ビーフェルト・ブラウン効果の報告

Force on an Asymmetric Capacitor

by Thomas B. Bahder and Chris Fazi

https://arxiv.org/pdf/physics/0211001.pdf

はじめに
最近、Biefeld-Brown効果、すなわち非対称コンデンサの電極に高電圧（〜30kV）が印加されると、コンデンサに正味の力がかかることに大きな関心が寄せられています。非対称とは、２つの電極の物理的寸法が異なる、すなわち一方の電極が大きく他方が小さいことを意味する。古典的なBiefeld-Brown効果（付録Aに引用されたBrownの最初の1960年、1962年、および1965年の特許、およびセクション2の部分的な再現を参照）によると、コンデンサにかかる最大の力は負（より大きい）電極からの方向ですプラス（小さい）電極に向かって。今日では、「リフター」と呼ばれる機器でインターネットにこの影響があることを示す多くのデモンストレーションがあります。これは、コンデンサにかかる力がその重量を超えることを示しています[1]。事実、これらの実験は印加電圧の極性と無関係にコンデンサに力があることを示している。将来的には、Biefeld-Brown効果は、可動部品がなくても航空機または車両の推進力に適用される可能性があります。現時点では、この効果を説明するための容認された詳細な理論はありません。
アプリケーションへの影響は不明です。著者は、そのような問題に取り組む2つの報告[2]と理論論文[3、4]だけを知っています。
セクション2では、Biefeld-Brown効果の歴史について説明します。
非対称コンデンサに対する正味の力の影響は非常に驚くべきものであるため、その影響が本物であることを検証するために米国陸軍研究所（ARL）で簡単な予備実験を行いました。これらの実験の結果はセクション3で説明されています。セクション4には、弾道イオン風の場合と、コンデンサの電極間のギャップを横切るキャリアのドリフトの場合のコンデンサにかかる力の推定値が含まれています。セクション5では、非線形誘電性流体がコンデンサ電極間の領域を満たすと仮定して、非対称コンデンサにかかる力の詳細な熱力学的処理を提示します。セクション6は、将来の実験的および理論的研究のための要約と勧告です。

我々はBiefeld-Brown効果の簡単な歴史を提示した：高電圧バイアスが印加されたときに正味の力が非対称コンデンサに観察される。この影響の原因となる物理的メカニズムは不明です。セクション4では、イオン風の影響とコンデンサ電極間の電荷ドリフトによるコンデンサへの力の推定値を示しました。
イオン風による力は少なくとも3桁小さすぎます。電荷ドリフトによる力はもっともらしいが、推定値はスケーリング推定値であり、微視的モデルではない。
セクション5では、コンデンサにかかる正味の力の詳細な熱力学的理論を提示しました。
それは、高電界中の空気のような非線形誘電性流体に浸されている。コンデンサにかかる正味の力の主な結果は式（33）で与えられます。熱力学的理論は、コンデンサプレートを囲む流体の誘電特性の知識を必要とする。流体の高電界誘電特性に関する詳細な知識が得られるまで、力へのさまざまな寄与を推定することは不可能です。
Biefeld-Brown効果の理解を深めるには、さらに実験的かつ理論的な作業が必要です。説明したように、最も差し迫った問題はBiefeld-Brown効果が真空中で起こるかどうかです。 Brownはその効果を真空中でテストしたかもしれないが、報告はしていないようである（付録B）。ごく最近では、真空中でその効果をテストした予備的な研究がいくつかあり、それは空気中で観察された力よりも小さい小さな効果があると主張していた。参考文献[2]で引用されている2番目のレポートを参照してください。効果を詳細に理解するためにさらなる作業をしなければならない。力対電圧および電流を決定するために、一連の実験を真空中および様々なガス圧で実施しなければならない。
ガス種とガス圧の関数としての力について注意深く検討する必要があります。ここに提示された熱力学理論をテストするために、ガスの誘電特性は注意深く測定されなければなりません。そのようなデータを入手することは、効果の理論的説明を開発するための大きな一歩となるでしょう。理論的な側面では、高電界の存在下での空気（または他の気体）のイオン化の複雑な物理学を考慮に入れて、コンデンサの微視的モデル（所与の幾何学形状に対する）を構築しなければならない。 Biefeld-Brown効果を詳細に理解することによってのみ、その応用の可能性を評価することができます。

