Propulsão

Uma outra teoria

Levitação eletrostática

O objetivo deste texto é tentar reproduzir teoricamente parte do trabalho realizado por Thomas Townsend Brown ao tentar demonstrar que é possível criar dispositivos voadores baseados em levitação elétrica.

O princípio básico é que um capacitor carregado tende a movimentar-se em direção a placa positiva quando suficientemente energizado. Thomas T. Brown relatou que usou diferenças de potencial nas faixa de 100 KV. (Isso apresenta alguns desafios técnicos para o experimentador que deseja pesquisar este fenômeno).

Foi publicado que Thomas T. Brown comprovou cinco critérios que afetariam o "fator de elevação" dos seus dispositivos.

São eles:

  • área da superfície das placas


  • tensão nas placas


  • proximidade das placas


  • massa do material dielétrico


  • constante dielétrica


  • Todos os itens nesta lista, exceto a massa do dielétrico, afeta a densidade da carga na superfície das placas. Provavelmente a massa do dielétrico era diretamente relacionada a constante dielétrica dos materiais que estavam disponíveis naquela época. Geralmente, quanto maior a massa, maior a tensão de ruptura e maior a constante dielétrica. Por exemplo, o vidro tem mais massa que ar, tem uma tensão de ruptura maior e tem uma constante dielétrica mais elevada.



    Partículas elétricamente carregadas

    Partículas carregadas são afetadas tanto por campos elétricos quanto campos magnéticos . O movimento de uma partícula carregada através de um campo (elétrico ou magnético) experimenta uma força de aceleração enquanto estiver dentro do campo. A força é dependente da natureza do campo e da natureza da partícula carregada.

    O movimento de um elétron dentro de um campo elétrico criado por um capacitor de placas paralelas carregado é um forma simples de ensinar sobre campos elétricos. O resultado prático disto pode ser observado na operação de um tubo de raios catódicos (TRC) usado em um osciloscópio , ou de forma mais comum, em um cinescópio usado em aparelhos de TV e monitores de computador (o conhecido tubo de imagens).




    Isto é significativo porque a Terra é um gigantesco capacitor esférico de placas paralelas.

    Este "Capacitor Terrestre" é compreendido pela combinação da eletrosfera/ionosfera positiva e a superfície negativa da Terra. Este "Capacitor Terrestre" possui uma diferença de potencial de mais ou menos 300.000 Volts com uma carga superficial total de cerca de 1.000.000 de Coulombs . Desde que:

    Capacitância = Carga / Tensão
    C = 1.000.000 coulombs / 300.000 volts
    C = 3,33... Farads

    Desde quer a terra/ionosfera consiste em um capacitor carregado, surge as seguintes questões:

    "Como as partículas carregadas são afetadas dentro do campo elétrico deste "Capacitor Terrestre ?"

    "Qual o tamanho máximo desta partícula ?"

    Vamos analisar a seguinte experiência de física do segundo grau. Uma barra de vidro que foi esfregada com lã é trazida às proximidades de uma esfera de metal que está suspensa por um fio e livre para balançar. A esfera de metal é atraída para a barra de vidro carregado. O explicação é simples. A barra de vidro elétricamente carregada por fricção , força as cargas de mesma polaridade na esfera de metal para o lado oposto da esfera e atrai as cargas de polaridade contrária existentes na esfera em direção a si mesma. A barra de vidro carregada induz uma separação de cargas (polarização) dentro da esfera de metal, na realidade, transformando a esfera de metal em um capacitor.

    Esta é uma experiência simples que demonstra o efeito Biefeld-Brown. Se a esfera de metal for substituída por um capacitor de placas paralelas, o capacitor seria atraído em direção à barra de vidro, ou repelido por esta, dependendo da polaridade da carga do capacitor. A intensidade da força variaria dependendo do valor da densidade da carga na barra de vidro e no capacitor.

