A. 금속봉의 역할

 B. 금속봉과 그리드의 금속진공관을 동작, 정지시키는 작용 

C. 금속망숲과 금속진공관(금속관)의 기능과 역할 등으로 나누어서 설명한다.

 

A. 금속봉의 역할 

금속진공관에는 양극(플레이트)이 없고 대신에 그림2와 같이 금속진공관의 중앙에 금속봉(2)을 세워놓고 여기에 센 -전기를 대전시켜서 방열형 케소드에서 방출되는 열 전자를 금속망숲 안으로 밀어내도록 구조를 변경한 것인데 낙엽이 바람에 불려가듯 금속봉은 센 -전기력으로 방출되는 열전자를 금속망숲 안으로 밀어내는 역할을 한다.

 

 B. 금속봉과 그리드의 금속진공관을 동작 정지시키는 작용 

회전체없는 정전유도발전기를 발전시키기 위해서는 금속진공관을 주기적으로 동작, 정지시켜야 한다. 금속진공관을 동작시킨다는 것은 방열형 케소드를 가열시켜서 방출되는 열전자를 금속봉의 -전기력과 그리드의 -전기력에 밀려서 금속망숲 안으로 흘러가도록 하는 것을 의미하는데 그리드(6)의 -전기력은 항상 일정하게 유지되고 금속봉의 -전기력은 그리드의 너머까지 미치도록 그리드의 -전기력보다 훨씬 세게 해야 한다. 그리고 금속진공관을 정지시킬 때는 히터(4)의 가열전력을 끊어서 방열형 케소드에서 열전자가 방출되지 않도록 하는 것이 원칙적이고 가장 좋은 방법이지만 가열 전력을 끊어도 히터나 방열형 케소드에는 당분간은 고온이 유지되기 때문에 조금 줄어들기는 해도 열전자 방출은 계속된다. 따라서 가열전력에 즉시 반응하는 획기적인 재료가 개발되지 않는 한 현재로서는 방출되는 열전자가 금속망숲 안으로 흘러가지 못하도록 하는 방법, 즉 금속봉의 -전기를 제거해서 열전자가 그리드의 -전기력에 반발되어서 금속망숲 안으로 흘러가지 못하도록 하거나 또는 그림4와 같이 A·B 측 금속진공관에 스위치(24A·24B)를 달아서 CA4 또는 CB4의 -전기가 A측 금속진공관 또는 B측 금속진공관으로 흘러가지 못하도록 차단하는 것도 한 방법인데 어떤 방법이 더 효과적인지는 신중히 고려해서 선택해야 할 문제이다. 그리고 금속봉(2)과 그리드(6)가 금속진공관을 동작, 정지시키는 기능 외에도 금속봉과 그리드의 -전기력을 적절하게 조절해서 회전체없는 정전유도 발전기의 교류파형을 원하는 파형에 가깝게 변형시킬 수 있다고 생각한다.(교류에 대해서는 다음에 설명한다)

 

C. 금속망숲과 금속진공관(금속관)의 기능과 역할 

금속망숲이란 그물같이 만든 금속망을 여러겹으로 해서 하나의 도선(8)에 연결한 것을 말하는데 이것의 기능과 역할에 대해서 설명하기 전에 한 예를 든다. 풀 한 포기 없는 민둥산에 비가 내리면 그 비의 일부는 땅속으로 스며들지만 나머지는 산 아래로 흘러내린다. 그러나 나무숲이 울창한 산에 비가 내리면 그 비는 나무숲과 줄기를 적시면서 전부 땅속으로 스며든다. 마찬가지로 금속망숲이 산의 울창한 나무숲과 같은 기능과 역할을 하는데 이런 의미에서 금속망숲이라고 명명한 것이며, 모든 금속망은 도선(8)에 연결되고 이 도선은 금속진공관 내부에 연결된다. 따라서 방열형 케소드에서 방출되는 열전자가 금속봉(2)과 그리드(6)의 -전기력에 반발되어서 금속망숲(7) 안으로 흘러가면 열전자는 첫 번째 금속망, 두 번째 금속망,---- 이렇게 금속망숲을 차례로 통과하면서 금속망숲에 달라붙는다. 그리고 금속망숲에 미처 달라붙지 못한 열전자도 금속봉과 그리드의 -전기력에 밀려서 금속망숲 밖으로는 나오지 못하고 금속망숲 안에서 이리저리 떠돌다가 결국에는 금속망숲에 달라붙으면서 열전자 전부는 금속진공관 밖으로 나오게 된다. 즉 전기는 도체 표면에만 존재하는 특성상 금속망숲 안으로 흘러간 열전자는 스스로 금속진공관 밖으로 나오게 되는데 이것이 유리관 대신에 금속관으로 해야 하는 이유이다. (반데 그래프 발전기 참조) 

