Ф. М. КАНАРЁВ

ИМПУЛЬСНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Том II

Монографии

НАЧАЛА ФИЗХИМИИ МИКРОМИРА

Ф.М. Канарёв. Начала физхимии микромира. Монография. Том II. ИМПУЛЬСНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Показано приложение новой теории микромира к решению практических энергетических задач. Главной из них является переход на импульсную энергетику, которая лежит в основе импульсного электропитания живых организмов, созданных Природой. Главный их орган – сердце питается электрическими импульсами одну треть периода, а две третьи сердце отдыхает, а созданные человеком электрогенераторы, аккумуляторы и батареи производят электроэнергию непрерывно и большая её часть используется не импульсами, а непрерывно. Человек до сих пор не понял экономность импульсного использования электрической энергии и продолжает расходовать её расточительно, загрязняя среду своего обитания вредными компонентами её природных энергоносителей.

Главная причина создавшегося положения – неограниченное доверие к математикам. Физические ошибки, лежащие в основе их математических моделей, описывающих получение электрической энергии, и её использование, прочно закрывали понимание процессов экономности её импульсного производства и использования. Исправим эти ошибки и откроем путь импульсной энергетике.

The book is intended for physicists, chemistry and other scientists and specialists which are seeking new way for understanding of micro world and new sources of energy.

No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form without permission in writing form the author.

Copyright Ó 2010 Kanarev Philipp Michailovich.

E-mail: kanphil@mail.ru http://www.micro-world.su/

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЭЛЕМЕНТЫ НОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ……………………3

Вводная часть……………………………………………………………..3

1. 1. Электрон……………………………………………………………….3

1.2. Протон и нейтрон……………………………………………………..4

1.3. Движение электронов вдоль проводов (плюс – минус, юг-север)7

1.4. Электроны в проводе с постоянным напряжением……………..12

1.5. Электроны в проводе с переменным напряжением……………..14

1.6. Энергия и мощность постоянного и переменного токов………..16

1.7. Принципы работы электромоторов и электрогенераторов…….18

1.8. Принцип работы диода………………………………………………21

1.9. Зарядка диэлектрического конденсатора…………………………23

1.10. Разрядка диэлектрического конденсатора……………………….25

1.11. Конденсатор + индуктивность……………………………………..26

2. ГЛОБАЛЬНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ ОШИБКА МАТЕМАТИКОВ И

НОВЫЙ ЗАКОН ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ…………………………………………………………….29

3. БАЛАНС МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМОТОРА-ГЕНЕРАТОРА …37

3.1. Теоретическая часть……………………………………………...37

3.2. МГ + ячейка электролизёра + лампочка ………………………..41

3.3. Результаты контрольного эксперимента………………………43

4. АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ……………………..44

5. ВОДА-ИСТОЧНИК ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА……………52

5.1. Противоречия существующей теории электролиза воды…….54

5.2. Новая теория электролиза воды и её

экспериментальная проверка…………………………………………56

5.3. Анализ процесса питания электролизёра……………………..67

5.4. Низкоамперный электролиз воды……………………………..77

5.5. Экспериментальная проверка гипотезы

низкоамперного электролиза воды……………………………….80

5.6. Вода, как источник электрической энергии………………….84

5.7. Эффективность топливных элементов ………………………86

6. ВОДА-ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ………………90

6.1. Плазменный электролиз воды………………………………….90

6.2. Физическая модель процесса………………………………….95

6.3. Химическая модель процесса…………………………………96

6.4. Схемы моделей плазмоэлетролитических ячеек…………...97

6.5. Энергетика химических связей молекул воды……………..99

6.6. Неисчерпаемый источник энергии ……………………………102

6.7.Варианты экспериментальной проверки

эффективности предплазменного теплового эффекта ………..108

6.8. Протокол контрольных испытаний…………………………..113

6.9. Оценка возможности реализации, выявленного

энергетического эффекта…………………………………………….119

7.САЯНО-ШУШЕНСКИЙ ИМПУЛЬС……………………………122

7.1. Вводная часть……………………………………………………122

7.2. Начало теории импульса силы и ударной силы……………122

7.3. Теорема об изменении количества движения

материальной точки …………………………………………………123

7.4. Физика Саяно-Шушенской аварии…………………………129

7.5. Химия Саяно-Шушенской аварии………………………….132

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………136

Приложение……………………………………………………………138

1. ЭЛЕМЕНТЫ НОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Вводная часть

Человеческая цивилизация, развиваясь, увеличивает потребление энергии. Темпы роста этого потребления быстро сокращают энергетические ресурсы нашей планеты, заложенные в её недрах. Это стимулирует учёных к поиску новых источников энергии. Но никто из них не обращает внимание на значительные резервы уже существующих электрических энергетических систем. Обусловлено это, элементарной физической ошибкой, введенной математиками, как первопроходцами науки, в процесс измерения электрической энергии. Дальше мы детально проанализируем эту ошибку. Она заложена в математические программы всех электронных электроизмерительных приборов, в том числе и в электронные программы осциллографов, а также реализуется в электронных и в электромеханических счётчиках электроэнергии, параметры которых рассчитываются на основе ошибочных математических формул. А сейчас кратко познакомимся с основными носителями электрической энергии: электронами, протонами и ионами. Детально эти носители описаны в первом томе монографии [1]. Здесь мы представим лишь краткую информацию о них, которая поможет нам понимать процессы рождения, передачи и использования электрической энергии.

1. 1. ЭЛЕКТРОН

Электрон – главный и в большей части единственный носитель электричества. Он имеет тороидальную структуру (рис. 1, а) с двумя вращениями: относительно центральной оси и относительно кольцевой оси полого тора. На рисунке 1, а показана лишь часть магнитных силовых линий электрона. Если показать всю их совокупность, то электромагнитная форма электрона будет близка к форме яблока. Со стороны плодоножки яблока располагается южный магнитный полюс электрона, в который входят магнитные силовые линии, а в верхней части – северный магнитный полюс из которого выходят магнитные силовые линии. Давно условились считать, что заряд электрона отрицательный, поэтому, как считалось, электроны всегда только отталкиваются друг от друга. Однако, уже имеются экспериментальные данные, доказывающие формирование электронных кластеров (рис. 1, b). Новая теория электрона объясняет этот факт тем, что разноимённые магнитные полюса могут сближать электроны, а одноимённые электрические заряды ограничивать их сближение. В результате образуются кластеры электронов (рис. 1, b). Это неустойчивые структуры. Они легко разрушаются.

а)

b)

Рис. 1. а) схема теоретической модели электрона

(показана лишь часть магнитных силовых линий);

b) схема электронного кластера;

Формирование тороидальной структуры электрона описывается, примерно, 50-ю математическими моделями, в которых содержатся 23 константы. Главная из них – радиус осевой линии тора. Он рассчитывается по нескольким математическим моделям, которые дают один и тот же результат. Вот одна из таких моделей

. (1)

Теоретическая величина радиуса кольцевой оси тора свободного электрона (рис. 1, a) строго постоянна и равна . Она отличается от его экспериментальной величины в 6-м знаке после запятой .

Угловая скорость вращения свободного электрона определяется по формуле

(2)

Напряженность магнитного поля внутри тороидальной модели электрона равна

(3)

Напряженность электрического поля на поверхности тора очень большая

. (4)

Это, можно сказать, колоссальная напряженность. Она превосходит напряжённости электрических полей, созданных человеком, почти на восемь порядков. Следующая важная информация: векторы магнитного момента электрона и его спина направлены вдоль ост вращения от южного магнитного полюса к северному (рис. 1).

1.2. Протон и нейтрон

Модель протона в виде сплошного тора (рис. 2) подтверждается расчётами его параметров, совокупность которых даёт ряд величин, соответствующих их экспериментальным значениям. Один из таких параметров – радиус осевой линии тора (рис. 2). Его величина (5) близка к интервалу изменения размеров ядер атомов , в состав которых входит протон.

. (5)

Рис. 2. Модель протона

Если протон имеет форму тора, заполненного эфирной субстанцией, то объёмная плотность этой субстанции должна быть близка к плотности ядер атомов .

(6)

Напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра протона можно рассчитать, используя его фотонную энергию , по формуле

₍₇₎

Напряжённость электрического поля на поверхности тора протона на 8 порядков больше соответствующей напряжённости у электрона.

. (8)

Протон отличается от электрона не только тем, что его тор сплошной, но и тем, что векторы магнитного момента и спина протона направлены противоположно друг другу (рис. 2). Это очень важное отличие, которое играет решающую роль при формировании ядер, атомов, молекул и кластеров. Но для нас важно знать, как ведут себя электроны и протоны, находясь вблизи друг друга. Они сближаются линейно. Здесь возможны два варианта и оба они подтверждаются экспериментально.

Если процессом сближения электрона и протона управляют их разноимённые электрические заряды и разноимённые магнитные полюса, то протон поглощает электрон и превращается в нейтрон. Известно, что разность между массой нейтрона и протона равна . Масса нейтрона (рис. 3) больше массы протона на 2,531 масс электрона (). Из этого следует, чтобы протон стал нейтроном, он должен захватить 2,531 электрона.

Поскольку не существует электронов с дробной массой, то протон должен поглощать целое число электронов. Если он поглотит три электрона, а его масса увеличится только на 2,531 масс электрона, то возникает вопрос: куда денется остаток массы электрона ?

Рис. 3. Схема модели нейтрона

Современная физика нарушенный баланс масс в этом процессе объясняет просто: рождением нейтрино, которое не имеет заряда, поэтому, как считается, её очень сложно зарегистрировать. Однако уже есть более правдоподобная гипотеза: не поглощённая часть электрона разрушается, превращаясь в эфир, из которого сотоят все элементарные частицы.

Если процесс сближения электрона с протоном управляется их разноимёнными электрическими зарядами и одноимёнными магнитными полюсами, которые ограничивают их сближение, то образуется атом водорода (рис. 4), который существует лишь в плазменном состоянии в интервале температур 2700-10000 град. Из этого факта автоматически следует невозможность совместного существования свободных электронов и протонов и ошибочность всей электродинамики и статики. Но мы не будем отвлекаться на анализ этих проблем, так как они детально описаны в монографии [1]. Нас интересует лишь та информация об электронах и протонах, которая необходима для анализа участия этих элементарных частиц в формировании, передаче и приёме электрической энергии. Началом этой информации является новая электродинамика взаимодействия основных носителей электрической энергии.

Рис. 4. Теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии

Электродинамика – раздел физики, в котором изучаются носители электричества, формируемые ими электрические и магнитные поля, а также взаимодействия между ними. Она родилась в начале 19-го века, во времена Фарадея и Максвелла.

Экспериментальной основой существующей электродинамики является закон электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого закона кратко можно выразить так: переменное электрическое поле создаёт магнитное поле, а переменное магнитное поле создаёт электрическое поле. На основании этого считается, что работа электромоторов, электрогенераторов, трансформаторов и других многочисленных электротехнических устройств – результат взаимодействия электрических и магнитных полей. Проверим связь таких представлений с реальностью.

1.3. Движение электронов вдоль проводов

(Плюс – минус, юг-север)

Мы уже показали, что электрон представляет собой полый тор, который имеет два вращения: относительно оси симметрии и относительно кольцевой оси тора. Вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, а направления магнитных силовых линий этого поля формируют два магнитных полюса: северный N и южный S (рис. 1). Вращением электрона относительно центральной оси управляет кинетический момент - векторная величина. Магнитный момент электрона - тоже величина векторная, совпадающая с направлением вектора кинетического момента (спина) электрона. Оба эти вектора направлены вдоль центральной оси вращения тора от южного магнитного полюса (S) электрона к северному (N) (рис. 1) Формированием столь сложной структуры электрона управляют более 20 констант. Имея эту общую информацию о структуре электрона, приступим к анализу его поведения в проводах.

Так как протоны находятся в ядрах атомов, а электроны на поверхности атомов, то вполне естественно, что в проводе могут быть свободными только электроны. В результате возникает вопрос: каким образом в проводе с постоянным током формируется на одном конце плюсовой потенциал, носителем которого являются протоны, а на другом - минусовый, носителем которого являются электроны? [1].

Чтобы найти ответ на выше сформулированный вопрос, проанализируем работу плазмоэлектролитической ячейки (рис. 5, патент № 2157862). Сущность процесса работы этой ячейки заключается в следующем. Так как площадь поверхности катода 1 в десятки раз меньше площади поверхности анода 2, то большая плотность тока на поверхности катода 1 формирует поток положительных ионов электролитического раствора, направленных к нему. Раствором заполняется вся внутренняя полость ячейки.

Рис. 5. Схема плазмоэлектролитической ячейки:

1-катод и входной патрубок для раствора; 2-анод в виде цилиндра;

3 - выпускной патрубок парогазовой смеси; Р-Р – зона плазмы

Известно большое электрическое сопротивление чистой воды. Чтобы уменьшить это сопротивление и увеличить её электропроводность, надо ввести в раствор ионы, которые имели бы на одном конце главной оси электрон, а на другом - протон. В этом случае такие ионы легко объединяются в линейные кластеры с разными знаками электрических зарядов на их концах, что и приводит к формированию электрических цепей в растворе, которые увеличивают его электропроводность. В качестве примера можно рассмотреть присутствие в воде иона (рис. 6), который придаёт ей щелочные свойства.

Рис. 6. Схемы: а) гидроксила ;

b) кластера ионов сориентированного в электрическом поле (Р, 1 – атом водорода)

На рис. 6, а представлена схема гидроксила _{, а на рис. 6, b – схема кластера} . На одном конце его оси кластера расположен электрон атома кислорода, а другой - завершается протоном атома водорода. Таким образом, гидроксил – идеальное звено электрической цепи. Эти ионы под действием приложенного напряжения формируют линейные кластеры с положительным и отрицательным знаками электрических зарядов на концах (рис. 6, b). В результате электрический импульс напряжения передаётся вдоль этого кластера [1] .

Конечно, ток не течёт вдоль кластера. Он формируется благодаря тому, что ион гидроксила , расположенный на конце кластера у анода (+) (рис. 6, b), отдаёт ему свой электрон , а протон атома водорода у иона , расположенного у катода (-), получает электрон из сети.

Если к этому добавить тот факт, что водород выделяется у катода (-), а кислород у анода (+), то электроны во внешней цепи АВС (рис. 5) движутся от анода (+) к катоду (-). Этот очевидный факт противоречит учебникам, в которых утверждается, что электроны движутся по проводу от его минусового конца к плюсовому. Поэтому мы будем придерживаться описанного неоспоримого экспериментального факта о движении электронов в цепи постоянного тока от плюса (+) к минусу (-).

В электролитическом растворе ячейки ионы, сориентированные приложенным потенциалом так, что их концы с положительно заряженными протонами движутся к катоду, и образуют в растворе электрическую цепь. При этом приложенный потенциал может отрывать протоны атомов водорода от ионов, и они, отделившись от ионов и молекул воды или от ионов, устремляются к катоду, из которого из сети им навстречу движутся электроны. Таким образом, электроны, испущенные катодом, соединяются с протонами, движущимися в растворе к катоду, и образуются атомы водорода (рис. 4), которые существуют в плазменном состоянии. В результате в зоне Р катода 1 (рис. 5) образуется плазма атомарного водорода с температурой до 10000 С [1]. Величина температуры зависит от плотности раствора и величины приложенного напряжения. Чем они больше, тем выше температура плазмы.

Анализируя электролитический процесс, протекающий в ячейке (рис. 5), необходимо учесть, что протоны почти всех атомов расположены в ядрах достаточно глубоко от их поверхностной зоны. Кроме того, они экранированы электронами. Исключением является атом водорода (рис. 4), представляющий собой стержень, на одном конце которого отрицательно заряженный электрон , а на другом – положительно заряженный протон . Благодаря этому, в электролитическом растворе появляются положительный и отрицательный потенциалы, генерируемые электронами и протонами атомов водорода, находящимися в составе ионов (рис. 6).

Новые свободные электроны приходят в электролитический раствор из катода (-) (рис. 5, 6) и, соединяясь с протонами, образуют атомы водорода (рис. 4), а ионы несут лишние электроны к аноду (+).

Таким образом, отрицательно заряженные ионы собираются у анода и передают ему лишние электроны, которые движутся по проводу от плюса (+) к минусу (-) (рис. 5, АВС) Поскольку соседство свободных электронов и свободных протонов заканчивается формированием атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии (рис. 5, зона Р..Р), то исключается одновременное существование свободных электронов и свободных протонов в проводе, по которому течёт ток. Из этого следует, что носителями электричества в проводах являются только электроны.

Таким образом, анализ электролитического процесса, протекающего в электролитической ячейке (рис. 5), показывает, что в электролитическом растворе электроны движутся в составе ионов от минуса к плюсу, а в проводе - от плюса к минусу.

Если источником питания является аккумулятор или батарея, то знаки плюс (+) и минус (-) принадлежат их клеммам. Тут всё понятно. А если источником постоянного напряжения является выпрямитель, подключённый к сети переменного тока, то появление плюса и минуса на клеммах выпрямителя формирует серию вопросов.

Генератор электростанции генерирует переменное напряжение, носителями которого являются только электроны. Откуда же тогда на клеммах выпрямителя появляются знаки плюс и минус? Это вопрос электрикам и электронщикам. Почему они мирятся с описанным противоречием? Но мы не имеем права игнорировать его, так как отсутствие ответа на этот вопрос формирует искажённые представления о сути процессов, протекающих в проводах, электротехнических и электронных устройствах.

Итак, наличие модели электрона (рис. 1) позволяет нам приступить к поиску ответа на поставленный вопрос. Вполне естественно, что его надо базировать на экспериментальных данных. Начнём с самого простого – изучения процесса отклонения стрелки компаса, положенного на провод или под провод, по которому течёт постоянный ток.

На рис. 7 показана электрическая схема, направления проводов которой сориентированы плюсовыми концами на юг (S), а минусовыми - на север (N). При отсутствии тока в проводе направление стрелок компасов А, В, С и D совпадают с направлением правого и левого проводов на север N. При включении тока вокруг провода возникает магнитное поле и стрелки компасов отклоняются [1].

Когда электроны движутся по проводу в направлении с юга (S) на север (N), то стрелка компаса A, расположенного над проводом, отклоняется вправо, а стрелка компаса B, расположенного под проводом, – влево (табл. 1). Из этих результатов следует, что магнитное поле вокруг провода закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент . Наличие модели электрона (рис. 1) с известным направлением вектора его магнитного момента даёт нам основание полагать, что магнитное поле вокруг провода формируется совокупностью магнитных полей электронов, сориентированных вдоль провода таким образом, что направления векторов магнитных моментов каждого электрона совпадают с направлением вектора магнитного момента поля, образующегося вокруг провода (рис. 7 и 8).

Таблица 1. Углы отклонения стрелок компасов A и B при различных токах (рис. 7)

Ток, I	, град.	, град
1,0 А	34,0	33,0
2,0 А	48,0	50,0
3,0 А	57,0	58,0

Те же электроны, которые движутся по правому проводу с севера (N) на юг (S), формируют вокруг него противоположно направленное магнитное поле и стрелки аналогичных компасов С и D отклоняются противоположно отклонению стрелок компасов А и В (рис. 7).

Рис. 7. Схема эксперимента по формированию магнитного поля электронами ,

движущимися по проводу

На рис. 8 представлены схемы магнитных полей вокруг проводов. Вполне естественно, что эти поля формируют электроны, движущиеся по проводам (рис. 7). Из схемы магнитного поля вокруг провода (рис. 7, а , 8, а) следует, что оно может быть сформировано лишь в том случае, если северные магнитные полюса электронов (рис. 1) направлены вверх, в сторону минусового конца провода, а южные - вниз, в сторону плюсового конца провода (рис. 7, а).

На рис. 7, b) электроны движутся вниз и формируют вокруг провода магнитное поле (рис. 8, b), направление которого противоположно направлению магнитного поля вокруг провода, когда электроны движутся вверх (рис. 8, а) Это означает, что плюсовой конец провода эквивалентен южному магнитному полюсу (S), а минусовой – северному (N) (рис. 8) [1]. Из этого эксперимента следует, что магнитное поле вокруг провода при такой его ориентации закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент .

Неопровержимость этого факта подтверждена ещё в 1984 году другим элементарным экспериментом, поставленным инженером А.К Сухвал [1]. Он взял подковообразный магнит из электромагнитного материала с напряжённостью магнитного поля порядка 500 Э и присоединил к его полюсам щупы чувствительного микроамперметра, который начал показывать ток порядка 0,10-0,20 (рис. 9).

Рис. 8. Схемы движения электронов в проводе от плюса (+) к минусу (-) и формирования на его концах южного (S) и северного (N) магнитных полюсов и магнитного поля вокруг провода: а) электроны ориентированы вверх; b) электроны ориентированы вниз

Рис. 9. Эксперимент инженера А.К. Сухвал [1]

При этом плюсовой щуп микроамперметра подсоединялся к южному полюсу S магнита, а минусовой - к северному N. Это убедительное доказательство движения электронов по проводам микроамперметра от плюса к минусу, а точнее от южного магнитного полюса к северному. Особо отметим, что эту информацию мы получили 15.06.09, то есть значительно позже того, как описали процесс движения электронов от плюса к минусу и многократно опубликовали его.

Итак, результаты эксперимента, представленные на рис. 7 и в табл. 1, показывают, что направление магнитного поля, формирующегося вокруг провода, совпадает с направлением вращения свободных электронов в нём (рис. 7, 8), поэтому направление тока совпадает с направлением движения электронов, а не наоборот, как это написано в учебниках.

Таким образом, направления силовых линий магнитного поля, образующегося вокруг провода с током, соответствуют такой ориентации свободных электронов в нём, при которой они движутся от плюса к минусу, ориентируясь так, что южные полюса магнитных полей электронов оказываются направленными к плюсовому концу провода, а северные - к минусовому (рис. 7, 8).

Этот простой пример ярко демонстрирует, что если источником питания является аккумулятор или батарея, то электроны движутся по проводам от плюсовой клеммы аккумулятора или батареи (рис. 7, 8) к минусовой. Такая картина полностью согласуется со структурой электронов (рис. 1) и однозначно доказывает, что свободные электроны провода с постоянным напряжением повёрнуты южными магнитными полюсами к положительному концу провода, а северными – к отрицательному. В этом случае не требуется присутствие в проводах свободных протонов для формирования положительного потенциала, так как свободные электроны провода формируют на его концах не разноимённые электрические заряды, а разноимённые магнитные полюса.

Из новых представлений о поведении электронов в проводе следует необходимость заменить представления о плюсовом и минусовом концах проводов сети с постоянным напряжением на концы с северным и южным магнитными полюсами. Однако, процесс реализации этой необходимости будет длительный. Но он, как мы увидим дальше, неизбежен, так как углубление представлений о реальных электродинамических процессах невозможно без новых условностей в обозначении концов электрических проводов.