    Thomas Townsend Brown esteve experimentando com partículas carregadas dentro do campo elétrico natural da Terra. Desde que os capacitores de Thomas Brown estavam muito próximos da placa negativa do "Capacitor Terrestre", eles tenderiam a mover-se da mesma maneira que a esfera de metal acima. Devido a separação das cargas, nesse caso, o capacitor se move em direção a placa positiva.
    Isso nos conduz a outra conclusão. Um capacitor de três placas deveria ser mais eficaz do que seus capacitores de duas placas. Uma carga negativa nas placas exteriores e uma carga positiva na placa interior. As placas exteriores blindariam a placa interna contra a influência do campo de elétrico da Terra, protegendo consequentemente a placa positiva de qualquer força. Um capacitor de três placas se comportaria de forma mais similar a uma partícula carregada.

    Entrando na matemática da coisa ...

    Desde que a força do campo produzida pelo "Capacitor Terrestre" seja conhecida, os cálculos matemáticos são simples. A tensão de ruptura dos dielétricos é expressa em unidade de tensão (por exemplo, volts) por unidade de distancia (por exemplo, milímetros). Este parâmetro, juntamente com a constante dielétrica podem ser obtidos a partir da tabela mais ao final deste texto.

    Para realizar experimentos práticos envolvendo é necessário a obtenção de uma fonte de alimentação de 20.000 VDC (funcionando). Isto pode ser facilmente obtido a partir de algum pequeno aparelho de televisão em preto e branco. Existem também vários sites na web dedicados a "como construir" máquinas de HV (high voltage - alta voltagem) tais como a máquina de Wimshurst, o gerador de Van DeGraff e outros. Obter ou construir a sua fonte de alimentação de alta tensão não é uma tarefa insuperável. Mas cuidado, muito cuidado! Seja muito cuidadoso quando estiver trabalhando com voltagens desta magnitude. Com o capacitor descrito, um movimento errado pode significar a morte imediata.



    Para obter 1 Coulomb de carga em um capacitor, a partir de uma fonte de alimentação de 20 KVDC , nós precisaríamos de um capacitor de 50 microFarads (µF) . Isso pode ser obtido.

    Capacitância = carga / tensão
    C = 1 Coulomb / 20.000 Volts
    C = 0,00005 Farads ou 50 microFarads

    A construção deste capacitor requer placas condutoras e um material dielétrico. As placas podem ser construídas a partir de um chapa metálica (por exemplo, alumínio). O material dielétrico deve ser escolhido para apresentar um fator de combinação de uma mais alta tensão de ruptura e constante dielétrica. (Veja a tabela). Para começar, polietileno comum laminado parece uma escolha razoável. Tem tensão de ruptura de 47,2 KV/mm (exigiria uma espessura de 0,45 mm para suportar até 21,24 KV), uma constante dielétrica de 2,3 e está largamente disponível no comércio.

    Temos então os seguintes dados:

    Capacitância necessária = 50.000.000 pF
    Espaçamento entre as placas = 0,045 cm
    Constante dielétrica = 2,3
    Número de placas = 3

    A partir da fórmula de calculo da capacitância abaixo poderemos então determinar a área das placas necessária.

    A fórmula para projetar um capacitor de placas paralelas é:

    C = (0,088 * K * A / d) * (N - 1) onde

    C = capacitância em picofarads
    K = a constante dielétrica
    A = a área de superfície da placa em cm²
    d = a distancia entre as placas em cm
    N = o número total de placas

    calculando ...

    50.000.000 picofarads = (0,088 * 2.3 * A / 0,045) * (3 placas - 1)
    50.000.000 = 4,4977 * A * (2)
    50.000.000 = 8,9955 * A
    A = 50.000.000 / 8,9955
    A = 5558334,7 cm² ou A = 555,83347 m²

    que convertendo para uma placa circular ...

    A = pi * R² ou R = raiz(A / pi)

    R = raiz(555,83347 / 3,1415) = raiz(176,9325) = 13,30 m

    resulta num capacitor de placa circular com 26,60 metros de diâmetro. Este é um valor inaceitável.

