El misterio de las centellas (1453)
Vean las diapositivas que se mostrarán durante nuestro informe “Formaciones de plasma de larga vida que surgen de la combustión de alambres metálicos” en la Conferencia Internacional “Efectos anormales en la física de altas densidades de energía (macro y microcosmos)”, 23-27 de septiembre de 2002, Yalta, y en la 10ª Conferencia Rusa sobre Transmutación Nuclear en Frío y Centellas (RCCNT&BL -10), 29 de septiembre – 6 de octubre de 2002, Dagomys. Véase también una versión abreviada del informe en inglés.
1. Introducción
La investigación de las formaciones plasmáticas de larga vida (LLPF), que surgen de diferentes tipos de descargas erosivas [1-4] es de indudable interés tanto para la comprensión de los mecanismos principales responsables de los procesos de metaestabilidad y autoorganización estructura-energía en plasmas de baja temperatura con fase dispersa condensada, como para la modelización en laboratorio de fenómenos naturales tan raros y transitorios como las centellas, los sprites, los chorros azules, etc.
El presente trabajo está dedicado al estudio experimental del LLPF, surgido de la combustión de alambres metálicos por corriente eléctrica de magnitud media (20-100 A) (LLPF-MW). El plasma erosional, aparecido en la combustión de alambres, mantiene la descarga. El volumen de plasma experimenta una serie de cambios estructurales, resultando en la formación de un objeto con forma de hongo, que luego cambia a un plasmoide cuasi-esférico y después a un toroide. Los LLPF-MW se caracterizan por un tiempo de vida anómalamente largo (alrededor de 0.2-0.3 s, es decir, tres órdenes de magnitud mayor que el tiempo de relajación del plasma en equilibrio en las condiciones dadas) y por una considerable no homogeneidad espacial (por ejemplo, la presencia de estructuras similares a fibras y filamentos y de envolturas). Pueden encender algunos materiales dieléctricos, por ejemplo el algodón.
2. Montaje experimental y construcción de los descargadores
El montaje experimental consiste en un condensador de almacenamiento de impulsos C0 = 0.6mF x 5kV, inductancia L= 40mkH – 7.6mH, integrado con transformador de encendido de impulsos (frecuencia de resonancia 0.03 – 0.3MHz, tensión de impulsos hasta 50kV), resistencia limitadora de corriente (R = 10 – 400 Ohm ), vía de chispas de protección (4 mm de longitud) y descargador principal.
El descargador principal consta de una base en forma de placa dieléctrica estrecha, en cuyo centro se instalaron soportes o tabiques dieléctricos. Sobre el borde superior del tabique se extendió un alambre para quemar, en forma de letra V invertida, cuyos extremos se fijaron mediante abrazaderas colocadas en los bordes de la base.
Para la videograbación se utilizó un camcoder Sony DCR-TRV11E, sensible en el rango del infrarrojo cercano.
En algunos experimentos el descargador de agua de erosión, cuya construcción era similar a la de [3,4], se conectó en serie con el chispero y el descargador principal.
3. Modos de descarga y características principales de LLPF-MW
En nuestros experimentos utilizamos alambres de diferentes metales, en particular, de cobre, hierro y nicromo. Los mejores resultados se obtuvieron con alambre de cobre de 0.1 mm de diámetro.
Con valores demasiado bajos (<30 Ohm ) o demasiado altos (>600 Ohm ) de la resistencia limitadora de corriente no apareció LLPF. En el primer caso el alambre explotó con la formación de una nube de polvo, cuya luminosidad disminuyó rápidamente y se extinguió después de unos 20 ms. En el segundo caso, sólo se quemó un pequeño segmento del cable seguido de la rotura de la descarga. Para el alambre de cobre de 0.1 mm de diámetro en el rango de tensión del condensador de almacenamiento de 1 – 5 kV el valor óptimo de la resistencia fue de 70 – 150 Ohm.
La siguiente secuencia de imágenes presenta fotogramas seleccionados de la grabación de video que muestran diferentes etapas de la evolución de LLPF-MW.
En la parte superior de cada imagen se indica el momento en que se tomó la imagen, empezando por el principio de la descarga. En este experimento la tensión inicial del condensador de almacenamiento fue de 3.1 kV, la residual de 1.0 kV, el valor de la resistencia – 86 Ohm. Se utilizó un alambre de cobre de 0.1 mm de diámetro. El oscilograma de la corriente, que se mostrará más adelante, muestra que la interrupción de la corriente se produce unos 90 ms después del comienzo de la descarga, por lo que este objeto, que tiene una forma esférica prácticamente perfecta, existe ya 70 ms después de la interrupción de la corriente.
