El misterio de las centellas (1459)
UDC 533.9.072
MODELIZACIÓN DE CENTELLAS MEDIANTE DESCARGA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA DÉBIL
Emelin S.E.a, Pirozersky A.Lb, Egorov A.I.s, Stepanov S.I.s, Bychkov V.L.d
a-Instituto de Investigación de Radiofísica de la Universidad Estatal de San Petersburgo, 198504, San Petersburgo, Ulyanovskaya 1.
b-Instituto de Investigación de Física de la Universidad Estatal de San Petersburgo, 198504, San Petersburgo, Ulyanovskaya 1.
c-Instituto de Física Nuclear de Petersburgo que lleva el nombre de B.P. Konstantinov, 188300, Gatchina, región de Leningrado, Rusia.
e-Universidad Estatal de Moscú que lleva el nombre de M. V. Lomonosov.
Correo electrónico: Sergei.Emelin@pobox.spbu.ru
Resumen.
Se muestra la posibilidad de crear formaciones autónomas de plasma que tengan una forma globular estable en la parte inicial del período de relajación mediante una descarga axialmente simétrica de alto voltaje entre un ánodo anular submarino hecho de alambre y un cátodo de varilla aislado del agua por un tubo de cuarzo. Se presentan imágenes de los objetos obtenidos.
1. Introducción
En [1,2] se presenta una descarga en la que aparecen formaciones autónomas de plasma, con una serie de propiedades similares a las centellas. Estos objetos tienen la forma de un volumen luminoso redondeado de tamaño 10-20 cm con límites superiores y laterales bastante marcados, flotando en la atmósfera desde la superficie del agua como una burbuja. Durante el periodo de existencia de los objetos, que es de unas décimas de segundo, la intensidad de su radiación disminuye monótonamente desde cegadora hasta apenas perceptible, y la forma redondeada se pierde gradualmente.
A pesar de la significativa diferencia entre los parámetros de la centella y el análogo creado, esta descarga parece ser muy interesante e importante tanto para comprender las propiedades de los objetos que se producen de forma natural como para lograr una gran similitud en su modelización. Esto se debe a la presencia de una combinación muy acertada del diseño de la instalación, las características de la descarga y las formaciones de plasma emergentes para la realización, las observaciones y las mediciones. Con la ayuda de la fotografía y el video es posible registrar de forma fiable algunos elementos del proceso y su dinámica, lo que ayuda a establecer una imagen del fenómeno.
2. montaje experimental
El montaje de la descarga consistía en un acumulador capacitivo C = 0.6-0.8mF a 5kV, un descargador, un equipo de medición y de grabación foto-video. En parte de los experimentos el acumulador estaba conectado al descargador sólo durante el tiempo de descarga tocando la varilla controlada por la mano del operador. En otros casos entre el descargador y el acumulador a través de un entrehierro adicional ~ 5 mm se incluía una reactancia L1=0.2 H o L2=1mH, combinada con un transformador resonante para crear un impulso de disparo con una tensión máxima de 50 kV a una frecuencia de 36 kHz para L1 y 25 kV a una frecuencia de 250 kHz para L2.
El descargador era un tarro de plástico de forma cilíndrica de 12-18 cm de diámetro por 10-20 cm de altura con electrodos. La jarra se llenó con agua del grifo de diversas fuentes de dureza y composición elemental, o con una solución débil de diversos productos químicos a base de agua destilada o agua del grifo de baja dureza. El ánodo era un anillo de alambre del mayor diámetro posible, situado cerca del fondo de la jarra y conectado al acumulador mediante un alambre aislado. Como cátodo se utilizó una varilla corta de carbono o acero con un diámetro de 5-10 mm, insertada en una sección de un tubo de cuarzo con el mismo diámetro interior y conectada desde abajo a un conductor aislado del agua, que iba al tanque de almacenamiento y servía de soporte del cátodo. El extremo del cátodo se situaba cerca del nivel del agua, y el corte del tubo de cuarzo estaba ~2-5 mm por encima. En algunos casos, un radio de bicicleta fijado axialmente por encima del agua servía de cátodo.