Таким образом, экспериментальная информация, которую мы привели, позволяет сформулировать первые постулаты о структуре электрона и его движении по проводам. Для этого обратим внимание на то (рис. 7), что экспериментальный провод сориентирован с юга (S) на север (N) и южный конец этого провода подключён к плюсовой (+) клемме генератора (G) постоянного тока (возможно подключение и к плюсовой клемме выпрямителя).

Итак, формулируем постулаты. Первый - электроны, движутся по проводу от плюса (+) к минусу (-). Второй – электроны имеют вращающуюся электромагнитную структуру. Третий – электроны вращаются против часовой стрелки и имеют собственные магнитные моменты . Четвёртый - магнитные поля движущихся и вращающихся электронов формируют суммарное магнитное поле, которое выходит за пределы провода. Пятый - направление вектора магнитного момента вокруг провода совпадает с направлениями векторов магнитных моментов электронов . Шестой – вектор спина электрона совпадает с вектором его магнитного момента (рис. 8).

1.4. Электроны в проводе с постоянным напряжением

Модель электрона, представленная на рис. 1, позволяет описать его поведение в проводе с постоянным напряжением (рис. 10) [1]. Чистое постоянное напряжение U (рис. 10) имеют батареи и аккумуляторы. Однако, этим понятием обозначают и выпрямленное переменное напряжение, поэтому при анализе поведения электронов в проводе надо учитывать этот факт.

Рис. 10. Схема движения электронов е в проводе с постоянным напряжением

Схема ориентации электронов при их движении вдоль провода с постоянным напряжением показана на рис. 10. Она следует из структуры электрона (рис. 1) и магнитного поля, формирующегося вокруг проводника с постоянным напряжением (рис. 8). Как видно (рис. 8), электроны выстраиваются так, что векторы их магнитных моментов оказываются направленными от плюса к минусу. Таким образом, южные полюса S всех свободных электронов в проводе с постоянным напряжением оказываются сориентированными к плюсовому () концу провода. Северные полюса N всех свободных электронов оказываются сориентированными к другому концу провода () (рис. 10).

Чтобы понимать основания для введения представлений о том, что плюсовой конец провода соответствует южному магнитному полюсу, а минусовый – северному, надо иметь в виду, что в проводе нет свободных протонов, поэтому некому в нём формировать положительный знак заряда. Есть только свободные электроны, а они имеют один знак заряда, но два магнитных полюса: южный (S) и северный (N). Дальше мы увидим, как из такой условности вытекают следствия, объясняющие такое обилие электрических эффектов, что данная гипотеза уверенно завоёвывает статус постулата [1].

Анализируя описываемый процесс движения свободного электрона в проводе, надо иметь представления о разнице между размерами атомов и электронов, которые оказываются в промежутках между атомами. Примерная разница известна. Размеры электронов , а размеры атомов . Тысячекратная разница в размерах - достаточное условие для перемещения электронов в проводе.

Тем не менее, заряды и магнитные поля свободных электронов не безразличны для зарядов и магнитных полей связанных электронов атомов. Они оказываются достаточными, чтобы, воздействуя на валентные и другие связанные электроны, заставлять их излучать фотоны.

Таким образом, приложенное постоянное напряжение не только перемещает свободные электроны вдоль провода, но генерирует фотоны, нагревающие провод. Чем больше приложенное напряжение, тем больше скорость движения электронов в проводе и интенсивнее их действие на связанные электроны, которые излучают фотоны с большей энергией.

Нетрудно видеть, что переменное напряжение заставит электроны вращаться так, что концы векторов магнитных моментов электронов и общих моментов , а также спинов будут описывать окружности. Изменение напряжённости магнитного поля возникающего при этом вокруг провода, принимает синусоидальный характер.

1.5. Электроны в проводе с переменным напряжением

Давно известно, что в проводе с переменным напряжением оно меняется синусоидально (рис. 11). Почему закономерность изменения переменного напряжения имеет синусоидальный характер? Тайна за семью печатями. Неисчислимое количество научных работ посвящено анализу причин возникновения положительных и отрицательных амплитуд переменных напряжений и токов. Среди них немало и таких, где источниками положительных амплитуд являются протоны, а отрицательных - электроны. Но мы уже знаем, что совместное присутствие свободных электронов и протонов в проводах невозможно, так как оно заканчивается формированием плазмы атомарного водорода с температурой до 10000 град.

Рис. 11. Синусоидальное изменение переменного напряжения

Сейчас мы увидим, что изменение знака амплитуды синусоидального напряжения – результат изменения направления электронов в проводе в интервале одного периода колебаний, но не знака электрической полярности. Последовательность этих изменений представлена на рис. 12, a, b, c, d и e. Из них и следует закон формирования синусоидального характера изменения напряжения [1].

Вполне естественно предположить, что при максимальном положительном напряжении все свободные электроны в проводе ориентированы одинаково и векторы их магнитных моментов и спинов направлены в сторону движения электронов вдоль провода (рис. 12, а) от южного полюса S (плюса) к северному N (минусу). В этот момент напряженность магнитного поля вокруг провода максимальна. Схема поворота векторов спинов и магнитных моментов электронов на и падение напряжения до нуля представлена на рис. 12, b. Вполне естественно, что в этом случае магнитное поле вокруг провода (рис. 8, а) отсутствует и напряжение равно нулю (рис. 12, b).

Когда векторы спинов и магнитных моментов электронов повернутся на от исходного положения (рис. 12, а), то полюса магнитной полярности на концах провода и направление магнитного поля вокруг провода (рис. 12, а, b) поменяются на противоположные, а амплитуда напряжения U примет максимальное отрицательное значение (рис. 12, с).

Рис. 12. Схемы изменения ориентации электронов в проводах, формирующие

синусоидальное напряжение

Через следующие четверть периода направления векторов магнитных моментов и спинов электронов окажутся перпендикулярными оси провода (рис. 12, d). Магнитное поле вокруг провода (рис. 12) в этот момент исчезает, а величина напряжения U будет равна нулю (рис. 12, d).

Векторы магнитных моментов и спинов свободных электронов займут исходную позицию (рис. 12, а) через следующие четверть периода (рис. 12, е). В этот момент направление магнитного поля вокруг провода окажется соответствующим исходному положению (рис. 12, а) и амплитуды напряжения и напряжённости магнитного поля вокруг провода (рис. 12, а) максимальны. Так ведут себя свободные электроны в проводах, формируя синусоидальные законы изменения напряжения U, тока I и напряжённости H магнитного поля вокруг провода (рис. 11) [1].

Это даёт нам основание написать уравнения их изменения в таком виде:

(9)

(10)

. (11)

Вполне естественно предположить, что описанным процессом изменения ориентации электронов в проводах управляют магнитные полюса магнитов первичных источников питания, например, генераторов электростанций.

Главная особенность описанного процесса – синхронность синусоидального изменения напряжения U, тока I и напряженности H магнитного поля вокруг провода. Описанный процесс показывает, что при переменном напряжении количество электронов в рассматриваемом сечении провода не изменяется, а изменяется лишь их направление, которое изменяет направление магнитного поля вокруг провода, характеризуемого вектором (рис. 8).

Из описанного процесса поведения электронов в проводе с переменным напряжением обычной электрической сети следует, что свободные электроны меняют в ней своё направление с частотой сети, равной 50 Гц.

Если сравнивать поведение свободных электронов в проводе с постоянным напряжением (рис. 10), где электроны не меняют свою ориентацию, то потери энергии в проводе с постоянным напряжением меньше, чем с переменным. Это хорошо известный факт.

В проводе с переменным напряжением (рис. 12) расходуется дополнительная энергия на изменения направлений векторов спинов и магнитных моментов электронов, на периодичность формирования магнитного поля вокруг провода. Далее, резкое изменение направления векторов спинов и магнитных моментов свободных электронов изменяет скорость их вращения относительно своих осей, что приводит к излучению фотонов. При этом надо иметь в виду, что меняющаяся полярность магнитного поля вокруг провода действует не только на свободные электроны, но и на валентные электроны атомов в молекулах и электроны атомов, не имеющие валентных связей. В результате они тоже могут излучать фотоны и увеличивать потери энергии [1].

Наиболее простой пример явного проявления явления потерь энергии – спираль электрической лампочки накаливания или спираль электрической плиты. Переменные магнитные поля вокруг нитей спирали значительно больше шага спирали. В результате они перекрывают друг друга и таким образом увеличивают интенсивность действия на электроны атомов материала спирали и они, возбуждаясь, начинают излучать фотоны, накаливая спираль электрической печки или лампочки. При этом длина волны излучаемых фотонов (цвет спирали) зависит от приложенного напряжения и величины тока. Чем они больше, тем больше электронов проходит в единицу времени в каждом сечении провода спирали, которые увеличивают напряжённость магнитного поля, возникающего вокруг провода спирали, а это поле в свою очередь интенсивнее действует на электроны, заставляя их терять больше массы в одном акте излучения фотонов.

Известно, чем больше масса фотона, тем меньше длина его волны. Следовательно, процессом изменения длины волны излучаемых фотонов можно управлять, изменяя интенсивность воздействия магнитных полей на электроны. Эта экспериментально разработанная процедура достигла, можно сказать, предельного совершенства в современной электронике, но теоретики далеки от понимания физических тонкостей этого совершенства.

Дальше мы увидим, что при появлении в электрической цепи ёмкости и индуктивности синхронность изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля нарушается.

1.6. Энергия и мощность постоянного и переменного токов

Источники постоянного напряжения и тока родились первые. Источники переменного напряжения и переменного тока появились позже, и возникла проблема сравнения их электрической энергии и электрической мощности. К тому времени уже были вольтметры, которые измеряли величину постоянного напряжения и амперметры, которые измеряли величину постоянного тока. Вольтметры включались в электрическую сеть параллельно, а амперметры последовательно (рис. 13), но физическая суть электрических величин, названных Вольтами и Амперами, до сих пор остаётся в тумане.

Рис. 13. Схема включения вольтметра V и амперметра А в электрическую цепь

Вольтметр фиксирует величину постоянного напряжения . Напряжение, поданное потребителю, формирует ток . Его величину измеряет амперметр . Если напряжение и ток непрерывны, то на клеммах потребителя фиксируется величина электрической энергии , равная произведению напряжения на величину тока и на время

. (12)

Чтобы иметь представление о величине энергии, генерируемой в одну секунду, введено понятие мощность. Она определяется по формуле [1]

. (13)

Появление переменного тока значительно усложнило процесс измерения электрической энергии и мощности. Так как переменное напряжение и переменный ток изменяются синусоидально, то для определения средней мощности надо интегрировать функции изменения напряжения и тока в интервале периода их изменения и формула для расчёта средней мощности становится такой

. (14)

,

Нетрудно видеть (рис. 11), что при синусоидальном изменении напряжения и тока средняя мощность в интервале периода их изменения будет равна нулю. Из этого следует, что произведение средних значений переменного напряжения и переменного тока не может служить критерием для расчёта мощности переменного тока. В качестве такого критерия надо было выбрать конечный результат действия напряжения и тока. Так как электролитические процессы протекают только при постоянном напряжении, то электролитический результат действия тока тоже не может быть критерием достоверности средней мощности, генерируемой переменным напряжением и переменным током. Оказалось, что роль такого критерия может выполнять тепло, выделяемое при действии тока. В результате надо было найти параметры переменного напряжения и тока, которые генерируют такое же количество тепла, как и эквивалентные им величины постоянного напряжения и постоянного тока.

Количество тепла , выделяемое постоянным током на сопротивлении за время , равно

. (15)

Квадрат переменного тока позволяет учитывать его положительные и отрицательные значения (рис. 14). Тогда среднее значение квадрата силы синусоидального переменного тока за период можно определить по формуле

. (16)

Рис. 14. Синусоидальное изменение переменного тока

Аналогично определяется и средняя величина переменного напряжения, равная .

. (17)

,

Из этого следует амплитудное значение средней величины переменного напряжения (220В), равное

. (18)

Из этого следует, что средняя величина мощности переменного напряжения и тока определится по формуле

(19)

А теперь отметим, что импульсная энергетика пока базируется на постоянном напряжении и постоянном токе, поэтому мы пока не будем касаться характеристик средних величин переменного напряжения (17) и переменного тока (16) и средней величины переменной мощности (19).

1.7. Принципы работы электромоторов и электрогенераторов

Принципы работы электромотора и электрогенератора были открыты Майклом Фарадеем в начале 19-го века. Считается, что в его опытах наглядно проявилась связь между электрическими и магнитными явлениями. Однако, сейчас мы покажем, что эта наглядность оказалась ошибочной. Проводник с током перемещается в магнитном поле постоянного магнита не в результате взаимодействия электрического поля с магнитным, а в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля вокруг проводника, формируемого движущимися в нём электронами [1].

Чтобы понять это, надо разобраться с процессом взаимодействия магнитных силовых линий, формируемых обычными стержневыми постоянными магнитами (рис. 15).

Рис. 15. Схема взаимодействия магнитных силовых линий стержневых магнитов

Как видно (рис. 15, а), у разноименных магнитных полюсов, сближающих друг друга, магнитные силовые линии в зоне контакта полюсов (рис. 15, а, точки а) направлены навстречу друг другу , а у одноименных магнитных полюсов, отталкивающих друг друга (рис. 15, b, точки b), направления магнитных силовых линий в зоне контакта полюсов совпадают [1].

Из описанного процесса взаимодействия магнитных полюсов постоянных магнитов следует, что если у двух параллельных проводов ток будет течь в одном направлении (рис. 16, а), то силовые линии магнитных полей, формирующихся в плоскости, перпендикулярной проводам, в зоне их контакта будут направлены навстречу друг другу и провода будут сближаться, как разноименные полюса магнитов (рис. 15, а) [1].

Рис. 16. Схема взаимодействия магнитных полей параллельных проводников с током

Если же направление тока у параллельных проводов будет противоположно (рис. 16, b), то направления магнитных силовых линий образующихся при этом магнитных полей будут совпадать по направлению в зоне их контакта и такие провода будут удаляться друг от друга, как и одноименные полюса стержневых магнитов (рис. 16, b) [1].

А теперь обратим внимание на взаимодействие силовых линий магнитного поля постоянного магнита с силовыми линиями магнитного поля, формируемого электронами, движущимися от плюса к минусу по проводнику (рис. 17). В зоне D силовые линии направлены навстречу друг другу, поэтому они сближаются, как и силовые линии магнитных полей двух проводников с равнонаправленным током (рис. 16, а). В результате возникает сила , смещающая проводник влево (рис. 17).

Рис. 17. Схема движения проводника с током в магнитном поле

С другой стороны проводника, в зоне А, направления силовых линий постоянного магнита и магнитного поля, сформированного движущимися по проводнику электронами, совпадают по направлению. В этом случае, как следует на рис. 16, b, силовые линии отталкиваются и также формируют силу, направленную влево. Так формируется суммарная сила, перемещающая проводник с током в магнитном поле [1].

Как видно, перемещение проводника происходит в результате взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и проводника с током. Нет здесь взаимодействия электрического и магнитного полей, на котором базируется теория всей современной электротехники. Из этого следует, что нет здесь места и уравнениям Максвелла, из которых следует, что перемещение проводника с током в магнитном поле – следствие меняющихся напряженностей электрических и магнитных полей, о которых упоминает Е.А. Ильина [1]. Проводник движется в результате взаимодействия только магнитных полей.

Если же в магнитном поле движется проводник без тока (рис. 18), то в нём генерируется напряжение. Внешнее магнитное поле ориентирует свободные электроны в проводнике так, чтобы магнитные силовые линии их суммарного магнитного поля вокруг проводника формировали сопротивление его перемещению (рис. 18).

Рис. 18. Схема генерирования тока в проводнике, движущемся в магнитном поле

Движение электронов вдоль проводника (рис. 18) от плюса к минусу возникает благодаря принудительному перемещению проводника со скоростью в магнитном поле постоянного магнита в левую сторону. В зоне D магнитные силовые линии постоянного магнита и магнитные силовые линии проводника с током направлены в одну сторону и будут отталкиваться друг от друга, препятствуя перемещению провода в левую сторону. В зоне А указанные силовые линии будут направлены навстречу друг другу и будут сближаться и также препятствовать перемещению провода в левую сторону (рис. 18). Из этого следует, что перемещение электронов вдоль провода от плюса к минусу возможно только при принудительном перемещении провода в левую сторону [1].

Таким образом, работа электромоторов и электрогенераторов базируется на взаимодействии только магнитных полей, но не магнитных и электрических, как считалось ранее.

Из изложенного следует, что переменное магнитное поле вокруг проводника формируют электроны, движущиеся в нём. Зная детали процессов этих движений, можно управлять формированием магнитных полей вокруг проводников и таким образом заставлять ротор электрогенератора вращаться без постороннего привода. Первый такой генератор был изготовлен и испытан нами в 2010г (рис. 19).

Рис. 19. Первый в мире электромотор-генератор МГ-1

Роль мотора у МГ-1 выполняет ротор, а роль генератора статор. Это первый в мире потребитель электрических импульсов и одновременно генератор электрических импульсов – основа будущей импульсной энергетики. Дальше мы детально опишем итоги его испытаний.

1.8. Принцип работы диода

Ортодоксальная физика не имеет приемлемого варианта объяснения принципа работы диода. Он проясняется лишь при наличии модели электрона и знания законов его поведения в проводах с постоянным и переменным напряжением, которые мы уже описали.

Существующая интерпретация работы полупроводников и диодов базируется на понятии дырочной проводимости. Приводим текст определения понятия «дырка» из Физического энциклопедического словаря. М. «Советская энциклопедия» 1984г. 186с. «…..Дырка – положительный заряд , имеющий энергию, равную энергии отсутствующего электрона с обратным знаком».

Странное определение. Но надо учитывать, что это были первые представления о сути работы полупроводников. Теперь у нас есть возможность глубже проникнуть в эту суть. Для этого надо воспользоваться принципом последовательности анализа этого сложного явления.

Поскольку диод пропускает одни электроны и задерживает другие, то он делает это, учитывая два различных свойства электрона, а в заряде электрона заложено только одно свойство – отрицательный заряд. Поэтому надо включить в анализ поведения электрона в диоде и другие его характеристики. Так как электрон имеет отрицательный заряд и два магнитных полюса: северный и южный, то именно они и позволяют диоду выполнить функцию пропуска одних электронов и задержки других (рис. 20) [1].

В этом случае сохраняются представления о дырочной проводимости, если дырки, пропускающие и задерживающие электроны, наделить одноимённой магнитной полярностью (рис. 20).

Рис. 20. а) схема пропуска диодом электронов, имитирующих положительное напряжение;

b) схема задержки электронов, имитирующих отрицательное напряжение

Теперь нам известно, что электроны не имеют орбитальных движений в атомах. Они связаны с протонами ядер линейно. Поскольку протон тоже имеет северный и южный магнитные полюса, то возможна такая совокупность компоновки магнитных полюсов нейтронов, протонов и электронов, при которой на поверхности атома окажутся электроны, на внешней поверхности которых будут, например, южные магнитные полюса. Далее, возможно формирование таких молекул из этих атомов, которые создавали бы дырку, периметр которой и формировал бы дискретные магнитные поля одной полярности, например, южной (рис. 20, a).

Мы уже показали, что положительное напряжение соответствует ориентации электронов в проводе, показанной на рис. 20, a (слева). В этом случае к дырке диода с магнитным барьером, сформированным южными магнитными полюсами S атомов материала диода, подходят электроны с северными магнитными полюсами N, совпадающими с направлением движения этих электронов. Вполне естественно, что дырка диода с южным магнитным барьером пропустит электроны, пришедшие к ней со своими северными полюсами. Так электроны, формирующие напряжение с положительной частью амплитуды синусоиды, пройдут через диод (рис. 21).

Во второй половине периода изменения направления векторов магнитных моментов и спинов электронов у диодной дырки окажутся электроны с южными магнитными полюсами, направленными в сторону их движения (рис. 20, b). Вполне естественно, что диодный барьер, сформированный из южных магнитных полюсов электронов атомов, не пропустит такие электроны. Неудачливым электронам придётся ждать ещё пол периода и они окажутся повернутыми к диодной дырке северными магнитными полюсами и она пропустит их, как своих, а величина напряжения в момент, когда электроны в проводе были повернуты к диоду южными магнитными полюсами, будет равна нулю (рис. 20, b и 21) [1].

Рис. 21. Схема формирования диодом выпрямленного напряжения

Описанная закономерность работы диода следует из эксперимента, схема которого представлена на рис. 21. Обратим внимание на простоту электрической схемы рассматриваемого эксперимента. В ней нет ни ёмкости, ни индуктивности.

Рис. 22. Напряжение

Рис. 23. Ток

Осциллограммы напряжения и тока, выпрямленные диодом, показаны на рис. 22 и 23. Как видно, диод пропускает положительные значения переменного напряжения (рис. 22) и переменного тока (рис. 23), когда электроны, подошедшие к дырке, оказываются повернутыми к ней северными магнитными полюсами (рис. 20, а) и не пропускает отрицательные составляющие напряжения и тока, когда электроны оказываются повернутыми к дыркам южными магнитными полюсами (рис. 20, b).

1.9. Зарядка диэлектрического конденсатора

Ошибочность существующей интерпретации работы конденсатора особенно очевидна. Она базируется на присутствии в электрической цепи положительных и отрицательных зарядов. Носители этих зарядов известны: протон и электрон. Однако, также известно, что они чувствуют присутствие друг друга на расстоянии в тысячу раз большем размера электрона и в миллион раз большем размера протона [1]. Даже такое их далёкое соседство заканчивается процессом формирования атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии при температуре до 10000С. Это происходит, например, в процессах удаления электронов и протонов от Солнца и последующего объединения их в атомы водорода. Так что совместное присутствие протонов и электронов в свободном состоянии в проводниках полностью исключается, поэтому положительный и отрицательный потенциалы на пластинах диэлектрического конденсатора – ошибка физиков. Исправим её.

Сейчас мы увидим, что пластины диэлектрического конденсатора заряжаются не разноимённой электрической полярностью, а разноимённой магнитной полярностью. При этом функции плюса принадлежат южному магнитному полюсу электрона, а функции минуса – северному (рис. 1). Эти полюса и формируют полярность, но не электрическую, а магнитную. Проследим процесс зарядки диэлектрического конденсатора, чтобы увидеть, как магнитные полюса электрона формируют магнитную полярность его пластин. Известно, что между пластинами диэлектрического конденсатора находится диэлектрик D (рис. 24).

Схема эксперимента по зарядке диэлектрического конденсатора показана на рис. 24. Самое главное требование к схеме – ориентация её с юга (S) на север (N). Чтобы обеспечить полную изоляцию конденсатора от сети после его зарядки, желательно использовать электрическую вилку, включаемую в розетку сети с напряжением 220 V.