    A próxima escolha para o dielétrico é um filme de poliester (Mylar - marca registrada DuPont). Mylar não é tão fácil de conseguir como polietileno, mas está disponível através de revendas a varejo da DuPont. Mylar tem uma tensão de ruptura de 295 KV/mm e uma constante dielétrica de 3,2. Para suportar a tensão de 20 KVDC é necessário que a folha possua uma espessura de 0,07 mm.

    O diâmetro calculado seria então ...

    C = (0,088 * K * A / d) * (N - 1)

    50.000.000 pF = (0,088 * 3.2 * A / 0,007) * (3-1)
    50.000.000 = (40,228571 * A)*(2)
    50.000.000 = (80,457142 * A)
    A = 621448,87 mm² ou 62,144887 m²

    A = pi * R² ou R = raiz(A / pi)

    R = raiz(62,144887 / 3,1415) = raiz(19,781915) = 4,44 m

    que corresponde a um capacitor com uma placa circular com 8,89 metros de diâmetro.

    Parece que o tamanho destes capacitores são inexecutáveis sem um maior número de placas. Se mais placas fossem adicionadas então o diâmetro diminuiria proporcionalmente. Mas todas os placas interiores seriam protegidas do campo elétrico e não contribuiriam para gerar a força resultante.

    Massa do capacitor

    A massa que pode ser erguida por uma carga de 1 coulomb no campo elétrico de 6 N/m (Newtons por metro) é substancialmente menor do que 1 quilograma.

    Força = massa * aceleração

    neste caso a força em uma partícula carregada dentro de um campo elétrico é o produto da força do campo elétrico pela carga

    F = E * q

    Considerando a aceleração da gravidade ...

    E * q = massa * 9,8
    massa = 6 * 1 / 9,8
    massa = 0,61224 Kg

    É claro que qualquer um dos capacitores acima pesariam mais de 0,61224 Kg. Só o dielétrico Mylar do capacitor pesaria muito mais do que este valor (a densidade do Mylar é 1,390 gramas por centímetro cúbico). Nenhum experimentador, por mais ambicioso que seja, conseguiria construir tal dispositivo a menos que ele consiga uma grande redução do peso.

    Um capacitor de 1,5 m de diâmetro usando Mylar com 0,076 mm de espessura teria uma capacitância de 1,3 mF. Carregado com 20.000 Volts ele iria acumular 0,027 coulomb de carga e teria que ter uma massa de 2,75 gramas ou menos. Para dar a você uma referência comparativa desta massa, ela corresponde a ligeiramente mais da metade da massa de um níquel americano.

    Também estes cálculos foram baseados no "típico" pior caso do campo elétrico de força. O campo elétrico Terrestre alcança níveis de 100 V/m (100 Newtons por Coulomb). Nestes níveis, a força resultante devia ser mais ou menos 16 ou mais vezes do que as usadas nos cálculos anteriores. No capacitor de 1,5 m isto vem a ser mais ou menos 45 gramas (9 níqueis americanos).

    Seria possível construir um capacitor mais prático que poderia acumular carga suficiente para ser acelerado pelo campo elétrico da Terra acima da gravidade da Terra? A resposta indubitavelmente seria sim.

    Atualmente pode-se comprar um capacitor de 500.000 mf (0,5 Farads) para 5V (tipo eletrolítico) que possui substancialmente menos massa do que 0,6 Kg. Isto representa um carga de 2,5 coulombs. O problema é que eles são eletrolítico com placas enroladas, de forma que a maior área da placa é blindada do campo elétrico. Consequentemente pouquíssima força seria produzida. Se este tipo de capacitor pudesse ser produzido em um capacitor plano de 3 placas, então isso funcionaria.

    Carga em um capacitor de 0,5F @ 5V

    Q = C * V
    Q = 0,5 farad * 5 volts
    Q = 2,5 coulombs

    O que fica subtendido é que uma suficiente acumulação de carga em um capacitor, ou qualquer objeto no que diz respeito a esse assunto, com massa suficientemente pequena, seria acelerado mais pelo campo elétrico da Terra do que pelo campo de gravitacional da Terra. Ele poderia voar.

