Электростатическая игрушка
Настоящее изобретение относится к электростатическим игрушкам, в которых игровой эффект достигается за счет управляемой левитации в электрическом поле легких наэлектризованных объектов. Электростатическая игрушка содержит левитирующий объект и электростатический жезл для управления левитацией этого объекта. Левитирующий объект выполнен из легкого электризуемого материала с возможностью изменения в полете своей формы. Электростатический жезл для управления левитацией содержит электростатический генератор для зарядки жезла и средства управления напряженностью его электростатического поля. Средства управления генератором и напряженностью электрического поля наконечника жезла выполнены с возможностью управления одной рукой. Для этого они выполнены в виде кнопочных электрических переключателей, установленных на рукоятке жезла. 13 з.п.ф., 15 ил.
Полезная модель относится к электростатическим игрушкам, в которых игровой эффект достигается за счет управляемой левитации в электрическом поле легких наэлектризованных объектов
Известны игрушки, в которых левитация достигается с помощью электростатического поля, как, например, в патентах США 2,018,585; 3,497, 994; 4,109,413. Эти игрушки содержат один или несколько жезлов и левитирующие объекты, выполненные из полимерной пленки или алюминиевой фольги. Электрический заряд на жезле образуется с помощью натирания поверхности жезла. Контакт заряженного жезла с легким левитирующим объектом приводит к переходу части электрического заряда с жезла на этот объект, и последующему отталкиванию одноименно заряженных жезла и легкого объекта, что имитирует эффект левитации.
Недостатком известных игрушек является необходимость ручного натирания жезла. Во время игры электрический заряд постепенно стекает как с жезла, так и с левитирующего объекта. Поэтому, необходимо производить дополнительною подзарядку с помощью дополнительного натирания жезла. Эта подзарядка приводит к прерыванию процесса контроля над левитирующим объектом. Во время натирания жезла, играющий может потерять управление левитирующим объектом, который может упасть или прилипнуть к какому-нибудь находящемуся поблизости нейтральному предмету. Кроме того, во время подзарядки натиранием, эффективность и скорость подзарядки жезла зависит от того, как быстро перемещаются трущиеся поверхности и как плотно они соприкасаются. Играющему нужны специальные навыки для выполнения быстрой подзарядки так, чтобы не потерять контроль над левитирующим объектом. Для ребенка приобретение таких навыков может быть трудным. Другим недостатком известных электростатических игрушек является относительно низкая высота полета левитирующего объекта над жезлом. Высота полета левитирующего объекта зависит от силы электростатического отталкивания и веса объекта. При этом сила электростатического отталкивания компенсирует вес объекта. Для увеличения высоты полета необходимо увеличивать заряд на левитирующем объекте и уменьшить до минимума его вес. При контакте с электрически заряженным жезлом лучше всего заряжаются левитирующие объекты, выполненные из проводящих материалов. Поэтому, в патенте США 2,018,585 в качестве левитирующих объектов используются фигуры, выполненные из алюминиевой фольги. Однако такие левитирующие объекты слишком тяжелы и не могут летать высоко из-за высокой плотности фольги.
Электростатическая игрушка, представленная в патенте США 4,109,413, содержит левитирующие объекты, представляющие собой плоские или трехмерные фигуры из полимерной пленки. При этом электрический жезл заряжается натиранием.
Объекты, выполненные из полимерной пленки легче, чем объекты из фольги и могут летать выше. Однако заряжать их путем контакта с поверхностью электрически заряженного жезла труднее, и это также осложняет увеличение высоты полета.
Задачей создания данной полезной модели является безопасная электростатическая игрушка, в которой процесс зарядки жезла автоматизирован, увеличена высота полета, стабилизировано положение левитирующих объектов, а также достигаются оригинальные аэродинамические эффекты при воздействии электрического поля на заряженные объекты.
Поставленная задача достигается тем, что электростатическая игрушка включает левитирующий объект и электростатический жезл, который вызывает левитацию этого объекта и содержит электростатический генератор, которым можно управлять с помощью лишь одной руки пользователя.
