Descrizione technica della piastra elettrostatica.

Nel modello di riferimento, il campo elettrico è prodotto nei buchi di una griglia in contatto con il gas. La griglia costituisce l’armatura positiva di un condensatore, ed è separata dal catodo da uno strato dielettrico sottile (schema 20). La dimensione dei buchi è ridotta tanto possibile per evitare ogni problema di stiramento nel gas, legato al campo elettrico necessariamente molto intenso.

 

Per ottenere una differenza di temperatura sufficiente

tra la fonte fredda e la fonte calda, la soluzione consiste nel procedere per piani, cioè nel superporre le piastre in millefogli e dunque la piastra fredda di un piano diviene la piastra calda del piano seguente.

 

Un calcolo della potenza elettrica consumata

 mostra che questa è trascurabile in rapporto alla potenza di trasferimento termico, ciò che permette di sperare un coefficiente di prestazione (COP) molto alto, senza rapporto con il COP di Carnot.

 

Diverse configurazioni possibili

sono passate in rivista, con per scopo di semplificare il procedimento di fabbricazione, di ridurre il costo di produzione, ma anche di ottimizzare la potenza e l’affidabilità, in particolare provando di eliminare il rischio di deterioramento del dielettrico legato al campo elettrico molto intenso da mettere in opera.

 

 

Si tratta di un condensatore la cui armatura carica negativamente è costituata dalla piastra metallica, sulla quale è disposto un dielettrico sottile, e la griglia, in contatto con il gas, che costituisce l’armatura carica positivamente. Questa griglia potrebbe realizzarsi facendo buchi in uno strato di metallo disposto sotto vuoto sull’isolante. La griglia giocca il ruolo di gabbia di Faraday descritta più alto in « Principio elettrostatico ». Permette di generare un campo intenso alla superficie della piastra, più precisamente nei buchi della griglia, e un campo residuale trascurabile in tutto lo spazio gassoso che resta.

 

Perché non si applica il campo elettrico in tutto lo spazio gassoso ?

            Eviterebbe la griglia. Ma è il gradiente del campo elettrico nello spazio a provocare l’attrazione delle molecole di gas. È tra il posto dove il campo è trascurabile e il posto dove il campo è intenso (nei buchi della cancellata) che sono attirate. In una tale zona di campo variabile, le cariche elettriche positive e negative del dipolo molecolare non subiscono esattamente la stessa forza elettrostatica (attrazione o repulsione) perché non sono situate al stesso posto, e è questa differenza di forza tra l’attrazione di una carica e la repulsione della carica opposta ad indurre una risultante di forza che è la forza di attrazione della molecola. Quella si esercita sempre in direzione del gradiente di campo, cioè verso al campo intenso, e non secondo la direzione del campo elettrico.

Se si sistemasse un gas in un campo elettrico uniforme, tra un catodo e un anodo, le molecole di gas non subirebbero nessuna forza di attrazione. Ognuna delle molecole fornirebbe malgrado un dipolo a causa del campo elettrico che separa le cariche opposte, ma siccome il campo elettrico è uniforme, la forza di repulsione di una carica compenserebbe esattamente la forza di attrazione della carica opposta.

 

            Ecco un’esperienza che illumina su questo fenomeno. Se si introdusce una lamina in un condensatore carico, la lamina è attirata nel condensatore. L’energia di attrazione proviene dalla polarizzazione della lamina, cioè dalle cariche indotte su ogni superficie della lamina penetrando nel condensatore. Queste cariche esercitano un’attrazione in rapporto ai morsetti positivi e negativi del condensatore, come è indicato sullo schema. La forza di attrazione della lamina nel condensatore è una risultante dell’insieme di queste forze, e persiste finché la lamina non sia totalmente introdotta nel condensatore. Appena è totalmente introdotta, la forza di attrazione sparisce.

 

 

Il principio è lo stesso per una particella unica. Una tale particella sarebbe attirata penetrando nel condensatore, ma non dopo. La forza di attrazione è palpabile nel caso della lamina a causa del numero molto alto di molecole che contiene.

 

Dimensioni della griglia            

            Per evitare tutto fenomeno di stiramento [breakdown] del gas nella zona del campo intenso, cioè nei buchi della griglia, si deve ridurre al massimo la dimensione di questi buchi, e anche lo spessore della griglia. Di stesso, si può ridurre lo spessore del dielettrico (o isolante) solo in proporzione dei buchi della griglia. Però, più il dielettrico è sottile, più la sua rigidità dielettrica è alta. La rigidità dielettrica di uno strato di Parylene di 5 micron sarebbe sufficiente per applicare il campo elettrico voluto (250 KV/mm). Ma si può  considerare che queste dimensioni non devono essere oltrepassate.