Сразу после диода d показан компас 1 (К), положенный на провод, идущий к конденсатору С. Стрелка этого компаса, отклоняясь вправо в момент включения вилки, показывает направление движения электронов (рис. 24) от точки S к нижней пластине конденсатора. Тут уместно обратить внимание на общность информации о поведении электронов в проводах, представленной на рис. 7, 8, 10, 12, 16 и 24.

Выше компаса 1 (рис. 24) показана схема направления магнитного поля вокруг провода, формируемого движущимися в нём электронами. Эта схема аналогична схемам, показанным на рис. 8.

Рис. 24. а) схема нашего эксперимента зарядки конденсатора;

Таким образом, электроны, прошедшие через диод, приходят к нижней пластине конденсатора, сориентированными векторами спинов и магнитных моментов к её внутренней поверхности (рис. 24). В результате на этой поверхности формируется северный магнитный потенциал (N).

Вполне естественно, что к внутренней поверхности верхней пластины конденсатора электроны придут из сети сориентированными южными магнитными полюсами (S). Доказательством этого служит экспериментальный факт отклонения стрелки верхнего компаса 2 (К) вправо (рис. 24). Это означает, что электроны, движущиеся из сети к верхней пластине конденсатора, ориентированы южными магнитными полюсами (S) в сторону движения (рис. 25).

Рис. 25. Схема движения электронов к пластинам диэлектрического конденсатора

Таким образом, ориентацию электронов на пластинах диэлектрического конденсатора обеспечивает проницаемость их магнитных полей через диэлектрик D (рис. 25). Потенциал на пластинах конденсатора один – отрицательный и две магнитных полярности: северного и южного магнитных полюсов.

На рис. 25 представлена схема, поясняющая ориентацию электронов, движущихся к пластинам конденсатора С. Электроны приходят к нижней пластине конденсатора, сориентированными северными магнитными полюсами (N) к её внутренней поверхности (рис. 25). К внутренней поверхности верхней пластины конденсатора приходят электроны, сориентированные южными магнитными полюсами (S).

Так электроны – единственные носители электричества в проводах формируют на пластинах конденсатора не разноимённую электрическую полярность, а разноимённую магнитную полярность. Нет на пластинах диэлектрического конденсатора протонов – носителей положительных зарядов.

1.10. Разрядка диэлектрического конденсатора

Процесс разрядки диэлектрического конденсатора на сопротивление – следующее экспериментальное доказательство соответствия реальности выявленной модели электрона (рис. 1) и ошибочности сложившихся представлений о том, что на пластинах диэлектрического конденсатора формируются разноимённые электрические заряды (рис. 26) [1].

Схема отклонения стрелок компасов (К) 1, 2, 3 и 4 при разрядке конденсатора на сопротивление R в момент включения выключателя 5 показана на рис. 26.

Как видно (рис. 26), в момент включения процесса разрядки конденсатора, магнитная полярность на пластинах конденсатора изменяется на противоположную и электроны, развернувшись, начинают двигаться к сопротивлению R (рис. 26, 27).

Рис. 26. Схема отклонения стрелок компасов (К) в момент разрядки конденсатора

Рис. 27. Схема движения электронов от пластин конденсатора к сопротивлению R при

разрядке диэлектрического конденсатора

Электроны, идущие от верхней пластины конденсатора ориентируются южными магнитными полюсами в сторону движения, а от нижней – северными (рис. 26). Компасы 3 и 4, установленные на совокупности проводов ВА, сориентированных с юга на север, чётко фиксируют этот факт, отклонением стрелок вправо, доказывая этим, что векторы спинов и магнитных моментов всех электронов в этих проводах направлены с юга на север (рис. 26, 27).

1.11. Конденсатор + индуктивность

Конденсатор и индуктивность – основные элементы колебательных систем. Схематически они показываются просто (рис. 28) [1]. Считается, что одна пластина конденсатора С заряжена отрицательно, а другая положительно. Если конденсатор электролитический, то это соответствует реальности, так как указанные потенциалы формируют его ионы. Другое дело провод, по которому движутся электроны. В нём не могут присутствовать одновременно и электроны, и протоны, так как их соседство заканчивается образованием атомов водорода и плазмы с температурой до 10000 С [1].

Рис. 28. Схема конденсатор + индуктивность

Таким образом, процессы, протекающие в конденсаторах и индуктивностях, а также проводах, которые соединяют их, остаются скрытыми для понимания. Попытаемся раскрыть эту таинственность. Для этого представим пластины конденсатора и провода, подходящие к ним, в увеличенном масштабе и разместим в них модели электронов (рис. 29). Катушку индуктивности представим в виде полутора витков и покажем направления движения электронов 1 и 2 в витках при разрядке конденсатора.

Рис. 29. Схема процессов движения электронов в цепи:

конденсатор – индуктивность при разрядке конденсатора

А теперь попытаемся найти ответ на главный вопрос электродинамики: в чём сущность причины, формирующей колебательный процесс изменения напряжения в системе конденсатор – индуктивность?

Чтобы найти ответ на поставленный вопрос, проследим за движением электронов к катушке индуктивности. Главное в этом процессе – направления движения электронов из конденсатора в катушку индуктивности. Мы уже показали, что эта задача решается вполне удовлетворительно с помощью древнейшего прибора – компаса. Установим эти приборы на провода, подходящие к катушке индуктивности, предварительно сориентировав их в направлении с юга на север (рис. 29).

Итак, проследим за движением электронов от конденсатора к катушке индуктивности вблизи клемм этой катушки. Обратим внимание на отличия в ориентации электронов в проводах, соединяющих конденсатор и актив,ное сопротивление (рис. 24, 26) и в проводах, соединяющих конденсатор и катушку индуктивности (рис. 29), зафиксированные отклонением стрелок компасов.

Теперь видно, что электроны от верхней и нижней пластин конденсатора встречаются в середине катушки индуктивности (сечение К-К) одноимёнными зарядами и одноимёнными южными магнитными полюсами. Это автоматически формирует процесс их отталкивания друг от друга и они устремляются вновь к пластинам конденсатора.

Когда конденсатор заряжен, то напряжение на его пластинах в момент включения выключателя 5 максимально и равно, например, 100 В (рис. 29, 30, а) [1].

Совокупность магнитных полей всех электронов во всех витках катушки (рис. 29) формирует суммарное магнитное поле, направление силовых линий которого легко определяется по направлению спинов электронов 1 и 2. Эти электроны подходят к сечению К-К с противоположно направленными векторами спинов и магнитных моментов. Это значит, что сформированные ими магнитные поля вокруг витков катушки в зоне встречи электронов (сечение К-К) направлены навстречу друг другу одноимёнными магнитными полюсами и тоже отталкиваются (рис. 29). Когда электроны, идущие от верхней и нижней пластин конденсатора С, встретятся в сечении К-К катушки, то конденсатор C полностью разрядится.

Итак, к моменту начала разрядки конденсатора напряжение U на его клеммах имеет максимальное значение (рис. 26, 30, а), ток I и напряжённость H магнитного поля катушки равны нулю (рис. 30, b). В момент прихода электронов к сечению К-К катушки и их остановки напряжение на клеммах конденсатора оказывается равным нулю (рис. 30, a), а величины тока и напряженности магнитного поля катушки – максимуму (рис. 30, b и c).

Далее, напряжённость магнитного поля катушки начинает уменьшаться (рис. 30, b) и автоматически изменяет направление векторов спинов и магнитных моментов электронов на противоположное и они, двигаясь назад к конденсатору, формируют на его клеммах противоположную магнитную полярность. В момент прихода электронов к пластинам конденсатора отрицательное напряжение на его клеммах достигает максимума (рис. 30, a), а величины обратно направленных тока и напряженности магнитного поля принимают нулевые значения (рис. 30, b и c).

После этого начинается второе движение электронов от пластин конденсатора к катушке. При этом электроны меняют направления векторов магнитных моментов и спинов на противоположные. В результате величина противоположного (отрицательного) потенциала на пластинах конденсатора начинает уменьшаться до нуля (рис. 30, a) а величина тока, обусловленная движением электронов с противоположно направленными векторами спинов, увеличиваясь, уходит в отрицательную зону (рис. 30, b). Так же изменяется и напряженность противоположно направленного магнитного поля катушки (рис. 30, c).

Когда электроны повторно придут к середине сечения К-К катушки, то напряжение на клеммах конденсатора станет равным нулю (рис. 30, a) а напряженность магнитного поля катушки, сформированная электронами с направлениями векторов спинов и магнитных моментов, противоположных первому приходу электронов к середине сечения К-К, и величина тока достигнут максимальных отрицательных значений (рис. 30, b и c). Так формируются синусоидальные законы изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля в колебательном контуре: конденсатор + катушка индуктивности [1].

Рис. 30. Закономерность изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля при разрядке конденсатора на катушку индуктивности (рис. 29)

Обратим внимание на то, что перезарядку конденсатора осуществляет один носитель электрического заряда – свободный электрон, без участия положительно заряженного протона, который не существует в проводах в свободном состоянии. Поэтому у нас нет никакого права приписывать пластинам конденсатора разную электрическую полярность. Они получают разную магнитную полярность.

Итак, у нас появилась возможность составить уравнения изменения напряжения U, тока I, и напряжённости Н магнитного поля в колебательном контуре конденсатор – катушка индуктивности. Поскольку в момент начала разрядки конденсатора напряжение U на его клеммах максимально, ток I и напряжённость магнитного поля Н минимальны, то уравнения их изменения запишутся так:

(20)

(21)

. (22)

Это и есть исходные уравнения, заменяющие уравнения Максвелла при описании процессов, протекающих в колебательном контуре конденсатор + индуктивность.

Специалистам понятно, что при отсутствии информации о структуре электрона невозможно описать процесс работы колебательного контура: конденсатор - индуктивность. Этот процесс раскрывает свои тайны при анализе в нём поведения, выявленной и глубоко обоснованной нами модели электрона (рис. 1) [1].

А теперь отметим особо роль ЭДС самоиндукции, которая возникает в обмотках катушек сразу после разрыва электрической цепи, по которой в неё подаётся напряжение. Человек давно научился извлекать пользу из импульсов ЭДС самоиндукции, подавая их на свечи зажигания двигателей внутреннего сгорания. Но на этом извлечение пользы из этих импульсов остановилось. В большей части других электротехнических устройств появление ЭДС самоиндукции считается вредным явлением и с ним борются, вместо того, чтобы извлекать пользу. Причина такого отношения к импульсам ЭДС самоиндукции скрыта очень глубоко. Она – следствие фундаментальной физической ошибки, незамеченной математиками, решавшими проблему учёта расхода электрической энергии и, в частности – средней электрической мощности, реализуемой первичным источником питания в виде импульсов напряжения и тока. Поэтому освоение резервов импульсной энергетики начнём с анализа этой ошибки.

2. ГЛОБАЛЬНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ ОШИБКА МАТЕМАТИКОВ

И

НОВЫЙ ЗАКОН ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

Все биологические объекты Природы потребляют электрическую энергию, питающую, например, сердце, импульсами. Это самый экономный процесс её потребления. Все источники электрической энергии, изобретённые человеком, производят её непрерывно. Абсолютное большинство этой энергии также потребляется непрерывно и все приборы, учитывающие её расход, настроены на непрерывное напряжение, генерируемое первичными источниками энергии: генераторами электростанций, аккумуляторами и батареями. Так как напряжение и ток являются функциями изменения электрической энергии, то математики первые взялись за решение задачи правильного учёта её расхода. Сейчас мы увидим, как дорого обходится человечеству стремление носителей математических знаний присваивать себе роль судей в достоверности физических знаний. Ниже информация о том, как авторитет математики закрывает возможность выявления физических ошибок с глобальными последствиями.

В системе СИ энергия выражается в Джоулях (Дж). Количество электрической энергии зависит от напряжения , тока и времени их действия и определяется зависимостью

. (23)

Чтобы иметь представление о величине энергии, генерируемой в одну секунду, введено понятие мощность. Она определяется по формуле

. (24)

Когда напряжение и ток непрерывны (рис. 31), то отдельное интегрирование функций напряжения и тока даёт их средние величины:

; (25)

(26)

и формула для расчёта средней мощности принимает простой вид

. (27)

Рис. 31. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах аккумулятора и лампочки

Рис. 32. Осциллограмма импульсной разрядки аккумулятора

Если же напряжение и ток потребляются импульсами с длительностью (например, рис. 32) значительно меньшей длительности секунды, то мощность, определённая произведением амплитуд импульсов напряжения и тока , не соответствует понятию Ватт, введённому в систему СИ, которая требует их непрерывного действия в интервале длительности всей секунды. Чтобы результат перемножения импульсных значений напряжения и тока соответствовал понятию Ватт, надо действие напряжения и тока растянуть до длительности одной секунды (рис. 32). Для реализации этой операции, давно введено понятие «скважность импульсов». Если импульсы напряжения и тока прямоугольные (рис. 32), то их скважность равна отношению периода следования импульсов к длительности импульса (рис. 32).

. (28)

Если импульсы имеют сложную форму, то их скважность определяется отношением площади осциллограммы, ограниченной по горизонтали длительностью периода (рис. 32), а по вертикали – амплитудой импульсов напряжения или тока к площади, занимаемой этими импульсами в указанных границах. При этом скважность импульсов напряжения может отличаться от скважности импульсов тока . Тогда средние величины напряжения и тока , соответствующие понятию Ватт, определяются по формулам:

; (29)

. (30)

Из этого следует, что средняя импульсная мощность , соответствующая понятию Ватт, определится по формуле

. (31)

Проверяем физическое соответствие этой формулы системе СИ. Наличие скважности импульсов тока , подтверждает то, что величина амплитуды тока растянута до значения, соответствующего непрерывному её действию в течение всего периода . Далее, появление импульсов тока (рис. 32) с амплитудами автоматически формирует импульсы напряжения с амплитудами и длительностью , соответствующей длительности импульсов тока (рис. 32). Чтобы указанные импульсы напряжения также соответствовали системе СИ, их тоже надо растянуть до длительности периода , то есть разделить амплитудные значения напряжения на скважность их импульсов . Описанное чётко отражено в формуле (31). Значит, она точно отражает физический смысл, заложенный системой СИ в понятие Ватт.

Однако, в учебниках по электротехнике уже более 100 лет написано, что средняя импульсная мощность рассчитывается путём деления произведения амплитудных значений напряжения и тока (рис. 32) на скважность импульсов один раз

. (32)

Чтобы понять физику процесса превращения интегральной формулы (24) в формулу (32), внимательно проанализируем процесс графического интегрирования функций напряжения и тока , представленных в интегральной формуле (24). Это необходимо для проверки соответствия этой формулы системе СИ и для проверки правильного перевода электрической энергии в другие виды энергии, например, в тепловую. Чтобы проверка была наглядной, привяжем её к осциллограмме, снятой с клемм аккумулятора, к которому подключена лампочка, потребляющая энергию импульсами тока с амплитудами , и импульсами напряжения с амплитудами (рис. 32). Когда импульс тока исчезает, то напряжение на клеммах аккумулятора восстанавливается до прежней величины, и оно не участвует в формировании мощности, отбираемой у аккумулятора, до появления следующего импульса тока. Это неучастие реализуется математической формулой (24) следующим образом. При графическом интегрировании она перемножает мгновенные значения напряжения и тока. На рис. 32 хорошо видно, что в интервале длительности импульса , указанное перемножение амплитудных значений напряжения и тока даёт средний результат . Когда действие импульса тока заканчивается, то его величина становится равной нулю. Это автоматически останавливает участие импульса напряжения с амплитудой в формировании средней величины мощности. Математики считают, что неучастие напряжения в формировании средней величины импульсной мощности в интервале реализуется тем, что произведение нулевых значений тока , в указанном интервале, на амплитудные значения напряжения даёт нулевое значение средней мощности . Логичность такого математического результата убедительна. А как при этом реализуется физическая суть процесса формирования средней импульсной мощности, соответствующей понятию Ватт? Мы не знаем почему, но поиск ответа на этот вопрос достался только нам. Вот физическая суть этого ответа.

Мы уже знаем, что величины импульсов напряжения и тока будут соответствовать понятию Ватт, введённому в систему СИ, только в том случае, когда их действие растянуто до длительности всего периода . Электронная программа, заложенная в осциллограф, автоматически считает все ординаты произведений мгновенных значений напряжений и токов, в том числе и - равные нулю. Так как этот процесс осуществляется в интервале времени равенства нулю только тока, то он эквивалентен делению произведений амплитудных значений напряжений и токов на скважность импульсов и формула (24) превращается, в упрощённую формулу, показанную в конце выражения (33).

. (33)

Нетрудно установить каким импульсам: напряжения или тока принадлежит скважность в формуле (33). Так как в интервале времени нулевые значения принимает только ток, то скважность, входящая в формулу (33), принадлежит только току, а напряжение вошло в эту формулу полной своей средней величиной, определённой не в интервале всего периода , а в интервале только длительности импульса напряжения. Из этого автоматически следует, что величина среднего напряжения вошла в формулу (33) в нерастянутом состоянии, то есть без деления на скважность её импульса, которая учитывала бы не математическое, а физическое неучастие напряжения в формировании средней величины мощности в интервале . За счёт этой величина средней мощности , оказывается увеличенной в количество раз, равное скважности импульсов напряжения.

Таким образом, мы установили владельца скважности , вошедшей в формулу (33). Она принадлежит импульсу тока и мы обязаны указать это в формуле (33) и записать её так

. (34)

Наличие в формуле (33) скважности импульсов тока означает, что его амплитудное значение растянуто до длительности периода , что полностью соответствует понятию Ватт. Отсутствие скважности импульсов напряжения в формуле (33) автоматически означает, что величина осталась не растянутой до длительности всего периода и участвует в формировании мощности всей своей величиной в течение всего периода, что искажает конечный результат в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Это и есть фундаментальная физическая ошибка математиков, которая оставалась незамеченной более 100 лет.

Вновь обращаемся к рис. 32 и видим, что напряжение участвовало в формировании мощности только в интервале длительности импульса и не участвовало в интервале , поэтому мы обязаны растянуть амплитуду () его действия на весь интервал . Делается это путём деления величины на скважность импульсов. Отсутствие этой операции в математической модели (33) автоматически делает величину средней мощности не соответствующей понятию Ватт, введённому в систему СИ, в количество раз равное скважности импульсов напряжения .

Так что существующий процесс учета электроэнергии, основанный на математической модели (33) – произволен и противоречит понятию Ватт, заложенному в систему СИ. Он даёт не Ватты, а винегрет из электрических величин. Все электросчётчики увеличивают величину потребляемой импульсной электрической энергии в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Это колоссальный энергетический резерв, остававшийся незамеченным более 100 лет. Наша задача доказать экспериментально наличие этого резерва. Реализация этого намерения длилась более 10 лет, так как все специалисты, с которыми приходилось обсуждать эту проблему, яростно доказывали правильность математической модели (33) для расчёта средней величины импульсной мощности и правильность показаний счётчиков электроэнергии, в которых реализуется эта модель.

Для доказательства достоверности математической модели (31) расчёта средней импульсной мощности проанализируем баланс мощности электромотора – генератора МГ-2, который потребляет энергию из аккумулятора импульсами напрямую, без каких либо промежуточных электронных устройств (рис. 33). Роль мотора у него выполняет ротор, а роль генератора – статор.

В качестве нагрузки возьмём ячейку электролизёра (рис. 34), проследим за процессом разрядки мотоциклетного аккумулятора 6МТС-9, питающего электромотор – генератор, и сравним с процессом разрядки такого же аккумулятора, питающего совокупность лампочек с общей мощностью, равной мощности, отбираемой у аккумулятора электромотором – генератором, рассчитанной по старой математической модели (32).

Рис. 33. Мотор-генератор МГ-2 и мотоциклетный аккумулятор для его питания

Рис. 34. Фото МГ-2 + 2 аккумулятора 6МТС-9 + ячейка электролизёра

Осциллограммы, снятые с клемм Мг-2 и аккумулятора, представлены на рис. 35 и 36. Значения напряжения и мощности, рассчитанные по старой математической модели (32), обозначены символами и , а по - новой - (31) - и .

Холостой ход МГ-2. Показания осциллографа на клеммах ротора МГ-2: ; ; ; . Результаты расчёта: ; ;

Рис. 35. Осциллограмма холостого хода ротора Мг-2

МГ-2 работал в режиме поочерёдной разрядки и зарядки аккумуляторов, как автономный источник энергии. Осциллограммы на 100 – й минуте опыта, длившегося 3 часа 10 мин. 2 представлены на рис. 36. Частота - 1800об/мин. Осциллограммы на клеммах ротора и статора МГ-2.

Итак, электронная программа осциллографа (рис. 35 и 36), определяющая средние значения напряжения и тока, базируется на математической модели (32). Справа осциллограмм (рис. 35 и 36) представлены средние значения напряжения и мощности , рассчитанные по старой математической модели (32). Для расчёта величин нового среднего напряжения использовалась новая математическая модель (31), а для расчёта нового среднего значения импульсной электрической мощности – математическая модель (31) нового закона формирования средней величины импульсной электрической мощности. Результаты расчётов, следующие из осциллограмм (рис. 35 и 36) представляем в таблицах 2 и 3.

На РОТОРЕ –рабочий ход	Ток прибора, 2,80А; . Осциллограф: ; ; ; ; . Расчётные данные: ; ; .
На СТАТОРЕ +1 ячейка	Осциллограф: ; ; ; ; . Расход раствора - ∆m=4,6 г, 8,57л или 2,7 л/час (). Расчётные данные: ; ; ; .
На СТАТОРЕ + зарядка аккумуляторов	Осциллограф: ; ; ; ; . Расчётные данные: ; ; .

Рис. 36. Осциллограммы электромотора-генератора МГ-2 на 100 – й минуте эксперимента

Таблица 2. Старые и новые средние импульсные мощности

на клеммах ротора и статора МГ-2

Мощность на клеммах:	Старая мощность, Вт	Новая мощность, Вт
1. Ротора (хол. ход)	36,54	8,70
2. Ротор (рабочий ход)	37,88	9,33
3. Статор (ЭДС самоиндукции)	5,51	1,63
4. Статор (ЭДС индукции)	3,22	0,80

Общее время эксперимента: 3 ч 10 мин. Получено 8,57 литров .

Таблица 3. Падение напряжения на клеммах аккумуляторов за 3 часа 10 минут

Номера аккумуляторов	Начальное напряжение на клеммах аккумуляторов, В	Конечное напряжение на клеммах аккумуляторов, В
1+2 (разрядка)	12,28	12,00
3+4 (разрядка)	12,33	12,00

Главное доказательство ошибочности старого математического закона (32) формирования средней величины импульсной электрической мощности и достоверность нового закона (31) - в сравнении времени разрядки аккумулятора, питавшего импульсами напряжения и тока МГ-2, со временем разрядки такого же аккумулятора, питавшего совокупность лампочек с общей мощностью (рис. 37), равной осциллографической мощности МГ-2, рассчитанной по старой математической модели (32).

