Когато чуем за движение на обекти с електричество, повечето от нас си представят „сила на привличане“. Положителните и отрицателните заряди се привличат взаимно. Естествено е да мислим, че тази сила на привличане – известна като електростатична сила – е това, което кара нещата да се движат.

Тази сила обаче не е много силна и не е подходяща за задвижване на големи машини в ежедневието ни. Поради тази причина повечето практични двигатели разчитат на различен механизъм. Например двигателите в електрическите вентилатори и електрическите превозни средства не използват електричество директно за създаване на движение. Вместо това, те използват електричество, за да генерират магнитно поле и след това използват тази магнитна сила, за да се въртят.

Нов вид електрическа течност

През 2017 г. обаче изследователи откриват течност, която реагира на електрическо напрежение много по-силно от обикновените материали. Този материал се нарича фероелектричен флуид. С помощта на този флуид устройства, които преди са изисквали опасно високи напрежения, могат да работят при много по-ниски напрежения.

Важно е да се отбележи, че силата, генерирана от електричеството, не се ограничава до привличане по посока на приложеното напрежение. Съществува и сила, която действа перпендикулярно на тази посока – странична тласкаща сила. В конвенционалните материали тази странична сила е изключително слаба и дълго време се е смятала за твърде малка, за да се използва и затова тя привлича малко внимание.

Най-значимото постижение на това изследване е ясната експериментална демонстрация, че тази странична електростатична сила, която е „твърде слаба, за да има значение“, може при подходящи условия да стане изненадващо голяма.

Изпитване на странични електростатични сили

Професор Сузуши Нишимура (Suzushi Nishimura) и неговият екип от Института за наука в Токио (Science Tokyo) се фокусират върху фероелектрични флуиди и внимателно преразглеждат страничната сила. Те поставят флуида между два електрода, разделени само от няколко милиметра, и прилагат напрежение. Работата е публикувана в списанието Communications Engineering.

Резултатът е бил поразителен: течността е избутана настрани и се премества с близо 10 сантиметра дори срещу гравитацията. Когато същият експеримент е проведен с конвенционални течности, това движение не се наблюдава. Ефектът се проявява само при фероелектричната течност.

Друго забележително откритие е как се увеличава силата. В обикновените материали, увеличаването на напрежението не води лесно до голямо увеличение на силата. За разлика от тях, при фероелектричния флуид, дори малко увеличение на напрежението води до пропорционално увеличение на силата. Начинът, по който електричеството „работи“ в този материал, е коренно различен.

Чрез подробен анализ екипът установява, че електрическото поле кара молекулите в течността да се наместят по подреден начин, генерирайки страничната тласкаща сила. Това прозрение води до нова идея: ако тази сила може да тласка, може ли тя и да се върти?

Изграждане на двигатели без магнити

Въз основа на този принцип, екипът разработва прототип на двигател, който не използва магнити или метален ротор. Експерименти потвърждават, че двигателят наистина може да се върти, използвайки тази новооткрита сила.

Това откритие разширява начина, по който си представяме двигателите и задвижващите системи. Днешните електромагнитни двигатели изискват магнити и медни намотки. За разлика от тях, този нов принцип може да генерира движение без магнити или редкоземни метали. В свят, където ресурсите са ограничени, това е голямо предимство.

Конструкцията може също да бъде по-проста и по-лека. Тъй като въртящата се част може да бъде изработена от смола, а не от метал, двигателите ще бъдат по-леки и ще реагират по-бързо. Това е от полза за приложения в роботиката, компактните устройства и прецизните системи.

Освен това, тъй като този двигател не разчита на магнитни полета, той може да е подходящ за среди, където магнитният шум е проблем, като например в медицинско оборудване или устройства за съхранение на данни. Също така, той работи при много по-ниски напрежения от конвенционалните електростатични устройства,което означава и по-добра безопасност и практически потенциал.

„Нашите експерименти показват, че роторът на двигателя може би вече не е необходимо да бъде направен от метал. В началото ни бе трудно да повярваме. Но когато се доверихме на данните и построихме ротор, изцяло изработен от пластмаса, той наистина се завъртя“, разказва Сузуши Нишимура, специално назначен професор в Училището по материали и химични технологии към Института за науки в Токио.

„Интересното е, че тази сила е била теоретично предсказана преди повече от 100 години, но никой никога не я е наблюдавал директно с просто око. Да стана първият, който я е видял, е наистина вълнуващ момент. Това е една от големите радости да си изследовател. Науката е забавна."

Справка: Tatsuhiro Tsukamoto et al, Huge transverse Maxwell stress in ferroelectric fluids and prototyping of new ferroelectric motors, Communications Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44172-025-00530-2

Източник: How an overlooked electrostatic force could drive the motor of the future, Institute of Science Tokyo