Nave espacial dipolo eléctrico

Resumen

Esta invención es una nave espacial giratoria que produce un dipolo eléctrico en cuatro cúpulas conductoras esféricas giratorias que perturban un campo eléctrico esférico uniforme para crear un momento magnético que interactúa con el gradiente de un campo magnético que genera una fuerza de sustentación en el casco.

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Descripción

BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN

[0001]
Esta invención es una nave espacial giratoria que utiliza cuatro cúpulas conductoras esféricas que perturban un campo eléctrico uniforme para crear una fuerza de sustentación por medio de un momento magnético multiplicado por el gradiente de un campo magnético.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002]
Un dipolo eléctrico p son dos cargas eléctricas de signo opuesto {q, −q} separadas por una distancia a.
p=qa= culombio·metro
[0003]
Si este dipolo se mueve con una velocidad v, produce un momento magnético μ. $m$ = p.v. = qav = culombio ⁢ ⁢ metro ⁢ metro segundo = culombio segundo ⁢ metro 2 = Área IA
[0004]
El momento magnético es igual a una corriente I que circula por un área. El campo magnético B tiene unidades de kilogramo por segundo por coulomb de carga. $B$ = kg segundo ⁢ ⁢ podría
[0005]
El gradiente del campo magnético en la dirección vertical z tiene unidades de $dB$ dz = kg segundo ⁢ ⁢ podría ⁢ ⁢ metro
[0006]
Este gradiente que interactúa con un momento magnético crea una fuerza F medida en newtons. $F$ z = m ⁢ dB dz = podría ⁢ ⁢ metro 2 segundo ⁢ kg segundo ⁢ ⁢ podría ⁢ ⁢ metro = kg ⁢ ⁢ metro segundo 2 = newton
[0007]
En términos de vectores, la fuerza es igual a
F =∇(μ· B )
que es el gradiente ∇ del producto escalar (·) del momento magnético con el campo magnético. Esto significa que el momento magnético tiene que estar alineado con el campo. La fuerza de sustentación en la nave espacial sería entonces el momento magnético en la dirección z vertical μ _z multiplicado por el campo magnético en la dirección z B _z . Para un momento magnético constante, el gradiente afecta solo al campo magnético, lo que resulta en la misma ecuación de fuerza
F _z =∇(μ _z·B _z )=μ _z∇B _z
[0008]
Refiriéndose aHIGO. 1, el dipolo eléctrico tiene una carga positiva q ubicada en el eje z a una distancia a del origen del gráfico. Una segunda carga negativa −q se encuentra a una distancia −a del origen. La carga positiva produce un potencial electrostático φ ₁ en un radio r ₁ igual a la carga q dividida por 4π veces la permitividad del espacio ε ₀ $φ$ 1 = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ 1 r 1