Рис. 37. Разрядка аккумулятора лампочками

Согласно старому закону (32) формирования средней величины импульсной электрической мощности на клеммах ротора МГ-2, подключённого к аккумулятору, старая средняя импульсная мощность равна (рис. 36, первая осциллограмма). Каждая из двух пар 6-ти вольтовых аккумуляторов, соединённых последовательно при импульсной подаче электроэнергии в обмотку возбуждения ротора в течение 3 часов 10 минут снижала напряжения на своих клеммах (табл. 3) в среднем на 0,10В/час.

Начальное напряжение на клеммах аккумулятора, к которому были подключены лампочки общей мощностью (21+5+5+5)=36,00 Вт , равнялось 12,78В (рис. 37). После 1-го часа и 40 минут оно опустилось до 4,86В или на 7,92В. Это в 7,92/0,3=26,00 раз больше скорости падения напряжения на клеммах аккумулятора, питавшего МГ-2, без учета разного времени их работы. Этого вполне достаточно, чтобы сделать однозначный вывод о полной ошибочности старого закона (32) формирования импульсной электрической мощности. Конечно, мы не учли 8,57 л смеси водорода и кислорода, полученной путём электролиза воды электрической энергией, вырабатываемой МГ-2. Это, как говорят, дополнительная энергия. Из осциллограммы на рис. 36 следует, что прямые затраты электроэнергии на получение одного литра смеси водорода и кислорода составили 0,60Ватта.

Специалисты понимают, что новый закон формирования электрической мощности (31) доказывает ошибочность многих теоретических положений электротехники и электродинамики. Впереди большая работа по их исправлению. Новый закон формирования импульсной электрической мощности открывает неограниченные возможности для разработки экономных импульсных генераторов и импульсных потребителей электрической энергии.

3. БАЛАНС МОЩНОСТИ МОТОРА-ГЕНЕРАТОРА

3.1. Теоретическая часть

Мотор-генератор МГ-1 имеет обычный ротор и обычный статор. Роль мотора у него выполняет ротор, а роль генератора - статор (рис. 38). Потребовалось около 100 лет, чтобы понять, как заставить ротор генератора вращаться без постороннего привода.

Теоретический баланс мощности МГ-1 на холостом ходу представлен на рис. 39, а экспериментальный пусковой – на рис. 40.

Рис. 38. Фото мотора-генератора МГ-1

В момент начала вращения ротора его пусковой момент преодолевает сопротивления в виде моментов механических и рабочих сопротивлений и в виде инерциального момента . Сумма этих сопротивлений равна (рис. 39).

Рис. 39. График изменения вращающих моментов, действующих на ротор МГ-1

при запуске его в работу, и при равномерном вращении

Анализ осциллограммы на рис. 40, показывает, что величины амплитуд импульсов тока становятся одинаковыми, примерно, после 5-го импульса. Это значит, что равномерное вращение ротора начинается после 5-го импульса. На рис. 39 момент, когда инерциальный момент становится положительным , соответствует точке В. Амплитуда первого импульса напряжения - 100В, а амплитуда первого импульса тока (рис. 40) - 10А. Это значит, что мощность пускового импульса равна 100х10=1000Вт. (Особо подчеркнём мгновенного пускового, а не средний пусковой). Она реализуется на преодоление инерциального момента и забирается у первичного источника энергии один раз, в момент пуска ротора в работу, и поэтому не учитывается в балансе мощности МГ-1, которая реализуется в течение многих часов его работы.

Рис. 40. Осциллограмма пусковых значений напряжения и тока

обмотки возбуждения ротора без маховика

Поскольку инерциальный момент ротора участвует в процессе его пуска, то надо знать его величину. Для этого надо, прежде всего, определить кинетическую энергию равномерно вращающегося ротора и механическую мощность на его валу при этом вращении, используя формулу (40).

. (35)

Инерциальный момент , генерирующий кинетическую энергию (35) равномерно вращающегося ротора, равен

. (36)

Мы вычислили величину мощности (35) на валу равномерно вращающегося ротора и инерциальный момент (36), сопровождающий это вращение и не признаваемый динамикой Ньютона. Таким образом, на валу равномерно вращающегося ротора МГ-1, с = 2000об/мин. постоянно присутствует механическая мощность, равная 31,61 Вт (35) и инерциальный момент, генерирующий эту мощность, равный (36).

Ошибочность формулы (32), как мы уже показали, обусловлена тем, что и при генерировании импульсной мощности и при её потреблении импульсы тока, всегда рождают импульсы напряжения. Это автоматически требует деления на скважность импульсов не только тока, но и напряжения, что и отражено в формуле (31). Таким образом, если в электрическую цепь потребления подаются импульсы напряжения, то формула (32) искажает результат, так как однократное деление произведения амплитудных значений и на скважность импульсов превращает одну из них в непрерывную величину, что явно противоречит реальности, отображённой на рис. 41, где напряжение и ток – величины импульсные.

Рис. 41. Импульсы напряжения и тока в обмотке ротора на холостом ходу

Рис. 42. Импульсы ЭДС самоиндукции в обмотке статора на холостом ходу

Напряжение от первичного источника питания подаётся в обмотку возбуждения ротора МГ-1 (рис. 41). Амплитуды импульсов напряжения равны , а их скважность - . Если импульсы тока привести к прямоугольной форме, то скважности импульсов напряжения и тока будут равны . Тогда величина амплитуды тока будет равна . С учётом этого средние значения импульсов напряжения и тока будут равны:

; (37)

, (38)

а средняя электрическая мощность холостого хода на валу ротора (рис. 41) оказывается такой

. (39)

А теперь разберёмся с физическим смыслом средней импульсной мощности, представленной в формуле (39). На рис. 39 положительный инерциальный момент, соответствует механической энергии (мощности) равномерно вращающегося ротора. Мощность, соответствующая этому моменту, равна 31,61 Вт (35). Эта мощность присутствует на валу ротора постоянно при его равномерном вращении. Когда в обмотку ротора подаются импульсы напряжения с амплитудой , то одновременно формируется импульс тока с амплитудой (рис. 41). Средние значения этих импульсов равны: (37), (38), а их средняя электрическая мощность равна 3,13 Ватта (39). Это реальная электрическая мощность импульсов, поданных от первичного источника энергии в обмотку возбуждения ротора. Она складывается с величиной инерциальной механической мощности 31,61 Ватта (35), постоянно присутствующей на его валу при равномерном вращении ротора (рис. 41, 42). Суммарная импульсная мощность на валу ротора, в момент подачи в его обмотку импульса напряжения от первичного источника питания, равна

(40).

В результате этого постоянный инерциальный момент получает импульсную прибавку (рис. 39), величина которой соответствует импульсу электрической мощности (39). Эта прибавка идёт на преодоление сопротивлений , которые формируются процессами генерации напряжения и тока в обмотке возбуждения ротора в моменты, когда его электрическая цепь замкнута (рис. 39, интервалы и ). Как только электрическая цепь ротора размыкается, то сопротивления формирующиеся импульсами электрической мощности, рождающей импульсы инерциальных прибавок к инерциальному моменту , исчезают (рис. 39, интервал или D…E), а оставшийся запас инерциального момента продолжает вращать ротор до получения им следующего импульса (рис. 39, точка ). Из этого следует, что ротор забирает из сети импульсы электрической энергии. Их средняя мощность равна 3,13 Ватта (39). Из этого следует закон формирования мощности в электрической цепи. Он гласит: средняя мощность в любом сечении электрической цепи равна произведению средних значений напряжения и тока (39) [1].

Мы рассмотрели процесс пуска ротора МГ-1 и процесс его равномерного вращения и нас удивляет мизерная величина электрической мощности 3,13 Вт (39), которая вращает равномерно ротор с массой 2,6 кг и частотой 2000 об./мин на холостом ходу. Это удивление – следствие не учета нашим воображением 31,61Вт мощности, постоянно присутствующей на валу ротора МГ-1 при его равномерном вращении. Этот не учёт сформирован ошибочным первым законом Ньютона. Надо понимать, что мощность 3,13 Вт реализуется только на генерацию импульсов напряжения и тока в обмотке возбуждения ротора, которые формируют импульсные механические инерциальные прибавки к инерциальному моменту , преодолевающему все механические сопротивления.

Таким образом, постоянно присутствующая механическая мощность 31,61 Вт на валу ротора преодолевает все виды постоянных сопротивлений его вращению, а импульсы электрической мощности 3,13Вт (рис. 39, интервалы .), формируя импульсы магнитных моментов при взаимодействии магнитных полюсов ротора и статора, генерируют импульсные инерциальные прибавки инерциальному моменту и одновременно формируют рабочие импульсы ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции в обмотке статора [1]. Это очень экономный процесс одновременного генерирования электрических и механических импульсов мощности.

А теперь обратим внимание на узкий импульс S (рис. 41) ЭДС самоиндукции, возникающий в обмотке возбуждения ротора после формирования импульса ЭДС индукции. В обмотке статора также генерируются импульсы ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции (рис. 42).

3.2. МГ + ячейка электролизёра + лампочка

Следующий этап - анализ баланса мощности МГ-1, ячейки электролизёра, включённого в цепь ЭДС самоиндукции статора и лампочки, включённой в цепь ЭДС индукции статора (рис. 43, а). Осциллограммы напряжения и тока в обмотке возбуждения ротора, генерирующего мощность для питания одной ячейки электролизёра, подключённой в цепь ЭДС самоиндукции статора, и одной лампочки, подключённой в цепь ЭДС индукции статора, представлены на рис. 43, b, c и d.

Чтобы упростить расчёт мощности на валу ротора, приведём импульс тока (рис. 43, b) к прямоугольной форме. Тогда обработка осциллограммы даёт одинаковые величины скважности импульсов напряжения и тока, равные . С учётом этого средняя величина напряжения равна

, (41)

а тока

. (42)

Тогда средняя электрическая мощность на валу ротора равна

. (43)

Известно, что электролиз воды идёт при среднем напряжении на каждую ячейку, равном, примерно, 2 Вольта. Почему? Неизвестно. Неизвестно и влияние количества ячеек на производительность электролизёра. Ответ на этот вопрос получен недавно, при использовании самовращающегося генератора МГ-1 для питания электролизёра. Он выдаёт импульсы напряжения, которые не имеют прямой связи с первичным источником питания: аккумулятором или электрической сетью. Амплитуда и частота импульсов напряжения, которые он выдаёт, тесно связаны с его конструкцией и определяются частотой его вращения.

На рис. 42 представлена осциллограмма импульсов ЭДС самоиндукции, генерируемых в обмотке статора МГ-1 на холостом ходу, в момент разрыва электрической цепи, питающей обмотку ротора. Амплитуда импульсов напряжения равна (рис. 42), длительность импульсов – 0,50мс, а их скважность равна S=21,50 при оборотах ротора генератора, равных 2000 об./мин. Средняя величина ЭДС самоиндукции, генерируемая в обмотке статора равна, Uc=44/21,50=2,05B. На рис. 43, с – эти же импульсы (рис. 42), трансформированные одной ячейкой классического электролизёра.

Следующий этап – расчёт мощности, реализуемой на работу ячейки электролизёра. Как видно (рис. 43, с), ячейка уменьшает амплитуду импульса с до, примерно, , то есть в количество раз, равное скважности импульсов (S=21,51) напряжения на холостом ходу генератора (рис. 42).

Чтобы упростить расчёт, приводим импульсы тока (рис. 43, c) к прямоугольной форме. Тогда скважности импульсов напряжения и тока будут равны , а амплитуда тока . С учетом этого среднее напряжение, подаваемое в ячейку, будет равно

. (44)

Обратим внимание на то, что среднее напряжение импульса , меньше среднего напряжения (рис. 43, c около 2-х Вольт) на клеммах ячейки. Обусловлено это тем, что ячейка, зарядившись вначале, постепенно разряжается, а подаваемые импульсы напряжения с амплитудой 2,20 В и со скважностью S=1,72, подзаряжают её. При этом скважность S=1,72 уменьшает амплитуду импульса напряжения до средней величины 1,28В, используемой для расчёта мощности. Очень важно понять этот момент. Величина 2,20 В принадлежит электролизёру, а не источнику питания. Источнику питания (ЭДС самоиндукции статора) принадлежит средняя величина напряжения 1,28В.

а) МГ-1, электролизёр и лампочка	b) напряжение и ток на щётках ротора
с) напряжение и ток на клеммах электролизёра	d) напряжение и ток на клеммах лампочки

Рис. 43. МГ-1 и его потребители: электролизёр и лампочка

Средняя величина тока равна

, (45)

а мощности –

. (46)

Теперь определим мощность на клеммах лампочки c номинальной мощностью 20Вт, подключённой в цепь ЭДС индукции статора. Осциллограмма импульсов напряжения и тока на клеммах этой лампочки представлена на рис. 43, d. Приводим импульсы напряжения и тока к прямоугольной форме. Тогда их скважность будет равна . Амплитуда напряжения равна , а тока . Средние значения напряжения и тока будут равны:

; (47)

, (48)

Обратим внимание на то, что в цепи ЭДС индукции статора напряжение генерируется не постоянное, а импульсное (рис. 43, d), поэтому мы обязаны рассчитывать мощность на клеммах лампочки по формуле (46). В результате будем иметь

. (49)

Однако, лампочка, включённая в цепь ЭДС индукции статора в паре с ячейкой электролизёра, включённой в цепь ЭДС самоиндукции статора, имела полный накал, соответствующий её номинальной мощности 20Вт. Из этого следует, что полная мощность в обмотке статора равнялась

. (50)

Разделим мощность в обмотке статора (50) на мощность в обмотке ротора (43).

(51)

Таким образом, мощность, генерируемая в обмотке статора (50), в 1,64 (51) раза больше мощности в обмотке ротора (43). Для проверки достоверности этой эффективности МГ-1 был проведён контрольный эксперимент.

3.3. Результаты контрольного эксперимента

ПРОТОКОЛ

сравнительных испытаний мотора-генератора МГ-1 и газосварочного аппарата ЛИГА-12 при одинаковом пламени горелки

Мотор-генератор МГ-1 состоит из ротора и статора. Роль мотора выполняет ротор, а роль электрогенератора – статор. Мотор-генератор включался в электрическую сеть через латр к счётчику электроэнергии. В цепь ЭДС индукции статора включена лампочка мощностью 20 Вт. Она горела в полный накал спирали. В цепь ЭДС самоиндукции статора включена ячейка классического электролизёра.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

1. При испытании газосварочного аппарата ЛИГА-12 с такой же длиной пламени тот же электронный счётчик электроэнергии показал 160Вт при напряжении 221,6В, силе тока 0,82А и .
2. При испытании мотора-генератора МГ-1 электронный счётчик электроэнергии зафиксировал на клеммах латра 110Вт при напряжении 218,6В, силе тока 0,66А и .
3. Потери мощности на латре составили 10Вт.
4. Прямая сетевая мощность на клеммах мотора-генератора МГ-1 составила 110Вт-10Вт=100Вт. Это в 160/100=1,6 раза (37,5%) меньше, чем на клеммах газосварочного аппарата ЛИГА-12.
5. Таким образом, энергетическая эффективность (1,60 раза или 37,5%), полученная в контрольном эксперименте, почти равна энергетической эффективности (1,64 раза), полученной в обычном эксперименте (51).
6. К протоколу прилагается осциллограмма (рис. 44, а), обработка которой дала следующие результаты: амплитуда напряжения -, максимальная амплитуда тока , скважность импульсов напряжения и тока при приведении формы импульса тока к прямоугольной форме составила . С учётом этого среднее значение напряжения равно , а тока - .
7. Средняя мощность на клеммах ЭДС самоиндукции статора и на клеммах электролизёра равнялась .
8. Номинальная мощность лампочки, которая горела в полный накал, - 20Вт.
9. Суммарная мощность на клеммах обмотки статора равнялась .

а)

b)

Рис. 44. a) осциллограмма на клеммах электролизёра при контрольных испытаниях;

b) осциллограмма импульсной разрядки аккумулятора

Протокол контрольных испытаний, проводимых под председательством академика РАН, подписан 12.10.10 и находится в нашем архиве. На рис. 44, b явно видно, что при импульсной нагрузке напряжение на клеммах аккумулятора падает лишь в интервале длительности, ограниченной импульсами тока. Остальная часть напряжения сохраняется на номинальном уровне. Из этого следует, как мы уже показали, что реальная мощность, отбираемая от аккумулятора, должна рассчитываться по формуле (31). Приведённый анализ баланса мощности МГ-1 и протокол контрольных испытаний показывают его явную энергетическую эффективность.

Итак, доказано экспериментально, что все счётчики электроэнергии увеличивают реальный её импульсный расход в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Так как новые счётчики электроэнергии ещё не разработаны, то у нас остаётся одна возможность – показать реальную энергетическую эффективность импульсных её потребителей путём измерения средней величины импульсной электрической мощности на клеммах потребителя. В результате мы увидим значительные энергетические резервы, которые человечество ещё не научилось использовать из-за ошибочности математической модели, заложенной в электронные программы всех электроизмерительных приборов. Вполне естественно, что многовековая математическая ошибка будет исправлена и уже полученные экспериментально энергетические эффекты будут реализованы практически. Мы не будем часто напоминать об этом по ходу изложения результатов экспериментальных исследований, но читатель должен понимать, что время их практической реализации уже пришло.

4. АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Научно-технические достижения человечества – фантастика, которую теоретики приписывают себе, а экспериментаторы скромно молчат, являясь реальными авторами этих достижений. Новые экспериментальные данные увеличивают указанные разногласия. Наиболее значительные из них - в Динамике и Электродинамике [1].

Из первого закона динамики Ньютона следует, что если тело движется равномерно и прямолинейно, то сумма сил, действующих на него, равна нулю, а если тело вращается равномерно, то сумма моментов, действующих на него, также равна нулю.

Однако, автомобиль, проехав равномерно и прямолинейно, например, 10км., расходует бензин. В результате совершается работа, величину которой можно рассчитать теоретически. Или, если тело вращается равномерно, то на это вращение также расходуется энергия и её тоже можно рассчитать теоретически и определить экспериментально, а первый закон Ньютона отрицает это, утверждая, что сумма моментов, действующих на равномерно вращающееся тело, равна нулю. Это значит, что на равномерное вращение тела энергия не расходуется. Забавно получается, когда начинаешь осознавать, что эти фундаментальные теоретические противоречия спокойно живут столетия и заполняют головы учащейся молодёжи. Теоретики, вместо поиска причин этих противоречий, яростно доказывают их отсутствие [1].

В аналогичном положении находится и электродинамика. Её законы утверждают, что любой потребитель электрической энергии не может выработать её больше, чем получил от первичного источника питания [1]. Достоверность этого утверждения подтверждается всеми техническими устройствами, изобретёнными человеком до 2010г. Они потребляют электрическую энергию от первичного источника и преобразуют её в другие виды энергии, например, в электромеханическую или тепловую с коэффициентом полезного действия меньше единицы. Примером такого устройства является электромеханический генератор электрических импульсов (рис. 45, а). Электромотор (рис. 45, а, вверху) приводит во вращение электрогенератор (рис. 45, а, внизу) с постоянными магнитами. В экспериментах он реализовывал мощность, равную 180Вт. На рис. 45, b – прототип МГ-3.

а)

b)

Рис. 45. а) электромеханический генератор электрических импульсов;

b) прототип электромотора-генератора МГ-3

Разность мощности между рабочим и холостым ходом этого электрогенератора, зафиксированная счётчиком электроэнергии на клеммах его электродвигателя, равна 38,90 Вт. Это 21,60% от общей мощности, потребляемой из сети. Очень низкий показатель. Как же улучшить его? Чтобы ответить на этот вопрос, надо установить бесполезных потребителей энергии. Главными из них являются вращающиеся части электромотора и электрогенератора, загруженные напряжением и током первичного источника электроэнергии. Закон Ньютона утверждает, что сумма моментов, действующих на равномерно вращающиеся тела, равна нулю. Это значит, что на равномерное вращение роторов электродвигателя и электрогенератора (рис. 45) не расходуется энергия, а счётчик электроэнергии опровергает это, показывая, что мощность, реализуемая на равномерное вращение указанных роторов на холостом ходу, составляет (100-21,60)=78,40% (рис. 45). Законы механодинамики позволяют рассчитать механическую составляющую этой мощности. Для этого надо знать массу вращающихся частей, их радиусы инерции и частоту вращения.

Связь между кинетической энергией равномерно вращающегося тела и его мощностью следует из работы, совершаемой им при равномерном вращении за одну секунду (35). Так как мощность генерирует момент сил, то его величина определяется по формуле (36). Формула (36) однозначно отрицает равенство нулю суммы моментов сил, действующих на равномерно вращающееся тело. Из этого следует ошибочность первого закона динамики Ньютона, который выполнял фактически функцию запрещающую поиск резервов снижения затрат электрической энергии на вращение роторов электрогенераторов, питающих своих потребителей.

Механическое сопротивление вращению ротора формирует его момент инерции, а ток, протекающий по обмотке ротора, может усиливать или ослаблять это сопротивление. Поэтому возникает необходимость установить физические факторы, усиливающие сопротивление вращению ротора и ослабить их действие или полностью ликвидировать.

На рис. 46. представлена осциллограмма напряжения и тока, снятая с клемм электромеханического генератора электрических импульсов (рис. 45) и электролизёра. Поскольку между их клеммами лишь провода, то осциллограмма напряжения и тока у них едина.

Рис. 46. Осциллограмма импульсов напряжения (1) и тока (2) на клеммах

электромеханического генератора электрических импульсов и электролизёра

Обработка этой осциллограммы показала, что скважность импульсов напряжения равна, примерно, , а тока - . Средние величины напряжения и тока определяются делением их амплитудных значений , на скважность импульсов. Осциллограмма даёт нам такие значения: , . С учётом этого средняя мощность на клеммах электрогенератора равна

, (52)

а он забирает из сети 180Вт, то есть в (180/15,83)=11,37 раз больше. За час работы, при которой электромотор приводил в действие электрогенератор, питающий электролизёр, было получено 15,40 литра газовой смеси: водорода и кислорода. Это значит, что удельные затраты по показаниям счётчика электроэнергии составили 180/15,40=11,70 Вт/литр, а прямые удельные затраты энергии (без учета всех потерь), следующие из формулы (52) составили 15,83Втч/15,40=1,03 Втч/литр.

Из этого следует, что для уменьшения потерь электроэнергии на процесс электролиза воды надо сложную конструкцию, состоящую из электромотора и электрогенератора (рис. 45) упростить до состояния, при котором роль электромотора выполнял бы ротор, а роль генератора – статор. Такой электромотор-генератор впервые был создан в России в 2010г и дал обилие новой экспериментальной информации, неведомой ранее. На рис. 47 представлен электромотор – генератор МГ-1 без постороннего привода. Роль мотора у него выполняет ротор, а роль генератора – статор.

