Осциллятор Андреева

Предлагается цстройство - осциллятор Андреева, который позволяет получать электрическую энергию только за счёт тепла окружающей среды. Поэтому это устройство может генерировать электрическую энергию в любом месте и в любое время. Особенно такое устройство будет востребованно для питания различных гаджетов и мобильных устройств. Для изготовления такого устройства возможно использование технологий, используемых в производстве микрочипов и микросхем, которые уже давно отработанны и освоены промышленностью.

В Фейнмановских лекциях [1] по физике есть глава 46, которая называется «Храповик и собачка». В этой главе Фейнман описал вертушку с храповиком и собачкой, как вариант вечного двигателя. А затем и доказал, что такой вариант вечного двигателя работать не будет. Конечно, с храповиком и собачкой может и не будет. Но этот вариант не единственный, как можно преобразовать хаотичные колебания вертушки для производства работы.

Несколько изменим Фейнмановскую вертушку – см. рис. 1. Уберём храповик с пружинкой и собачкой. Вместо них будет металлическая пластинка, как на рисунке. Сама вертушка на рисунке не показана.

Рис. 1. 1 – металлическая пластинка из дух разнородных металлов А и Б. 2, 3 - металлические контакты, соединённые между собой проводником 4. Контакты 2,3

и проводник 4 - из одного металла.

Как работает такой ВД. Под действием ударов молекул газа вертушка колеблется в разные стороны. Вместе с ней колеблется и металлическая пластина 1 и при этих колебаниях пластинка касается контактов 2 или 3. Что происходит, когда пластинка касается одного из контактов. Ещё А. Вольта в 1797 году открыл такое явление -контактная разность потенциалов. При соприкосновении разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. При этом часть электронов из одного металла, у которого уровень Ферми выше, переходит на другой металл, уровень Ферми которого ниже. В результате один металл заряжается положительно, а другой отрицательно. Этот факт А. Вольта доказал следующим опытом. На стержень электроскопа был навинчен медный диск, покрытый тонким слоем шеллака. На него положен второй диск из цинка. Эти диски образовали конденсатор. Затем диски кратковременно соединялись медной проволочкой. Медный диск заряжался отрицательно, а цинковый - положительно. Такая разность потенциалов слишком мала, чтобы листочки электроскопа разошлись. Тогда цинковый диск за изолирующую ручку поднимается и емкость конденсатора уменьшается, а разность потенциалов во столько же раз увеличивается. И листочки электроскопа заметно расходятся. Также А. Вольта установил закон последовательных контактов, который гласит, что если несколько металлов привести в контакт с друг с другом, то разность потенциалов между крайними металлами не будет зависеть от того, какими промежуточными металлами они разделены. Допустим, что уровень Ферми металла А пластины 1 выше, чем у контакта 2 из металла В. А уровень Ферми металла Б пластины 1 ниже, чем у контакта 3 из металла В. При соприкосновении металла А с контактом 2 создаётся цепь из трёх металлов. См. рис. 2

Рис. 2.

Крайние металлы – это металл Б и металл В. Металл А, согласно закону последовательных контактов Вольты, не влияет на разность потенциалов между Б и В. Между крайними металлами Б и В возникает контактная разность потенциалов. Так как уровень Ферми контакта 3 выше, то часть электронов переходит на пластину 1 и она заряжается отрицательно, а контакты 2, 3 и проводник 4 положительно. При этом через проводник 4 на пластину 1 идут электроны с контакта 3. То есть, в проводнике 4 при касании пластинки электрода возникает импульс электрического тока. Затем под действием ударов молекул вертушка отклоняется в другую сторону и пластинка соприкасается с контактом 3. См. рис. 3.

Рис.3

В этом случае крайние металлы А и металл В. Так как уровень Ферми металла А выше, чем металла В, то часть электронов уходит с пластинки на контакт 2,3 и проводник 4. В результате контакты 2,3 и проводник 4 заряжаются отрицательно. При контакте с пластиной металл В меняет свой заряд. В это время часть электронов переходит на контакт 3, а другая часть через проводник 4 переходит на контакт 2. То есть, и в этом случае при касании пластины и контакта 3 через проводник 4 возникает импульс электрического тока. И направление тока в обоих случаях однонаправленно. Через проводник 4 течёт импульсный ток. Импульсный ток также течёт между металлами А и Б пластины и между контактами 2,3 и пластиной. Между этими металлами также есть контактная разность потенциалов. Но толщина контактного слоя в металлах составляет примерно 10–10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный спой, составляет примерно 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина — с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью. То есть, эта контактная разность потенциалов между металлами А, Б и В не мешает течь электрическому току.

Согласно закону последовательных контактов А. Вольты в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, возбуждения электрического тока не происходит, если все металлы находятся при одной и той же температуре. Но если температуры в местах контактов разные, то в цепи появляется электрический ток. То есть, для получения тока необходимо затратить внешнюю энергию в виде тепла. В данном устройстве для получения электрического тока необходимо колебания пластинки 1, чтобы она поочерёдно касалась контактов 2 и 3. Колебания пластинки обеспечивает вертушка, в лопасти которой ударяются молекулы газа. В данном случае нет необходимости вращения вертушки в одну сторону, как у Фейнмана. Соответственно, не нужны храповик и собачка. То есть, те элементы, которые не позволяют, согласно Фейнману, сделать из вертушки вечный двигатель второго рода. Затрачивая свою кинетическую энергию на колебания вертушки и пластины, молекулы газа уменьшают свою скорость. Иначе говоря температура газа вокруг вертушки будет уменьшаться. Если поместить такое устройство в некоторый объем, изолированный от внешней среды, то это устройство будет вырабатывать электрический ток только за счёт уменьшения температуры газа этого объёма. То есть, для получения электрического тока также используется тепло, как и в случае с подогревом от внешнего источника тепла, температура которого выше окружающей среды. Только в данном устройстве используется тепло окружающей среды. А это нарушает постулат Томсона - "Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара." Конечно, ток от одного такого устройства очень мал, но можно соединить множество таких устройств и увеличить результирующий ток.