donde la permitividad es la capacitancia lineal, medida en faradios por metro. El potencial electrostático tiene unidades de voltios. $φ$ = podría ( faradio metro ) ⁢ 1 metro = podría faradio = voltio
porque la carga en culombios que tiene un capacitor es igual a la capacitancia, medida en faradios, multiplicada por el voltaje del capacitor. Debido a que la segunda carga tiene el signo opuesto, el potencial φ ₂ en un radio r ₂ al mismo punto en el espacio es $φ$ 2 = - q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ 1 r 2
[0009]
El potencial total φ en algún punto del espacio es igual a la suma de los dos potenciales, o $φ$ = φ 1 + φ 2 = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ r 1 - q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ r 2 = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁡ [ 1 r 1 - 1 r 2 ]
[0010]
Como se ve en el diagrama, el punto del espacio está a una distancia r del origen. Usando la ley de los cosenos, el radio r ₁ se puede escribir como $r$ 1 = ( r 2 + a 2 - 2 ⁢ ⁢ Arkansas ⁢ ⁢ porque ⁡ ( θ ) ) 1 2 = r ⁡ ( 1 + ( a r ) 2 - 2 ⁢ ( a r ) ⁢ porque ⁡ ( θ ) ) 1 2 = r ⁡ ( 1 - 2 ⁢ ⁢ xt + t 2 ) 1 2
donde t es la relación de la ubicación de la carga sobre el radio y x es cos(θ). El potencial de carga positiva q ₁ se puede escribir $φ$ 1 = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ 1 r 1 = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ 1 r ⁢ ( 1 - 2 ⁢ ⁢ xt + t 2 ) - 1 / 2
[0011]
Eliminando el factor q/4πε ₀ r, la raíz cuadrada se puede expresar en términos del polinomio de Legendre P _n cos(θ) de la n-ésima potencia $gramo$ ⁡ ( t , X ) = ( 1 - 2 ⁢ ⁢ xt + t 2 ) - 1 / 2 = ∑ norte = 0 ∞ ⁢ ⁢ PAGS norte ⁡ ( X ) ⁢ t norte
donde el valor absoluto de t es menor que uno. Los coeficientes polinómicos de t ⁿ se pueden obtener usando el teorema del binomio para expandir la función generadora g(t,x) como $($ 1 - 2 ⁢ ⁢ xt + t 2 ) - 1 / 2 = ∑ norte = 0 ∞ ⁢ ⁢ ( 2 ⁢ norte ) ! 2 2 ⁢ norte ⁢ ( norte ! ) 2 ⁢ ( 2 ⁢ ⁢ xt - t 2 ) norte
que evalúa a $0$ ! 2 0 ⁢ ( 0 ! ) 2 ⁢ ( 2 ⁢ ⁢ xt - t 2 ) 0 + 2 ! 2 2 ⁢ ( 1 ! ) 2 ⁢ ( 2 ⁢ ⁢ xt - t 2 ) 1 + 4 ! 2 4 ⁢ ( 2 ! ) 2 ⁢ ( 2 ⁢ ⁢ xt - t 2 ) 2 $1$ ⁢ ⁢ t 0 + xt 1 + ( 3 2 ⁢ X 2 - 1 2 ) ⁢ t 2 + ordenar ⁡ ( t 3 )
[0012]
Los primeros tres polinomios de Legendre son por lo tanto $PAGS$ 0 = 1 $PAGS$ 1 = X $PAGS$ 2 = 1 2 ⁢ ( 3 ⁢ ⁢ X 2 - 1 )
[0013]