Aquí la forma del objeto se ha vuelto menos regular, pero su brillo sigue siendo suficientemente alto.
Ahora vemos que la forma del plasmoide cambia gradualmente a toroidal.
La luminiscencia del objeto disminuye gradualmente y desaparece al cabo de unos 0.4 s.
Las dos imágenes siguientes se procesaron para mejorar el contraste y el brillo.
El toroide polvoriento residual vive hasta 5-10 s, y su forma se hace aún más regular, como puede verse comparando esta imagen con la anterior. Además, el toroide posee una estabilidad relativa de la forma, por ejemplo, puede pasar alrededor de una barrera colocada en su camino mediante el aumento de su diámetro horizontal.
Cabe señalar que la forma de los objetos obtenidos por la combustión de alambres metálicos y la dinámica de su evolución dependen en gran medida de muchos factores, entre ellos las condiciones aerodinámicas, en particular, el tamaño y la forma de la partición instalada en el descargador, la presencia de objetos cercanos, que afectan al movimiento convectivo del aire, y los parámetros del circuito de descarga.
Esta diapositiva muestra el oscilograma de la corriente de descarga y la tensión medida en el hueco de protección y el descargador principal conectados en serie.
Las oscilaciones de la corriente y el voltaje evidencian la ocurrencia de procesos ondulatorios en el plasma erosionado aparecido en la quema de alambre, y están relacionados, más probablemente, con ondas acústicas en el esqueleto de polvo formado por partículas metálicas de tamaños micrónicos y submicrónicos.
En la mayoría de los casos las formaciones de plasma de larga vida, que aparecen en la quema de alambres metálicos, tienen una pronunciada no-homogeneidad espacial. Esta falta de homogeneidad se manifiesta por la presencia de estructuras filamentosas y/o de envolturas débilmente luminosas.
En esta imagen se aprecia una estructura filamentosa en la parte inferior del objeto.
El mismo objeto después de 40 ms. Se aprecia una débil envoltura luminosa.
En esta imagen se aprecia claramente una compleja estructura filamentosa del LLPF-MW. A la derecha vemos un plasmoide, aparecido del descargador de agua de erosión de alto voltaje, que en este experimento estaba conectado en serie con el descargador principal.
Otro objeto con envoltura. Se puede ver una gavilla de partículas metálicas de gran tamaño, recogiendo la envoltura. Nótese que en este momento el objeto superior es autónomo debido al cortocircuito por el volumen de plasma inferior.
Aquí la envoltura forma un rollo en la parte superior del objeto. También son claramente visibles los chorros de erosión catódica (derecha) y anódica (izquierda), que inflan la envoltura; nótese que son de diferente color.
El mismo objeto después de 40 ms.
Las 4 imágenes siguientes muestran la formación y evolución de la envoltura.
El primer fotograma. Vemos un cordón de plasma que se ha formado alrededor (y en lugar) del cable.
A los 80 ms ya aparece la envoltura. El volumen de plasma en la esquina inferior izquierda se debe probablemente a un contacto defectuoso en el terminal izquierdo (positivo).
El objeto ya es autónomo. La envoltura es claramente visible, así como un sistema de filamentos (franja) en la parte inferior derecha del objeto principal. Obsérvese que el segundo objeto también presenta una estructura de filamentos.
Fase de relajación. La envoltura sigue siendo visible, especialmente en la parte derecha del objeto. Obsérvese que aquí se presentan diferentes colores. Luminiscencia el objeto son aparentemente de naturaleza no térmica.
Cabe señalar que la velocidad de flotación hacia arriba es muy baja, lo que implica que la temperatura media del objeto no supera los 330 K (según las estimaciones de Stepanov et al en una situación similar para plasmoides de descarga de agua, suponiendo que la velocidad de flotación hacia arriba es de aproximadamente 1 – 1.2 m/s).
Para la comparación directa de estos dos tipos de LLPF se conectaron en serie los descargadores correspondientes, lo que permitió la observación simultánea de ambos objetos, como se muestra en las siguientes imágenes.
Aquí el plasmoide MW está a la izquierda, el HVEWD – a la derecha. La forma irregular del primer plasmoide se debe a la posición incorrecta del cable.
El objeto MW ya se ha convertido en un toroide, el WD tiene una forma elipsoidal regular.
Ahora ambos objetos se han convertido en toros.
Así, vemos que ambos objetos tienen una dinámica similar, pero en promedio la vida de LLPF-WD fue 10-20% mayor, lo que está conectado, aparentemente, con la temperatura más baja de este último.