При этом электростатический генератор, служащий для зарядки жезла, содержит накопитель электрического заряда, выполненный из материала с низкой удельной электрической проводимостью. Накопитель электрического заряда может быть выполнен из материала, выбираемого из группы, включающей картон, бумагу или электропроводный пластик. Кроме того, электростатическая игрушка содержит средства для управления электростатическим генератором и подзарядки электрического жезла одной рукой пользователя. В качестве левитирующего объекта могут быть объекты, состоящей групп плоской фигуры и трехмерной фигуры. Левитирующий объект может быть выполнен из пластмассовой пленки, которая, по меньшей мере, частично металлизирована. Левитирующий объект может быть выполнен таким образом, что вначале он является плоским, а потом, после получения заряда, трехмерным. Кроме того, игрушка содержит средства для выдувания заряженного мыльного пузыря, образующего левитирующий объект в насадки для выдувания мыльного пузыря, образующего левитирующий объект и заряжаемого одноименно с накопителем электрического заряда для левитации этого пузыря после отделения его от насадки. Электростатический генератор электростатической игрушки выполнен как генератор Ван де Граафа и включает электродвигатель, батарею, кнопку для контакта с рукой пользователя, два шкива соединенных ременной передачей, один, из которых выполнен из диэлектрического материала и надет на вал электродвигателя, а другой выполнен из металла, две щетки для съема электрического заряда, установленные перпендикулярно наружной поверхности ремня, одна из которых расположена возле шкива, выполненного из диэлектрического материала, и заземлена на тело пользователя, а вторая расположена возле шкива, выполненного из металла, и соединена с накопителем электрического заряда. При этом электрическая кнопка для контакта с рукой пользователя снабжена шайбой.
В электростатической игрушке, выполненной в соответствии с данной полезной моделью, устранены недостатки известных электростатических игрушек
Электростатический генератор может состоять из преобразователя постоянного тока в переменный, высоковольтного трансформатора и выпрямителя с умножителем напряжения. Электростатический генератор может также представлять собой высоковольтный повышающий трансформатор с прерывателем постоянного тока в первичной обмотке и вторичной обмоткой, присоединенной к накопителю заряда. А также электростатический генератор может состоять из пьезоэлектрического преобразователя механической энергии в электрическую и может содержать пьезоэлектрический кристалл с электрическими контактами и рычажного механизма для сжатия кристалла. Один из контактов пьезокристалла может быть заземлен, а второй - соединен с накопителем заряда
Электростатический генератор может быть построен по схеме Ван де Граафа и включать: полый накопитель заряда, выполненный их проводящего материала, электропривод, два шкива, соединенные ременной передачей, один из которых выполнен из диэлектрического материала и установлен на валу электропривода, а другой выполнен из металла, две электрические щетки для съема электрического заряда, выполненные в виде иголок или гребешков, направленных перпендикулярно наружной поверхности ременной передачи, одна из которых соединена с рукой пользователя и расположена у диэлектрического шкива, а вторая - соединена с накопителем заряда и расположена возле металлического шкива.
Для того чтобы обеспечить дополнительные левитирующие объекты в форме заряженных мыльных пузырей, накопитель заряда может быть выполнен в виде трубки для выдувания заряженных мыльных пузырей
Известно большое количество электростатических генераторов. Почти все они описаны на . Практически во всех известных решениях накопители электрического заряда выполнены из металла. При касании такого накопителя рукой возникает электрический разряд. Разряд происходит быстро и, как результат, возникает электрический удар. Этот удар, как правило, не опасен, поскольку заряд, аккумулируемый в малых электростатических генераторах, незначительный и может вызывать лишь неприятные ощущения. Во избежание возможного электрического удара при случайном касании рукой или телом заряженного конца жезла, накопитель заряда изготавливают из материала с высоким удельным сопротивлением или низкой удельной электрической проводимостью. В качестве такого материала может выступать проводящая пластмасса, бумага или картон. Из-за высокого удельного сопротивления, при касании накопителя заряда рукой, заряд стекает значительно медленнее, чем с металлического накопителя. Это исключает возможность электрического удара и связанные с этим неприятные ощущения.
Левитирующие объекты могут иметь форму аэроплана, космического корабля, ракеты, человека, животного, птицы, бабочки, стрекозы, насекомого, а также иметь форму кольца, сферы, полусферы, тора, эллипсоида или параболоида, склеенных из тонких полос металлизированной пленки или полученных с помощью надрезов плоского листа металлизированной пленки или тонкой папиросной бумаги.