 

이상과 같이 금속진공관에 대해서 설명했는데 만약 금속진공관을 반도체로 대체할 수 있다면 회전체없는 정전유도발전기의 발전 능률은 한층 더 향상될 것이다. 즉 히터 가열용 전력이 필요없기 때문에 입력이 거의 필요없게 되고 금속진공관은 열전자만을 활용하여 발전시키지만, N형, P형 반도체를 같이 사용하면 -,+ 전기를 같이 활용해서 발전시키기 때문에 발전 능률은 크게 향상된다. 이 외에도 금속진공관을 사용할 때 보다는 소형화, 경량화 및 기타 여러 가지의 이점이 많다.

 

  지금까지 금속진공관의 구조, 기능, 역할 등에 대해서 설명했는데 다음부터는 회전체없는 정전유도발전기에 대해서 설명한다.

 

  그림 3과 같이 동종, 동량의 축전기 두 개를 설명의 편의상 CA1, CA2, CA3, CA4라고 표시하고 두 개의 축전기를 직렬로 연결, 즉 CA2와 CA3를 도선으로 직렬 연결하여 고전압 직류전원의 스위치를 닫아서(on) CA1에 +전기, CA4에 –전기를 충전시키면 CA2와 CA3에 정전유도작용이 일어나서 CA2의 –전기는 CA1의 +전기에 끌려 CA2에 남아있게 되고 +전기는 CA1의 +전기에 밀리며, CA3의 +전기는 CA4의 –전기에 끌려남아 있게 되고 –전기는 CA4의 –전기에 밀리지만 CA2의 +전기와 서로 끌어당기면서 중화되고 만다. 즉 CA2의 +전기와 CA3의 –전기는 중화되어서 아무 쓸모없이 되고 만다. 따라서, 중화되어서 쓸모없이 되고 마는 이 전기를 발전으로 유용하게 활용하자는 것이 저의 생각이다.

 

 

  그림 4와 같이 그림3과 같은 동종, 동량의 다른 두 개의 축전기를 우측에 배치해서 역시 설명의 편의상 CB1, CB2, CB3, CB4라고 표시하고 그림4의 좌측을 A측, 우측을 B측이라고 구분한다. 그림 3의 CA2와 CA3를 직렬로 연결한 도선 대신에 그림 4와 같이 A측 변압기(17A)의 1차 코일(18A)로 CA2와 CA3를 직렬연결하고 역시 B측 변압기(17B)의 1차 코일(18B)로 CB2와 CB3를 직렬 연결한다. 그리고 A측 금속진공관(1A)의 방열형 케소드의 단자(12A)를 CA4에 연결하고 외부단자(15A)를 CB4와 연결하며 역시 B측 금속진공관(1B)의 방열형 케소드의 단자(12B)를 CB4에 연결하고 외부단자(15B)를 CA4에 연결한 다음 CA1과 CB1은 하나의 도선(16)으로 연결한다. 또 A측 고전압 직류전원(20A)의 +극을 CA1에 연결하고 –극을 CA4에 연결하며 역시 B측 고전압 직류전원(20B)의 +극을 CB1에 연결하고 –극을 CB4에 연결하면 회전체없는 정전유도발전기의 구성과 조립은 완성된 것인데 A·B측 금속진공관의 →,←의 방향 표시는 열전자가 흐르는 방향을 의미한다(그림6의 1A와 그림7의 1B 참조)