Para aclarar el papel de los procesos de oxidación realizamos un experimento sobre la generación de LLPF-MF en la atmósfera de CO2. También en este caso el descargador principal se conectó en serie con el de HVEWD. Las condiciones de descarga no se optimizaron, por lo que ambos objetos tienen una vida útil relativamente corta.
Aquí vemos que en la atmósfera de CO2 el plasmoide MW es más pequeño (esto también puede deberse a otra construcción del descargador utilizado) y su vida útil fue más corta. La disminución de la luminosidad del LLPF y el cambio de su color a verde, característico de los vapores de cobre, pueden estar relacionados con la ausencia de nitrógeno, que tiene muchas líneas espectrales brillantes tanto en el rango espectral rojo como en el azul. El objeto flota más lentamente, lo que puede explicarse por el cambio de las condiciones aerodinámicas debido al aumento de la densidad del gas y a la presencia de las paredes cercanas de la columna. Sin embargo, este experimento demuestra que las LLPF-MW pueden aparecer en atmósferas de CO2, por lo que los procesos de oxidación no son cruciales para su existencia.
El descubrimiento de los principales mecanismos de metaestabilidad y la determinación de la forma de almacenamiento de energía son de vital importancia para comprender la naturaleza física de las LLPF. En la actualidad se han propuesto varios modelos (ver [6-10] y sus referencias), pero los datos experimentales disponibles no permiten elegir sin duda uno solo de ellos.
En el paper [4], dedicado al estudio de la LLPF-WD, se propuso, siguiendo el modelo de [10], que la base de la LLPF-WD es el plasma frío formado por cúmulos de iones hidratados, en los que se almacena la mayor parte de la energía del objeto. Las envolturas de los hidratos impiden el acercamiento y la recombinación de los iones, lo que, según la opinión de los autores [4], determina la metaestabilidad del plasmoide.
Las LLPF-MW estudiadas en el presente trabajo tienen características básicas similares, de las cuales en este caso las más importantes son un tiempo de vida anormalmente largo y la presencia de un almacén de energía de no-equilibrio (esto último se confirma también por el hecho de que las LLPF-MW incluso en las últimas etapas de su existencia encienden algodón algodonoso, aunque la temperatura media del gas cinético calculada a partir de la velocidad de flotación hacia arriba excede sólo un poco la temperatura ambiente). Como la formación del plasmoide ocurre en condiciones, cuando la concentración del vapor de agua es despreciable, la metaestabilidad LLPF-MW no puede ser explicada por el mecanismo de hidratación. La similitud de los parámetros LLPF-MW y LLPF-WD permite suponer, que este mecanismo no puede ser determinante ni para LLPF-WD.
Ese hecho, que la formación LLPF-MW puede ocurrir en la atmósfera de CO2, evidencia que el proceso de oxidación del metal ni puede servir la fuente de energía principal del plasmoide.
Las características principales de LLPF-MW pueden ser explicadas por la hipótesis, que la base de los objetos es plasma altamente no ideal con fase dispersa condensada en forma de partículas de metal, de micrones y submicrones (presumiblemente cerca de decenas de cientos de nanómetros) de tamaños que surgen en la vaporización del alambre. La influencia de la radiación y la corriente de descarga provoca la excitación de los electrones y la ionización de las partículas. Al mismo tiempo, los electrones libres son ligados rápidamente por el gas electronegativo, lo que da lugar a la separación de cargas, localizándose las cargas positivas en las partículas metálicas. La carga de una partícula puede alcanzar miles de e, lo que implica una alta no-idealidad de Coulomb del plasma, y, por lo tanto, resulta en la capacidad de aparición de efectos colectivos, que es indirectamente sostenida por las oscilaciones de la corriente de descarga y voltaje. La fuerte interacción colectiva de las partículas conduce al desarrollo de inestabilidad plasmática de diferentes tipos y a la formación de estructuras espaciales similares a filamentos. Las envolturas consisten, aparentemente, en óxidos metálicos formados en el límite del plasmoide.
Conclusiones
La combustión de alambres metálicos por corriente eléctrica de magnitud media, en condiciones adecuadas de descarga, resulta en la generación de formaciones plasmáticas de larga vida. Los plasmoides viven 0.2-0.3 s después de la ruptura de la descarga, su forma evoluciona de cuasi-esférica a toroidal. Los LLPF-MW son espacialmente muy poco homogéneos, lo que se manifiesta por la presencia de estructuras en forma de fibras y filamentos y de envolturas. Las principales características de los LLPF-MW pueden explicarse por el modelo de plasma frío no ideal con fase dispersa condensada en forma de partículas metálicas cargadas positivamente de tamaños micrométricos y submicrométricos.