ビフェルドブラウン効果
1920年代、Thomas Townsend Brownは、1913年にアメリカの物理化学者William D.Coolidgeによって発明された "Coolidge tube"として知られるX線管を実験していました。 Brownは、Coolidgeチューブがオンになったときに正味の力（推力）を示すことを発見しました。彼は自分が電磁気と重力の新しい原理を発見したと信じていました。ブラウンは1927年4月15日に1928年11月15日に特許法第300,311号として発行された英国の特許を申請しました。電磁気の概念は重力の概念と混在していますが、非対称コンデンサです（図1）。
Biefeld-Brown効果の発見は、一般にThomas Townsend Brownによるものです。
しかし、それはまたブラウンのオハイオ州グランビルにあるデニソン大学の物理学と天文学の教授であるブラウンの指導者であるPaul Alfred Biefeld博士にも因んで名付けられました。 1920年代、BiefeldとBrownは一緒にコンデンサの実験をしました。
Biefeld-Brown効果の技術的な説明を見つけるために、我々は標準的な論文の文献の検索を行ったが、この効果への言及は見当たらなかった。この効果が本物なのか噂なのかを尋ねるのが賢明です。一方、インターネットには、発行された特許の引用[1]を含む、この影響についての議論や言及がいっぱいです。付録Aも参照してください。実際、特許はこの影響を説明している唯一の公式出版物のようです。
1957年7月3日、ブラウンは別の特許を申請しました。
「動電学的装置」が発行され、
この特許における効果は、１９２８年１１月１５日の彼の以前の特許第３００，３１１号よりもより明瞭に記載されている。重力効果（図2）
この特許の請求項および図面は、ブラウンが非対称コンデンサに発生する力を車両の推進に使用できると考えたことを明確に示している。この特許における彼の絵は、今日のインターネット上のコンデンサ設計のいくつかと驚くほど似ています。「Electrokinetic Apparatus」と題されたこの1960年特許では、BrownがBiefeld-Brown効果の物理学について明確に説明しています。 Brownは次のようないくつかの重要な発言をしています。
•小さな電極がプラスのときにコンデンサに最大の力がかかる
•誘電体媒体（空気）中で効果が発生する
•この効果は、車両の推進や誘電性流体のポンプとして使用できます。
イオン運動の観点からの、ブラウンの効果の理解
•効果の詳細な物理学が理解されていない
以下では、ブラウンの最初の2曲を再現します。
効果を説明する図と部分的なテキスト（図3と4）。
ブラウンが1957年に前述の特許を出願した直後、1958年5月12日に、A.H. Bahnson Jr.は改良された特許を請求した。
1960年11月1日に米国特許第2958790号を付与された「電気推力発生装置」。
1957年7月3日、Brownは別の特許（1962年1月23日に米国特許第3018394号として付与）を申請しました。この特許は逆の効果、すなわち誘電媒体を動かすときのものです。高電圧電極間では、電極上の電圧に変化があります。（これはファラデーの帰納法を彷彿とさせる。）Thomas Townsend Brownによる1962年の特許からの引用（図5）。