Возможны различные варианты такого устройства. См. рис. 4.

Рис. 4.

В данном варианте пластинка состоит из двух разнородных металлов, а контакты из одного металла. В принципе, можно пластину сделать из одного металла, а контакты из разнородных металлов, см рис. 5.

Рис. 5.

От этого ничего не измениться. Колебания маятника будут переносить электроны с одного электрода на другой.

Возможены и другие варианты. Для примера возьмём полупроводниковый диод - два соединённых полупроводника с металлическими выводами. Соединение металлического вывода с полупроводником - омическое. То есть, такое соединение не создаёт p-n переход, не обладает односторонней проводимостью и не мешает движению электронов. Разъединим полупроводники. Получится металлический проводник с полупроводниками на концах. Разместим полупроводники и металлический проводник на маятнике, см. рис. 6. На маятнике с лопастью 5 размещены два идентичных устройства.

Рис. 6. 2 - p-полупроводник. 3 - n-полупроводник. 4 -металлический проводник, соединяющий полупроводники. 5 -лопасть от вертушки.

Рассмотрим работу одного из них слева. P-полупроводник 2 соединён металлическим проводником 4 с n-проводником 3. Пока полупроводники не соприкоснулись, то система уравновешена и тока нет. Под действием ударов молекул в лопасть, маятник сместился влево и полупроводники соприкоснулись. Возникает p-n переход. Электроны с n-проводника переходят на p-полупроводник. Возникающее электрическое поле тормозит дальнейший переход электронов и система опять уравновешена. Вблизи p-n образуются два объёмных заряда. На p-полупроводнике избыток электронов, а на n-полупроводнике недостаток. Под действием ударов молекул маятник смещается вправо и полупроводники разъединяются. P-n переход исчезает. При этом исчезают условия поддержания этих объёмных зарядов. Но при этом на p-полупроводнике остаётся избыток электронов, а на n-полупроводнике их недостаток. В результате избыточные электроны с p-полупроводника по металлическому проводнику переходят на n-полупроводник. В результате система снова приходит в первоначальное положение, которое было до соприкосновения полупроводников. При этом по 142

металлическому проводнику прошёл импульс электрического тока. При следующем соприкосновении полупроводников, по проводнике пройдёт ещё один импульс тока. И так при каждом соприкосновении. То есть, по металлическому проводнику будет течь импульсный электрический ток. Так как при соприкосновении полупроводники получают противоположные заряды, то между ними действуют силы притяжения и для их разъединения необходима некоторая работа. Эту работу будут совершать удары молекул. Так в вертушке Фейнмана удары молекул воздействуют на лопасти и поднимают блошку, пока она снова не опустится вниз. Так как на это будет тратиться часть кинетической энергии молекул, то вследствие этого скорость молекул газа вокруг устройства будет уменьшаться. Температрура - величина, характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость хаотического движения молекул. То есть, будет использоваться тепло окружающей среды. За прошедшие десятилетия никто не усомнился в колебаниях вертушки с храповиком у Фейнмана. Поэтому и дальше не будем в этом сомневаться и будем уверены в том, что удары молекул будут колебать маятник, как колебали вертушку с храповиком. А при каждом колебании маятника полупроводники будут соприкасаться и будет генерироваться импульс тока. Множество таких устройств можно соединить вместе и получить напряжения и ток, достаточные для работы миниатюрного электромотора. А он в свою очередь будет вращать вал с ниточкой, на конце которой висит блошка, и поднимать её в верх. То есть, получился вечный двигатель второго рода, который работает за счёт охлаждения окружающей среды. Можно нагреть p-n переход диода и замкнуть выводы. Тогда в этой цепи также будет течь ток. В обоих случаях для получения электрического тока используется тепло. Так что законы физики не нарушены.

Рис. 7.

Например, был создан "механический" транзистор -наномеханический осциллятор Блайка, см. рис. 7.

В центре устройства – вибрирующий маятник, который был назван Блайком "механической рукой". Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электродов G1, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. Но можно сделать так, что будет переноситься не один электрон, а значительно больше. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD. Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator: слой кремния на слое изолятора) в несколько этапов. Сначала с помощью электроннолучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

Достаточно немного видоизменить этот осциллятор и он превратится в осциллятор Андреева. Для этого достаточно убрать электроды G1 и G2. А также прикрепить к "механической руке" лопасть. И вечный двигатель - осциллятор Андреева готов к труду и обороне. Причём такой ВД не нарушает законов физики. Если не считать второе начало термодинамики, которое законом не является. А является всего лишь постулатом. По выражению Канта, «данный a priori, практический императив, неспособный дать никакого объяснения, а также и доказательства своей возможности».