30 Апр

Идеальный источник электроэнергии




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Всем известна вертушка Фейнмана [1] из Фейнмановских лекций по физике. На примере этой вертушки, которая на первый взгляд нарушает второе начало термодинамики, Фейнман показал, что второе начало не нарушается. А главное препятствие в этом — это храповик с собачкой. Но есть и другие способы преобразования хаотичного колебания вертушки в полезную работу. Рассмотрим один из них. Для примера возьмём полупроводниковый диод — это два соединённых полупроводника с металлическими выводами. Соединение металлических выводов с полупроводниками — омическое. То есть, такое соединение не создаёт p-n переход, не обладает односторонней проводимостью и не мешает движению электронов в обе стороны. Допустим, разъединим полупроводники. Получится металлический проводник с полупроводниками на концах. На одном конце p-полупроводник, а на другом конце n-полупроводник. Разместим полупроводники и металлический проводник на маятнике. Сама вертушка, которая качает пластину, на рисунке не показана. См. рис. 1.

                                                              

 Рис. 1.

1 — n-полупроводник. 2 — p-полупроводник. 3 — металлический проводник, соединяющий полупроводники. Первоначально полупроводники не соприкасаются. См. рис. 1. Тока в металлическом проводнике нет. Затем под ударами молекул вертушка поворачивается и полупроводники соприкасаются. См. рис.2.

                                                           

   Рис. 2.

При соприкосновении между полупроводниками возникает p-n переход. Уровень Ферми у n-полупроводника выше, поэтому электроны с n-проводника переходят на p-полупроводник. На n-полупроводнике оставшиеся ионы создают положительный электрический заряд. На p-полупроводнике избыточные электроны создают отрицательный заряд.  Возникающее электрическое поле тормозит дальнейший переход электронов и система опять уравновешена. Вблизи p-n перехода на p-полупроводнике возникает область с избыточным содержанием электронов. На n-полупроводнике также возникает область с недостатком электронов. Но тока в металлическом проводнике также нет. Затем, под действием ударов молекул, пластина поворачивается в обратную сторону и полупроводники разъединяются. См. рис. 3.

                                                          

     Рис. 3.

 P-n переход исчезает. То есть, больше нет причин для существования объёмных зарядов вблизи границы p-n перехода, так как нет и самой границы. Поэтому избыточные электроны с p-полупроводника по металлическому проводнику переходят на n-полупроводник. В металлическом проводнике возникает импульс электрического тока I. Избыточные электроны с p-полупроводника перешли на n-полупроводник и система пришла в первоначальное положение, какое она имела до соприкосновения полупроводников. Затем, под действием ударов молекул, пластина поворачивается и полупроводники соприкасаются. Пластина не обязательно должна повернуться таким образом, чтобы соприкоснулись правые полупроводники. См. рис. 4.

                                                             

Рис. 4.

 Пластина может повернуться и таким образом, что левые полупроводники снова соприкоснуться, как на рис. 2. Это не принципиально. И далее процесс повторяется, как описано выше. При каждом разъединении полупроводников по металлическому проводнику будет протекать импульс электрического тока. Так как при соприкосновении полупроводников они заряжаются разноимённо, то между ними возникает сила притяжения. На преодоление этой силы будет использоваться кинетическая энергия молекул. Соответственно, скорость молекул будет уменьшаться, что эквивалентно уменьшению температуры окружающего газа. От одного такого устройства ток и напряжения очень малы. Но ничто не мешает множество таких устройств соединить вместе последовательно и параллельно и получить батарею, напряжение которой  будет  достаточно для работы небольшого электромотора. См. рис. 5.

                                                     

      Рис. 5.

Рассмотрим работу такого устройства. Оно состоит из множества пар двух полупроводников, соединённых металлическим проводником. Рассмотри первую слева пару. При каждом соприкосновении и разъединении p-полупроводника с одиночным n-полупроводником на пару полупроводников и проводник переходит небольшое количество электронов. Эта пара приобретает отрицательный потенциал, а одиночный n-полупроводник положительный. После нескольких циклов эта разность потенциалов достигнет максимальной величины в десятки или сотни милливольт и стабилизируется. То есть, одна пара полупроводников может создать небольшую разность потенциалов. Следующая пара полупроводников увеличивает разность потенциалов ещё на некоторую величину. И уже некоторое количество таких пар полупроводников, соединённых последовательно, сможет создать разность потенциалов в несколько вольт. Но ток такой батареи будет очень мал. Поэтому, чтобы увеличить ток, множество таких пар соединяются параллельно. См. рис. 6. Вид сверху.

                                                           

Рис. 6.

Каждая пара переносит небольшое количество электронов. Но множество параллельно работающих пар полупроводников смогут переносить такое количество электронов, что такую батарею можно будет использовать для питания реальных устройств.