    Claramente a resposta fica dependente de se encontrar um material dielétrico satisfatório. Possívelmente este dielétrico será um material composto consistindo em uma substância bipolar prensado entre uma substância com uma alta tensão de ruptura. Substancias bipolares naturalmente possuem uma alta constante dielétrica devido a sua estrutura molecular. Tome a água por exemplo. Ela possui uma constante dielétrica de 78. Isto é devido a natural separação de cargas nas moléculas da água. Isso faz com que a molécula da água tenha um extremidade positiva e outra negativa. Em um campo elétrico ela se alinha apropriadamente ao longo das linhas do campo e ajuda o fluxo das linhas elétricas. É por esta mesma razão que ele possui uma tensão de ruptura muito baixa. Contendo-a em uma substância com uma alta tensão de ruptura, o dielétrico combinado é mais baixo do que a água, mas mais alto do que aquele do material isolante. Eu não recomendo experimentar com materiais eletrolíticos. Eles são muito frágeis e é muito difícil trabalhar com eles (do ponto de vista elétrico e mecânico).

    Outra idéia interessante é que pode ser possível concentrar-se o campo elétrico localmente em torno do capacitor. Isto poderia ser feito se um material encontrado tivesse uma constante dielétrica menor do que a do ar (o K do ar é 1). Cobrindo o lado externo do capacitor com este material.

    Um capacitor que tenha sido carregado com uma carga qualquer e em seguida desconectado da fonte de alimentação permanece com valor carregado. Se um material dielétrico diferente é introduzido entre as placas, a tensão entre as placas mudarão. Quando a constante dielétrica for mais baixa a tensão sobe. Desde a distância entre as placas permaneça constante e a carga em coulombs também permaneça constante, a tensão terá que mudar. Quando a tensão entre as placas é mais baixa (constante dielétrica mais alta) o campo de força elétrico é menor (proporcionalmente). Uma menor constante dielétricas aumenta o campo de força elétrico (proporcionalmente). Aumente o campo de força da Terra (localmente) introduzindo um material com uma constante dielétrica menor que a do ar. Também, por este motivo que o campo de força elétrico local é menor quando há nuvens acima. A água tem uma constante dielétrica muito maior do que a do ar. Consequentemente o gradiente de tensão local (campo de força elétrico) é mais baixo.

    Realizando medições

    A sugestão para medir capacitâncias é que um multímetro digital com capacidade de medição de capacitâncias seja usado. Este permitirá experimentar novos materiais dielétricos de maneirar relativamente fácil. Com o medidor, uma medição direta da capacitância de um capacitor com área da placa conhecida pode ser efetuada. Um modo para determinar a constante dielétrica é tomar a relação entre a medição de capacitância usando a mesma (exata) distancia de separação das placas utilizando o ar como dielétrico em uma das medições e a medição usando o dielétrico para o qual deseja-se determina a constante dielétrica. Outro método é medir a capacitância com o dielétrico no lugar, medir a separação entre as placas e usar estes valores na fórmula de capacitância.

    Outro método para medir capacitância (sem o medidor digital) é através da constante RC (Resistor-Capacitor). Cinco vezes a resistência em Ohms multiplicada pela capacitância em farads é o tempo, em segundos, que um capacitor leva para atingir 99% da tensão de alimentação (tempo = 5RC ou o C = tempo / 5R).

    Um bom micrômetro pode medir a distância entre os placas. Apenas aplique os valores medidos na fórmula de capacitância e calcule a constante dielétrica.

    Um medidor de elevação pode ser construído com uma haste de balança muito longa feita de um material isolante rígido. (Madeira não é adequada desde que ela não é apropriada para operar com tensões elevadas). Segurança é extremamente importante. Você tem que ficar a uma distância segura de um capacitor letal. Uma longa haste realmente isolante é preferível. (Também, é uma boa idéia sempre para manter uma das mãos no bolso ou atrás das suas costas a toda momento. Sempre assuma que o capacitor está carregado e pronto para te matar. Normalmente basta apenas 1 mA ( miliampere ) por uma fração de segundo para parar seu coração. Desde que a resistência elétrica do nosso corpo é normalmente menos que 500 KOhms, então isso significa que 500 volts produzirão uma corrente de 1 mA por uma fração de segundo provavelmente matarão você. 200 volts proderão te provocarão um dano permanente). Uma extremidade da balança leva o capacitor. A outra extremidade possui um contrapeso e uma escala. O medidor de elevação é lido pela diferença na escala entre a posição de repouso e a posição de elevação.