Рис. 47. Фото электромотора - генератора МГ-1 без постороннего привода

Он проектировался для питания от сети, но оказалось, что может питаться и от аккумуляторов, если их общее напряжение соизмеримо с напряжением сети. На рис. 47 представлены: МГ-1, ячейка электролизера и две группы аккумуляторов, каждая из 4-х 12-ти вольтовых мотоциклетных аккумуляторов 6МТС-9. Получая электроэнергию от одной группы аккумуляторов для вращения своего ротора, МГ-1 заряжает другую группу аккумуляторов и одновременно питает электролизёр. В результате образуется автономный источник энергии, который можно использовать для проверки законов динамики и электродинамики. Начнём с законов динамики. В чём суть ошибочности первого закона динамики?

Ньютон поставил на первое место в своей динамике закон равномерного движения твёрдого тела, которое всегда появляется после ускоренного движения любого тела и поэтому является его следствием. В реальности причина всегда первична, а следствие этой причины – вторично, поэтому на первое место надо было поставить закон ускоренного движения, а на второе – равномерного. Эта ошибка Ньютона уже исправлена в механодинамике, полная разработка которой ещё не завершена [1]. Но законы механодинамики уже систематизированы и их можно использовать для последовательного описания ускоренного, равномерного и замедленного движений или вращений твёрдых тел, которые они совершают в реальности. Ротор МГ-1 вращается равномерно. Первый закон динамики Ньютона утверждает, что в этом случае сумма моментов, действующих на него, равна нулю. Результаты проведённых экспериментов показывают ошибочность такого утверждения. Вот её суть.

Масса ротора электромотора-генератора МГ-1 равна , радиус инерции ротора равен . В данном эксперименте ротор вращался с частотой . Связь между кинетической энергией равномерно вращающегося ротора МГ-1 и его мощностью следует из работы, совершаемой им при равномерном вращении за одну секунду (35)

. (53)

Из результата, представленного в формуле (53) следует мощность, реализуемая непрерывно первичным источником питания на привод ротора МГ-1. Однако, все электрогенераторы генерируют электроэнергию путём периодического взаимодействия магнитных полюсов роторов и статоров. Встаёт вопрос: нельзя ли использовать момент инерции ротора для перевода непрерывного процесса подачи электроэнергии в его обмотку возбуждения в импульсный процесс? Оказывается можно. В результате появляется возможность ещё больше уменьшить мизерную мощность 5,06Вт (53), подаваемую в обмотку возбуждения ротора в количество раз, равное скважности механических импульсов взаимодействия магнитных полюсов ротора и статора.

В соответствии с законами механодинамики, равномерное вращение ротора МГ-1 всегда следует после ускоренного вращения. Осциллограмма изменения пускового момента ротора убедительно доказывает это (рис. 40).

Если бы электрическая энергия подавалась в обмотку возбуждения ротора МГ-1 непрерывно, то на его равномерное вращение требовалось бы 5,06Вт (53). При импульсной подаче электроэнергии в обмотку возбуждения ротора со скважностью импульсов требуется меньшая электрическая мощность 5,06/2,00=2,53 Вт. Однако механическая мощность постоянно действующая на валу ротора при его равномерном вращении, генерирует механический момент, рассчитываемый по формуле

. (54)

Таким образом, ошибочность первого закона Ньютона очевидна. Сумма моментов, действующих на равномерно вращающийся ротор, равна , а не нулю, как утверждает первый закон бывшей динамики Ньютона.

А теперь начнём совместную проверку достоверности закона электродинамики, который запрещает электромеханическому источнику энергии вырабатывать её больше той, какую он получает от первичного источника, в данном случае, от аккумуляторов, а первый закон динамики Ньютона запрещает участие в этом процессе вращающихся частей такого генератора.

Суть экспериментальной проверки достоверности указанных законов проста. Берём две группы из 4-х 12-ти вольтовых мотоциклетных аккумуляторов. Подаём из первой группы напряжение в обмотку возбуждения ротора МГ-1 импульсами. В ней формируются два импульса: ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции. Снимаем эти импульсы и направляем на зарядку второй группы таких же аккумуляторов. При периодическом изменении процессов разрядки на процессы зарядки этих аккумуляторов, образуется автономный источник электроэнергии, в обмотке статора которого также формируются два электрических импульса: импульс ЭДС индукции и импульс ЭДС самоиндукции. Эти импульсы можно использовать на питание технологических процессов, например, процесса электролиза воды (рис. 47).

Пробные эксперименты показали, что такой автономный источник энергии производит её больше, чем потребляет от первичного источника питания. Возникло искушение проверить его в длительном режиме: разрядка аккумуляторов + зарядка аккумуляторов + получение смеси газов водорода и кислорода при электролизе воды.

Приборы показали, что ток зарядки аккумуляторов равен 0,19А, а ток разрядки – 0,65А. Стало ясно, что долго такой автономный источник энергии не проработает.

Подключив дополнительное сопротивление, увеличили ток зарядки до 0,26А. Анализ показал, что для достижения равенства между током зарядки и разрядки необходимо изменить обмотку возбуждения ротора, которая генерирует два импульса: импульс ЭДС индукции и импульс ЭДС самоиндукции. Оба они участвуют во вращении ротора и зарядке аккумуляторов. На холостом ходу ротора амплитуды и длительности этих импульсов отличаются в десятки раз. В режиме зарядки аккумуляторов длительности и амплитуды обоих импульсов почти выравниваются.

Стало ясно, что в таких условиях невозможно рассчитать параметры обмотки ротора, обеспечивающие равенство токов разрядки и зарядки аккумуляторов. Решить эту задачу можно только экспериментально. Встал вопрос: что делать? Менять обмотку ротора или провести эксперимент пока при тех параметрах, какие есть. Его результаты, несомненно, будут интересны не только авторам эксперимента, но и читателям наших интернетовских публикаций. Они представлены в табл. 4.

Большее падение напряжения на аккумуляторах первой группы обусловлено низким напряжением на клеммах новых аккумуляторов №1 и №4, которое может быть следствием замыкания между пластинами. Вполне естественно, что бракованные аккумуляторы №1 и №4 исключали возможность продолжения эксперимента, и он был остановлен.

Из таблицы 4 следует, что напряжение на клеммах 2-й группы аккумуляторов уменьшилось от недозарядки и опустилось за 25 часов до 45,40В. Поскольку нижний уровень равен 44,00В, то есть основания полагать, что при нормальных аккумуляторах в обоих группах МГ-1 сможет проработать непрерывно до 30-35 часов при существующей разнице между током разрядки и зарядки.

Таблица 4. Результаты 25-ти часовых испытаний МГ-1

в режиме «вечного» электрогенератора

Циклы и часы работы	Общее напряжение первой группы аккумуляторов, В	Общее напряжение второй группы аккумуляторов, В
1	50,70-49,60 – разрядка	50,60-51,00 - зарядка
2	49,60-51,00 – зарядка	51,00-49,80 – разрядка
……..	………	……..
Через 1 час	51,00-48,40 – разрядка	49,60-51,00 – зарядка
………	………	….
Через 10 часов	51,00-46,60 – разрядка	47,70-51,00– зарядка
……	……….	…………
Через 20 часов	41,90-50,60 – зарядка	49,50-45,60 - разрядка
………	…….	……
Через 25 часов	50,20-41,00 - разрядка	45,40-48,30 - зарядка
За 25 часов получено 10 литров смеси газов водорода и кислорода (0,40л/час)

Причина разбалансировки процессов разрядки и зарядки аккумуляторов первой и второй групп следует из таблицы 5.

Таблица 5. Напряжение на клеммах аккумуляторов в режиме разрядки

Первая группа аккумуляторов		Вторая группа аккумуляторов
Номера аккумуляторов	Напряжение, В	Номера аккумуляторов	Напряжение, В
1	9,45	5	11,28
2	11,12	6	11,35
3	11,35	7	11,38
4	9,93	8	11,69

Итак, первый эксперимент работы МГ-1 в условном режиме «вечного» электрогенератора показывает возможность создания автономного источника энергии со сроком службы, равным сроку службы аккумулятора.

МГ-1 работает в автономном режиме и не потребляет энергию из сети, поэтому затраты энергии на электролиз воды этим генератором можно определить лишь из осциллограммы. Для этого проанализируем баланс электрической мощности МГ-1, используя математические модели старого (32) и нового (31) законов формирования импульсной электрической мощности.

Осциллограммы импульсов напряжения и тока показывают, что в соответствии со старым законом (32) формирования импульсной электрической мощности аккумуляторы реализуют на привод ротора 32,76Вт. В соответствии с новым законом (31) они реализовывали 7,50Вт при том же токе разрядки. Но это только электрическая мощность, к ней надо прибавить механическую мощность, постоянно присутствующую на валу равномерно вращающегося ротора. Тогда общая мощность на валу ротора будет равна 7,50+5,06=12,56Вт. Эта электрическая мощность расходуется на формирование импульсов механических моментов , вращающих ротор, а также на зарядку аккумуляторов и на электролиз воды. Так как функции напряжения и тока зарядки аккумуляторов непрерывны (рис. 48), то старый и новый законы формирования мощности, реализуемой на зарядку аккумуляторов, дают один и тот же результат .

Поскольку в формировании баланса мощности на валу ротора МГ-1 участвуют импульсы ЭДС самоиндукции статора и ротора, то пока не существует точных методов расчёта такого баланса. Поэтому остаётся одно – привести примерный его результат. Согласно старому закону (32) аккумуляторы реализуют на привод ротора электромотора – генератора 32,76Вт, а нового (31) – 7,50+5,06=12,56Вт. На зарядку аккумуляторов расходуется 9,84Вт, а на электролиз воды 2,34Вт и 0,76Вт соответственно.

На клеммах аккумуляторов: ; ; ; . Расчётные данные: ; .

Рис. 48. Осциллограмма на клеммах заряжаемых аккумуляторов

Таким образом, согласно старому закону (32) формирования импульсной электрической мощности, мощность на входе в МГ-1 равна 32,76Вт, а на выходе – (2,53+9,84+2,34)=14,71Вт, то есть мощность на входе в 32,76/14,71=2,23 раза больше мощности на выходе. Однако, более правильным будет учёт мощности на входе МГ-1, идущей от аккумуляторов и мощности на их зарядку. В этом случае мощность на входе в 32,76/9,24=3,33 раза больше мощности на выходе, то есть аккумуляторы отдают на питание МГ-1 мощность в 3,33 раза большую, чем получают от него на свою зарядку. Это полностью исключает длительную (25 часов) работу МГ-1 в автономном режиме. Новый закон (31) даёт другой результат: на входе 7,50Вт, а на выходе (2,53+9,24+0,76)=12,53Вт. Из этих результатов следует, что согласно новому закону (31) мощность на выходе МГ-1 в 12,53/7,50=1,67 раза больше мощности на входе, реализуемой аккумуляторами на привод МГ-1. Это обусловлено участием импульсов ЭДС самоиндукции ротора и статора, на которые почти не расходуется энергия аккумуляторов.

Подключение к аккумуляторам лампочек с общей мощностью 31Вт. Показало, что они разряжают аккумуляторы в линейном диапазоне (48,00-47,00В) в 2,66 раза быстрее. Разделив 32,76Вт на общую мощность на валу ротора 12,56Вт, имеем 2,61. Этот результат близок к 2,66, поэтому есть основания для признания ошибочности старого закона формирования средней электрической импульсной мощности. Этот вывод полностью подтверждают результаты эксперимента, представленные в табл. 4.

После изменения длительности импульсов и моментов начала их включения и выключения эксперимент, описанный в статье «Начало импульсной энергетики», был продолжен. Ток разрядки аккумуляторов в начале эксперимента 0,42А, а ток зарядки – 0,21А. Обмотка ротора не перематывалась.

Таблица 6. Результаты 70-ти часовых испытаний МГ-1

в режиме «вечного» электрогенератора

Часы работы	Общее напряжение первой группы аккумуляторов, В	Общее напряжение второй группы аккумуляторов, В
Через 1 час	51,50-50,00 – разрядка	50,20-52,00 – зарядка
Через 10 часов	51,00-49,30 – разрядка	49,10-51,50– зарядка
Через 20 часов	48,60-50,50 – зарядка	50,00-48,40 - разрядка
Через 30 часов	49,70-48,00 - разрядка	48,00-50,10 - зарядка
Через 40 часов	49,50-47,30 - разрядка	49,90-47,50 - разрядка
Через 50 часов	46,90-48,90 - зарядка	49,30-46,80 - разрядка
Через 60 часов	48,60-46,10 - разрядка	48,90-46,10 - разрядка
Через 70 часов	41,80-47,70 - разрядка	48,20-41,40 - разрядка
За 70 часов получено 43 литра смеси газов водорода и кислорода (0,60л/час)

Причина разбалансировки процессов разрядки и зарядки аккумуляторов первой и второй групп следует из таблицы 7.

Таблица 7. Напряжение на клеммах аккумуляторов в режиме разрядки через 70 часов непрерывной работы

Первая группа аккумуляторов		Вторая группа аккумуляторов
Номера аккумуляторов	Напряжение, В	Номера аккумуляторов	Напряжение, В
1	11,03	5	11,40
2	11,57	6	11,47
3	7,99	7	10,77
4	11,64	8	11,74

Аккумуляторы № 1,2,4 – ОАО Тюменского аккумуляторного завода.

Аккумуляторы № 3, 5, 6, 7 и 8 – ОАО «Электроисточник» г. Саратов.

Теоретический расчёт показывает, что при одинаковом высоком качестве всех аккумуляторов МГ- проработал бы в, так называемом, линейном диапазоне разрядки каждого аккумулятора (12,50-11,00)В около 90 часов.

Средняя мощность на клеммах ячейки электролизёра была равна 0,31Вт. Удельные прямые затраты на получение одного литра смеси водорода и кислорода составили 0,31/0,60=0,52Втч/л.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты длительного эксперимента доказывают ошибочность первого закона динамики Ньютона и ошибочность старого закона электродинамики, описывающего формирование средней величины импульсной электрической мощности. Новые законы механодинамики уже систематизированы [1]. Разработаны основы и новой электродинамики [1], которые уже вступили в стадию реализации при разработке электромоторов-генераторов МГ-1 и МГ-2. Достоверность нового закона формирования средней импульсной электрической мощности уже доказана серией различных экспериментов.

5. ВОДА – ИСТОЧНИК ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА

Вводная часть

Исчерпаемость существующих энергоносителей и ухудшающаяся экологическая обстановка сформировали понимание необходимости перехода на неисчерпаемую и экологически чистую водородную энергетику [33], [37], [38], [39], [46], [47].

В решение этой проблемы включились не только ученые, но и политики, поэтому желательно иметь более четкое представление о проблемах начального периода. Вода является самым ёмким накопителем энергии, поэтому на неё, как основной источник энергии, и возлагаются главные надежды. Уже разработаны технологии получения дополнительной энергии из воды в виде тепла, электричества и газов: водорода и кислорода, но они ещё малопроизводительны. Существовавшие до этого знания о микромире, в том числе и о молекулах, и кластерах воды не позволяли видеть перспективу значительного улучшения уже достигнутых показателей. Однако, новые знания о микромире такую возможность предоставляют и мы покажем её реализацию на простых лабораторных установках.

Вполне естественно, что уже достигнутые результаты открывают широкую перспективу использования воды, как источника энергии. Это вдохновляет и тревожит. Мы пока не знаем последствий этого направления для сохранения сложившегося баланса водных ресурсов нашей планеты. Хотя уже ясно, что новое энергетическое направление ослабит экологическую нагрузку на водные бассейны и среду обитания человека. Учитывая изложенное, приступим к анализу процесса электролиза воды с целью снижения затрат энергии на получение водорода и кислорода. Опишем серию экспериментов, которые показывают, что вода может разлагаться на водород и кислород с показателем энергетической эффективности, значительно больше единицы, если учёт электроэнергии импульсными потребителями будут вести новые счётчики электроэнергии.

Явное нарушение самого фундаментального закона физики – закона сохранения энергии, потребовало поиска причин возникших противоречий между теорией и экспериментом, но выполнить такой поиск, как мы уже описали, оказалось не так просто. Получалось так, что Природа разлагает воду на водород и кислород при фотосинтезе многократно экономнее, чем это делает человек, и её никто не упрекает в нарушении закона сохранения энергии. Поэтому первая задача на этом пути – найти причину, которая сдерживает наши возможности повторить достижения Природы в экономии энергии, затрачиваемой на разложение воды на водород и кислород.

Мы уже отметили одну из таких причин – ошибочность электротехнического закона сохранения энергии, математические модели которого заложены в программы всех измерительных приборов, учитывающих её потребление. Поэтому первейшая задача водородной энергетики – разработка новых счётчиков электроэнергии, которые бы правильно учитывали импульсное её потребление. Это откроет путь для разработки и применения экономных импульсных генераторов электрической энергии и импульсных её потребителей. Мы уже привели информацию о первых импульсных электромоторах – генераторах МГ-1 и МГ-2. Сейчас представим серию экспериментальных данных по импульсному электролизу воды, из которых следует экономичность этого процесса, питаемого электромоторами – генераторами. Мы не будет упоминать о них, так как опыты проводились до создания таких генераторов с помощью электромеханических и электронных генераторов электрических импульсов.

Сейчас наиболее совершенные промышленные электролизёры расходуют около 4 кВтч электроэнергии на получение одного кубического метра водорода из воды. При сжигании этого водорода может выделиться около 3,5 кВтч чистой энергии. Из этого следует, что водород может стать конкурентно-способным энергоносителем, если затраты энергии на его получение из воды сделать значительно меньшими энергии, получаемой при его сжигании. Мы покажем на серии экспериментов, что эта задача успешно решается при переходе на импульсную энергетику.

Нетрудно представить, какие финансовые и интеллектуальные ресурсы мира включены в решение этой задачи. В России этой проблемой занимаются многие научные учреждения отраслевой науки, существует научно-исследовательский водородный институт. В США и Европе созданы ассоциации ученых по водородной энергетике.

Решение задачи снижения затрат электрической энергии на получение водорода из воды должно начинаться с анализа резервов снижения этих затрат существующими электролизёрами. Они скрыты в постоянном потенциале электролизёров и мы покажем метод использования этого потенциала для снижения затрат электрической энергии на получение водорода из воды.

Но самый большой резерв снижения затрат энергии на электролиз воды скрыт в процессе фотосинтеза. Ежегодно при этом процессе растения выделяют из воды сотни миллионов кубометров водорода, атомы которого используются, как соединительные звенья при строительстве органических молекул. Для реализации этого процесса все живые организмы имеют собственные очень экономные источники энергии.

А что если смоделировать указанный процесс в техническом устройстве? Тогда образующийся водород, не имея возможности участвовать в строительстве органических молекул, будет вместе с кислородом выходить в атмосферу. Устройства для локализации и разделения этих газов уже существуют. Главное условие, при котором идет указанный процесс электролиза воды, – небольшая величина среднего тока при большой амплитуде его импульса.

Уже получены патенты на ряд таких устройств и их можно увидеть в действии. Конечно, это пока небольшие малопроизводительные лабораторные модели, но они устойчиво разлагают воду на водород и кислород при среднем токе 0,02-0,03 Ампера, а также и при отключенном внешнем источнике питания.

Установлено, что зарядка такого электролизера идет несколько минут. После этого его можно отключать от сети и он будет разлагать воду на водород и кислород без постореннего источника питания. Этот процесс легко наблюдается по выходу пузырьков газов в течение нескольких часов после отключения электролизёра от сети. Из этого следует, что нет нужды держать электролизёр включенным в электрическую сеть непрерывно. Для поддержания такого электролизёра в рабочем состоянии его достаточно подключать к источнику питания периодически.

Одновременно на электродах такого электролизёра появляется напряжение и его можно использовать, как источник электрической энергии. Владея всей нашей научной информацией по этому вопросу, имея неограниченное финансирование и - природную скрупулёзность в стремлении к совершенству сделанного, японские исследователи уже имеют автомобиль, работающий на электричестве, получаемом не из топливного элемента, а из электролизёра.

5.1. Противоречия существующей теории электролиза воды

Полезность любой теории определяется её возможностями правильно интерпретировать результаты уже существующих экспериментов и прогнозировать возможность получения новых теоретических и экспериментальных данных. Посмотрим, отвечает ли этим требованиям, существующая теория электролиза воды [5], [6], [8], [9], [10], [11], [12], [14], [15]. [19], [20], [23], [24], [29], [31]? Для этого, проанализируем классический способ получения водорода при электролизе воды. Он описан в многочисленных учебниках. Химические реакции, протекающие при этом процессе, используются для расчетов его параметров. Они признаются предельно ясными и не вызывают возражений как среди химиков, так и среди физиков. Посмотрим, действительно ли здесь все так ясно?

Вот как описываются катодные и анодные реакции в учебнике [2]. "На катоде протекает следующая реакция:

(55)

Два электрона, поступающие с катода, реагируют с двумя молекулами воды, образуя молекулу водорода и два иона гидроксила . Молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода (после того, как раствор вблизи катода насытится водородом), а ионы гидроксила остаются в растворе.

На аноде протекает реакция

(56)

Четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая разлагается с образованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода.

Суммарную реакцию можно получить, умножая уравнение (56) на 2 и суммируя с уравнением (56). Она выглядит следующим образом:

(57)

... в кислых растворах, с высокой концентрацией ионов водорода, на катоде может просто протекать реакция

(58)

Закроем кавычки и зададим такой вопрос: что следует понимать под символом при таком изложении сути процесса электролиза воды? Естественно, означает положительный ион атома водорода, то есть протон. Однако химики умудрились обозначить этим же символом и положительно заряженный ион гидроксония . Они давно приняли соглашение: в целях упрощения записи, писать , вместо - . Вот и приходится гадать: всегда ли под химическим символом надо понимать совокупность символов или нет? А если нет, то, как же различать случаи "да" и "нет"? Ведь символ используется в многочисленных других химических реакциях.

Если согласиться с процессом электролиза, описанным в приведенном учебнике, то из него следует, что в водном растворе существуют протоны, которые автор обозначает символом . Имея положительный заряд, они движутся к катоду и, получив от него электрон , образуют вначале атомы водорода , которые, соединяясь, формируют молекулы , выделяя при этом 436 кДж/моль. По-другому ведь невозможно интерпретировать формулы (56), (57), (58).

Кроме того, из формул (57, 58) следует, что у анода идет процесс синтеза молекул кислорода из его атомов, который должен сопровождаться выделением энергии 495 кДж/моль [2]. Это также надо учитывать при анализе энергетического баланса процесса электролиза воды, но в современной химии не принято проводить такой анализ, так как из него следуют противоречия с экспериментом. Рассмотрим одно из них.