Например, подключить к такой батарее небольшой электромотор. На вал электромотора насадить шкив с ниточкой, на конце которой привязана блошка. И вуаля, сбылась многовековая мечта альтернативщиков и создателей ВД — блошку можно поднять на любую высоту только за счёт тепла окружающей среды. То есть, осциллятор Андреева — это вечный двигатель второго рода, позволяющий получать электроэнергию только за счёт тепла окружающей среды.

Создать такое устройство достаточно просто. Для этого могут быть использованы технологии, применяющиеся при изготовлении микросхем, процессоров и других чипов. Эти технологии сейчас очень хорошо отработаны. Поэтому создать такой осциллятор на любом профильном заводе или фабрики можно очень легко. Например, был создан «механический» транзистор — наномеханический осциллятор Блайка [2]. См. рис. 7.

                                                                  

Рис. 7.

В центре устройства – вибрирующий маятник, который был назван Блайком «механической рукой». Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электродов G1, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD. Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator: слой кремния на слое изолятора) в несколько этапов. Сначала с помощью электроннолучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

Достаточно немного видоизменить этот осциллятор и он превратится в осциллятор Андреева. Для этого достаточно убрать электроды G1 и G2. А также прикрепить к «механической руке» лопасть от вертушки Фейнмана. И вечный двигатель — осциллятор Андреева готов к труду и обороне.

Получается, что при работе такого осциллятора он будет постоянно вибрировать. Что со временем будет вызывать поломку таких осцилляторов. Поэтому желательно избавиться от «механической руки» с лопастью. Как это можно сделать?  Для начала вспомним броуновское движение, где мельчайшие частицы двигаются под действием ударов молекул. А теперь себе представим такой маятник, который находится под колпаком, внутри которого создан глубокий вакуум. То есть, ударов внешних молекул в сферу нет. Есть только удары внутренних молекул в стенки сферы. Это, в отличии от броуновской частицы, замкнутая система и сфера не может перемещаться под действием внутренних ударов молекул. Для простоты объяснение пусть в сфере будет одна молекула, которая движется между противоположными стенками сферы. См. рис. 8.

                                                             

Рис. 8.

1 — сфера с молекулой внутри. 2 — подвес. 3 — опора, на которой висит маятник. Что будет происходить первоначально с данным маятником.  Молекула ударяется в стенку сферы. Сфера чуть смещается в эту сторону, а молекула отскакивает в противоположную сторону. Затем молекула ударяется в противоположную часть стенки сферы. Сфера сместиться в другую сторону. В результате сфера на подвесе будет вибрировать, но центр масс будет неподвижен. Это как бы замкнутая система. Подведём к сфере какую-то опору, во много раз массивней сферы. См. рис. 9.

                                                            

Рис. 9.

Что будет в этом случае? Когда молекула ударится в ту часть стенки сферы, которая соприкасается с опорой, то сфера останется на месте, так как сместиться ей не даст массивная опора. В данном случае можно считать, что молекула ударилась и отскочила не от сферы, а от опоры. А это уже не замкнутая система. В результате, когда молекула ударится в противоположную стенку, то сфера начнёт движение в этом направлении. Во время движения сфера уже не соприкасается с опорой и это снова замкнутая система. Сфера во время движения будет убыстрять и замедлять своё движение, но средняя скорость сферы будет постоянна.  Столкновения молекулы со стенками сферы в это время не оказывает влияния на среднюю скорость движения сферы. Убедится в этом можно на простом опыте. На проводе подвешен небольшой электромотор с дисбалансом на оси. При работе электромотор вибрирует на месте. Но стоит к нему подвести опору, как он отскакивает от неё в сторону. Таким образом сфера дойдёт до другой опоры. См. рис. 10.

                                                              

Рис. 10.

Сфера, ударившись об опору, упруго отскочит от неё. В это время система снова уже не замкнутая, так как она взаимодействует с внешней опорой. И в этот момент сфера, как и в предыдущем случае, получит дополнительный импульс от внутренней молекулы. В результате средняя скорость сферы ещё увеличится. Таким образом, сфера при каждом столкновении с опорами будет увеличивать свою скорость за счёт кинетической энергии внутренней молекулы. Внутренняя молекула будет восполнять свою кинетическую энергию за счёт тепла стенок сферы. А стенки сферы будут получать тепло во время столкновения с опорами. А опоры получают тепло от окружающей среды через стенки колпака. Сейчас уже изготавливают мембраны толщиной в 1 атом и непроницаемые для молекул газа. Пусть диаметр такой сферы будет 1 микрон, а толщина 1 нм. Но возможно в качестве оболочки можно будет использовать молекулу фуллерена. Это всё может решится в экспериментах. Оболочку из такой мембраны или фуллерен заполняются газом. Молекулы газа не равномерно ударяются в стенки такой сферы. Примерно как в случае с броуновской частицей — с какой-то стороны ударяется больше молекул. В результате частица смещается в сторону. Но сфера – это замкнутая система и поэтому она будет только вибрировать на месте. Запустим такую сферу в сосуд, в котором создан глубокий вакуум. Сфера полетит на дно сосуда под действием силы тяжести. Соприкоснувшись с дном, сфера упруго отскочит. Но при этом получит дополнительный импульс от внутренних молекул, как это было описано выше.  С каждым соприкосновением с дном или стенками сфера будет увеличивать свою скорость, пока не наберёт предельную. То есть, сфера – это как бы очень большая «супермолекула» газа или броуновская частица, которая движется в вакууме. Вместо одной сферы в сосуд необходимо запустить множество сфер. Тогда, при каждом соприкосновении сфер между собой или стенками, они будут получать дополнительный импульс от внутренних молекул. Через некоторое время, необходимое для того, чтобы сферы набрали максимальную скорость, в сосуде будут летать множество сфер, как множество громадных «супермолекул». Чисто гипотетически представим такую конструкцию. Сосуд, у которого верхняя стенка и дно из разнородных металлов. См. рис. 11.