 

 

  그림 5의 A 측 고전압 직류전원의 스위치(21A)를 닫아서(on) CA1에 +전기, CA4에 –전기를 충전시키면 CA2와 CA3에는 정전유도 작용이 일어나서 CA2의 –전기는 CA1의 +전기에 끌려 CA2에 남아있게 되고 +전기는 CA1의 +전기에 밀리며 CA3의 +전기는 CA4의 –전기에 끌려 CA3에 남아있게 되고 –전기는 CA4의 전기에 밀리지만 CA2의 ＋전기와 끌어당기면서

 

 

 

A 측 변압기의 1차 코일에는 CA2에서 CA3의 방향으로 전류가 흐른다. 이런 현상은 A 측 고전압 직류전원의 전압과 CA1과 CA4의 전압이 같을 때까지 계속되며 충전이 끝나면 A 측 고전압 직류전원의 스위치(21A)를 열고(off) 그림6과 같이 A 측 금속진공관(1A)을 동작시켜서 CA4의 -전기를 CB4로 흘러가서 충전시키면 CA4의 –전기인력을 받고 있던 CA3의 +전기는

 

 

  CA4의 –전기인력에서 벗어나서 CA2의 –전기와 서로 끌어당기면서 A 측 변압기의 1차 코일에는 전과 반대로 CA3에서 CA2의 방향으로 전류가 흐른다. 따라서 A 측 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류는 교류이다. 동시에 CA4의 -전기가 CB4로 흘러가서 충전되고 CA2의 –전기인력에서 벗어나는 CA1의 +전기가 도선(16)을 따라서 CB1으로 흘러가서 충전되면 CB2와 CB3에는 정전유도 작용이 일어나서 CB2의 –전기는 CB1의 +전기에 끌려 CB2에 남아있게 되고 +전기는 CB1의 +전기에 밀리며 CB3의 +전기는 CB4의 –전기에 끌려 CB3에 남아있게 되고 -전기는 CB4의 –전기에 밀린다. 따라서 CB3의 –전기와 CB2의 +전기는 서로 끌어당기면서 B측 변압기의 1차 코일(18B)에는 CB2에서 CB3의 방향으로 전류가 흐르는데 이런 현상은 A측 금속진공관이 동작하는 동안 계속된다.

 

 그런데 물이 가득 찬 저수지의 수문을 열고 처음 당분간은 물이 세차게 흘러내리지만, 시간이 지나면서 점점 약해지며 전부 흐를 때까지는 매우 오랜 시간이 걸린다.

 

  마찬가지로 A측 금속진공관을 동작시켜서 처음 당분간은 CA4의 –전기와 CA1의 +전기가 CB4와 CB1으로 세게 흘러가면서 충전되지만, 시간이 지나면서 점점 약해지며 전부 흘러가서 충전될 때까지는 긴 시간(전자회로에서 수천 수만분의 1초는 긴 시간이다)이 걸리기 때문에 A측에 전기가 조금 남아있을 때 B측 금속진공관을 동작시키는 것이 출력에서 보면 더 능률적이다. 따라서 A측에 전기가 조금 남아있을 때 A측 금속진공관을 정지시키고 B측 고전압 직류적원(20B)의 스위치(21B)를 닫아서(on) CB1과 CB4에 부족분량의 전기를 먼저 보충한 다음, 즉 A측에 조금 남아있는 전기량만큼 CB1과 CB4에 +,- 전기를 먼저 보충한 다음 B측 고전압 직류 전원의 스위치(21B)를 열고(off) 그림7과 같이 B측 금속진공관(1B)를 동작시키면 CB4의 –전기가 CA4로 흘러가서 충전되기 때문에 CB4의 –전기인력에서 벗어나는 CB3의 +전기는 CB2의 –전기를 끌어당기고 CB2의 –전기인력에서 벗어나는 CB1의 +전기는 도선(16)을 따라서 CA1으로 흘러가서 충전된다. 이때 CB4의 –전기인력에서 벗어나는 CB3의 +전기와 CB1의 +전기인력에서 벗어나는 CB2의 –전기는 서로 끌어당기면서 B측 변압기의 1차 코일에는 전과 반대로 CB3에서 CB2의 방향으로 전류가 흐른다. 따라서 B측 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류 역시 교류이다.