Для достижения вращения левитирующего объекта, он может быть выполнен в виде вытянутого равнобедренного треугольника, у основания которого сделана прорезь, а лепестки отогнуты в разные стороны. В другом варианте, левитирующий объект может быть выполнен в виде кольца из предварительно перекрученной металлизированной пленки.
Для обеспечения вертикального положения в пространстве, предотвращения резких перемещений и улучшения управляемости, отдельные левитирующие объекты могут быть дополнительно снабжены стабилизатором вертикального положения. Стабилизатор вертикального положения может быть выполнен в виде пучка или веера синтетических или натуральных волокон, закрепленных в верхней части левитирующего объекта и/или соответствующего груза в нижней его части.
Выполнение жезла с автоматической подзарядкой одной рукой позволяет исключить возможные перерывы в процессе игры для подзарядки жезла и упростить игру жезлом с объектами левитации. Выполнение левитирующих объектов из диэлектрического материала с металлизированным покрытием позволяет улучшить их электризацию, увеличить электрическую силу отталкивания от жезла, и одновременно уменьшить вес левитирующих объектов, а это приводит к резкому увеличению высоты парения левитирующих объектов над жезлом.
Снабжение левитирующих объектов электризующимися волокнами позволяет обеспечить пространственную стабилизацию левитирующих фигур. Использование электростатического генератора с накопителем заряда, выполненным из материала с низкой удельной проводимостью, защищает играющего от возможного электрического удара при касании накопителя рукой.
Новые элементы, характеризующие данную полезную модель, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Суть данной полезной модели, структура устройства и принципы его работы будет понятна из приведенного ниже описания, которое следует рассматривать вместе с прилагаемыми рисунками.
Полезная модель поясняется чертежами, на фиг.1 представлен левитирующий объект в форме кольца; на фиг.2 представлен левитирующий объект в виде сферы из металлизированных полимерных полос; на фиг.3 - левитирующий объект в виде тора; на фиг.4. - левитирующий объект в виде параболоида; на фиг.5 - левитирующий объект, полученный путем надреза плоской полоски пленки, образующий кольцо при заряжании; на фиг.6 - левитирующий объект, полученный несколькими надрезами в плоской полоске пленки, образующий сферу при заряжании; на фиг.7 - левитирующий объект, выполненный с помощью надрезов в плоской фигуре бабочки, образующий объемную бабочку при заряжании; на фиг.8 - левитирующий объект с аэродинамическими свойствами в виде плоскостной модели ракеты; на фиг.9 - левитирующий объект с аэродинамическими свойствами в виде перекрученного кольца; на фиг.10 - левитирующие объекты с прикрепленными к ним синтетическими или натуральными волокнами, обеспечивающими стабилизацию положения во время левитации; на фиг.11 показано устройство жезла на базе генератора Ван де Графа; на фиг.12 и 13 показан жезл с насадкой для выдувания мыльных пузырей; на фиг.14 представлена принципиальная схема генератора электростатического напряжения с умножителем напряжения; на фиг.15 представлено конструктивное исполнение жезла с генератором электрического заряда в виде пьезокристаллического преобразователя механической энергии в электрическую; на фиг.16 показана принципиальная схема генератора электростатического заряда с прерывателем в первичной цепи высоковольтного трансформатора.
Электростатическая игрушка содержит левитирующий объект 1, представляющий собой, например, кольцо. Электростатическая игрушка содержит также электростатически заряжаемый жезл 2. Электрически заряжаемый жезл 2 содержит цилиндрический корпус, внутри которого установлен электростатический генератор с источником электропитания. Выход генератора соединен с накопителем электрических зарядов 3. Накопитель электрических зарядов 3 выполнен в виде цилиндра из проводящего материала с высоким удельным сопротивлением и установлен на конце жезла 2, противоположном расположению рукоятки 4. На рукоятке 4 установлена кнопка 5, под которой расположена проводящая прокладка 6. В рукоятке 4 расположена батарея.