El potencial electrostático para ambas cargas del dipolo eléctrico es $φ$ = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ 1 r ⁢ { ( 1 - 2 ⁢ ( a r ) ⁢ porque ⁡ ( θ ) + ( a r ) 2 ) - 1 / 2 - ( 1 + 2 ⁢ ( a r ) ⁢ porque ⁡ ( θ ) + ( a r ) 2 ) - 1 / 2 }
[0014]
El potencial se puede evaluar en términos de los polinomios de Legendre como $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ = q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ r ⁡ [ ∑ norte = 0 ∞ ⁢ ⁢ PAGS norte ⁡ ( porque ⁡ ( θ ) ) ⁢ ( a r ) norte - ∑ norte = 0 ∞ ⁢ ⁢ PAGS norte ⁡ ( porque ⁡ ( θ ) ) ⁢ ( - 1 ) norte ⁢ ( a r ) norte ] = 2 ⁢ ⁢ q 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ r ⁡ [ PAGS 1 ⁡ ( porque ⁡ ( θ ) ) ⁢ ( a r ) + PAGS 3 ⁡ ( porque ⁡ ( θ ) ) ⁢ ( a r ) 3 + … ]
[0015]
El primer y más dominante término cuando el radio es mucho mayor que la ubicación a es igual a $φ$ = 2 ⁢ ac 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ PAGS 1 ( porque ⁡ ( θ ) ⁢ 0 r 2
que es el potencial dipolar eléctrico y 2aq es el momento dipolar
p=2aq
[0016]
Ahora imagine un campo eléctrico constante E ₀ que es perturbado por una esfera conductora de radio a. El potencial electrostático no perturbado fuera de la esfera sería el negativo del campo eléctrico por el radio por el polinomio de Legendre, o
φ ₁=−E ₀rP ₁
[0017]
El potencial electrostático perturbado por las cargas es el voltaje E ₀ a por el radio a por el a del momento dipolar por el polinomio de Legendre dividido por el radio al cuadrado $φ$ 2 = mi 0 ⁢ aaa ⁢ PAGS 1 r 2 = mi 0 ⁢ a 3 ⁢ PAGS 1 r 2
[0018]
El potencial total fuera de la esfera es la suma de los dos potenciales igual a $φ$ = - mi 0 ⁢ rP 1 + mi 0 ⁢ a 3 ⁢ PAGS 1 r 2 = - mi 0 ⁢ PAGS 1 ⁡ ( r - a 3 r 2 ) = - mi 0 ⁢ rP 1 ⁡ ( 1 - ( a r ) 3 )
[0019]
Refiriéndose aHIGO. 2, el campo eléctrico previamente uniforme se muestra perturbado por la esfera conductora neutra. El centro de la esfera se toma como origen y el eje z se orienta paralelo al campo uniforme original.
[0020]
El campo eléctrico induce una densidad de carga superficial σ en la esfera igual al negativo de la permitividad del espacio por el gradiente del potencial electrostático $σ$ = - ɛ 0 ⁢ ∂ φ ∂ r ⁢  r = a ⁢ = 3 ⁢ ɛ 0 ⁢ mi 0 ⁢ ⁢ porque ⁡ ( θ )
[0021]
El campo eléctrico también induce un momento dipolar eléctrico en la esfera igual a la $pags$ = qa r · 2 ⁢ ⁢ a 2 r = 4 ⁢ ⁢ πɛ 0 ⁢ mi 0 ⁢ a 3
con unidades de culombio-metro. Si esta esfera gira alrededor de un eje central a una velocidad v, creará un momento magnético μ igual al momento dipolar multiplicado por la velocidad.
μ=pv
con unidades de amperio-metro ² .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