                                                            

Рис. 11.

 Сфера также из другого лёгкого металла. У металла сферы уровень Ферми ниже, чем у верхней стенки и выше, чем у дна. Что будет происходить в этом случае? При соприкосновении сферы с дном, между металлом дна и сферы возникает контактная разность потенциалов и какая-то часть электронов перейдёт со сферы на дно. Сфера получает положительный заряд, а дно отрицательный. Сфера, отскочив от дна, соприкасается с верхней стенкой. При этом также возникает контактная разность потенциалов. При этом часть электронов перейдёт с верхней стенки на сферу. В результате сфера получает отрицательный заряд, а верхняя стенка положительный. Таким образом сфера будет переносить электроны с верхней стенки на дно. В том случае, если в сосуде будет множество молекул, тогда каждой сфере необязательно  сталкиваться с дном и верхней стенкой. Сферы, имеющие противоположные заряды будут сталкиваться между собой в промежутке между дном и верхней стенкой. В результате  столкновения электроны перейдут с отрицательно заряженной сферы на положительно заряженную сферу и эти сферы снова приобретут нейтральный заряд. Никаких нарушений законов физики у такой гипотетической конструкции нет. Конечно, сфера из металла будет тяжёлой и энергии внутренних молекул скорее всего не хватит для движения сферы. Но можно сделать это каким-то другим способом. Можно оболочку сферы сделать из какого-либо лёгкого материала. А в этот материал каким-то образом внедрить несколько атомов металла, чтобы при соприкосновении сфер со стенками происходил перенос электронов. Но это уже дело учёных и специалистов, как создать такую сферу с нужными свойствами. Для увеличения напряжения достаточно соединить несколько таких устройств последовательно. Причём дно одного устройства соединять с верхней стенкой другого надо с использованием полупроводников. Например полупроводникового диода. Причём у такого диода один вывод должен быть из металла дна, а другой из металла верхней стенки. И выводы такого диода должны быть подключены к такому же металлу. Присоединения выводов у полупроводниковых приборов делают омическими. То есть такими, у которых нет потенциального барьера между металлом вывода и полупроводником. Или он мал и не мешает электронам перемещаться. Но в диоде существует p-n переход между полупроводниками, в котором есть тонкий изолирующий слой, обеднённый электронами и дырками. В результате между металлами дна и верхней стенки не будет контактной разности потенциалов при их соединении через полупроводниковый диод. Без диода, возникающая контактная разность потенциалов между металлами стенок, не позволит соединять множество таких устройств в батарею для увеличения напряжения.

Такой источник электроэнергии — это вечный двигатель второго рода (ВД2). Причём такой ВД2 не нарушает ни один закон физики. Если не считать второе начало термодинамики, которое законом не является. А является всего лишь постулатом. По выражению Канта, «данный a priori, практический императив, неспособный дать никакого объяснения, а также и доказательства своей возможности».

                                              Литература:

  1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Москва, изд. «Мир» 1966 г.
  2. А. А. Щука. Приборы наноэлектроники. Вестник международной академии наук (русская секция) 2007 г. № 2.
    Идеальный источник электроэнергии
    Человечество с каждым годом увеличивает потребление энергии. С каждым годом увеличивается количество машин на дорогах. Сжигается всё больше углеводородов. Загрязняется окружающая среда. Повышается температура окружающей среды. В связи с аварией на АЭС «Фукусима» некоторые страны собираются отказаться от АЭС. А это ещё более увеличит сжигание топлива. Альтернативные источники энергии пока не могут заменить существующие источники, работающие за счёт сжигания различных видов топлива. Но вокруг нас имеется огромное количество энергии. Она есть везде, в любое время года и дня. Это тепло окружающей среды. Если снизить температуру вод Мирового океана на 1 градус, то этой энергии хватило бы человечеству на несколько столетий при современно уровне потреблении энергии. Но, согласно второму началу термодинамики, это тепло невозможно использовать для получения энергии. Человечество находится в положении потерпевших кораблекрушение - вокруг море воды, а напиться невозможно. Предлагается вариант источника электроэнергии, позволяющего получать электроэнергию только за счёт тепла окружающей среды.
    Written by: Андреев Юрий Петрович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/27/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)
    Available in: Ebook