Левитирующий объект может быть выполнен из диэлектрического материала, как, например, полимерная пленка, папиросная бумага или из комбинации этих материалов. Для увеличения проводимости и, соответственно, электрической емкости левитирующего объекта, на диэлектрический материал нанесено тонкое металлизированное покрытие либо в состав материала введен порошок или волокна из проводящего материала - металла или графита. Металлизированное покрытие диэлектрического материала может быть выполнено путем напыления микронного слоя металла на всю поверхность левитирующего объекта или на его отдельные части в виде полос или фигурных узоров.
Левитирующие объекты могут быть выполнены также из склеенных между собой металлизированных полимерных лент. При этом, фигура левитирующего объекта 1 может быть выполнена в виде в виде показанного на фиг.1 кольца, показанной на фиг.2 сферы, показанного на фиг.3 тора, показанного на фиг.4 параболоида и т.д.
Левитирующие объекты также могут быть выполнены с помощью надрезов плоского листа металлизированной пленки или бумаги. При этом фигура левитирующего объекта приобретает заданную объемную форму в результате электрического заряда от жезла. Из плоского листа получается кольцо, показанное на фиг.5, сфера, показанная на фиг.6 бабочка, показанная на фиг.7, и другие фигуры.
Для обеспечения вертикального положения в пространстве отдельные левитирующие объекты могут быть дополнительно снабжены стабилизатором вертикального положения. Стабилизатор вертикального положения левитирующего объекта может быть выполнен в виде одного или нескольких пучков синтетических или натуральных волокон, закрепленных в верхней части левитирующего объекта, как показано на фиг.10.
Для обеспечения возможности вращения модели ракеты, показанной на фиг.8, в воздушной среде, последняя выполнена в виде вытянутого равнобедренного треугольника, у основания которого сделана прорезь, а противоположные лепестки отогнуты в стороны. С помощью перемещения жезла ракету перемещают в пространстве. Набегающий на отогнутые лепестки встречный поток воздуха обеспечивает вращение ракеты.
Для обеспечения возможности вращения кольца в полете, оно может быть выполнено из предварительно перекрученной металлизированной полимерной ленты, показанной на фиг.9. При этом, при перемещении кольца в пространстве, возникает дополнительный аэродинамический эффект за счет набегающего потока воздуха.
Электростатический генератор в электростатической игрушке, в соответствии с данным изобретением, выполнен в виде генератора Ван де Граафа, показанном на фиг.11. Он содержит электродвигатель 7 и два шкива 8 и 9, соединенных между собой ременной передачей 10. Один из шкивов 8 выполнен из диэлектрического материала и установлен на валу электродвигателя 7, второй шкив 9 изготовлен из металла. Две щетки 11 и 12 предназначены для съема электрического заряда и выполнены в форме игл, обращенных перпендикулярно к внешней поверхности ременной передачи 10. Одна из щеток 12 соединена с металлической прокладкой 6 на корпусе генератора и установлена у диэлектрического шкива 8, а другая щетка 11 соединена с внутренней поверхностью накопителя зарядов 3 и установлена у металлического шкива 9.
Электростатическая игрушка в соответствии с данной полезной моделью работает следующим образом.
При нажатии на кнопку 5 напряжение батареи 13 подается на электродвигатель 7, что приводит в движение шкив 8 и, соответственно, ремень 10. При нажатии кнопки 5 одновременно осуществляется контакт пальца руки играющего с проводящей прокладкой 6, соединенной со щеткой 12, что обеспечивает эффект ее заземления. Поскольку ремень 10 изготовлен из резины, а нижний шкив 8 - из силикона, то при контакте ремень 10 заряжается положительно, а шкив 8 отрицательно. Существенно то, что концентрация заряда на шкиве 8 значительно выше, чем на ремне 10, поэтому вблизи шкива 8 у нижней щетки 12 доминирует поле отрицательно заряженного нижнего шкива. Напряженность этого поля особенно высока вблизи острия щетки 12. Подвижные отрицательно заряженные электроны уходят от острия благодаря электростатическому отталкиванию от одноименно заряженного шкива 8. В результате, щетка 12 заряжается положительно. Кроме того, происходит ионизация воздуха вблизи ее острия. Молекулы воздуха теряют электроны и заряжаются положительно. При этом электроны притягиваются к положительной щетке 12, а положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному шкиву 8. Поскольку на их пути находится ремень 10, то они оседают на его наружной поверхности и перемещаются к верхнему шкиву 9. У верхнего шкива 9 положительные заряды на ремне притягивают подвижные электроны в щетке 11. Создается электрическое поле, вызывающее ионизацию воздуха, в результате чего положительные ионы воздуха притягиваются к щетке 11, а электроны к ремню 10. Получаемый щеткой 11 положительный заряд немедленно переходит на внешнюю поверхность полого электрода 3. Поскольку положительный заряд постоянно поступает на полый электрод 3 и аккумулируется на нем, то, теоретически, электрод 3 может накапливать бесконечно большой заряд. Однако с ростом заряда нарастает и его утечка с электрода 3 и наступает равновесие, при котором заряд на электроде 3 больше не растет. Когда электрод-накопитель 3 заряжен, им касаются одного из левитирующих объектов 1, в результате чего левитирующий объект 1 приобретает одноименный заряд и отталкивается от жезла 2. Осуществляя движение жезлом 2 под парящим в воздухе объектом 1 (фиг.1), добиваются управляемые перемещения левитирующего объекта 1 в воздухе. При перемещении левитирующих объектов 1 со специальными аэродинамическими свойствами (фиг.9 и 10) добиваются их вращения за счет набегающего встречного потока воздуха.