[0022]
Como se muestra en la sección de antecedentes anterior, una esfera conductora neutra colocada en un campo eléctrico uniforme generará un momento magnético cuando gire alrededor de un eje central. El campo eléctrico puede ser creado por dos cargas puntuales de signo opuesto separadas por una distancia entre ellas.
[0023]
Refiriéndose aHIGO. 3, la nave espacial tiene una cabina esférica (A) a la que se unen torres electrostáticas en forma de cono (B,C) por encima y por debajo de la cabina a lo largo de la dirección de viaje en la dirección z. Debido a que el campo eléctrico va de la carga positiva a la carga negativa, la punta de la torre inferior tiene un electrodo cargado positivamente y la torre superior tiene un electrodo cargado negativamente. Cuatro esferas conductoras neutras equidistantes (D) están conectadas a la cabina mediante tubos no conductores (E). Los tubos forman un ángulo con la cabina tal que la distancia (CD) es mayor que la distancia (DB). En vista lateral se aprecia el ángulo θ del tubo con respecto a la cabinaHIGO. 4.
[0024]
Refiriéndose aHIGO. 5, las cargas crean un campo esférico uniforme entre las torres. Las esferas conductoras perturban este campo de modo que el campo eléctrico (E) apunta hacia la torre superior de manera similar a la que se muestra anteriormente enHIGO. 2.
[0025]
Refiriéndose aHIGO. 6, la esfera conductora produce un momento dipolar eléctrico (A) que apunta en ángulo hacia la torre superior.
[0026]
Refiriéndose aHIGO. 7, por la ley de la suma de vectores, el dipolo eléctrico {overscore (p)} se puede representar mediante dos vectores ortogonales que apuntan en la dirección vertical z p _z y en la dirección radial hacia adentro p _r .
[0027]
Refiriéndose aHIGO. 8, el tubo hueco (A) que conecta la cabina con la esfera conductora contiene un solenoide eléctrico enrollado en espiral (B) que produce un campo magnético (C). Este campo magnético {overscore (B)} se puede descomponer en dos vectores ortogonales que apuntan en la dirección vertical z B _z y en la dirección radial hacia afuera B _r como se muestra enHIGO. 9.
[0028]
Refiriéndose a la vista superiorHIGO. 10, la nave espacial tiene una velocidad angular ω (A) en el sentido de las manecillas del reloj que le da a la esfera conductora una velocidad v como se muestra en el vector (B). Por la regla de la mano derecha de la física, el vector de velocidad angular apunta en la dirección z negativa. La velocidad angular en la dirección z cruzada con el radio r en la dirección radial produce una velocidad v en la dirección θ en el sentido de las agujas del reloj usando coordenadas cilíndricas {r, θ, z}.
v _θ=w _z×r _r=−ωr
[0029]
Refiriéndose aHIGO. 11, el momento dipolar radial negativo p _r cruzado con la velocidad negativa v _θ de la esfera produce un momento magnético positivo μ _z en la dirección z.
μ _z=p _r×v _θ =(− p _r )(− v _θ )= pv
[0030]
Refiriéndose aHIGO. 12, el campo magnético B _z en la dirección vertical z se puntea con el momento magnético μ _z en la dirección z para producir una fuerza F _z en la dirección vertical z en cada esfera conductora (HIGO. 13).
F _z =∇(μ _z·B _z )=μ _z∇B _z
[0031]
El campo magnético producido por el solenoide en realidad se curva hacia afuera y alrededor. Por lo tanto, hay un gradiente del campo en la dirección z.
[0032]
La fuerza también se puede expresar en notación tensorial. El campo magnético B en la dirección vertical es parte de una matriz electromagnética 4 × 4 Tensor de Faraday F ⁢ β = t ⁢ ⁢ r ⁢ ⁢ θ ⁢ ⁢ z $F$ β α = α = t 0 0 0 0 α = r 0 0 B z 0 α = θ 0 - B z 0 0 α = z 0 0 0 0
lo que demuestra que el campo magnético se encuentra en la ranura F ^r_θ del tensor de Faraday. En notación tensorial, los subíndices y los superíndices deben coincidir en ambos lados de la ecuación. Los subíndices y superíndices coincidentes en el mismo lado de la ecuación se cancelan. En este caso, el momento dipolar eléctrico está en la dirección radial p _r . La velocidad se puede representar como una derivada temporal de la coordenada θ x ^θ o $v$ θ = ∂ xθ ∂ t
[0033]
Por tanto, la componente de fuerza en la dirección z se convierte en $F$ z = pags r ⁢ v θ ⁢ F θ , z r = ( - pags ) ⁢ ( - v ) ⁢ ∂ B z ∂ z = p.v. ⁢ ∂ B z ∂ z
donde los componentes del tensor angular y radial se cancelan y la coma-z (, z) representa la diferenciación del campo magnético en la dirección z.
[0034]
El diseño de la nave espacial también tiene un sistema de control de movimiento inherente para moverse en varias direcciones. Si el campo magnético de un brazo de solenoide aumenta o disminuye, la fuerza sobre esa esfera aumentará o disminuirá. Por lo tanto, la nave espacial puede girar en una dirección particular.