 

 

  동시에 B측 금속진공관이 동작하는 동안 CB4의 –전기와 CB1의 +전기가 CA4와 CA1으로 흘러가서 충전되면 CA3와 CA2에는 정전유도 작용이 일어나서 CA3의 +전기는 CA4의 –전기에 끌려남아있게 되고 –전기는 CA4의 –전기에 밀리며, CA2의 –전기는 CA1의 +전기에 끌려 CA2에 남아있게 되고 +전기는 CA1의 +전기에 밀리지만 CA3의 –전기와 끌어당기면서 A측 변압기의 1차 코일에는 전과 반대로 CA2에서 CA3의 방향으로 전류가 흐른다. 이런 현상은 A측 금속진공관이 동작할 때와 마찬가지로 B측 금속진공관이 동작하는 동안 계속된다. 즉 A·B측 금속진공관이 번갈아 가면서 동작하는 동안 발전은 계속된다.

 

 그런데 변압기의 본래의 역할은 교류 전압을 조절하는 것이지만 회전체없는 정전유도발전기에서 변압기는 A·B측 금속진공관의 동작으로 CA2와 CA3, 그리고 CB2와 CB3에 정전유도작용이 일어나서 발생하는 전기(교류)를 A·B측 변압기의 1·2차 코일의 상호유도 작용으로 외부에 전달하는 역할을 한다, 따라서 CA2와 CA3, 그리고 CB2와 CB3에 정전유도 작용으로 발생하는 전기(교류)가 아무런 저항없이 A·B측 변압기의 1차 코일에 잘 흐르고 1차 코일에 흐르는 교류는 1·2차 코일의 상호유도 작용으로 2차 코일에 잘 전달되어야 정전유도 작용도 잘 일어난다.

 

 

 

 

  한 예를 들어본다. 자동차의 동력기관의 기통(시린더)에서 연료가 연소하여 발생하는 가스를 잘 배출시켜야 동력기관은 원활하게 동작하면서 출력이 제대로 발생하고 주행 속도도 빨라지지만, 가스 배출구의 배기구가 가스로 막혀서 가스가 배출이 잘 되지 않으면 동력기관의 출력이 크게 감소한다.

 회전체없는 정전유도발전기도 마찬가지이다. 즉 정전유도 작용으로 발생하는 전기(교류)가 A·B측 변압기의 1·2차 코일을 아무런 저항없이 외부로 잘 흘러야 정전유도 작용이 잘 일어난다. 그러나 코일에 교류가 흐르면 유도리엑턴스(교류에 대한 코일의 저항)가 발생하기 때문에 교류는 코일을 잘 흐르지 못한다. 특히 회전체없는 정전유도발전기는 큰 출력을 얻기 위해서 주파수가 비교적 높은 주파수로 발전하기 때문에 코일에 발생하는 유도리엑턴스는 반드시 해결해야 한다. 따라서 적당한 용량의 축전기를 A·B측 변압기의 1·2차 코일과 직렬로 연결해서 공진시켜야 한다. (22A, 23A, 22B, 23B) 즉, 코일과 축전기를 직렬연결해서 공진시키면 A·B측 변압기의 1·2차 코일의 교류에 대한 유도리엑턴스를 축전기의 용량리엑턴스가 상쇄시키기 때문에 코일은 교류가 흐르는 것을 방해하지 않는다.