При выборе иных материалов ремня и шкивов на электроде накопителе может образовываться не положительный, а отрицательный электрический заряд, что не влияет работу игрушки.
В качестве левитирующих электрически заряженных объектов 1 могут выступать мыльные пузыри. Жезл 2, показанный на фиг.12 и 13, позволяет автоматически выдувать электрически заряженные пузыри, а затем с помощью того же жезла 2 управлять ими. Для выдувания левитирующих мыльных пузырей на электрический жезл 2 одевают пластмассовую насадку с трубкой для выдувания мыльных пузырей, расположенную перпендикулярно оси жезла. Жезл 2 наклоняют так, чтобы один конец трубки окунулся в мыльный раствор и поднимают его. На этом конце образуется мыльная пленка. Затем задувают выдыхаемый воздух в противоположный конец трубки, одновременно включив электростатический генератор (фиг.12). Образующийся мыльный пузырь заряжается от находящегося вблизи накопителя заряда генератора. Поэтому, при отрыве пузыря, он отталкивается от одноименно заряженного жезла 2. Манипулируя жезлом 2 добиваются устойчивого зависания или полета пузыря по разным траекториям (Рис.13).
Для того чтобы зарядить жезл 2 до уровня, необходимого для работы игрушки, нужно подвести высокое напряжение порядка 10-20 kV к накопителю заряда. Причем, для получения необходимого заряда на накопителе достаточно создать лишь кратковременный высоковольтный импульс. Известно много способов получения таких импульсов. Поэтому, в рамках данной полезной модели, электростатический генератор в жезле 2 может быть выполнен и на других принципах: в виде последовательного соединения источника переменного напряжения, повышающего трансформатора и умножителя напряжения; в виде пьезоэлектрического преобразователя; в виде прерывателя постоянного тока в цепи первичной обмотки повышающего трансформатора.
В первом варианте с умножителем напряжения (фиг.14) электрическая батарея 6 питает генератор переменного напряжения 14, выход которого присоединен к первичной обмотке повышающего трансформатора 15. Повышенное переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора 16 подается на умножитель напряжения 17. На выходе умножителя 17 появляется напряжение порядка 20 kV, которое через ограничитель тока 18 подается на электрод-накопитель 3 заряда.
Во втором варианте с пьезоэлектрическим преобразователем (фиг.15) при механическом сжатии пьезоэлектрического кристалла 19 рычажным механизмом, на его гранях формируется высокое напряжение порядка 10-15 киловольт, снимаемое с электрических выводов 20 и 21. Через вывод 20 и ограничитель тока 22 высокое напряжение с одной из граней кристалла подается на внутреннюю поверхность электрода-накопителя 23, а вторая грань кристалла через вывод 21 и ручку рычажного механизма 24 заземляется на тело сжимающего рычаг человека.