 

Pressione del gas  

            Si deve fare in modo che il libero percorso medio di un elettrone nel gas (senza ionizzazione) corrisponda circa alla distanza tra le piastre, in modo da evitare la moltiplicazione degli elettroni che possono essere emessi dalla superficie dielettrica, capace di produrre uno stiramento nel gas. Nel caso di una distanza tra le piastre di 0,1mm, bisognerebbe fare un vuoto minimo di circa 0,01 bar.

 

Valore del campo elettrico e potenziale    

            Il valore medio del campo elettrico in superficie determinerà l’energia di attrazione delle molecole e il riscaldamento della piastra. Questo campo è il più intenso nei buchi della griglia, sulla superficie dielettrica, molto meno sulla superficie orizzontale metallica della griglia. Secondo calcoli fatti da computer, il valore medio del campo elettrico in superficie sarebbe, a grandi linee, con un dielettrico plastico la cui permitività relativa Er=2, il doppio del campo elettrico che esiste nel dielettrico. Un campo di 250KV/mm nel dielettrico è dunque necessario se si vuole ottenere un campo medio di 500KV/mm in superficie. Con uno spessore dielettrico di 5 micron, il potenziale elettrico si innalzerebbe dunque a 1,25 KV. Per uno stesso campo elettrico, il potenziale necessario è tanto più basso che il dielettrico è sottile.  

 

 

 

Piastrine di separazione

 

Ripartite su tutta la superficie delle piastre, mantengono una spaziatura regolare tra le piastre. Sono tanto poco numerose e strette possibile in modo da limitare il ritorno di calore nel senso normale: dalla piastra calda alla piastra fredda.   Ø      Un modo di realizzarle potrebbe consistere a deporre, sulla faccia inferiore di ognuna piastra (all’opposto della faccia incisa), uno strato plastico aderente di spessore uguale alla distanza di separazione voluta, poi a togliere questo strato da fresatura, fuori di ciò che si vuole mantenere per le piastrine.   Ø      Un’altra possibilità che permette di ridurre la distanza di separazione, e di seguito di aumentare la potenza di trasferimento termico, consisterebbe a formare microbocce di ossido alla superficie del metallo, per esempio da insediamento ionico.

 

 

Configurazione di insieme

            Il riscaldamento di qualche gradi di una piastra in rapporto a quella che sta di fronte deve essere moltiplicato per ottenere una differenza di temperatura sufficiente tra la fonte fredda e la fronte calda. La soluzione consiste a procedere per piani, cioé a sovrapporre le piastre in millefogli, la piastra fredda di un piano diviene la piastra calda del piano seguente. Se si riprendesse l’esempio descritto nello schema 14, si ritroverebbe la potenza di trasferimento termico di 1400 Watt che si aveva tra due piastre, ma questa volta tra la fonte fredda e la fonte calda, con la differenza di temperatura voluta.

 

 

 

Potenza elettrica consumata

            Si tratta della potenza consumata dal generatore per mantenere la tensione nei condensatori, perché una corrente (molto debole) attraversa il dielettrico e scaricherebbe i condensatori se non fossero mantenuti a una tensione costante. La corrente è funzione della resistività del dielettrico. Con un materiale molto resistivo come il Parilene (10 ¹⁷ Ohm cm al campo voluto), si ha, con un campo elettrico di 10⁷ V/cm, una corrente di 10^-10A/cm² o

10^-6A/m². Con una tensione di circa 1000 Volt si obtiene una potenza consumata di circa

10^-3 Watt/m², cioè 0,01 Watt per un millefogli di 10 piastre di 1m², il che è trascurabile in rapporto alla potenza di trasferimento termico calcolato più alto (vedere lo schema 14).

 

Altre configurazioni della piastra

 

            Rimangono basate sullo stesso principio, cioè la creazione, alla superficie di una piastra, di un campo elettrico che permette di attirare le molecole di gas per far loro dare energia per adattamento termico.

 

      1) Ioni in superficie

 

Ioni repartiti uniformemente in superficie sostituiscono la griglia metallica della prima configurazione. Le molecole di gas sarebbero attirate dal campo elettrico intenso a prossimità di un ione. La repartizione degli ioni si effettuerebbe in modo automatico da una repulsione degli ioni tra loro. Gli ioni potrebbero essere prodotti da un’emissione elettronica di un catodo freddo (catodo che emette elettroni con un campo elettrico debole) in un gas elettronegativo (molecola che capta facilmente un elettrone supplementare) come SF6.

 

Vantaggi

 

-  Ottenimento di un campo alto a prossimità di un ione (1,5 x 10⁹ V/m a 1nm)

- La sottigliezza del dielettrico (10nm) e la carica statica degli ioni negativi non autorizzano più uno stiramento del dielettrico.

- Si evitano i problemi legati alla griglia metallica :

§         campo troppo alto vicino agli spigoli metallici che rischiano di ionizzare le molecole di gas neutro

§         rischio di emissione di ioni a partire del metallo della griglia, che verrebbe « inquinare » la superficie dielettrica disperdendo la carica positiva concentrata all’origine sulla griglia, ciò che indebolirebbe progressivamente il campo elettrico nei buchi della griglia.