UNA BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0035]
HIGO. 1. Dipolo eléctrico.
[0036]
HIGO. 2. Campo eléctrico uniforme perturbado por dipolo eléctrico.
[0037]
HIGO. 3. Vista en perspectiva de la nave espacial.
[0038]
HIGO. 4. Ángulo del tubo del solenoide.
[0039]
HIGO. 5. Campo eléctrico perturbado por esfera conductora.
[0040]
HIGO. 6. Dipolo eléctrico generado por esfera conductora.
[0041]
HIGO. 7. Componentes vectoriales ortogonales del dipolo eléctrico.
[0042]
HIGO. 8. Campo magnético producido por el solenoide del brazo del tubo.
[0043]
HIGO. 9. Componentes vectoriales ortogonales del campo magnético.
[0044]
HIGO. 10. Velocidad angular del casco.
[0045]
HIGO. 11. Momento magnético producido por el dipolo eléctrico radial y la velocidad de la esfera.
[0046]
HIGO. 12. Producto escalar del momento magnético con el campo magnético.
[0047]
HIGO. 13. Fuerza de elevación vertical en las cuatro esferas conductoras.
[0048]
HIGO. 14. Vista en perspectiva del interior de la nave espacial.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE EL INVENTO

[0049]
1. En referencia a la vista en corteHIGO. 14, la construcción de la nave espacial es un termoplástico aislante de pared delgada que tiene una constante dieléctrica en el rango de 20 kilovoltios por milímetro (A). Un electrodo aislado (B) se extiende desde la fuente de alimentación de la cabina y el transformador de alto voltaje (C) hasta la punta de cada torre (D). Las cuatro esferas (E) están plateadas para que sean conductoras. Los solenoides de tubo (F) son accionados por una fuente de alimentación de corriente continua (G).
[0050]
2. El presente modelo utiliza software de diseño de computadora 3D y técnicas de fabricación de estereolitografía para crear la estructura hueca de paredes delgadas y peso ligero del casco. El modelo de computadora se corta en muchos cortes horizontales delgados. Un láser, montado en una mesa xy, extrae el corte en una mesa sumergida en un baño de polímero líquido. Debido a su sensibilidad a la luz, el líquido polimeriza. Luego se baja la mesa unas milésimas de pulgada más y se repite el proceso. Por lo tanto, hacer formas esféricas y cónicas huecas es extremadamente fácil de hacer. Las piezas pueden diseñarse y almacenarse en archivos de estereolitografía *.STL para su transmisión por correo electrónico de Internet al taller de máquinas de la oficina de servicios, que envía las piezas terminadas al día siguiente por correo urgente.

Reclamaciones (2)
Ocultar dependiente

1 . Una nave espacial que comprende:

una. una cabina esférica;

b. una torre cónica electrostática montada en la parte superior del artículo ( 1a ), que soporta un electrodo aislado cargado negativamente montado verticalmente en la punta de la torre;

C. una torre cónica electrostática montada en la parte inferior del elemento ( 1a ), que soporta un electrodo aislado cargado positivamente montado verticalmente en la punta de la torre;

d. un dipolo eléctrico vertical creado por los ítems ( 1b ) y ( 1c );

mi. un transformador de alta tensión para accionar el ítem ( 1d ) , montado en el ítem ( 1a ) ;

F. cuatro brazos tubulares, montados a 90° alrededor y extendiéndose en ángulo desde el punto ( 1a ) ;

gramo. cuatro solenoides, cada uno de los cuales está montado axialmente dentro del elemento ( 1 f );

H. una fuente de alimentación de corriente continua para accionar el elemento ( 1 g );

i. cuatro esferas conductoras plateadas, cada una de las cuales está montada en el extremo del elemento ( 1 f );

2 . un sistema de elevación electrostática que:

una. produce un campo eléctrico esférico uniforme por medio del elemento ( 1 d ) que envuelve al elemento ( 1 i );

b. produce un campo eléctrico perturbado debido a la presencia del ítem ( 1i ) ;

C. produce un momento dipolar eléctrico en la dirección del elemento ( 1 b ) debido a los elementos ( 2 a ) y ( 2 b );

d. produce un momento magnético vertical debido a la velocidad angular en el sentido de las agujas del reloj del elemento ( 1 a ) combinado con el elemento ( 2 c );

mi. produce una fuerza de sustentación vertical sobre el elemento ( 1 i ) debido al elemento ( 2 d ) combinado con el gradiente del campo magnético en la dirección vertical producido por el elemento ( 1 g ); y

F. crea un sistema de control de movimiento variando la corriente al elemento ( 1g ) para aumentar o disminuir el efecto del elemento ( 2e ) en un elemento particular ( 1i ) .