¿Se puede usar el vacío para almacenar electrones que fluyen?

El título de la pregunta es:

¿Se puede usar el vacío para almacenar electrones que fluyen?

Las partículas con carga libre como los electrones, por supuesto, pueden almacenarse. Y, por supuesto, esto necesita un vacío, ya que de lo contrario no serían gratis por mucho tiempo. Para almacenarlos, tienen que ser forzados en un camino de forma circular. Los campos magnéticos son adecuados para esto, y tienen una propiedad interesante: desvían las partículas cargadas en movimiento, pero no cambian su energía.

El método más simple es un campo magnético homogéneo, donde los electrones vuelan en círculos perfectos. Cuanto más rápidas son las partículas, más grande es el círculo. Cuanto más fuerte sea el campo, más pequeño.

Un ejemplo más avanzado de esto son los anillos aceleradores de partículas como el Colisionador de positrones de electrones grandes (LEP) en el CERN. Este fue un anillo de 27 km de circunferencia, donde los electrones (y positrones) se aceleraron a una energía de 104.5GeV. Esto puede entenderse como aceleración al volar a través del campo de un condensador cargado a 104.5 mil millones de voltios. Al principio, mientras el anillo está lleno de paquetes de electrones / positrones, aún no se aceleran, solo se almacenan. Y después de la aceleración a la energía deseada, nuevamente ya no se aceleran, y nuevamente se almacenan en el anillo.

Hoy, LEP ha sido reemplazado por LHC, que hace más o menos lo mismo con protones. (Y 7 billones de voltios).

Otra forma interesante es usar una botella magnética, que consiste en un campo magnético no homogéneo:

Fuente

Las partículas cargadas se mueven en caminos helicoidales y revierten su dirección al alcanzar los "cuellos de botella". Sin embargo, para una configuración de campo dada, esto solo funciona para un rango de energía limitado de los electrones.

¿Se puede usar el vacío para almacenar energía en forma de electrones que fluyen?

(Esta parece ser la pregunta real ...)

En resumen: No.

El número de electrones que se "almacenan" en campos magnéticos simples es bastante bajo, por lo que no es un almacenamiento de energía útil. Además, el LHC (no tengo datos sobre LEP) "almacena" solo unos 700Megajoules en los protones en movimiento. Un hogar típico consume esto en menos de un mes, por lo que nuevamente no es mucha energía en comparación con la máquina grande.

Hay dos razones por las que almacenar energía de esta manera no tiene sentido:

1. Necesitas generar los campos magnéticos para guiar a los electrones en su trayectoria, y como los electrones se repelen entre sí, también necesitas campos para enfocarlos nuevamente. Los imanes permanentes no son adecuados porque necesita poder ajustar los campos. Pero los electroimanes necesitan energía eléctrica, incluso los sistemas superconductores consumirán algo de energía en algún lugar. La energía almacenada en los electrones sería consumida en (fracciones de) segundos por los electroimanes. (Por cierto: en el LHC, la potencia almacenada en los campos magnéticos es 10 veces mayor que la energía almacenada en las partículas)

2. Cada partícula cargada acelerada irradia ondas electromagnéticas. (Eso es lo que hacen las antenas). Además, un electrón en una pista circular acelera permanentemente (es decir, cambia de dirección), y las ondas se denominan radiación sincrotónica . (Nuevamente: el LHC pierde alrededor de 8MW por esto) Por lo tanto, incluso si descuida la energía consumida por los imanes, etc., los electrones en movimiento perderán su energía con el tiempo.

La única opción es almacenar en reposo electrones. De nuevo, hay métodos ineficientes que consumen energía (por ejemplo, para positrones que no deben tocar la materia) o condensadores.

Pero pediste mover electrones ...

La respuesta es sí, pero no en grandes cantidades.

El término para electrones almacenados al vacío es "carga espacial" y comúnmente se acumula alrededor de un emisor térmico (cátodo) en el vacío. Si se emiten desde un cátodo de forma aislada. El resultado de su emisión es un cátodo cargado positivamente, cuya atracción débil mantiene (la mayor parte) la carga espacial en su lugar.

Alternativamente, si hay un "ánodo" cargado positivamente cerca, la carga espacial se acelerará hacia él para formar una corriente útil entre el cátodo y el ánodo.

Puede interponer una "rejilla" cargada negativamente alrededor de la carga espacial, de modo que la fuerza repulsiva de la "rejilla" contenga la carga espacial, cortando la corriente del ánodo, y luego controlar el almacenamiento de la carga y la corriente del ánodo variando la tensión en la "red".

Esto se demostró en 1903, y una vez, hubo una gran industria basada en esta idea.

Quedan algunas manifestaciones de esta idea: el uso de campos electromagnéticos para concentrar la carga espacial en paquetes que se desplazan desde el cátodo al ánodo, de manera que la carga se almacena efectivamente solo durante el tiempo de tránsito, y ese tiempo de almacenamiento forma el período del campo electromagnético.

Los Klystrons y los magtetrones entran en esta clase, aunque el período de un magnetrón puede no ser el tipo de tiempo de almacenamiento que tenía en mente ...

Sí, puedes almacenar electrones en el vacío, pero se necesita mucho poder para mantenerlos allí debido a su repulsión mutua. Es mucho más fácil almacenarlos en un conductor (por ejemplo, metal), porque los núcleos positivos de los átomos contrarrestan la tendencia de los electrones negativos a separarse. Consulte Anillo de almacenamiento superconductor .

La existencia de las ondas de Alfvén, el Spheromak y el funcionamiento confirmado de Stellerator parecen indicar que es posible.

Como otros han señalado, pierdes energía con bremsstrahlung. Esto debería significar que el almacenamiento compacto es menos eficiente, pero hay un factor causado por el retraso de la velocidad de la luz que no entiendo completamente más allá de la intuición de que el tamaño del circuito podría no eliminarse de la ecuación, aunque es bucle magnetico

Puedes hacer un condensador que tenga vacío entre las placas en lugar de un poco de dieléctrico. Tales condensadores se utilizan para voltajes muy altos. Entonces, sí, puedes almacenar una pequeña cantidad de energía en el vacío.

Debido a la repulsión eléctrica estática, los electrones en un 'casi vacío' serían difíciles de contener, ya que estarían constantemente 'alejándose unos de otros'.

Sin embargo, si coloca suficientes iones con carga positiva en dicho vacío, posiblemente podría (utilizando campos eléctricos y / o magnéticos [s]) forzar a los electrones a obitar los iones de tal manera que formen un átomo (o una especie).

Suponiendo que pueda controlar suficientemente la (s) ruta (s) & patrón (s) de estas órbitas de electrones, sería teóricamente posible utilizar el nuevo átomo como un "volante atómico" de la misma manera que un dispositivo de almacenamiento de energía de "volante superconductor" (solo con vacío en lugar de plomo & LN2 )