    Medir o campo elétrico da Terra é relativamente simples. Conecte um amplificador operacional (bifet) de baixa corrente de entrada (10-¹²A) como um seguidor de tensão . Conecte as entradas, via cabo blindado, a um ou mais capacitores de 1 m² (cada placa) com as placas espaçadas em 0,1 m. (O ar é o dielétrico) Mantenha as conexões as mais curtas possíveis e conecte a malha de terra a um bom ponto de aterramento. As placas do capacitor precisam ter pelo menos um metro quadrado ou mais desde que a corrente atmosférica é da ordem de 10-¹² a 10-¹¹ amperes por metro quadrado (A/m²). Você precisa de corrente suficiente para excitar o amplificador operacional. O espaçamento das placas do capacitor nos dá a leitura em volts por metro. Desde que 100 volts é o máximo que os amplificadores operacionais podem manusear, espace as placas para obter um décimo da leitura, i.e. 10 centímetros (0,1 metro). As leituras esperadas deviam situar-se entre 0,6 volts (para um gradiente real de 6 V/m) e 10 volts (para 100 V/m de gradiente de tensão/metro real). Monte o capacitor ao ar livre (placas paralelas ao chão), acima do chão mas não tão alto para ficar inacessível. (Os pássaros adoram adicionar "material dielétrico" aos seus capacitores, ... carros, ... barcos, ... mesas de piquenique, ... roupas no varal, ... janelas, etc...). Mas mantenha-o alto bastante de forma que grama não interfira com ele. O capacitor também precisa ser montado em um suporte isolante para que as suas medidas sejam precisas. Certifique-se que está muito bem isolado (afastado) de fontes de campos elétricos tais como redes de energia elétrica, dispositivos elétricos ou eletrônicos, etc... Uma proteção de metal também blinda qualquer coisa dentro dela do campo elétrico da Terra. ( Gaiola de Faraday )



    Circuito seguidor de tensão com amplificador operacional

    Se você deseja medir tensões negativas do campo elétrico (quando uma nuvem carregada estiver passando em cima) basta conectar o terminal negativo do medidor para V- ao invés do ponto de aterramento. (Neste caso o ponto de aterramento do circuito seguidor de tensão não deve ser conectado ao terra.) A agulha do medidor deverá ser centrada para 0 volts, movimentos à direita para tensões positivas e movimentos à esquerda para tensões negativas. Se desejar, você pode também substituir a escala de medição por uma personalizada a seu gosto.

    Para fazer um medidor de alta tensão (você provavelmente precisará de um) apenas adicione uma resistência apropriada a uma das pontas de prova do seu medidor de tensão padrão. A resistência apropriada poderá ser encontrada pela fórmula:

    resistência necessária = resistência do medidor * (fator de multiplicação - 1)

    Por exemplo, um medidor de 50V pode ser convertido em 50.000V. A resistência interna do medidor é de 20.000 ohms/V ou 1.000.000 ohms para 50V na escala. (isto pode variar, confira seu medidor). O fator de multiplicação é 1000 (fazendo o medidor de 50V volt ler 1000 vezes mais tensão). Então nós temos:

    a resistência necessária = 1.000.000 * (1000-1)
    a resistência necessária = 1.000,000 * (999)
    a resistência necessária = 999.000.000 ohms ou 999 megaohms.

