie pola elektrycznego (Rys.1) są otwarte, zaczynają się na powierzchniach ciał naelektryzowanych dodatnio, a kończą na powierzchniach ciał naelektryzowanych ujemnie. Fizycznie linie pola elektrycznego obrazują drogę, po której porusza się ładunek dodatni w polu elektrycznym. Wartość pól elektrycznych przedstawiono (Rys.1) za pomocą gęstości linii pola. Obrazem pola równomiernego (jednorodnego) są linie kreślone równolegle i z jednakową gęstością; pole takie otrzymuje się miedzy dwoma elektrodami płaskimi (Rys.1 c), których wymiary są duże w stosunku do dzielącej je odległości.

Główne podzespoły silnika jonowego opartego o patent US2949550 (przyznany w 1960 roku Townsowi Brownowi) to dwie elektrody znacznie różniące się wymiarami. Górna elektroda jest cienkim drucikiem, natomiast dolna to wysoka blaszka (Rys.2). Dysproporcje te są bardzo ważnym warunkiem.

silnik jonowy

Rys. 2 Budowa silnika jonowego

Blisko dodatniej elektrody (z racji jej krzywizny) gradient potencjału jest bardzo duży, elektrony są odbierane atomom i molekułom z otaczającego ośrodka (np. powietrze). Elektrony te migrują szybko do dodatniej elektrody gdzie są zbierane. Proces ten usuwa wolne elektrony opuszczające indywidualne atomy i molekuły (teraz naładowane dodatnio), to z kolei przyczynia się do powstania dodatniej chmury zjonizowanego gazu wokół dodatniej elektrody (Rys.3).

silnik jonowy

Rys. 3 Jonizacja gazu wokół górnej elektrody

Znajdująca się poniżej ujemnie naładowana elektroda przyciągana przez dodatnio naładowany gaz porusza się do góry, zgodnie z oddziaływaniami między ładunkami elektrostatycznymi. Dodatnia chmura jonowa przyciąga również elektrodę i jednocześnie jest odpychana od dodatniej elektrody (Rys.4). Dodatnio naładowane atomy i molekuły neutralizują swój ładunek przy ujemnej elektrodzie a następnie dochodzi do przebiegunowania.

silnik jonowy

Rys. 4 Przebiegunowanie gazu przy dolnej elektrodzie

Gaz przyjmuje ładunek ujemny (Rys.4). Jest on odpychany przez elektrodę tworząc siłę odrzutu (Rys.5).

silnik jonowy

Rys. 5 Odpychanie zjonizowanego gazu od dolnej elektrody

Rys. 6 Ruch zjonizowanych cząsteczek gazu wokół silnika jonolotu

2. Obliczenia

Wzór opracowany przez Stevena Burnsa:

Fpw - Siła odrzutu
V - Napięcie wyrażone w Voltach
Er - Stała dielektryka
E0 - Prznikalność dielektryczna próżni
Ap - Powierzchnia elektrody
x - Odległość górnej elektrody do centralnej części dolnej elektrody

Rozwinięta wersja wzoru:

eo - przenikalność elektryczna próżni (coul/Vm): 8,85e-12
er - stała dielektryczna : (1.0 dla powietrza lub próżni): 1
g - przyśpieszenie grawitacyjne (m/s^2):9,75

w - szerokość płytki i zarazem długość elektrody (mm)
a - odległość od górnej elektrody do centralnej części dolnej elektrody (mm)
b - odległość od górnej elektrody do końca dolnej elektrody (mm)
m - masa (g)

V - napięcie pomiędzy elektrodami (V)

Przeliczenie jednostek:




Siła działająca na urządzenie:

Przyśpieszenie:

Odnośniki

Wyślij komentarz