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.
Rys. 1 Linie sił pola elektrycznego
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.
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).
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.
Rys. 4 Przebiegunowanie gazu przy dolnej elektrodzie
Gaz przyjmuje ładunek ujemny (Rys.4). Jest on odpychany przez elektrodę tworząc siłę odrzutu (Rys.5).
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
- Asymmetrical Capacitors for Propulsion – NASA/CR—2004-213312, Francis X. Canning, Cory Melcher, and Edwin Winet Institute for Scientific Research, Inc., Fairmont, West Virginia