Fue posible medir las señales de las sondas eléctricas, la corriente de descarga, el voltaje, la característica voltamperimétrica, la intensidad de radiación con ayuda de la FEU y los LED mediante oscilogramas de dos canales grabados por una cámara de video. Para la grabación en video de la descarga y los oscilogramas se utilizó una cámara de video digital SONY DCR TRV11E con 640 X 480 fotogramas en modo “sport” (50 fotogramas por segundo) con un adaptador de stop-frame a través de memory-stick a un ordenador y gafas ópticas certificadas.
3. Descarga con agua del grifo
La Fig.1 muestra el esquema de la instalación desarrollada en el JINRF, que permite introducir una población abundante de iones en un club de aire caliente saturado de vapor de agua. La unidad se basa en una batería de condensadores con una capacitancia de 0.6 mF, que puede cargarse hasta 5.5 kV.
Fig.1. Instalación para la obtención de plasmoides de larga vida. 1 – recipiente de polietileno, 2 – electrodo anular, 3 – electrodo central, 4 – batería de condensadores de 0.6 mF, 5 – descargador, 6 – gota de agua o suspensión de agua, 7 – tubo de cuarzo, 8 – electrodo de carbono o metálico, 9 – barra de cobre.
Un recipiente de polietileno de 18 cm de diámetro se llenó hasta 15 cm con agua del grifo débilmente conductora. En el fondo del recipiente había un electrodo circular de cobre conectado mediante una barra de cobre aislada a un polo de la batería de condensadores. El segundo polo de la batería estaba conectado a un electrodo cilíndrico situado en el centro del recipiente, cerca de la superficie del agua y dirigido hacia el semiespacio de aire. La mayoría de las veces se utilizaba como electrodo central un carbón de 5 – 6 mm de diámetro para análisis espectral. El tubo de cuarzo que rodeaba el electrodo central se elevaba 2 – 4 mm por encima de él y 3 – 8 mm por encima de la superficie del agua. La resistencia eléctrica del agua entre los electrodos sumergidos era de 1 – 1.2 kW.
Fig.2. Plasmoide volador después de su separación del chorro de plasma. El diámetro de la jarra con agua es de 18 cm.
Para obtener una centella artificial, se aplicaron 2 – 3 gotas (aproximadamente 0.1 ml) de agua al electrodo central hecho de carbón. Al cerrar – abrir rápidamente el pararrayos, un chorro de plasma sale volando del electrodo central con un ligero estallido, del que se separa un plasmoide luminoso autónomo. Flota lentamente en el aire y después de 0.2 – 0.5 s desaparece, desintegrándose en partes. En la Fig. 2 se registra el momento de separación de dicho plasmoide del chorro de plasma.
Un anillo de un alambre delgado (0.1 mm) de cobre o nicromo, pesado en balanzas analíticas, colocado en la trayectoria de la centella, se atomiza parcialmente, e incluso se funde en el chorro de plasma, aparentemente debido a la intensa recombinación de iones en la superficie metálica. En este caso, aparecen bolas fundidas características en los extremos de las partes conservadas del alambre.
En la mayoría de los casos, el electrodo central estaba conectado al polo negativo de una batería de condensadores. Existe una diferencia de potencial óptima entre los electrodos en la que el plasmoide adopta una forma redondeada. Para una configuración con las dimensiones mostradas, es de 4.2 – 4.8 kV. La corriente máxima en la descarga no superó los 30 – 50 A.
En un campo eléctrico horizontal creado por un condensador plano, la centella se estira hacia los lados, su vida útil disminuye. La igualdad aproximada de las cargas volumétricas de la población de iones positivos y negativos no excluye la existencia de un pequeño exceso de carga en los plasmoides.
El tamaño del plasmoide varía algo de una descarga a otra, pero suele oscilar entre 10 y 18 cm. El color de las centellas “de agua” se aproxima al de las descargas de gas excitadas en aire húmedo a presión reducida. La parte central lila del plasmoide está rodeada por una envoltura amarillenta difusa. Una pequeña mezcla de sales de sodio y calcio colorea el núcleo del plasmoide de amarillo o naranja.
Figura 3 Etapas de nacimiento, vuelo y desintegración de una centella artificial obtenida a partir de grafito coloidal, acetona y agua. Los números indican el número de fotogramas de la película de video. El intervalo de tiempo entre fotogramas es de 0.02 s. La película de vídeo completa “fball02.avi” está disponible en ftp://biod.pnpi.spb.ru/pub/people/stepanov.
