Электр өрісінде зарядталған нысандарды левитациялау процесі
Electrostatic levitation
Электростатикалық левитация: зарядталған нысандарды электр өрісінде қалай көтеруге болады? Millikan тәжірибесі, Gravity Probe B және тұрақтандыру әдістері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрлі зарядталған нысанды электр өрістерін пайдалана отырып, левитациялау процесі
Process of levitating a charged object using electric fields
Электростатикалық левитация – бұл электр өрісін пайдаланып зарядталған нысанды левитациялау және гравитацияның әсеріне қарсы тұру процесі. Мысалы, бұл Роберт Милликеннің май тамшысы экспериментінде қолданылған, сондай-ақ ұшырылған кезде Гравитациялық зонд B-дегі гироскоптарды тоқтату үшін пайдаланылады. Эрншоу теоремасына сәйкес, классикалық электростатикалық өрістердің статикалық орналасуын пайдаланып нүктелік зарядты тұрақты түрде левитациялауға болмайды. Екі өріс бір-бірін жоятын тепе-теңдік нүктесі бар, бірақ ол тұрақсыз тепе-теңдік болып табылады. Кері байланыс техникаларын қолдану арқылы зарядтарды реттеуге және квазистатикалық левитацияға қол жеткізуге болады.
Electrostatic levitation is the process of using an electric field to levitate a charged object and counteract the effects of gravity. It was used, for instance, in Robert Millikan's oil drop experiment and is used to suspend the gyroscopes in Gravity Probe B during launch. Due to Earnshaw's theorem, no static arrangement of classical electrostatic fields can be used to stably levitate a point charge. There is an equilibrium point where the two fields cancel, but it is an unstable equilibrium. By using feedback techniques it is possible to adjust the charges to achieve a quasi static levitation.
Ерншоу теоремасы
Электростаттық өрістегі бөлшектердің тұрақсыздығы туралы идея 1839 жылы Сэмюэл Эрншоумен туындады, ал 1874 жылы Джеймс Клерк Максвелл оны ресми түрде "Эрншоу теоремасы" деп атап, Лапластың теңдеуімен дәлелдеді. Эрншоу теоремасы электрондар жүйесінің тұрақсыз болу себебін түсіндіреді және 1913 жылы Нильс Бор өзінің атом моделінде Дж. Дж. Томсонның атомын сынағанда оны пайдаланды. Эрншоу теоремасына сәйкес, электростаттық өрістегі зарядталған бөлшек тұрақсыз болады, себебі тартылыс және итергіш күштердің өзгеру деңгейі кері квадрат заңына пропорционал және бөлшек қозғалған кезде тепе-теңдікте қалады. Күштер тепе-теңдікте болғандықтан, қалпына келтіру күшін қамтамасыз ететін ешқандай теңсіздік болмайды; нәтижесінде бөлшек тұрақсыз болып қалады және кез келген шектеусіз еркін қозғала береді.
The idea of particle instability in an electrostatic field originated with Samuel Earnshaw in 1839 and was formalized by James Clerk Maxwell in 1874 who gave it the title "Earnshaw's theorem" and proved it with the Laplace equation. Earnshaw's theorem explains why a system of electrons is not stable and was invoked by Niels Bohr in his atom model of 1913 when criticizing J. J. Thomson's atom. Earnshaw's theorem holds that a charged particle suspended in an electrostatic field is unstable, because the forces of attraction and repulsion vary at an equal rate that is proportional to the inverse square law and remain in balance wherever a particle moves. Since the forces remain in balance, there is no inequality to provide a restoring force; and the particle remains unstable and can freely move without restriction.
Левитация
Алғашқы электростатикалық левитаторды 1993 жылы НАСА-ның реактивтік қозғалтқыш зертханасында доктор Вон Кю Рим ойлап тапты. 2 мм диаметріндегі зарядталған үлгі вакуум камерасында, вертикальды орналастырылған екі электродтың арасында электростатикалық өріс арқылы левитацияланады. Өріс кері байланыс жүйесі арқылы басқарылады, бұл левитацияланған үлгіні алдын ала белгіленген орында тұрақтандыруға мүмкіндік береді. Бұл жүйенің бірнеше көшірмесі JAXA және НАСА-да жасалды, ал түпнұсқа жүйе Калифорния технология институтына тетраэдрлік төрт сәулелі лазерлік қыздыру жүйесімен жаңартылған күйде берілді. Ай бетінде фотоэлектрлік эффект және күн желiндегi электрондар Айдың бетiндегi тозаңның ұсақ қабаттарын зарядтап, тозаңнан тұратын атмосфераны қалыптастырады, ол Ай бетiнде "фонтандар" түрінде қозғалады.
The first electrostatic levitator was invented by Dr. Won Kyu Rhim at NASA's Jet Propulsion Laboratory in 1993. A charged sample of 2 mm in diameter can be levitated in a vacuum chamber between two electrodes positioned vertically with an electrostatic field in between. The field is controlled through a feedback system to keep the levitated sample at a predetermined position. Several copies of this system have been made in JAXA and NASA, and the original system has been transferred to California Institute of Technology with an upgraded setup of tetrahedra four beam laser heating system. On the Moon the photoelectric effect and electrons in the solar wind charge fine layers of Moon dust on the surface forming an atmosphere of dust that floats in "fountains" over the surface of the Moon.