El misterio de las centellas (1434)
Descarga de agua erosiva de alto voltaje
– Resumen
– Vista general y diferentes etapas de la descarga
– Etapa inicial – “araña”
– Formación de una columna de plasma y/o de un objeto en forma de seta
– Formación de un objeto autónomo (LLPF-WD)
– Etapa de relajación
– Objetos autónomos
– Objetos casi esféricos
– Objetos de formas ovaladas e irregulares
– Objetos envolventes
– Objetos policromos
– Pruebas de almacenamiento de energía – experimentos de interacción de los objetos con algodón e hilos metálicos
– Observaciones espectrales
– Algunos efectos – guiado, ramificación y división de los objetos
Resumen
Nuestros colegas G. D. Shabanov, A. I. Egorov y S. I. Stepanov del Instituto de Física Nuclear de Petersburgo (PNPI), Gatchina, descubrieron e investigaron un nuevo tipo de descarga erosiva axial-simétrica de alto voltaje entre un ánodo submarino en forma de anillo hecho de un alambre y un cátodo de varilla, aislado del agua por un tubo de cuarzo. En esta descarga, denominada también descarga erosiva de agua de alto voltaje (HVEWD), aparecen formaciones autónomas de plasma de larga duración (LLPF-WD), que se asemejan a las centellas en algunas de sus propiedades [1,2]. Estos objetos suelen tener la forma de un volumen luminiscente redondo de 10-20 cm de tamaño con bordes superior y laterales suficientemente afilados; flotan desde la superficie del agua como una burbuja. Durante su vida útil, que es de unos 0.3-0.5 s, su intensidad de radiación disminuye monotónicamente desde el deslumbramiento hasta ser apenas visible, y la forma redonda desaparece gradualmente.
A pesar de la diferencia significativa de los parámetros de la centella y del LLPF-WD, esta descarga es muy interesante e importante tanto para la comprensión de las propiedades de los objetos naturales como para la adquisición de la fuerte semejanza en la modelización experimental de estos últimos. Esto se debe a una buena combinación del diseño de la instalación y de los parámetros de la descarga y de la formación de plasma generada, conveniente para la realización de mediciones y observaciones.
En nuestro laboratorio de la Universidad Estatal de San Petersburgo (SPbGU), reprodujimos los resultados de nuestros colegas del PNPI y realizamos investigaciones adicionales, que permitieron modificar la técnica de descarga y obtener LLPF con forma esférica prácticamente perfecta en la etapa inicial de la relajación. Estos objetos tienen una “envoltura” parecida a una fina película elástica, separada de su contenido gaseoso por un espacio de pocos milímetros de longitud. La envoltura surge, probablemente, de partículas de chorro de erosión catódica, encerradas por óxidos, que alcanzan más fácilmente la parte superior del volumen del plasma. Luego fluye hacia abajo, reuniéndose en pliegues o rollos. Para más detalles, véase nuestro artículo conjunto [3] (ahora sólo en ruso, documento Word97, ~700Kb).
Referencias
1. Shabanov G.D.// Tech. Phys.Lett., 2002.
2. Egorov A.I., Stepanov S.I. // Enviado a Tech.Phys.,2002.
Haga clic aquí para ver varias imágenes y AVIs de LLPF-WDs obtenidas por nuestros colegas del PNPI, Gatchina
Vista general y diferentes etapas de la descarga
Las siguientes 5 imágenes de la grabación de video de un experimento HVEWD muestran etapas características de la formación y evolución de LLPF-WD (aquí puedes ver la secuencia completa de 10 fotogramas a mayor resolución).
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4
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8
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1. Etapa inicial de la descarga – “araña”.
Despues de la ruptura iniciadora varios canales de descarga se desarrollaron desde el cátodo sobre la superficie de la solución de agua, que luego se llenaron por plasma erosionado desde la superficie de la solución durante unos ~10ms. Por encima del cátodo apareció un volumen en forma de cúpula más brillante en el que entró el plasma erosionado del cátodo.
A continuación se muestran otras 4 imágenes de “arañas”.
2. Formación de la columna de plasma y/o del objeto en forma de seta.
Durante esta etapa el volumen de plasma en forma de cúpula aumenta de tamaño tanto en dirección radial como vertical y se convierte en una columna de plasma, su altura alcanza los 25-30 cm y más. La parte superior de esta columna se ralentiza y se agranda, convirtiéndose en un casquete, de modo que todo el volumen de plasma adopta la forma de una seta.
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3
4
5
1
2
3
4
Las siguientes 4 imágenes muestran algunos objetos con forma de seta obtenidos en nuestros experimentos.
(Las envolturas, claramente visibles en las 2 últimas imágenes, se discutirán más adelante).
En algunos casos la parte inferior de la columna de plasma tiene un velo azul semitransparente.
3. Formación de un objeto autónomo
En esta fase la luminiscencia de las partes inferior y media (tallo) del objeto seta prácticamente desaparece, mientras que el sombrero se transforma en un plasmoide de forma esférica, troncocónica, ovalada o irregular (LLPF-WD – long-living plasma formation from water discharge). En la parte superior de esta página se presentan 2 imágenes de objetos prácticamente esféricos, los siguientes objetos tienen una forma menos perfecta:
Los LLPF-WD parecen ser autónomos, es decir, desconectados de la descarga, pero a altas concentraciones de la solución acuosa en realidad no es así, como demuestra la observación simultánea de los LLPF-WD y de una vía de chispas de protección conectada en serie con el descargador principal (en el cono inferior izquierdo de las imágenes de abajo; haga clic en las imágenes para verlas a mayor resolución).
El uso de la nueva técnica, descrita en [3], ofrece la posibilidad de obtener objetos con una “envoltura” parecida a una fina película elástica, separada de su contenido gaseoso por un hueco de varios milímetros de longitud. Las envolturas pueden tener una forma suficientemente intrincada, por ejemplo pueden agruparse en pliegues o rollos. Consisten, probablemente, en partículas metálicas oxidadas procedentes del chorro erosivo del cátodo.
Otras imágenes LLPF-WD disponibles, debido a su gran número, se presentan en las siguientes páginas separadas:
Objects of oval and irregular forms
4. Etapa de relajación
Tras desconectarse de la descarga, la luminosidad del LLPF-WD disminuye gradualmente y su forma se vuelve menos regular. Después de ~150-200 ms el objeto se convierte en un vórtice de plasma toroidal de color marrón rojizo, y después en un vórtice de humo.
Las siguientes secuencias de imágenes muestran 3 experimentos de formación de toros:
https://web.archive.org/web/20040311203345/http://balllightning.narod.ru/hvewd.html