 

 

 

 

2)      Mescolanza di due tipi di particelle molto sottili di potenziali di superficie differenti

 

Si tratterebbe di deporre su una piastra metallica una mescolanza di due polveri molto sottili, di potenziali di superficie differenti, in modo da creare un campo elettrico tra due granelli vicini di nature differenti . Se è possibile di ottenere granelli abbastanza sottili ( circa 10 nm), di mescolarli e di farli aderire correttamente, si può dunque ottenere, per esempio con due metalli, uno di potenziale debole e l’altro di potenziale forte, un campo di 3V/10nm cioè

300KV/mm.

 

Vantaggi

Non c’è più potenziale da mantenere in un condensatore, più ioni da produrre, dunque più lavoro da fornire e non c’è più bisogno di generatore.

Se una molecola di gas si ionizza accidentalmente vicino alla superficie, l’elettrone libero si dirige verso a un granello di potenziale debole, e l’ione verso a un granello di potenziale forte. Si potrebbe dunque conclurre che ci sarà progressivamente una dispersione della carica e un calo del campo elettrico. Però siccome il potenziale di ionizzazione della molecola di gas è più forte del potenziale di superficie del granello, la molecola ionizzata deve ricuperare in modo automatico il suo elettrone perduto, poi l’elettrone vinto dal granello di potenziale debole deve ritornare verso al granello di potenziale forte da conduttività elettrica.

 

 

            Un tale sistema in cui non c’è più lavoro da fornire può fare pensare a un moto perpetuo. Qualunque cosa si possa pensare, le molecole sono effettivamente in moto perpetuo in un gas. Se è possibile di produrre un campo di attrazione sanza fornire lavoro, come è il caso per esempio del campo di pesantezza terresta, un tale procedimento non farebbe finalmente niente di più che ciò che la natura fa già da molto tempo.

 

 

3)  Griglia ultrasottile su una piastra di potenziale di superficie differente realizzata da litografia elettronica.

 

Questa variante consisterebbe nelt illuminare direttamente una strato fotosensibile da un fascio elettronico, ciò che permetterebbe di ottenere buchi abbastanza piccoli per ottenere un campo elettrico abbastanza alto tra la piastra e la griglia, secondo il procedimento di sotto.

 

 

 

4) Superficie microporosa

 

Si tratterebbe di utilizzare il campo elettrico che esiste naturalmente alla superficie di tutti i materiali, che è all’origine della fissazione delle molecole. Si discerne però due problemi a quest’utilizzazione :

ü      Se l’energia di fissazione è forte, le molecole gassose sono prigioniere, cioè hanno un tempo di immobilizzazione troppo lungo e ingombrano lo spazio dove le molecole libere potrebbero essere attirate a sua volta.

ü      Con una superficie liscia, la zona di attrazione è verosimilmente scambiata con la zona di contatto e di scambio termico, e dunque la molecola gassosa non potrebbe essere

accelerata prima di dare energia sotto forma termica, e non sarebbe dunque rallentata neanche ripartendo. Le due funzioni di attrazione e di scambio termico sarebbero simultanee, ciò che permetterebbe alla molecola di ripartire riprendendo l’energia che ha dato sulla piastra arrivando. Il risultato di scambio energetico sarebbe dunque nullo (vedere lo schema 30)

 

(1) La molecola accelera cadendo nel campo di attrazione	(1) la molecola subisce un’attrazione ma libera nello stesso momento quest’energia sulla parete sotto forme di calore
(2) dà l’energia in più da trasferimento termico	(2) rimane immobile secondo un tempo più o meno lungo, secondo l’energia di attrazione : (10-13 s per 0,1 Kcal/mole, fino a 109s per 30Kcal)
(3) rallenta risalendo il campo di attrazione	(3) riparte riprendendo la calore di interazione (la simultaneità deve giocare nei due sensi) Il risultato degli scambi energetici è nullo.

 

Questo problemo di simultaneità delle funzioni di attrazione e di scambio termico sparirebbe se si potesse amplificare la zona di attrazione per farla traboccare della zona di scambio termico, ed è apparentemente il caso in un microporo. Si sa che una molecola di vapore subisce una forte energia di attrazione penetrando in un microporo (in funzione della dimensione del microporo, della molecola e della sua polarizzabilità), ma la molecola rimane libera all’interiore e rimbalza come su una parete normale, ciò che lascia supporre che la zona di scambio termico è ricoperta dalla zona di attrazione, come è rappresentato di sotto.

 

 

            Si può creare una tale superficie microporosa con zeoliti sintetici, carboni attivi, geli di silice, vetri porosi.

            Si ridurrà l’inconveniente di un’immobilizzazione troppo lunga nei micropori riducendo l’energia di attrazione della molecola dall’utilizzazione di una molecola non polare e di grande dimensione. Sempre nello scopo di limitare l’ingombramento dei pori si ridurrà la densità del gas fino a 0,001 bar.