    A potência dissipada no resistores é obtida por:

    potência = corrente * tensão

    A corrente para a deflexão de fundo de escala necessária é:

    corrente = tensão / resistência
    corrente = 50 volts / 1.000.000 ohms
    corrente = 0,00005 amperes

    A tensão através do resistor é quase 50.000 volts. A potência total do resistor devia ser:

    potência = corrente * tensão
    potência = 50.000 * 0,00005
    potência = 2,5 watts

    Para segurança e durabilidade, a potência deve ser quadruplicada. 10 watts por segurança. Então, pelo menos, 20 resistores de 1/2 watt ou 40 resistores de 1/4 watt totalizando 999 megaohms seriam adequados. (100 resistores de 1/4 W com 10 Mohms e 5% de tolerância podem ser usados) Ponha os resistores numa ponta de prova na extremidade do fio do terminal do medidor. Isto dispõe uma margem de segurança na tensão real no medidor.

    Para medir a tensão de ruptura do material dielétrico, ponha o material dielétrico entre os placas do capacitor. Carregue o capacitor através de um resistor (1 Mohms @ 1/2 W). Meça a tensão através do capacitor. Observe a tensão muito cuidadosamente. Quando o dielétrico falhar, a tensão cairá muito depressa. Anote o ponto mais alto que a tensão atingiu. Esta é a tensão de ruptura. Desligue a fonte de alimentação rapidamente. Considere um desvio desta tensão para mais ou menos 10%. A razão para o desvio é que a tensão de ruptura é normalmente mais baixa em dielétricos quando o capacitor for carregado rapidamente.

    Tabela de constante dielétrica e tensão de ruptura

    Material Constante dielétrica Tensão de ruptura em KV/mm Estado da matéria Outras observações
    Ar 1,00054 0,8 Gás -
    Baquelite 4,4 a 5,4 12 Sólido -
    Acetato de celulose 3,3 a 3,9 9,8 a 23,6 Sólido Celofane
    Álcool etílico 24 ? Líquido Industrial
    Vidro 7,6 a 8 7,8 a 9,8 Sólido comum - janela
    Mica 5,4 150 a 220 Sólido -
    Mylar 3,2 295 Sólido -
    Papel 3,0 7,8 Sólido Sem tinta
    Parafina 2,1 ? Sólido -
    Plexiglass 2,8 39 Sólido -
    Polietileno 2,3 47,2 Sólido -
    Poliestireno 2,6 19,7 a 27,5 Sólido styrofoam
    Porcelana 5,1 a 5,9 1,6 a 4 Sólido -
    Quartzo 3,8 39,4 Sólido -
    Borracha 2,8 ? Sólido dura
    Teflon 2,1 39,4 a 78,8 Solido -
    Vácuo 1 infinito n/a -
    Vinil 2,8 a 4,5 ? Solido -
    Água 76,5 a 80 ? Líquido destilada

    Se você precisar relembrar esta área da física, então qualquer livro de Física do segundo grau servirá. Só estude o capítulo que trata sobre o movimento de uma partícula carregada através de um campo elétrico. A ciência e a matemática são simples.

    Você deve estar perguntando por quê este tipo de pesquisa não foi feito mais detalhadamente no passado. Os resultados potenciais são estonteantes. (É como reduzir o preço de um automóvel novo para 20 dólares.) As pessoas na NASA e lugares similares não são bobas. A idéia de "manipulação de campo" para vôo esteve sendo investigada por muito tempo. Parece que se ela fosse possível (tecnologicamente falando) de obter, alguém já a teria feito. Mas quantas pessoas sabem que a Terra tem seu próprio campo elétrico natural? Eu não recebi esta informação na escola. Muito poucas pessoas sabem disso. Se esta é uma área de ciência omitida, então a oportunidade para um novo Thomas Edison existe. A idéia de vôo controlado esteve presente por muito tempo antes 1900. Tudo que foi necessário foi a idéia de inventar o aerofólio certo (quando todo cientista pensava que era impossível). Com a idéia, a matemática, com métodos e habilidades simples fizeram funcionar.



    "O capacitor voará! Tudo que é necessário para fazer isto na pratica é encontrar o dielétrico correto."



    Adaptação Jc Rincon
    (Janeiro de 2005)

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