 

 그리고 A·B측 변압기의 1·2차 코일의 도선을 초전도체로 만들면 코일의 도선의 저항도 0이 되기 때문에 A·B측 변압기의 1·2차 코일에 대한 임피던스(교류에 대한 전 저항)는 0이 된다. 그러나 임피던스가 반드시 0이 되어야 한다는 것은 아니며 0이 되면 가장 좋고 0에 가까워질수록 발전이 더 잘 된다는 의미이다, 그리고 초전도체가 아니라도 전도성이 좋은 도선을 가능한 굵게 하고 온도를 낮춰도 전기저항은 0에 가까워진다.

 

 다음에는 출력의 기본공식화에 대해서 설명한다. 

축전기에 저장된 전기 에너지량의 공식 

W=½CV²[J] 

를 인용해서 출력의 기본공식을 도출한다. 

회전체없는 정전유도발전기를 구성하는 동종, 동량의 축전기 네 개 중 하나의 축전기의 용량을 C라고 하면 축전기 두 개를 직렬로 연결했기 때문에 합성 용량은 1/2이다. 

그림5의 A측 고전압 직류전원의 +극을 CA1에, -극을 CA4에 연결해서 V의 전압을 인가시키면 직렬로 연결된 A측 축전기에 저장된 전기에너지량은 

WA=½⨯½CV² =¼CV² [J] 

이다.

 

 그리고 A측 고전압 직류 전원으로 CA1과 CA4에 충전된 +, - 전기는 설명의 편의상 A·B측 금속진공관의 동작으로 CA1과 CA4의 전기 전부가 CB1과 CB4로 손실없이 흘러가서 충전되고, 다음에는 CB1과 CB4의 전기 전부가 CA1과 CA4로 손실없이 흘러가서 충전되는 작용이 반복되면서 발전한다고 가정한다.

  그림 5와 같이 A측 고전압 직류전원으로 CA1과 CA4에 +,- 전기를 충전시키면 CA2와 CA3에는 정전유도 작용이 일어나서 -,+ 전기는 CA2와 CA3에 남아있게 되고 CA1과 CA4의 +,- 전기에 밀리는 CA2와 CA3의 +,- 전기는 동종, 동량의 제3의 축전기에 충전된다고 가정하면 제3의 축전기에 충전된다고 가정한 전기 에너지량은 정전유도 작용으로 CA2와 CA3에 충전된 전기 에너지량의 절반, 즉 ½의 양이다.

 

따라서 CA1과 CA4의 +,- 전기에 밀려서 A측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기 에너지량(제3의 축전기에 충전된다고 가정한 전기에너지량)은 

WA=½⨯¼CV² =⅛CV² [J] ----------------------------------------① 

이다. 

다음에는 그림6과 같이 A측 금속진공관의 동작으로 CA4의 –전기와 CA1의 +전기가 CB4와 CB1으로 전부(100%) 흘러가서 충전되면 CA4의 –전기와 CA1의 +전기 인력에서 벗어나는 CA3의 +전기와 CA2의 –전기는 A측 변압기의 1차 코일에 흐른다. 즉 A측 축전기에 충전된 전기 에너지량에서 ½은 CB4와 CB1으로 흐르고 A측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기 에너지량도 ½이므로 

WA=½⨯¼CV² =⅛CV² [J] ----------------------------------------② 

이다.

 따라서, A측 고전압 직류전원으로 A측 축전기를 충전시킬 때 A측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기 에너지량과 A측 금속진공관의 동작으로 A측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기 에너지량의 총합은 

WA=①+②=¼CV² [J] --------------------------------------------Ⓐ 

이다. 

그리고 A측 금속진공관의 동작으로 CA4의 –전기와 CA1의 +전기가 CB4와 CB1으로 흘러가서 충전되면 A측 고전압 직류전원으로 A측 축전기에 충전시킬 때와 마찬가지로 B측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기에너지량은

WB=½⨯¼CV² =⅛CV² [J] ----------------------------------------③ 

이다. 

그리고 B측의 축전기에 충전이 끝난 다음에 B측 금속진공관을 동작시키면 A측 금속진공관이 동작할 때와 마찬가지로 B측 축전기에 충전된 전기에너지량의 ½은 A측의 축전기로 흐르고 나머지 ½은 B측 변압기의 1차 코일에 흐르므로 

WB=½⨯¼CV² =⅛CV² [J] ----------------------------------------④ 

이다. 