Введем, как это и должно быть, символ для обозначения только протона. Тогда реакция синтеза атома водорода запишется так

(59)

Реакция синтеза молекулы водорода представится в виде

. (60)

Гипотеза о присутствии в различных химических растворах свободных протонов атомов водорода плодотворно используется в химии. Однако появление плазменного электролиза воды ставит эту гипотезу под сомнение. Дело в том, что протон - это очень маленькое и очень активное образование, которое может существовать только в составе ядра атома или в составе атома водорода, выполняя роль его ядра. Атом водорода имеет такую структуру, которая обеспечивает ему реализацию функций идеального звена (рис. 4), соединяющего атомы в молекулы.

Таким образом, в электролитическом растворе у протона почти отсутствует фаза существования в свободном состоянии. Отделившись от одного химического элемента, он тут же соединяется с другим.

При плазменном электролизе воды формируются такие условия, когда протон атома водорода, отделившись от молекулы воды, соединяется с электроном, испущенным катодом, и образует атом водорода. Известно, что атомы водорода существуют в свободном состоянии при температуре (2700...10000)С [13]. Это означает, что при определенной плотности атомов водорода в единице объема должна формироваться плазма с такой температурой. Но при низковольтном электролизе воды плазма атомарного водорода, как известно, не образуется. Это значит, что в этом случае отсутствуют условия существования атомов водорода в свободном состоянии, то есть условия синтеза атомов водорода.

В современной химии известна энергия синтеза молекул водорода (436 кДж/моль), поэтому мы можем рассчитать примерное количество энергии, которое должно выделяться в электролитическом растворе при получении одного кубометра водорода в условиях, когда свободные атомы водорода объединяются в молекулы, как это следует из старой теории электролиза воды (55-59) [2], [7], [13]. В одном кубическом метре водорода содержится 1000/22,4=44,64 моля молекулярного водорода. При его синтезе выделяется энергия

(61)

Современные лучшие электролизеры расходуют на получение одного кубического метра водорода около 4 кВтч электроэнергии или (3600х4) = 14400 кДж. Учитывая энергию (19463,0 кДж) синтеза одного кубического метра водорода и энергию (14400 кДж), затрачиваемую на его получение, находим показатель тепловой энергетической эффективности низковольтного процесса электролиза воды, следующий из старой теории электролиза воды.

. (62)

Таким образом, простой и строгий расчет показывает, что процесс низковольтного электролиза воды, следующий из его старой теории, должен сопровождаться выделением 35% дополнительной тепловой энергии только в зоне катода.

Обратим внимание на то, что показатель эффективности (62) учитывает только энергию синтеза молекул водорода и не учитывает энергию синтеза атомов водорода и молекул кислорода, а также энергосодержание полученного водорода. Этот показатель (62) подтверждает возможность получения дополнительной энергии, но при условии, чтобы электролиз воды сопровождался процессом синтеза молекул водорода. Отсутствие дополнительной тепловой энергии в работе современных промышленных электролизеров вынуждает нас делать вывод об отсутствии при этом процессе синтеза молекул водорода из его атомов.

Если согласиться с наличием процесса синтеза молекул кислорода, то в зоне анода должна протекать реакция

, (63)

то есть должны формироваться молекулы кислорода и атомы водорода. Но, как известно, при низковольтном электролизе воды в зоне анода выделяется только кислород.

Известно также, что при низковольтном процессе электролиза воды формирование (44,64 моля) водорода сопровождается выделением 22,32 моля молекулярного кислорода. В результате этого должно выделяться 495х22,32=11048,80 кДж энергии. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода, получим

(64)

Тогда общий показатель тепловой энергетической эффективности низковольтного процесса электролиза воды с учётом энергии, выделяющейся в зонах катода и анода, должен быть таким

(65)

Но в реальности его нет. Тепловой энергетический показатель современного низковольтного процесса электролиза воды меньше единицы, поэтому возникает вопрос: каким образом формируются молекулы водорода и кислорода при низковольтном процессе электролиза воды, не генерируя ту энергию, которая следует из старой теории этого процесса (61 и 63)? Ответа нет [2].

5.2. Новая теория электролиза воды и её экспериментальная проверка

Вооружившись полученной информацией, приступим к поиску новой теории существующего процесса электролиза воды. Эта теория должна ответить, прежде всего, на следующий вопрос: почему теоретические расчеты показывают наличие дополнительной тепловой энергии при низковольтном электролизе воды, а существующие промышленные электролизеры не генерируют её?

Поскольку атомарный водород существует лишь при температуре 2700-10000 С, а в обычных электролизёрах такой температуры нет, то это значит, что при электролизе воды отсутствует процесс синтеза молекул водорода из его свободных атомов и сразу возникает вопрос откуда берутся молекулы водорода при электролизе воды? Почему наши предшественники не поставили этот вопрос? Мешало орбитальное движение электронов в атомах, которое лишало возможности формирования правильных представлений о процессах соединения атомов в молекулы. Теперь мы знаем, что электроны взаимодействуют с протонами ядер не орбитально, а линейно [51]. Отсутствие орбитального движения электронов в атомах и их линейное взаимодействие с протонами ядер раскрывает структуры любых атомов, в том числе и атомов водорода (рис. 4) и кислорода (рис. 49, b), которые входят в состав молекулы воды.

Отметим ещё раз: атомарный водород (рис. 4) существует в плазменном состоянии при температуре 2700-10000 С. Если бы образование молекул водорода при электролизе воды шло путем отделения его атомов от молекул воды, то в фазе атомарного состояния водорода в электролитическом растворе должна формироваться указанная температура, но её нет, поэтому у нас появляются основания предположить, что молекулы водорода и кислорода выделяются из кластеров воды в синтезированном состоянии. Плодотворность этого предположения подтверждают структуры атома кислорода (рис. 49, b) и молекулы воды (рис. 50).

Рис. 49. Схемы ядра и атома кислорода

Рис. 50. Схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода;

- ядра атомов водорода (протоны); и - номера электронов атомов водорода

Два электрона 1 и 2 атома кислорода (рис. 49, b) расположены на оси атома, а шесть остальных – по кругу, перпендикулярному оси. Можно предположить, что суммарное электростатическое поле шести электронов, расположенных по кругу (назовем их кольцевыми электронами), удаляет первый и второй осевые электроны на большее расстояние от ядра атома, чем то расстояние от ядра атома, на котором распложены кольцевые электроны. Поэтому осевые электроны атома кислорода являются его главными валентными электронами. Именно к этим электронам и присоединяются электроны атомов водорода, и образуется молекула воды (рис. 50) [51].

Символами и обозначены электроны атомов водорода, а символами и - протоны атомов водорода. Структура атома водорода (рис. 4) показывает, что если этот атом соединится с первым осевым электроном атома кислорода своим единственным электроном, то протон окажется на поверхности молекулы и образует зону с положительным зарядом, который будет генерироваться протоном атома водорода. Аналогичную зону сформирует и протон второго атома водорода, который соединяется со вторым осевым электроном атома кислорода (рис. 49). Отрицательно заряженную зону сформируют электроны атома кислорода, расположенные по кольцу вокруг оси атома кислорода [51].

Поскольку при охлаждении электроны излучают фотоны и приближаются к ядру атома, то шесть кольцевых электронов атома кислорода в молекуле воды (рис. 50), приближаясь к ядру атома, своим статическим полем удаляют осевые электроны от ядра. В этом случае расстояние между атомами водорода, расположенными на оси молекулы воды, увеличиваются. Это главная причина увеличения размеров молекул воды при их замерзании.

Обратим внимание на то, что кластеры воды формируются, прежде всего, протон - протонными связями, когда две её молекулы соединяются соосно. Если учесть, что размер протона на три порядка меньше размера электрона, то протон – протонная связь легче разрушается при механическом воздействии на такой кластер (рис. 51, а). Второй вариант образования кластера – соединение осевого протона одной молекулы воды с кольцевым электроном другой молекулы воды. Это – протон – электронная связь (рис. 51, b). Её прочность тоже меньше прочности электрон - электронной связи. Эти факты и проясняют текучесть воды.

Рис. 51. Кластеры молекул воды: а) - линейный кластер воды;

b) шести лучевой кластер воды

Молекулы воды формируют кластеры различных форм. При определённых условиях и определённой температуре (в зимних облаках) шесть молекул воды присоединяются своими протонами атомов водорода к кольцевым электронам атома кислорода другой молекулы воды. В результате образуется шести лучевая структура, которая с увеличением размера и усложнением формирует ажурную шести лучевую структуру – снежинку. Этот естественный процесс реализуется при строго определённых энергиях связи валентных электронов, которые зависят от энергий поглощаемых и излучаемых фотонов.

Большое электрическое сопротивление воды обусловлено тем, что на осевых концах молекул располагаются положительно заряженные протоны атомов водорода. В результате линейные кластеры молекул воды имеют на обоих концах одноимённые заряды, что исключает возможность формирования электрической цепи в чистой воде.

Чтобы уменьшить электрическое сопротивление воды и увеличить её электропроводность, надо ввести в раствор ионы, которые имели бы на одном конце главной оси электрон, а на другом протон. В этом случае такие ионы легко объединяются в линейные кластеры с разными знаками электрических зарядов на их концах, что и приводит к формированию электрических цепей в растворе, которые увеличивают его электропроводность. В качестве примера можно рассмотреть присутствие в воде иона (рис. 52).

Известно, что вода может обладать щелочными или кислотными свойствами. Щелочные свойства формируются за счет увеличенного содержания в воде гидроксила [1].

Рис. 52. Схемы: а) гидроксила ; b) кластера

На рис. 52, а представлена схема гидроксила . На одном конце оси гидроксила расположен электрон атома кислорода, а другой - завершается протоном атома водорода. Таким образом, гидроксил – идеальное звено электрической цепи. Под действием приложенного напряжения эти ионы формируют линейные кластеры с положительным и отрицательным знаками электрических зарядов на концах (рис. 52, b). В результате электрический импульс напряжения передаётся вдоль этого кластера [1] .

Конечно, ток не течёт вдоль кластера. Он формируется благодаря тому, что ион гидроксила , расположенный на конце кластера у анода (рис. 52, b) отдаёт ему свой электрон, а протон атома водорода у иона , расположенного у катода, получает электрон из сети.

Если к этому добавить тот факт, что водород выделяется у катода (-), а кислород у анода, то факт движения электронов от анода (+) к катоду (-) во внешней цепи, соединяющей анод и катод, который мы уже описали, становится неоспоримым. На каком основании электротехники считают, что электроны в цепи постоянного тока движутся от минуса (-) к полюсу (+) остаётся тайной. Поэтому мы будем придерживаться уже описанного нами неоспоримого экспериментального факта о движении электронов в цепи постоянного тока от плюса (+) к минусу (-).

Известно, что молекулы водорода могут существовать в двух формах, которые называются ортоводородом и параводородом (рис. 53).

Итак, процесс электролиза начинается с выхода электрона из катода в раствор. Осевые протоны двух молекул воды (рис. 54, а и b), получив от катода по электрону , соединяются в кластер, в структуре которого оказывается молекула ортоводорода (рис. 54, а) в синтезированном состоянии.

Рис. 53. Схема молекулы водорода : а), b) - ортоводород; c) - параводород

Рис. 54. Схема формирования молекулы ортоводорода в структуре кластера из двух

молекул воды

Теперь надо организовать такое импульсное воздействие на этот кластер, чтобы образовавшаяся молекула ортоводорода выделилась в свободное состояние (рис. 53, с). Обратим внимание на то, что на образование молекулы водорода в этом процессе расходуется два электрона , пришедшие из катода, то есть из сети.

В соответствии с законом Фарадея, на образование одного моля водорода в этом случае расходуется два Фарадея Кулонов электричества или [1].

Если электролиз идет при напряжении 1,70V, то на получение одного моля водорода будет израсходовано , а на получение -

(66)

Как видно, расчеты с использованием закона Фарадея дают результат, совпадающий с расходом электроэнергии на получение одного кубического метра водорода из воды лучшими современными электролизёрами.

В Природе, например, при фотосинтезе, как мы уже отметили, этот показатель многократно меньше, поэтому перед нами естественный вопрос: как уменьшить затраты энергии но получение водорода из воды?

Для этого нам необходима информация об энергиях химических связей электронов атомов водорода и кислорода с их ядрами в момент пребывания электронов на любом энергетическом уровне (табл. 8 и 9).

В ряду энергий связей электрона с протоном атома водорода (табл. 8) и валентного электрона атома кислорода с протоном его ядра (табл. 9) есть энергии связи (1,51eV) и (1,53 eV), при которых начинается и идет процесс выделения газов в процессе электролиза воды, согласно старой теории этого процесса.

Эти энергии соответствуют пребыванию электронов на третьих энергетических уровнях. Раньше, из анализа процесса синтеза молекулы воды, мы установили, что энергия связи между электронами атомов водорода и кислорода в молекуле воды равна 1,48eV (рис. 50, b).

Таблица 8. Спектр атома водорода

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,220
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38

Таблица 9. Спектр первого электрона атома кислорода

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп.)	eV	10,18	12,09	12,76	13,07	13,24
(теор.)	eV	10,16	12,09	12,76	13,07	13,24
(теор.)	eV	3,44	1,53	0,86	0,55	0,38

Итак, среди энергий связи электрона атома водорода с его ядром (протоном) есть энергия (1,51 eV), близкая к экспериментальному значению (1,48 eV). Определим аналогичные энергии для электронов атома кислорода.

Поскольку в химических реакциях участвуют, в основном, поверхностные электроны атомов, которые имеют близкие значения энергий связи с ядрами атомов на одноименных энергетических уровнях, то ограничимся анализом энергий связи первого электрона атома кислорода (табл. 9).

Как видно (табл. 9), энергии связи первого электрона атома кислорода практически совпадают с соответствующими энергиями связи электрона атома водорода (табл. 8). Причем, энергия, соответствующая третьему уровню (1,53 eV), близка к экспериментальному значению энергии (1,48 eV) газовыделения при низковольтном электролизе воды. Так что теоретические значения энергий связи электрона первого атома водорода и первого электрона атома кислорода в молекуле воды, полученные на основании закона формирования спектров, представленного в нашей монографии [1], близки к экспериментальным значениям этой энергии (табл. 9).

Теперь у нас появились веские основания полагать, что первый электрон атома кислорода, устанавливая связь с первым атомом водорода в молекуле воды, находится вблизи третьего () энергетического уровня (табл. 8).

Анализируя закономерность изменения энергий связи электронов атома кислорода и других атомов с их ядрами, мы установили, что в условиях присутствия в атоме всех электронов они имеют, примерно, одинаковые энергии связи с ядрами атомов. Поэтому будем считать, что симметричность молекулы воды обеспечивает равные (или близкие) энергии связи с ядром его первого и второго электронов.

Низковольтный процесс электролиза воды обычно идет при напряжении (1,6 - 2,3)B и достаточно большой силе тока, свидетельствующей о большом расходе электронов.

Поскольку первый и второй электроны атома кислорода удалены от его ядра дальше других электронов, то протон атома водорода, связанный с одним из этих электронов, первым приближается к катоду и получает от него электрон (рис. 54, а). После того, как две молекулы воды получат по электрону , их поверхностные электроны сразу же соединяются и образуют кластер из двух молекул воды (рис. 54, а, b), соединенных двумя электронами , испущенными катодом. Как видно, в цепочке протонов и электронов, соединяющих две молекулы воды, присутствует молекула ортоводорода (рис. 53, a и 54, а, b). Так как электроны, пришедшие от катода, прошли фазу свободного состояния, то синтез молекулы водорода в этой цепочке сопровождается затратами энергии, величину которой (на ) мы уже рассчитали (66).

Энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436кДж. Переведем её в электрон-вольты в расчете на одну молекулу [32].

. (67)

Величина этой энергии показана справа от молекулы водорода, расположенной в кластерной цепочке (рис. 54), а слева показаны энергии 1,48eV связи атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды. Энергия 4,53eV синтеза молекулы водорода перераспределяет энергии связи в кластерной цепочке таким образом, что энергии 1,48eV связи атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды становятся равными нулю и молекула ортоводорода выделяется из кластерной цепочки (рис. 54, с).

Таким образом, разность между энергией 4,53eV синтеза молекулы водорода и суммарной энергией связи (1,48+1,48) = 2,96 eV оказывается равной (4,53 – 2,96)=1,57eV. Эта энергия расходуется на нагревание электролитического раствора. Поэтому при выделении водорода выделится не 44,64х436=19463 кДж, предсказываемых старой теорией электролиза, а следующее количество тепловой энергии

(68)

При этом у катода идёт химическая реакция

(69)

Вполне естественно, что количество тепловой энергии 13502кДж является частью общей энергии 4х3600 = 14400 кДж, расходуемой на получение одного кубического метра водорода [32]. Показатель тепловой эффективности этого процесса окажется таким

(70)

Важно иметь в виду, что энергию синтеза молекул кислорода мы не учли. Если же учитывать энергию синтеза молекул кислорода, то надо знать сколько кислорода выделятся при получении 1000 литров водорода. Известно, что из одного литра воды можно получить 1234,44 литра водорода и 604,69 литра кислорода. Тогда при выделении 1000 литров водорода выделится 60469/1234,4=489,86 литра кислорода. Учитывая, что энергия, выделяющаяся при синтезе одной молекулы кислорода, равна 4,95 eV (5,13 Кдж/моль), найдем количество энергии, которая выделится при синтезе 489,86 литров кислорода.

(71)

Тогда общий показатель тепловой эффективности будет равен

(72)

Таким образом, показатель общей тепловой эффективности (72) существующего низковольтного процесса электролиза воды близок к единице.

Если учесть, что энергосодержание одного грамма водорода равно 142 кДж, а кубический метр этого газа весит 90 гр., то показатель общей энергетической эффективности будет таким

(73)

Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода (рис. 55). Известно, что ион гидроксила (рис. 55), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 55, а). Два иона гидроксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют перекись водорода (рис. 55, b).

Известно также, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молекулы кислорода - экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.

Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одного кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, получим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепловой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. Поскольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе. Молекула водорода (рис. 55, c) и молекула кислорода (рис. 55, c) формируются в кластерных цепочках до выделения в свободное состояние, поэтому и не генерируется энергия их синтеза.

Рис. 55. Схемы: а) передача электронов ионами аноду А;

b) образование перекиси водорода ;

с) образование молекулы кислорода и двух молекул воды d) и e)

После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 55, а) образуется молекула перекиси водорода (рис. 55, b), которая, распадаясь, образует молекулу кислорода (рис. 55, с) и два атома водорода. Последние, соединяясь с ионами гидроксила, образуют две молекулы воды (рис. 55, d, e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

(74)

Итак, новая теория низковольтного электролиза воды устраняет противоречия старой теории и точнее отражает реальность.

Тут уместно привести точку зрения одного из наших читателей по поводу новой теории электролиза воды: «Филипп Михайлович, большое спасибо за статью "электролиз воды", из которой я узнал о воде больше, чем за всю свою долгую жизнь!!! Все очень четко, сжато, но понятно любому "чайнику", настоящий экстракт знаний! Еще раз - большое спасибо!!! С уважением, А.»

Теперь начнём искать пути реализации экономии электрической энергии, следующие из новой теории процесса электролиза воды. Для этого проанализируем результаты питания лабораторного электролизёра с помощью электронного генератора импульсов напряжения.

На рис. 56 показана осциллограмма напряжения при частоте импульсов около 200Гц. Масштаб записи один к одному. Импульсы не видны, так как их амплитуда ничтожно мала. Измерения показывают, что на осциллограмме зафиксировано напряжение около 13,5 Вольт. Вольтметр показывал в это время 11,4 Вольта.

Рис. 56. Напряжение

Рис. 57. Напряжение

Рис. 58. Напряжение

На рис. 56 показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 1 секунду после отключения его от сети. Как видно, электролизер имеет постоянную составляющую электрического потенциала. Через 3 секунды после отключения электролизёра от сети (рис. 58) потенциал на входе в электролизёр уменьшается с 11,4 В до 8 В, примерно. Осциллограммы на рис. 57 и 58 показывают, что после отключения электролизёра от сети идет процесс его разрядки. Это указывает на то, что электролизёр обладает свойствами конденсатора.

На осциллограмме (рис. 56) импульсы напряжения не видны, так как их амплитуда ничтожно мала. Если увеличить масштаб (записать с открытым входом), то импульсы напряжения выглядят так (рис. 59 и 60).

Рис. 59. Напряжение

Рис. 60. Напряжение

Ниже представлены результаты обработки осциллограмм напряжения (рис. 59 и 60). Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, найдём среднее значение амплитуды импульсов напряжения

=[(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+ +0,24+0,30)/11] x10=2,05 В.

Период импульсов Т=(24х2)/10=4,8 мс.

Длительность импульсов =(2х1,45)/10=0,29мс.

Частота импульсов =(1/0,001x4,8)=208,3 Гц.

Скважность импульсов =4,8/0,29=16,55.

Коэффициент заполнения =0,5/16,55=0,0302

Таким образом, есть основания полагать, что электролизёр обладает свойствами конденсатора и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза - стабильным.

Величина среднего напряжения, необходимого для компенсации разрядки электролизёра, зафиксирована на осциллограммах рис. 63 и 65. Она равна . Вольтметр в это время показывал полное напряжение на клеммах электролизёра, равное 11,4 В.

На рис. 61 и 62 показаны осциллограммы тока, когда источник питания электролизёра генерировал импульсы с частотой около 200Гц. Результаты обработки этих осциллограмм следующие.

Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, и сопротивление резистора 0,10 Ом, найдём среднее значение амплитуды импульсов тока.

={[(9,0+7,0+2,0+11,5+6,0+8,5+3,5+9,0+2,5+6,5)/10]x10}/0,10=0,66 А. Средний ток в цепи питания электролизёра . Эту же величину (0,02А) показывал и амперметр.

Таким образом, получается две величины мощности на клеммах электролизёра. Первая, которая до сих пор учитывалась всеми, равна произведению напряжения на клеммах электролизёра (11,40 В) на среднюю величину тока (0,02А), то есть 11,40х0,02=0,23 Ватта.

Рис. 61. Ток

Рис. 62. Ток

Сразу возникает вопрос: какое отношение имеет напряжение на клеммах электролизёра (11,40 В) к расходу энергии на процесс электролиза воды? Ведь оно принадлежит электролизёру, но не источнику питания. Электронный генератор импульсов подавал электролизёру импульсы напряжения (рис. 59, 60), амплитуда которых близка к величине напряжения на клеммах электролизёра. Поэтому для расчёта мощности, расходуемой на питание электролизёра, надо брать среднюю величину импульсов напряжения, также учитывающую их скважность и среднюю величину тока, равную . Тогда реальный расход мощности на подзарядку электролизёра будет равен , а не 0,23 Ватта, как считалось до сих пор. Сразу возникает вопрос: как доказать связь с реальностью описанных противоречий? Чтобы найти ответ на этот вопрос, проанализируем процесс питания электролизёра детальнее.