Cuando el electrodo central de carbono se sustituye por un electrodo de hierro, cobre o aluminio, se mantiene el carácter básico del fenómeno. En una descarga pulsada, un chorro de plasma deslumbrante sale volando de un electrodo metálico humedecido con agua sin mezcla de materia orgánica y se separa un plasmoide volador. Su color depende del espectro de emisión de los átomos excitados del electrodo: los plasmoides de hierro son blanquecinos, los de cobre son verdosos, los de aluminio son blancos con una tonalidad rojiza.
La temperatura de la centella puede estimarse a partir de la velocidad de su ascenso vertical. Si tomamos el plasmoide como un palo de aire caliente y húmedo de 14 cm de diámetro, que flota en la atmósfera a 293 K con una velocidad de 1 – 1.2 m/s, la temperatura media estimada del plasmoide no supera los 330 K.
La duración de una centella artificial depende de varios factores: del tamaño y de la forma geométrica del electrodo central, de la tensión entre los electrodos, de la magnitud y de la duración del impulso de corriente, de la temperatura y de la conductividad eléctrica del agua aplicada al electrodo central. Existe otra posibilidad de modificar la vida útil del plasmoide: introducir en él una fase dispersa adicional. Para ello, debe aplicarse una suspensión de alguna sustancia al electrodo central; con una descarga de pulso, la sustancia se atomiza, se dispersa y, junto con la población iónica, entra en el plasmoide.
Se probaron docenas de sustancias: polvos de carbón, hidrocarburos con alto poder calorífico, hollín, una mezcla de carbón y sílice finamente dispersa, polvo de hierro carbonílico, suspensión coloidal de Fe3O4, arcilla, muestras de tierra, serrín, colofonia y otras sustancias naturales. El grafito coloidal y los óxidos de hierro finamente dispersos fueron seleccionados para un estudio detallado, aunque puede haber otros componentes de suspensión más óptimos. Sólo es necesario que la suspensión tenga una resistencia eléctrica elevada.
En la mayoría de los experimentos, se aplicó al electrodo central de carbono una suspensión de 3 g de grafito coloidal, 8 – 10 ml de acetona (agente humectante) y 90 ml de agua. La descarga eléctrica a través de una capa de esta suspensión produce un plasmoide volador y redondeado (Fig. 4), que flota lentamente en el aire y desaparece al cabo de 0.3 – 0.8 s, apareciendo muy raramente plasmoides con una vida más larga. El núcleo del plasmoide tiene el color de la llama, es decir, la dispersión del carbono y la destrucción de los orgánicos en la descarga pulsante van acompañadas de la formación de partículas incandescentes de hollín y radicales químicos.
Así, al introducir una potente población de iones de ambos signos en un club de aire caliente saturado de vapor de agua, aparece un plasmoide redondeado, luminoso y de larga vida. Acumula la energía gastada por la descarga eléctrica para formar pares de iones y la retiene durante mucho tiempo. La temperatura del plasmoide es ligeramente superior a la temperatura ambiente y sólo se desintegra con una explosión en raras ocasiones, cuando contiene mucho hidrógeno. En las superficies metálicas la recombinación de iones se acelera notablemente, al mismo tiempo los aerosoles de carbono finamente disperso y hierro oxidado introducidos en el plasmoide no reducen su vida útil.
4. Descarga con una solución química débil
Tras estudios adicionales en SPbSU y análisis de los resultados obtenidos, se ajustó la técnica de descarga. Para armonizar los transitorios gasodinámicos y eléctricos con el proceso de formación del plasma, se tomaron medidas para restringir el aumento de la corriente de forma similar a [3] y para dar a la parte principal de la conductividad en la descarga el carácter de conductividad inducida.