В последнем варианте с прерывателем постоянного тока в цепи первичной обмотки повышающего трансформатора (Фиг.16) заряд генерируется следующим образом. При замкнутых контактах выключателя 25, постоянный ток течет через первичную обмотку трансформатора 26, создавая магнитное поле внутри стального сердечника. Этот ток ограничен внутренним сопротивлением первичной обмотки катушки, которое мало и составляет несколько Ом. При размыкании контактов выключателя 25 ток в первичной обмотке прерывается, магнитное поле исчезает, высвобождая энергию в виде высоковольтного импульса напряжения самоиндукции, составляющего несколько сотен вольт. Это напряжение умножается во вторичной обмотке повышающего трансформатора 26. В результате, в ней образуется импульс напряжения порядка 20 kV, который через ограничитель тока 27 подается на электрод-накопитель 3 заряда. Цепочка из резистора 28 и конденсатора 29 служит для ограничения тока в цепи первичной обмотки, а также для ограничения тока через выключатель 25 при его повторном замыкании, когда конденсатор 29 разряжается через него.
Следует учесть, что каждый из вышеописанных элементов, либо два или больше этих элементов могут найти полезное применение в других конструкциях, отличающихся от приведенных.
В то время как данная полезная модель проиллюстрирована и описана в качестве конкретной электростатической игрушки, она не ограничена приведенным описанием, поскольку могут иметь место различные модификации и структурные изменения, не нарушающие при этом характера данной полезной модели.
Без дополнительных разъяснений, нижеследующее выявляет суть данной полезной модели таким образом, что другие, используя имеющиеся знания, без труда смогут адаптировать ее для различных применений, не упуская особенности, которые с учетом известного уровня техники составляют существенные характеристики общих или специфических аспектов данной полезной модели.
То что, является новым и подлежит защите в данной заявке, приведено в формуле полезной модели.
1. Электростатическая игрушка, характеризующаяся тем, что она содержит левитирующий объект и электростатический жезл, который вызывает левитацию этого объекта и содержит электростатический генератор, которым можно управлять с помощью лишь одной руки пользователя.
2. Электростатическая игрушка по п.1, в которой электростатический генератор содержит накопитель электрического заряда.
3. Электростатическая игрушка по п.2, в которой накопитель электрического заряда выполнен из материала с низкой удельной электрической проводимостью.
4. Электростатическая игрушка по п.3, в которой накопитель электрического заряда выполнен из материала, выбираемого из группы, включающей картон, бумагу, электропроводный пластик.
5. Электростатическая игрушка по п.1, содержащая средства для управления электростатическим генератором одной рукой пользователя.
6. Электростатическая игрушка по п.1, содержащая средства для управления электростатическим генератором и подзарядки электростатического жезла одной рукой пользователя.
7. Электростатическая игрушка по п.1, в которой левитирующий объект является объектом, выбираемым из группы, состоящей из плоской фигуры и трехмерной фигуры.
8. Электростатическая игрушка по п.1, в которой левитирующий объект выполнен из пластмассовой пленки, которая по меньшей мере частично металлизирована.
9. Электростатическая игрушка по п.1, содержащая средства для выдувания заряженного мыльного пузыря, образующего левитирующий объект.
10. Электростатическая игрушка по п.1, в которой левитирующий объект выполнен как элемент, выбираемый из группы, состоящей из плоской фигуры и трехмерной фигуры.
11. Электростатическая игрушка по п.1, в которой левитирующий объект выполнен так, что вначале он является плоским, а потом, после получения заряда, трехмерным.
12. Электростатическая игрушка по п.1, содержащая насадку для выдувания мыльного пузыря, образующего левитирующий объект и заряжаемого одноименно с накопителем электрического заряда для левитации этого пузыря после отделения его от насадки.
13. Электростатическая игрушка по п.1, в которой электростатический генератор выполнен как генератор Ван де Граафа и включает электродвигатель, батарею, кнопку для контакта с рукой пользователя, два шкива, соединенных ременной передачей, один из которых выполнен из диэлектрического материала и надет на вал электродвигателя, а другой выполнен из металла, две щетки для съема электрического заряда, установленные перпендикулярно наружной поверхности ремня, одна из которых расположена возле шкива, выполненного из диэлектрического материала, и заземлена на тело пользователя, а вторая расположена возле шкива, выполненного из металла, и соединена с накопителем электрического заряда.
14. Электростатическая игрушка по п.1, в которой электрическая кнопка снабжена шайбой.