5.3. Анализ процесса питания электролизёра

Электролизёр – это совокупность пластинчатых анодов и катодов, каждая пара которых называется ячейкой. Раствор размещается между пластинами электродов. Напряжение на клеммы электролизёра можно подавать непрерывно, а можно импульсами. Мы уже увидели потенциальные возможности импульсного процесса подачи напряжения на клеммы электролизёра в снижении затрат энергии на его работу. Теперь надо выяснить, как реализовать эту возможность?

Мы уже показали, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал , свойственный конденсатору. Величина этого потенциала увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизёре (рис. 63).

Рис. 63. Осциллограмма напряжения и тока питания электролизёра:

1 – импульс напряжения; 2 – импульс тока; - средняя величина постоянного потенциала

Поскольку электрическая сеть электролизёра связана со всей электрической сетью, то приборы, измеряющие мощность, потребляемую электролизёром, формируют показания, в которых учитывается величина постоянного потенциала , принадлежащая электролизёру, и средняя величина, формирующегося при этом импульсного электрического тока.

На рис. 63 хорошо видно, что импульсы напряжения восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса. Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал, для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра.

При такой системе подачи электрической энергии в электролизёр измерительные приборы учитывают не величину напряжения, которое необходимо для его подзарядки, а полную величину постоянного потенциала , которая, вполне естественно, больше средней величины амплитуды напряжения, необходимого для подзарядки электролизёра. Так работают все современные электролизёры, и все варианты совершенствования такого способа его питания уже задействованы. Из изложенного следует, что реальная энергия, затрачиваемая на процесс электролиза воды, меньше той, которую показывают приборы. Как определить её величину?

Электронный ключ 3 (рис. 64) генерирует импульсы напряжения, разрывая электрическую цепь и нарушая связь постоянного потенциала электролизёра 1 с постоянным потенциалом аккумулятора 2.

Показания вольтметров следующие: ; ; . Показания амперметра . В результате, в каждом сечении цепи питания - своя мощность:

; (75)

; (76)

. (77)

Рис. 64. Схема импульсного питания электролизёра 1

от аккумуляторной батареи 2 через диод 4

Возникает вопрос: какую же мощность реализует аккумулятор для питания электролизёра? Для получения ответа на этот вопрос проанализируем осциллограммы напряжений и токов, представленные на рис. 65, 66 и 67.

Рис. 65. Осциллограммы напряжения и тока на клеммах электролизёра 1 (рис. 64)

Как видно (рис. 64, 65), величина импульсов напряжения (1) больше величины постоянного потенциала электролизёра. Импульсы восстанавливают его до средней величины, после чего напряжение вновь уменьшается. Следующий импульс восстанавливает напряжение электролизера до средней величины. При этом импульсы тока (2) генерируются синхронно с импульсами напряжения.

На рис. 66 эти импульсы представлены без постоянного потенциала электролизёра и их мощность определить легко.

Амплитуда импульса напряжения (рис. 66) равна =12,5 V, а амплитуда импульса тока – =1,30 А (рис. 66). Скважность импульсов равна . Тогда старый закон (32) формирования средней величины импульсной электрической мощности даёт такой результат

. (78)

Эта величина близка к показаниям приборов, установленных перед электролизёром (75).

(79)

и совпадает с величиной мощности на клеммах аккумулятора (77)

. (80)

Рис. 66. Осциллограммы напряжения и тока перед диодом 4 (рис. 64)

На рис. 67 видно, что напряжение аккумулятора не реагирует на импульсы напряжения, а величина тока на пути от электролизёра 1 (рис. 64) до аккумулятора 2 остаётся почти неизменной (рис. 65, 66, 67).

Рис. 67. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах аккумулятора 2 (рис. 64)

В опыте использовался мини электролизёр с производительностью литра водорода в час. С учетом показаний разных приборов и результатов, представленных в формулах (75), (76) и (77), удельная мощность составляла:

; (81)

; (82)

. (83)

Вполне естественно, что общий ток и разные напряжения в разных сечениях электрической цепи формируют разную мощность, и возникает вопрос: какая мощность расходуется на питание электролизера?

Средняя величина тока , которую показывает амперметр, равна импульсной величине 1,3 А, деленной на скважность импульсов (. Поэтому вполне естественно, что на клеммах электролизёра мощность равна . На клеммах аккумулятора она несколько больше.

Имеем ли мы право определять мощность (76) на клеммах диода, умножая среднюю величину тока на амплитудное значение импульса напряжения, равное ? Ведь напряжение подаётся не постоянно, а импульсами, поэтому мы импульсное значение напряжения также должны разделить на скважность . В результате будем иметь среднюю величину напряжения . Это близко к показаниям вольтметра . В результате получим

(84)

или на один литр водорода

. (85)

Вводим в цепь питания электронный генератор импульсов. Результаты эксперимента представлены в табл. 10. Частота импульсов составляла 350 Гц, а скважности импульсов S = 1; 5; 10. Электролизёр имел 6 мини ячеек.

Таблица 10. Показатели электролиза согласно показаниям приборов на рис. 64

0.Показатели	S=1	S=5	S=10
1. Получено , л/ч	0,55	0,16	0,14
2. Ток, А	0,23	0,12	0,11
3.Напряж.	12,40	11,00	10,10
4.Напряж.	12,50	2,50	1,20
5.Напряж.	12,50	12,50	12,50
6.Мощ.,	2,87	1,32	1,11
7.Мощ.,	2,87	0,30	0,13
8.Мощ.,	2,87	1,50	1,37
9. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	8,25	7,93
10. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	1,87	0,93
11. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	9,37	9,78

Обратим внимание на то, что при увеличении скважности в 10 раз (S=10) производительность электролизёра уменьшилась в 4 раза. Удельные затраты мощности по показаниям приборов перед диодом также уменьшились в 5,6 раза.

Нетрудно видеть (рис. 65, 67 и табл. 10, 11), что удельная мощность включает в себя постоянный потенциал электролизера и не отражает истинные затраты энергии на электролиз воды. С увеличением скважности импульсов уменьшается ток и падает производительность, а напряжение остаётся почти постоянным и равным напряжению на клеммах аккумулятора (), что и увеличивает удельный расход мощности .

Если напряжение подаётся импульсами (рис. 66), то среднее напряжение импульсов, показываемое вольтметром (рис. 65) уже не равно напряжению постоянного потенциала электролизера и напряжению на клеммах аккумулятора. Средняя величина этого напряжения равна амплитуде импульсов напряжения, делённой на скважность (). Поскольку ток в цепи один, то мощность импульсов равна произведению тока на среднее значение напряжения .

Однако, нагрузка на клеммах аккумулятора определяется не средним значением импульсного напряжения , а его постоянной величиной . Из этого следует ошибочность расхода энергии аккумулятором путём подачи энергии импульсами. Мощность , реализуемая аккумулятором (77) всегда равна произведению тока на среднюю величину импульса напряжения.

Как видно (табл. 10), с увеличением скважности импульсов в десять раз производительность уменьшается в четыре раза, а мощность на клеммах электролизёра и на клеммах аккумулятора увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении интенсивности процесса электролиза воды расход энергии на этот процесс растёт. Вряд ли с этим можно согласиться. Удельный расход не может так резко увеличиваться. Он должен оставаться, примерно, одинаковым. А получаемое увеличение расхода энергии – следствие искажённых показаний приборов. Возникает вопрос: какие из них отражают реальность?

Таблица 11. Влияние скважности импульсов на показатели процесса электролиза воды

0.Показатели	S=1	S=2	S=3	S=4	S=5	S=10
1. Н2, л/ч	0,63	0,57	0,52	0,48	0,44	0,33
2.Ток пост., А	0,25	0,24	0,22	0,22	0,20	0,20
3.Ток имп., А	0,25	0,45	0,65	0,85	1,00	2,00
4.Напряж.U1,В	12,50	12,26	11,94	11,85	11,59	10,78
5 Напряж.U2,В	12,50	6,30	4,20	3,20	2,50	1,30
6 Напряж.U3,В	12,50	12,50	12,50	12,50	12,50	12,50
7.Мощн., Р1	3,13	2,94	2,63	2,61	2,32	2,16
8.Мощн., Р2	3,12	1,51	0,92	0,70	0,50	0,26
9.Мощн., Р3	3,13	3,00	2,75	2,75	2,50	2,50
10.Удел. мощ., Р11, Вт/л	4,97	5,16	5,06	5,44	5,27	6,55
11.Удел. мощ., Р22, Вт/л	4,95	2,65	1,77	1,46	1,14	0,79
12.Удел. мощ., Р33, Вт/л	4,97	5,26	5,29	5,73	5,68	7,58

Изложенное показывает, что величины удельной мощности на клеммах электролизёра и на клеммах аккумулятора явно не отражают реальность (табл. 10, 11). Поэтому надо уделить внимание анализу удельной мощности на клеммах диода. Если удельный расход энергии – величина почти постоянная, то производительность электролизёра при увеличении скважности импульсов в 10 раз должна уменьшиться также, примерно, в 10 раз, но она уменьшилась лишь в 4 раза (табл. 10) и в 2 раза (табл. 11). Это означает, что прекращение подачи напряжения не останавливает процесс электролиза воды. Он продолжается за счёт постоянного потенциала . Уменьшение его величины, зафиксированное на осциллограммах (рис. 56, 57), подтверждает это.

Сравнивая осциллограммы на рис. 60 и 62, видим, что вольтметр, подключённый к клеммам электролизёра всегда будет показывать его полное напряжение, равное полному потенциалу электролизёра. Фактическое же среднее напряжение на клеммах электролизёра всегда меньше. Оно равно амплитуде импульса напряжения , делённой на скважность импульсов .

. (86)

Вполне естественно, что средняя величина тока определится по аналогичной формуле

. (87)

Так как , то для работы электролизёра достаточно мощности

. (88)

Однако, вольтметр, подключённый к клеммам электролизёра, покажет другую величину напряжения. Она будет равна и мы получим среднюю мощность на клеммах электролизёра, определённую по ошибочной формуле (32).

В результате величина мощности, необходимой электролизёру, для подзарядки его постоянного потенциала, окажется увеличенной в количество раз, равное скважности импульсов и мы не получим никакой экономии электроэнергии. Вместе с тем мы явно видим наличие возможности для экономии и уже знаем, как это сделать.

Сейчас покажем, что этот эффект реализуется при питании электролизера с помощью электромеханического генератора импульсов (ЭМГИ). Поскольку промышленность ещё не выпускает такие генераторы, то мы переоборудовали серийный электромотор Axi 2826/12 в электромеханический генератор импульсов (ЭМГИ), оставив на его роторе два постоянных магнита.

Экспериментально установлено, что если ЭМГИ подаёт в электролизер импульсы напряжения 1, амплитуда которых больше постоянного электрического потенциала электролизёра, то этих импульсов достаточно для подзарядки электролизёра (рис. 63, 65).

Вполне естественно, что нагрузка на валу ЭМГИ будет присутствовать только в моменты времени, когда генерируются импульсы напряжения и тока, средние величины которых определяются по формулам (86) и (87). Средняя мощность на валу ЭМГИ будет равна величине, определённой по формуле (88) и сложенной с мощностью , расходуемой на механические потери на привод ЭМГИ, которые многократно меньше мощности, расходуемой на генерацию импульсов напряжения и тока . В результате мощность, необходимая для работы электролизёра определятся по формуле

. (89)

Самым удивительным является то, что абсолютное большинство электриков и электронщиков, с которыми нам пришлось обсуждать изложенное, не понимают его суть и считают, что не может быть в этом случае никакой экономии электрической энергии, так как её наличие сразу нарушает законы Кирхгофа. Посмотрим, так это или нет.

Первый закон или первое правило Кирхгофа формулируется так [52]: сумма всех токов, притекающих к любой точке цепи, равна сумме всех токов, утекающих от этой точки. Нетрудно видеть, что это правило строго реализуется в математической модели (32), если полагать, что процедура деления на скважность импульса в формуле (32) относится только к току и не относится к напряжению. В этом случае во всех сечениях электрической цепи первое правило Кирхгофа работает.

Второй закон или второе правило Кирхгофа гласит, что в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи.

А теперь присмотримся к рис. 63 и 65. На них показано по два электрических потенциала. Один средний принадлежит самому электролизёру и его величина изменяется незначительно. Второй импульсный потенциал 1 с амплитудой близкой к максимальной величине потенциала электролизёра. Сразу возникает вопрос: какой потенциал мы должны учитывать для проверки достоверности второго закона Кирхгофа?

Средний потенциал принадлежит электролизёру, который мы подзаряжаем, посылая импульсы напряжения (рис. 63, 65 и 66), поэтому не имеет никакого отношения к расходу энергии на процесс электролиза воды. Вполне естественно, что мы обязаны в этом случае учитывать среднюю величину импульсов напряжения, которая равна амплитуде импульса напряжения, делённой на скважность импульсов , как это и представлено в формуле (86).

Поскольку средний потенциал на клеммах электролизёра (рис. 63 и 65) больше среднего потенциала , подзаряжающего его, в количество раз, равное скважности импульсов, то и результаты реализации 2-го закона Кирхгофа в этих случаях будут отличаться в количество раз, равное скважности импульсов напряжения.

Итак, мы имеем явное нарушение второго закона Кирхгофа. Почему это не заметили все наши предшественники? Потому, что первичный источник питания, из которого выделяются импульсы напряжения, генерирует напряжение непрерывно и средний ток, пришедший к его клеммам, умножением на величину непрерывно генерируемого напряжения , а на среднюю величину, определённую по формуле (86). В результате второй закон Кирхгофа казалось достоверным. Чтобы убедиться в этом, мы использовали в качестве источника питания электромеханический генератор электрических импульсов (ЭМГИ). Тогда среднее импульсное напряжение на клеммах первичного источника питания и на клеммах электролизёра оказывалось одинаковое и мы имели право рассчитывать мощность на клеммах такого источника питания по формуле (31).

На рис. 68 показана схема соединения импульсного источника питания (ЭГМИ) и измерительных приборов. При проведении эксперимента в качестве ячеек использованы электроды из нержавеющей стали газогенератора «Аква – Терм», изготовляемого Азовским ПО «Донпрессмаш».

Рис. 68. Схема питания электролизёра: 1 – электролизёр; 2 – выпрямитель;

3 – ЭМГИ; 4 – электромотор; 5 – единый вал ЭМГИ 3 и электромотора 4;

6 – ваттметр PX – 110; 7 – ЛАТР; 8 – счетчик электроэнергии СО – И446М;

А – амперметр М-2015; V – вольтметр М-2004; OS – осциллограф TDS 2014.

Затраты энергии на получение водорода из воды при использовании электромеханического генератора электрических импульсов зависят от амплитуды импульсов тока и их скважности (табл. 12 и 13).

Таблица 12. Показатели эффективности экспериментального электролизёра, питаемого ЭМГИ

Показатели	1
1. Скважность импульсов напряжения	2,70
2. Скважность импульсов тока	5,40
3. Расход воды , гр./час	0,73
4. Получение водорода , л/час	0,99
5. Вольтметр U, В	2,03
6. Амперметр I, А	2,00
7. Мощность , Ватт	4,06
8. Амплитуда импульса напряжения по осцил. , В	1,90
9. Амплитуда импульса тока по осцил. , А	10,00
10. Среднее напряжение по осцил. , В	0,70
11. Средний ток по осциллограмме , А	1,80
12. Средняя мощность по осцил. Ватт	1,27
13. Удельная мощность по осцил , Вт.ч./л	1,28
14. Мощность по счетчику электроэнергии , Вт	0,70
15. Удельная мощность по счетчику электроэнергии, Вт.ч/литр	0,71

Примечание: один опыт – среднее 3-х повторностей.

Переоборудованный электродвигатель Axi 2826/12 использовался как генератор импульсов (ЭМГИ), приводимый во вращение стандартным Axi 2826/12. Он генерировал треугольные импульсы напряжения, которые подавались в экспериментальную ячейку электролизёра. Результаты эксперимента представлены в табл. 12 и 13.

Длительность прямоугольных импульсов напряжения и треугольных импульсов тока (рис. 69) одинакова. Специалист легко может установить, что период следования импульсов равен , длительность импульсов .

Рис. 69. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах экспериментального

электролизёра

Поскольку форма импульсов напряжения, генерируемых генератором, - прямоугольная, то скважность импульсов . Средняя величина напряжения оказывается такой В. Форма импульсов тока близка к треугольной, поэтому их скважность в два раза больше и средняя величина тока А. Вполне естественно, что средняя мощность на валу генератора импульсов будет равна

. (90)

или

. (91)

Как видно (табл. 12), эта величина 1,30Вт близка к показаниям осциллографа (табл. 12, пункт 12) и показаниям счётчика электроэнергии (табл. 12, пункт 14).

Итак, результаты эксперимента, представленные в табл. 10, убедительно доказывают необходимость определения амплитудных значений напряжения и тока путём деления их на свою скважность импульсов и рассчитывать среднюю величину импульсной мощности по формуле (31), а ошибочный второй закон Кирхгофа требует рассчитывать среднюю импульсную мощность на питание электролизёра по формуле (32), содержащей одну скважность. Сразу возникает вопрос: какую же скважность импульсов надо использовать в этом случае? Скважность импульсов напряжения или тока? Ответа нет. В связи с этим ошибочно также и представление о том, что однократное деление на скважность импульсов при определении мощности по формуле (32) обусловлено тем, что импульсы напряжения и тока (рис. 63, 66, 67) изменяются синхронно.

Конечно, весьма желательно проверить влияние большой скважности импульсов напряжения и тока на эффективность процесса электролиза воды. Но у нас не было электромеханического генератора импульсов с большей скважностью. Тем не менее, если не менять метод обработки осциллограмм, то это можно проверить и с помощью электронного генератора импульсов. Результаты такой проверки представлены в табл. 13.

Таблица 13. Показатели эффективности трёх ячеек серийного электролизёра «Аква-Терм» при использовании электронного генератора электрических импульсов

Показатели	1	2	3
1. Скважность импульсов	188	185	220
2. Расход воды , гр./час	0,87	1,12	1,36
3. Получение водорода , л/час	1,19	1,53	1,86
4. Вольтметр U, В	5,55	5,60	5,68
5. Амперметр I, А	1,00	1,25	1,50
6. Мощность , Ватт	5,55	7,00	8,44
7. Амплитуда импульса напряжения по осциллограмме , В	25,00	25,00	27,50
8. Амплитуда импульса тока по осциллограмме , А	177,80	182,20	200,0
9. Среднее напряжение по осциллограмме , В	0,13	0,14	0,12
10. Средний ток по осциллограмме, А	0,94	0,98	1,20
11. Средняя мощность , Вт	0,13	0,18	0,18
12. Удельная мощность по осциллограмме , Вт.ч/литр	0,11	0,11	0,10

Сравнивая результаты экспериментов, представленные в табл. 12 и 13, видим, что удельные затраты энергии на получение водорода из воды зависят, главным образом от скважности импульсов напряжения и тока. С увеличением скважности импульсов напряжения с 2,70 (табл. 12) до 220 (табл. 13) расход энергии на получение водорода из воды уменьшается почти на порядок.

А теперь представим, что сделан электромеханический (ЭМГИ) аналог для питания по схеме, представленной на рис. 68. При скважности импульсов равной S=100, и их треугольной форме магниты будут занимать одну 1/50 контура окружности ротора. Вполне естественно, что энергия на формирование импульсов напряжения, подобных импульсам на рис. 69 уменьшится, примерно, в 50 раз. Теперь подключаем импульсную нагрузку с той же величиной тока 1,30 А.

Средняя величина напряжения (рис. 69) будет равна амплитуде импульса напряжения, делённой на скважность импульсов. Средняя величина тока (рис. 69) также будет равна амплитуде импульса тока, делённой на скважность импульсов. Вполне естественно, что средняя мощность будет равна произведению средних значений напряжения и тока (90) Это значит, что нагрузка на валу такого генератора увеличится на величину, равную произведению средней величины напряжения на среднюю величину тока. Её можно определить и путём деления произведений амплитудных значений напряжения и тока на скважности их импульсов (91). Если же мы разделим произведение амплитудных значений напряжения и тока на скважность один раз (32), то это будет означать, что электромеханический генератор генерирует напряжение не в узком секторе, а по всему контуру окружности ротора.

Изложенное даёт нам право заменить второй закон Кирхгофа законом формирования мощности в любом сечении электрической цепи: величина мощности в любом сечении электрической цепи равна произведению величины среднего напряжения в этом сечении на величину среднего тока.

Таким образом, экспериментально доказано, что прямые затраты энергии на электролиз воды существующими электролизерами значительно меньше тех, что показывают счётчики электроэнергии, учитывающие её потребление электролизёрами. Значит, энергии связи между атомами кислорода и водорода в молекуле воды значительно отличаются от тех энергий, которые мы получаем, взяв за основу расход энергии на кубический метр водорода, равный 4 кВтч.

В соответствии с данными, представленными в табл. 12 и 13, реальные энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды можно принять в 10 раз меньшими, чем считалось до сих пор.

Поскольку при электролизе воды выделяется примерно 2/3 водорода и 1/3 кислорода, то расход энергии на получение одного кубометра водорода с учетом принятой величины составит примерно 0,40 кВтч или 3600х0,4=1440кДж. Один кубический метр содержит 1000/22,4=44,64 молей водорода. Тогда затраты энергии на получение одного моля водорода составят 1440/44,64=32,26 кДж, а на одну молекулу

. (92)

Так как в молекуле воды один атом кислорода и два атома водорода, то она имеет две связи. Энергия одной связи будет равна 0,34/2=0,17eV и мы можем определить энергетический уровень электрона атома водорода, на котором он находится в момент отделения от атома кислорода при электролизе воды.

Согласно спектру атома водорода (Приложение 1) электрон атома водорода имеет энергию связи с ядром, равную 0,17eV, находясь на девятом энергетическом уровне.

Если эта энергия соответствует реальности, то затраты энергии для получения моля водорода окажутся такими

. (93)

Затраты энергии на один кубический метр водорода составят 32,9х22,4=736,96 кДж или 736,96/3600=0,2 кВтч. На один литр водорода затраты электрической энергии составят примерно 0,20 Втч. Это соответствует эксперименту (табл. 13, строка 11).

Известно, что с увеличением температуры энергия связи между атомом кислорода и атомами водорода в молекуле воды уменьшается и они могут разделяться на водород и кислород. Если величина 0,20 Втч/л соответствует процессу диссоциации молекул воды, то мы можем определить температуру, при которой начинается процесс, эквивалентный рассмотренному.

Из приведенных расчетов следует, что величина 0,20 Вт/л соответствует энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды равной , а энергия фотона, разрушающего эту связь , а длина его волны будет равна

. (94)

Эта длина волны фотона соответствует инфракрасному диапазону. Тогда температура среды, при которой начинается процесс диссоциации молекул воды, определится по формуле

(95)

или

(96)

Величина этой температуры по шкале Цельсия равна 819,57-237,15=546,42, что близко к её справочному значению [49].