これまで、非対称コンデンサにかかる正味の力は、コンデンサが誘電体媒体の中にあるときに発生すると報告されていました。 1958年5月9日、ブラウンは「動電学的装置」と題する別の特許を申請しました（彼の以前の研究を改良したものです）。この特許は1965年6月1日に特許第3,187,206号として発行されました。この新しい特許の意義は、それが非対称コンデンサ上の正味の力の存在が真空中でも生じるとして説明していることである。 Brownは、「しかし、すべての環境物体が電場の見かけの有効範囲を超えて取り除かれても推進力はゼロまで減少しない」と述べている。ここに特許からの引用がある（図6）。この特許では、ブラウンは非対称コンデンサが真空中でも正味の力を示すことを報告している。しかし、現在のところ、観測された力の起源を説明していない2つの報告[2]と2つの理論論文[3、4]を除いて、実験的証拠はほとんどない。 Biefeld-Brown効果をしっかりと理解する必要がある場合は、その効果が真空中で発生するかどうかを判断することが不可欠です。付録Bには、私の電子メールでのJ.Naudinとの通信があります。Naudinは、この効果を真空中で議論しているThomas Townsend Brownの手紙から引用しています。答えるべき主な質問は、次のとおりです。非対称コンデンサにかかる正味の力の原因となる物理的メカニズムは何ですか？この質問に対する答えは、非対称コンデンサが分極性媒体（空気など）中にあるのか、それとも真空中にあるのかによって異なります。しかしながら、現在までのところ、その物理的メカニズムは未知であり、そしてそれが理解されるまで、それが実用化の可能性を決定することは不可能であろう。

ARLでの予備実験
Biefeld-Brown効果はインターネット上の多くの場所で報告されています。しかし、前述のように、2つの論文しか存在しません[3、4]。
したがって、その効果が本物であることを確認することにしました。 C.Fazi（ARL）とT. Bahder（ARL）は、インターネットで報告されている設計を使用して、3つの単純な非対称コンデンサを製造しました[1]。 3つすべての場合において、我々は、高いDC電圧が電極に印加されたときに正味の力がコンデンサに及ぼされることを検証した。テストした3つの非対称コンデンサは形状が異なりますが、1つの電極が細く、もう1つの電極が非常に広い（非対称寸法）という共通の特徴があります。また、無限遠にある第2の電極を備えたコンデンサを表す吊りワイヤが揚力を示しました。
私たちの最初のモデルはTom Bahderによって作られたもので、三角形の形をしていました。それはインターネット上で報告された典型的な構造です（図7）。一方の電極は細い38ゲージ（0.005ミル）の線から作られ、もう一方の電極は通常のアルミホイルから作られます。コンデンサは一辺が約20 cm、ホイルの側面が20 cm×4 cm、そしてホイルの上面から細いワイヤ電極までの距離が3 cmです。箔とワイヤーはバルサ材の木枠で支えられているので、コンデンサ全体は非常に軽く、約5 gです。当初、私たちはBalsaの木製フレームを非常に重くしました（コンデンサーの重さ〜7グラム）、そして後で構造を〜5 gに軽量化するためにフレームの大部分を切り取った。我々は、持ち上げ効果を実証するために、コンデンサは最小重量で作られなければならないことを見出した。（図7の設計に対してインターネット上で報告されている代表的な重量は2.3 g - 4 gです。）

図7のコンデンサに約37 kVが印加されたとき、電流は約1.5 mAでした。コンデンサはその静止面から持ち上がった。しかし、インターネット上で他の人が報告したように、このコンデンサは活発なチラシではありませんでした。発生した１つの問題は、細線電極から箔へのアーク放電であった。細線電極が箔に近すぎた。アーク放電はコンデンサにかかる力を減少させることを我々は見出した。また、他の構造と比較して、私達のものは重すぎる、5 gでした。コンデンサの真下にあるグランドプレーンは、持ち上げ力がコンデンサの重量を超えるために不可欠ではないことがわかりました。
そのため、発泡スチロール製のお弁当箱とARLのカフェテリアのプラスチック製ストローを使用して、2種類目の非対称コンデンサを作成することにしました（図8）。コンデンサは、１８ｃｍ×２０ｃｍの正方形の形状をしていた。
細いワイヤ（38ゲージ）からホイルまでの距離は調整可能で、6 cmのギャップを作ってもアーク放電はほとんど発生しないことがわかりました。 30kVを印加すると、コンデンサは約1.5mA引き込み、床上で激しくホバリングしました。

