Электростатическая левитация: принцип подъема заряженных объектов электрическим полем. Применение в опытах Милликена и Gravity Probe B. Стабильность и обратная связь.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Левитация заряженного объекта с помощью электрических полей
Process of levitating a charged object using electric fields
Электростатическая левитация – это процесс использования электрического поля для левитации заряженного объекта и компенсации воздействия гравитации. Она применялась, например, в эксперименте Роберта Милликана с масляной каплей и используется для удержания гироскопов в зонде Gravity Probe B во время запуска. В силу теоремы Эрншоу, статическая конфигурация классических электростатических полей не может быть использована для стабильной левитации точечного заряда. Существует точка равновесия, в которой эти поля компенсируют друг друга, однако это равновесие неустойчиво. Применяя системы обратной связи, можно регулировать заряды для достижения квазистатической левитации.
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.
Теорема Эрншоу
Идея неустойчивости частиц в электростатическом поле возникла у Сэмюэля Эрншоу в 1839 году и была формализована Джеймсом Клерком Максвеллом в 1874 году, который дал ей название «теорема Эрншоу» и доказал её с помощью уравнения Лапласа. Теорема Эрншоу объясняет, почему система электронов неустойчива, и была использована Нильсом Бором в его атомной модели 1913 года при критике атомной модели Дж. Дж. Томсона. Теорема Эрншоу утверждает, что заряженная частица, находящаяся в электростатическом поле, неустойчива, поскольку силы притяжения и отталкивания изменяются с одинаковой скоростью, пропорциональной закону обратных квадратов, и остаются в равновесии независимо от положения частицы. Поскольку силы остаются в равновесии, отсутствует какое-либо неравенство, которое могло бы создать восстанавливающую силу, и частица остаётся неустойчивой, свободно перемещаясь без ограничений.
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
Первый электростатический левитатор был изобретен доктором Вон Кю Римом в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. Заряженный образец диаметром 2 мм может левитировать в вакуумной камере между двумя вертикально расположенными электродами, между которыми создано электростатическое поле. Это поле контролируется системой обратной связи для удержания левитирующего образца в заданном положении. Несколько копий этой системы были созданы в JAXA и NASA, а оригинальная система была передана в Калифорнийский технологический институт вместе с модернизированной установкой четырехлучевой лазерной системы нагрева. На Луне фотоэлектрический эффект и электроны солнечного ветра заряжают тонкие слои лунной пыли на поверхности, формируя пылевую атмосферу, которая поднимается в виде "фонтанов" над поверхностью Луны.
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.