Конечно, молекула воды в этот момент находится под термическим напряжением, которое при электролизе заменяется электростатическим напряжением, формируемым постоянным потенциалом (рис. 63).

Мы вплотную подошли к анализу энергетики процесса разложения воды на водород и кислород при фотосинтезе, который идет под действием тепловых инфракрасных фотонов. Изложенная информация показывает, что для получения одного литра водорода достаточно 0,20 Втч электроэнергии. Если вести электролиз при напряжении 2 Вольта на ячейку, то средняя величина тока при этом составит 0,20/2=0,10А. Дальше мы увидим, что эта величина близка к величине тока, сопровождающего процесс электролиза воды при фотосинтезе.

Таким образом, эксперимент показывает, что прямые затраты энергии на электролиз воды, то есть затраты энергии без учета потерь, примерно, в 5,25/0,1= 52,5 раз меньше, чем у лучших современных промышленных электролизёров. Это создаёт предпосылки для поиска резервов снижения затрат энергии на электролиз воды, не путем совершенствования самого электролизёра, а путем совершенствования источника его питания.

5. 4. Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч/ [40]. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, равно 1,23 В [49].

Возникает вопрос: как же идёт электролиз воды при фотосинтезе, когда явно отсутствует источник электроэнергии? Есть основания полагать, что при фотосинтезе молекула водорода выделяется из кластера воды (рис. 70, а и b) в синтезированном состоянии без использования электронов от постороннего источника электроэнергии.

Рис. 70. Схема формирования второй структуры молекулы ортоводорода в структуре кластера из двух молекул воды (0,485 eV – энергия разрыва кластера воды при её испарении)

Функцию первичного источника энергии при фотосинтезе выполняют фотоны, поглощаемые валентными электронами и ослабляющими связи между электронами молекулы ортоводорода и электронами гидроксилов , которые формируются в кластерах воды (рис. 70). В результате молекула ортоводорода выделяется из такого кластера в синтезированном состоянии (рис. 70, с).

После выделения молекулы ортоводорода из кластера воды электроны молекул ортоводорода вступают в связь с валентными электронами других атомов и образуются молекулы других химических соединений. Например, молекулы бензола (рис. 71).

Рис. 71. Структура молекулы бензола

В результате молекула водорода разделяется на атомы водорода в условиях отсутствия фазы свободного состояния атомов водорода, которые существуют в плазменном состоянии при температуре до 10000С.

В описанном случае процесс выделения молекулы водорода из кластеров молекул воды идёт без электронов, получаемых из катода. Именно этот процесс электролиза идёт при фотосинтезе и мы попытаемся смоделировать его в техническом устройстве. А сейчас рассмотрим детали процесса выделения молекул водорода из кластера, состоящего из молекулы воды и иона в электрическом поле электролизёра (рис. 72).

Рис. 72. Схема процесса низкоамперного электролиза

На рис. 72 показан анод слева, а катод справа. Протон Р атома водорода в молекуле воды ориентирован к катоду, а другой протон этой молекулы соединяется с протоном иона (слева). В результате образуется кластерная цепочка, с правой стороны которой расположена молекула воды (рис. 50), слева - ион (рис. 52, а), а в центре - молекула ортоводорода (рис. 53, а, b).

Обратим внимание на то, что осевой электрон атома кислорода и шесть кольцевых электронов иона притягиваются к аноду одновременно (рис. 72, а слева). Электростатические силы, притягивающие шесть кольцевых электронов к аноду, деформируют электростатическое поле так, что осевой электрон приближается к ядру атома кислорода, а шесть кольцевых электронов удаляются от ядра атома. В этом случае энергии связи между протонами и электронами в сформировавшейся таким образом молекуле водорода распределяются так, что энергия связи между атомами водорода в его молекуле увеличивается до 4,53 eV, а между электронами атомов кислорода в ионах и электронами атомов водорода становятся равными нулю и молекула водорода выделяется из кластерной цепочки. Два атома кислорода образуют его молекулу, и она также выделяется.

Таким образом, в электролитическом растворе под действием электростатического поля формируются сложные кластерные цепочки со строгой ориентацией между анодом и катодом [41]. Под действием электрического поля кластерная цепочка удлиняется, одновременно изменяются и энергии связи между элементами такой цепочки. Если мы возьмём за основу результаты эксперимента, приведенные на рис. 72, а, то минимальная энергия (≈4 Вт), при которой идет процесс электролиза, приведенная к энергии связи (0,17 eV) между электронами иона в цепочке (рис. 72, а) и молекулы воды, оказывается порядка 0,17 eV. Две таких связи дают энергию 0,34 eV, что меньше энергии 0,485 eV , при которой кластер из двух молекул разрывается при испарении молекул воды. Кроме этого, формирование молекулы ортоводорода увеличивает энергию связи между атомами водорода с 0,485 eV до 4,53 eV. Энергии связи 0,17 eV (рис. 72, а) уменьшаются до нуля (рис. 72, b) и сформировавшаяся молекула ортоводорода оказывается свободной.

Конечно, это упрощенная схема. При более сложном процессе возможно формирование молекул перекиси водорода перед образованием молекулы кислорода. Именно к этому приводит малейшее нарушение оптимального сочетания параметров процесса электролиза.

Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода. Известно, что ион гидроксила (рис. 72, а), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 72, а). Два иона гидроксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют перекись водорода (рис. 72, b).

Известно, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молекулы кислорода - экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.

Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одного кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, получим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепловой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. Поскольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе. Молекула водорода (рис. 72, b) и атом кислорода (рис. 72, b) формируются в кластерных цепочках до выделения их в свободное состояние, поэтому и не генерируется энергия их синтеза.

После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 72, а) образуется молекула перекиси водорода (рис. 72, b), которая, распадаясь, образует молекулу кислорода (рис. 72, с) и два атома водорода; последние, соединяясь с ионами гидроксила, образуют две молекулы воды (рис. 72, d,e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

(97)

А теперь опишем результаты экспериментов, показывающих связь, новой теории электролиза воды с реальностью.

5.5. Экспериментальная проверка гипотезы низкоамперного электролиза воды

Известно, что при фотосинтезе поглощается углекислый газ . Считается, что углерод молекулы идет на построение клеток растений, а кислород выделяется [1]. Теперь у нас есть основания усомниться в этом и предположить, что молекула целиком используется на построение клеток растений. Кислород же выделяют молекулы воды и он уходит в атмосферу, а атомы водорода молекул воды используются в качестве соединительных звеньев молекул, из которых строятся клетки растений [2].

Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе? Анализ структуры молекулы воды (рис. 71), выявленной нами, показывает возможность электролиза воды при минимальном токе. На рис. 71 представлена схема молекулы воды с энергиями связи между атомами водорода и кислорода в условиях, когда молекула воды находится в нейтральной среде, без ионов щелочи или кислоты, а также без электрического потенциала, который бы действовал на такие ионы [2].

Протоны атомов водорода в молекулах воды могут соединяться между собой и образовывать кластеры. В результате в цепи кластера образуется молекула ортоводорода (рис. 70, b и 71, а, b, c) [2].

Поиск условий моделирования процесса разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе, привел нас к простой конструкции ячейки, в которой имитированы годовые кольца стволов деревьев в виде зазоров между коническими электродами (рис. 72).

Рис. 72. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным.

Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается [2].

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генерирует небольшое количество газов, то самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчета выделившегося водорода и кислорода.

Для дальнейших расчётов необходимо иметь информацию о плотности водорода при различной температуре. Она представлена в табл. 14 [49].

Таблица 14. Плотность водорода при разной температуре

Температура, град. Цельсия	Плотность, гр./литр
0,0	0,0896
20,0	0,0846
25,0	0,0814
100,0	0,0661
500,0	0,0317

Примем плотность, соответствующую С и равную 0,0846 гр. /л и повторим ещё раз расчёт содержания водорода и кислорода в одном литре воды.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16 граммам. Грамм-молекула воды равна 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Один литр водорода весит 0,0846 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,0846=1313,36 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого следует, что один грамм воды содержит 1,31 литра водорода [44].

Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода сейчас составляют 4 кВтч, а на один литр – 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,31 литра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется 1,31х4=5,25 Втч.

Инструменты и оборудование, использованные при эксперименте

Специальный экспериментальный низкоамперный электролизер (рис. 72); вольтметр М2004 класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-78); амперметр М20015 класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-60); электронные весы с ценой деления 0,01 грамма; секундомер с ценой деления 0,1с; электронный осциллограф АСК-2022.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 13).

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах [2]. В табл. 15 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Таблица 15.

Показатели	Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин	6x30=180,0
2 – показания вольтметра V, Вольт	3,750
3 – показания амперметра I, Ампер	0,022
4 – расход энергии (P=VxIxτ/60), Втч	0,247
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6x30=180,0
6 – изменение массы раствора m, грамм	0,45
7 – масса испарившейся воды m’, грамм	0,01x6=0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы m’’=m-m’, грамм	0,39
9 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы P’=P/m’’, Втч/грамм воды	0,63
10 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы P’’, Втч/гр. воды	5,25
11 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды K=P’’/P’, раз	8,33
12- количество выделившегося водорода ΔМ=0,39x1,23x0,09=0,043, грамм	0,043
13 - энергосодержание полученного водорода (Е=0,043х142/3,6) =1,70, Втч	1,70
14-энергетическая эффективность процесса электролиза воды (Eх100/P), %	688,3

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным [2].

Мы представили результаты эксперимента, в котором конические электроды были изготовлены из простой стали. Вполне естественно, что есть другие материалы с большими свойствами катализатора процесса разложения воды на водород и кислород без затрат электрической энергии (табл. 15).

Небольшая производительность описанного процесса вынуждает нас знать детали более производительных современных электролитических процессов для получения водорода из воды, чтобы найти условия их реализации при меньших затратах электрической энергии.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным.

Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,10 В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Отметим особо важный момент. Зазор между электродами низковольтного электролиза соизмерим с размером пузырей газа, поэтому, поднимаясь вверх, пузыри газа способствуют механическому разрушению связей между атомами в молекулах и кластерах. На это, как мы уже показали, энергии тратится меньше, чем на термическое разрушение этих связей. Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 15, 16).

Таблица 16. Показатели электролиза воды

Показатели	Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин	6x10=60,0
2 – показания вольтметра V, Вольт;	11,4
2’ – показания осциллографа V’, Вольт;	0,40
3 – показания амперметра I, Ампер;	0,020
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер;	0,01978
4 – расход энергии (P=VxIxτ/60), Втч;	0,228
4’ – расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч;	0,0081
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6x50=300,0
6 – изменение массы раствора m, грамм	0,60
7 – масса испарившейся воды m’, грамм	0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г.	0,54
9 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям вольтметра и амперметра E=P/m’’, Втч/грамм воды;	0,420
9’ – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г;	0,015
10 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды	5,25
11 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям вольтметра и амперметра K=E’’/P, раз;	23,03
11’ – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз;	648,15
12- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54x1,23x0,09=0,06, грамм	0,06
13 - энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч	2,36
14-энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям вольтметра и амперметра (Wх100/P), %;	1035,1
14’ - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %;	29135,80

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды.

5.6. Вода, как источник электрической энергии

Начальные сведения

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что вода является источником не только тепловой энергии и энергии, заключенной в водороде и кислороде, но и источником электрической энергии. Вспомним мощь грозовых разрядов. Они являются источником электрической энергии, генерируемой из воды в облаках. Теперь можно сказать, что мы вплотную приблизились к моделированию и управлению этими разрядами в лабораторных условиях.

Структуру молекулы воды с полным набором электронов названа нами заряженной структурой (рис. 50). Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью электронами (рис. 73) , а с восемью (рис. 74).

Рис. 73. Схема полу заряженной молекулы воды

Если молекула воды потеряет два электрона, то она станет разряженной (рис. 70).

Главные различия между заряженной (рис. 50) и разряженной (рис. 74) молекулами воды заключаются в том, что в ячейках первого и второго (осевых) электронов атома кислорода заряженной молекулы воды находятся по два спаренных электрона, а в разряженной молекуле воды в этих ячейках располагаются по одному электрону и поэтому у нас есть основания назвать их не спаренные электроны (рис. 74).

Когда спаренные электроны расположены только на одном конце оси атома кислорода, то такую модель назовем полу заряженной (рис. 73, справа).

Рис. 74. Схема разряженной модели молекулы воды

Если гипотеза о разном количестве электронов в молекулах воды подтвердится, то этот факт окажется решающим при получении избыточной энергии при электролизе воды. Он определит причину положительных и отрицательных результатов многочисленных экспериментов, которые ставились для проверки факта существования дополнительной энергии при электролизе воды и явлениях её кавитации. Если вода содержит больше заряженных молекул, то эксперимент даст положительный результат. При большем количестве разряженных молекул результат будет отрицательный. Примерные расчеты показывают наличие разницы в массе одного литра заряженной и разряженной воды. Её можно зафиксировать современными измерительными приборами.

Факт разного количества электронов в молекуле воды имеет экспериментальное подтверждение. Оказалось, что при многократном проходе раствора щёлочи через плазмоэлектролитический реактор в растворе накапливается значительный электрический потенциал.

Количество кулонов электричества, которое генерируется в одном литре воды при потере каждой молекулой воды лишь одного электрона, будет равно произведению числа Авагадро на количество молей молекул воды в одном литре [32]

Кулонов. (98)

Учитывая, что один ампер-час составляет 3600 кулонов электричества, находим минимальную электрическую ёмкость одного литра воды

Ач. (99)

Экспериментальные исследования также показывают, что при определенных режимах плазменного электролиза воды в электролитическом растворе формируется электрический потенциал, значительно превышающий потенциал, подводимый к раствору. В результате этого в электролитическом растворе генерируется электрическая энергия, превышающая электрическую энергию, вводимую в раствор [31].

Анализ энергий связи между электронами и протонами атомов водорода в кластере из двух молекул воды (рис. 75) показывает возможность реализации различных вариантов разрыва этих связей. В обычных условиях рвется связь между двумя протонами и , принадлежащих атомам водорода в молекуле воды. Возможен одновременный разрыв связей и . В последнем случае выделяется молекула водорода. Реализация того или иного вариантов разрыва связей зависит от температуры среды, в которой находятся молекулы воды.

Рис. 75. Схема кластера из двух молекул воды

Если, например, молекулы воды находятся в парообразном состоянии в облаке, то реализация разрыва приведет к формированию в облике положительно заряженных молекул воды. В другом облаке, с другой температурой, возможен разрыв связей или и формирование в облаке отрицательно заряженных и ионов , из которых формируется водород, кислород и озон в процессе грозового разряда.

Поскольку реализация того или иного варианта разрыва связей зависит от температуры, то, зная энергии связей, мы сможем моделировать этот процесс и использовать его для получения электрической энергии из воды.

5.7. Эффективность топливных элементов

Наши исследования показывают, возможность значительного уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды. Это позволит использовать водород и кислород, получаемый из воды для получения электрической энергии.

Сейчас считается, что основным потребителем водорода будут топливные элементы. Обусловлено это тем, что в результате экологически чистого процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе получается самая распространенная экологически чистая электрическая энергия. Главная проблема в этом деле – высокая стоимость топливных элементов.

Стоимость 1 кВт мощности, производимой топливным элементом более тыс. долл. Стоимость же 1 кВт мощности, производимой бензиновым эквивалентом, – 3-5 долларов. Это – главная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на данном этапе её освоения. В целом, достижения в области разработки топливных элементов значительны.

Ячейка топливного элемента представляет собой (рис. 76) ёмкость с двумя электродами и разделительной мембраной, на которую нанесён катализатор (платина). К одному электроду подаётся водород, а к другому – кислород. Катализатор разделяет молекулы водорода на электроны и протоны. Протоны проникают через мембрану в ту половину ёмкости, где находится кислород, а электроны идут в электрическую сеть, соединенную с кислородным электродом. Здесь электроны и протоны вновь соединяются и образуют атомы водорода, которые соединяются с кислородом и образуют воду.

Чем больше катализатор разделит атомов водорода на протоны и электроны, тем эффективнее идет процесс синтеза электрической энергии. Однако, расчеты показывают (мы уже привели их), что современные катализаторы разделяют на электроны и протоны лишь около 0,6 % атомов водорода. Фактически это и есть прямой коэффициент полезного действия топливного элемента.

Рис. 76. Схема работы твёрдотопливного элемента

Однако, разработчики топливных элементов определяют коэффициент полезного действия топливного элемента по другому. Они делят энергию, получаемую с помощью водорода на энергию, затрачиваемую при получении водорода из воды. В этом случае получается косвенный коэффициент полезного действия топливного элемента; он достигает 70% и более. Конечно, это неплохой показатель, но надо иметь в виду, что 99,4% атомов водорода в этом случае не участвуют в формировании электрического тока. Из этого следует важная задача разработчиков топливных элементов – увеличение их прямого коэффициента полезного действия

Эффективность процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе и - формирования электрической энергии изучены слабо. В докладе [26] приводятся характеристики одного из топливных элементов. При расходе водорода 2кг/час он генерирует 30 кВтч электрической энергии. Поскольку один кубический метр газообразного водорода весит 90 г., то в 2 кг жидкого водорода содержится 2/0,09=22,2 газообразного водорода. Учитывая, что для получения 1 водорода лучшие промышленные электролизёры расходуют 4 кВтч и принимая эту величину энергии за 100%, получаем энергетический коэффициент полезного действия (КПД) топливного элемента

. (100)

В источнике информации [27] сообщается, что КПД топливных элементов третьего поколения с твердым электролитом близок к 50% и что использование технологии топливных элементов позволяет повысить КПД по электроэнергии до 75%, а с учетом вырабатываемого ими тепла - до 90-95% [32].

Обратим внимание на факт, который остаётся незамеченным специалистами по топливным элементам. Эффективность топливных элементов зависит, прежде всего, от эффективности использования электрических возможностей самого водорода. Если учесть количество электронов, принадлежащих атомам водорода и участвующих в формировании электрической энергии топливного элемента, то эффективность физико-химического процесса этого элемента оказывается менее 1%. Проведем этот расчет для топливного элемента, описанного в докладе [26]. Он генерирует 30кВтч электроэнергии при расходе 2 кг (2/0,09=22,2 ) жидкого водорода в час. Поскольку моль газообразного водорода равен 22,4 литрам, то для выработки 30 кВтч электрической энергии надо израсходовать 22222,22/22,4=992,06 молей молекулярного водорода [32].

Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества

Кл/моль. (101)

Если все протоны 992,06 молей молекулярного водорода передадут свои электроны в электрическую сеть топливного элемента, то в результате сформируется Кулонов электричества. Это потенциальные возможности 22,2 молекулярного водорода. Как же используются эти возможности современными топливными элементами?

Рассматриваемый топливный элемент работает при напряжении 100 Вольт, поэтому при выработке 30кВтч в его электрической цепи циркулирует ток 30000/100=300 Ач. При 1 Ампер-часе расходуются 3600 Кулонов электричества, а при 300Ач - 1080000,0 Кулонов. Если потенциальное количество Кулонов электричества, содержащихся в 22,2 водорода (191437818,2 Кулонов), взять за 100%, то реальное количество Кулонов электричества, генерируемое топливным элементом, составит [32]

. (102)

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!

Главная причина очень низкой (0,57%) электрической эффективности топливного элемента - подача в него молекулярного водорода. Есть все основания надеяться, что минимум десятикратное увеличение этой эффективности - дело ближайшего будущего.

Специалистам, занимающимся исследованиями топливных элементов, следует обратить внимание на важность анализа воды, получаемой в результате их работы. Мы уже показали, что молекулы воды могут содержать как все 10 электронов (заряженная вода, рис. 50), так и 8 электронов (разряженная вода, рис. 74). Если вода чистая (без примесей), то должна существовать разница в весе одного литра заряженной и разряженной воды, которую можно легко обнаружить. Чем больше в воде, образовавшейся после работы топливного элемента, разряженных молекул, тем эффективнее используются в нем энергетические возможности водорода.

Приведенные расчеты показывают, что энергетические возможности водорода в топливных элементах используются пока лишь примерно на 0,6%. Увеличение этого показателя в 10 раз будет эквивалентно переходу на водородную энергетику во всех сферах человеческой деятельности [9].

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!

Японские исследователи, зная результаты наших теоретических и экспериментальных исследований и имея неограниченное финансирование, уже реализовали процесс получения электричества из воды. Владея нашей информацией, они смогли подобрать материалы электродов, которые реализуют описанный процесс не в топливном элементе, а в электролизёре (рис. 77).

Таинственную связь с японцами, мы подробно описали в своей книге «История научного поиска и её результаты». 2-е издание. Краснодар 2007. 418 с.

Конечно, если бы мы имели регулярное и достаточное финансирование, то смогли бы достичь результатов, полученных японцами, этого не произошло, поэтому мы выражаем благодарность таинственному японцу, который основательно поддержал нас материально в лихую годину перестроечных неурядиц.

Рис. 77. Фото японского электролизёра получающего электричество из воды

Эту технологию реализовала японская компания Genepax Co Ltd. Новые топливные элементы, разработанные компанией, названы "Water Energy System (WES).

На конференции Genepax демонстрировало топливную батарею с выходной мощностью 120 Ватт и топливную систему с выходом в 300 Ватт. Во время демонстрации 120 Ваттный топливный элемент был запущен в работу водяным насосом от сухой батареи. После того, как энергия начинает производиться топливным элементом, система переходит в пассивный режим с выключенным водяным насосом.

В настоящий момент топливная батарея выдает на выходе напряжение в 25-30 В. Всего в батарее около 40 топливных элементов по 0.5-0.7 В в каждом. Энергетическая плотность не менее чем 30мВт/см2. Площадка, на которой в каждом элементе происходит реакция составляет 10X10 см.

Genepax изначально планировало развивать 500 ваттные системы, но испытало трудности в обеспечении материалами для МЕА, что привело к фокусированию на производстве, прежде всего 300 ваттных систем.

В будущем, компания планирует производить одно киловатные системы для использования в домах и электрокарах. Вместо того, чтобы использовать чисто электрические машины, компания предлагает использовать МЕА, как генераторы для зарядки второй батареи во время езды. Конечно, начальные достижения японцев выглядят пока скромно, если учесть, что отделение от каждой молекулы воды одного электрона позволяет получить из каждого литра воды 1489,1 Ач. У обычных автомобильных аккумуляторов средняя величина этого показателя равна 60 Ач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детальный анализ процесса электролиза воды и его источника питания показал наличие значительных резервов в снижении затрат энергии на этот процесс и результаты испытаний первых лабораторных моделей подтвердили этот прогноз.

---

[1] Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества Кл/моль.