問題が発生しました：コンデンサ電極のトロイダル（閉じた円形）形状は、我々が観察した揚力効果にとって不可欠であるか？その結果、Tom Bahderは、図9に示すように、フラット型またはウィング型のコンデンサを製造しました。このコンデンサは、アルミホイルを支えるために2つの（赤い）プラスチックコーヒースターラーと（透明な）プラスチック飲料ストローから作られました。
透明なプラスチック製のわらの重要性は
それによってホイルがそれを包むことができること
コロナ放電やアーク放電につながるような鋭いフォイルエッジを避けます。このコンデンサ上の箔の寸法は、図９に示すように、２０ｃｍ×４ｃｍであった。細線電極（３８ゲージワイヤ）と箔の端部との間の距離は６．３ｃｍであった。
このコンデンサは、約30 kVが印加されたときに正味の力を示し、約500 mAを消費しました。このコンデンサにかかる力は、その重量を大幅に上回ったため、電圧がゼロから増加したときに激しく空中に飛ぶことになります。したがって、電極の閉じた形状は、非対称コンデンサにかかる正味の力の要因ではないと結論しました。さらに、コンデンサにかかる力は、地球の表面の平面に対するコンデンサの向きに関係なく、常に小さい電極に向かう方向に現れました。この観測の意義は、力が地球の重力場とは無関係であり、地球の大気の電位とは無関係であるということです。
（インターネット上では、非対称コンデンサは反重力デバイス、または重力と電気現象との相互作用があることを示すデバイスと呼ばれています）。
細線電極は、作動電圧で細線電極から箔までアークが発生しないように、箔から十分な距離を隔てていなければならない。実際、図7に示す最初のモデルでは、箔の上部から細いワイヤ電極までの3 cmのギャップが十分に大きくなく、大きなアーク放電が発生しました。アークが発生しても、コンデンサにかかる力はほとんどないことがわかりました。コンデンサの設計の重要な部分は、細いワイヤに最も近いホイルの端を（支持するBalsa木材、またはプラスチック製のストロー、フレームの上で）丸くして、鋭いホイルの端でのアーク放電またはコロナ放電を防ぐことです。細いワイヤーに最も近いです）。図７のコンデンサは、丸い箔が細いワイヤに最も近い箔電極の上に置かれ、それによって鋭い箔の縁を滑らかにしたときに改善された揚力を示した。物理的には、これは、小さいワイヤ電極に最も近い箔の曲率半径がより大きくされ、２つの電極の曲率半径においてより大きな非対称性を生み出すことを意味する。
空気中で動作させると、非対称コンデンサは小さい方の導体に向かって正味の力を示し、3つすべてのコンデンサでは、この力はDC電圧の極性とは無関係であることがわかりました。
大きな非対称性がある限り、コンデンサの詳細な形状は重要ではないようです。
2つの電極の特性サイズ間。最も単純なコンデンサ構成は、図10に示すように、高電圧電源の熱い電極からの吊り下げられた細線で構成されています。線の動きを観察するために、細い透明テープを細い線の下端に取り付けました。吊り下げられた細線（長さ約12）も、約35 kV、1 mAの電流で力を示しました（図9）。
図11に示すように、高電圧が35 kVに達すると、垂直位置からワイヤが30°も上昇しました。電流が約1 mAに達すると、他のコンデンサの通常の空気破壊ヒーシング音が聞こえました。
実際、ワイヤーは吊り下げられたままではありませんでしたが、
垂直から約60°前後に振動し、ヒーシングピッチは振幅と周波数が変化しながら振動周期をたどった。端にテープがないと、ワイヤはそれほど持ち上がらず、音はかなり弱くなりました。テープは静電容量や空気のイオン化を増加させるようです。この吊り下げ式ワイヤ構成は、数フィート離れた場所に設置された接地システム（金属製ベンチ、床、天井）に囲まれたコンデンサと見なすこともできます。他のコンデンサ実験と同様に、極性依存性も示さなかった。
非対称コンデンサにDC電圧が印加されていて、空気中で正味の力が発生している場合、それらはすべて印加電圧に応じてピッチが変化する独特のヒス音を放ちます。この音は、テレビやラジオセットの静音と似ていますが、適切なチャンネルに調整されていません。私たちは、この音が正味の力に責任があるメカニズムへの手がかりであるかもしれないと信じます。