따라서 B측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기에너지량의 총합 역시 

WB=③+④=¼CV² [J] --------------------------------------------Ⓑ 

이므로 A·B측 금속진공관이 각각 한 번씩 동작할 때 A·B측 변압기의 1차 코일에 흐른 전기에너지량은 

WA+B=Ⓐ+Ⓑ=½CV² [J] 

이다. 

그러므로 A·B측 금속진공관이 각각 1초당 동작한 회수를 N이라고 해서 전력의 단위로 표시하면

 P=½CV²N [W] 

이다. 

 

그러나 이것은 기본 공식일 뿐이며 공식을 실제로 적용할 때는 고려해야 할 문제가 있다. 즉, 위에서 설명의 편의상 A측 고전압 직류전원으로 충전된 전기는 손실없이 A·B측을 전부(100%) 왕래하면서 발전한다고 가정해서 출력의 기본공식을 도출했지만 실제로는 앞에서 설명한 바와 같이 발전능률을 높이기 위해서 A·B측 축전기에 충전된 전기가 조금 남아있을 때 A측 또는 B측 금속진공관을 동작시켜서 발전시키기 때문에 이런 점 등을 고려해서 출력 공식을 적용해야 한다. 그리고 절연체의 누전과 도체의 전기저항 등으로 전력이 조금씩 손실되기 때문에 A·B측 고전압 직류전원으로 손실되는 전력을 계속해서 보충해야 한다.

 ※ 이하는 특허 출원서에는 없는 설명이며 저의 홈페이지를 찾은 분들에게 회전체없는 정전유도발전기는 입력보다 더 큰 출력을 얻을 수 있다는 것을 확실하고 쉽게 이해되도록 하기 위하여 별도로 추가해서 설명하니 참조하기 바란다.

 

 입력에는 반드시 원인이 있다. 즉 원인이 없는 입력은 있을 수 없고 있지도 않다. 

 

전자유도 발전기의 전류는 출력의 기본도 되지만 렌쯔의 법칙에 따르기 때문에 입력의 원인도 된다. 따라서 전자유도 발전기의 출력과 입력은 전류를 매개로 해서 결합되었기 때문에 입력과 출력을 각각 따로 분리할 수 없다. 이것은 운동 제 3 법칙인 작용 반작용의 법칙과 매우 유사한 현상으로서 출력이 발생하면 출력과 반대 방향의 입력도 출력만큼 저절로 발생한다. 따라서 전자유도 발전기를 이용해서는 어떠한 경우에도 입력보다 더 큰 출력을 얻을 수 없기 때문에 반드시 외부 동력이 필요하다. 더욱이 외부 동력기와 발전기의 효율 및 기타 입력의 원인이 추가되어 전체 입력은 출력보다 훨씬 커진다. 

 

그러나 회전체없는 정전유도발전기의 전류는 출력의 기본은 되지만 렌쯔의 법칙에 따르지 않기 때문에 (자석과 코일로 구성되지 않기 때문) 입력의 원인은 되지 않는다. 따라서 회전체없는 정전유도발전기의 출력과 입력은 전류를 매개로 해서 결합되지 않고 각각 따로 분리되어 있기 때문에 입력에 관계없이 용량(C), 전압(V), 주파수(N)를 증가시켜서 매우 큰 출력을 얻을 수 있다. (출력 공식 참조) 물론 금속진공관의 히터 가열용 전력, 절연체의 누전 및 도체의 발열 등도 입력의 원인이지만 이로 인한 입력은 전자유도발전기의 전류로 인한 입력과 비교하면 무시할 정도로 매우 작다. 따라서 회전체없는 정전유도발전기는 입력보다 더 큰 출력을 얻고 그 출력의 일부가 입력으로 공급되면서 발전하기 때문에 외부동력기가 필요없이 발전한다