Para ello se introdujo en el circuito de corriente un estrangulador con gran inductancia. En la fabricación de ambos electrodos se utilizó un alambre de acero al carbono de 0.8-1 mm de diámetro, cuyo extremo superior se elevó por encima del tubo de cuarzo entre 5 y 8 mm. La solución se preparó a base de cloruro férrico grabado con lámina de cobre. Tras varias descargas preliminares, aparecieron en la solución productos de destrucción del ánodo. Su cantidad creciente y las transformaciones químicas subsiguientes hacían que cada descarga dependiera de la descarga previa. El carácter de la conductividad se controló mediante la presencia de una sección no lineal y la diferencia entre el curso hacia delante y hacia atrás de la característica voltio-amperio de la descarga. El escenario de preparación de la solución se llevó a cabo de forma que la tensión de almacenamiento inicial óptima fuera la más alta, de 5kV.
Figura 4. Formación y descomposición de formaciones autónomas de plasma.
Después de la ruptura iniciadora desde el cátodo, se desarrollaron varios canales de descarga a lo largo de la superficie de la solución, que se llenaron con plasma de erosión de la solución en ~10ms. Por encima del cátodo apareció un volumen en forma de cúpula gradualmente creciente y más luminoso, en el que entró el plasma de erosión del cátodo (Fig.4a).
La superficie lisa de este volumen, la “cáscara”, era una fina película elástica separada del relleno gaseoso por un espacio de varios milímetros o más. Estaba formada por partículas rodeadas de óxido del chorro de erosión catódica, que alcanzaban más fácilmente la parte superior del volumen de plasma y se deslizaban hacia abajo, reuniéndose en pliegues (Fig. 4b) o en un rollo (Fig. 4c). Al seleccionar con éxito los modos de erosión catódica y de corriente, la envoltura elástica se formó uniformemente sobre toda la superficie (Fig.4d), dando al objeto una forma esférica regular (Fig.4e).
Tras la separación de la descarga, la luminiscencia del contenido de la cáscara disminuyó gradualmente y desapareció, dejando una luminiscencia intrínseca más débil y duradera de la capa exterior del característico color rojo óxido. La subsiguiente pérdida de tensión y disminución de la elasticidad provocó que esta capa se arrugara, se rompiera por el centro y se transformara en un plasma en forma de toroide y luego en un vórtice de humo.
El encuentro del objeto con un anillo de 7 cm de diámetro de alambre de cobre de 0.08 mm colocado horizontalmente tuvo como resultado la separación del alambre en salpicaduras volantes y luminosas, la aparición de una región oscura en el centro del objeto (Fig. 4f), y luego su desaparición acompañada de un sonido grave.
No se produjo ninguna fusión del papel de aluminio de 10 mm alejado del cátodo por el objeto. La lámina colocada a unos centímetros del cátodo se transformó bajo la acción de la descarga en una fina red translúcida, ardiendo en algunos puntos del borde durante 1-2 s.
La colisión de la cáscara, que no había perdido su forma globular, con algodón no pudo provocar la ignición de este último, pero en presencia de contenidos luminosos brillantes, el algodón se encendió en casi todos los casos.
Se llevó a cabo la grabación simultánea en video de la formación del plasma luminoso y del entrehierro incluido en el circuito y que sirve de indicador visual de la presencia e intensidad de la corriente de descarga. Reveló la correlación de la dinámica del objeto con la descarga y después de su aparente separación.
Al utilizar un radio axial como cátodo, el objeto formado se eleva a lo largo del radio, y la deformación de la envoltura no se produce incluso después de la desaparición de la luminiscencia del contenido previamente introducido.
5. Discusión de los resultados
Con un aumento suficientemente suave del valor de la corriente y la selección de los parámetros de la solución, así como de los electrodos, se consigue el tipo inducido de conductividad y la descarga se distribuye suavemente sobre la superficie del líquido y un volumen significativo de aerosol por encima de ella. El carácter distribuido de la corriente de baja densidad, la participación efectiva de un agente refrigerante con bajo punto de ebullición – el agua, la presencia de partículas metálicas y dieléctricas, una gran masa de aire en el volumen de descarga y su forma inestable provocan un régimen de descarga fuertemente no equilibrado [4]. En estas condiciones, la energía principal se destina a la radiación y a la creación de plasma químicamente activo que contiene todos los estados estructurales-energéticos intermedios, desde gotas de agua hasta gas atomizado. Una pequeña fracción de la energía se concentra en iones, entre los cuales los más significativos para la formación de la estructura macroscópica del objeto son los iones multicarga basados en partículas metálicas fuertemente cargadas. La oxidación del hierro conduce a la aparición de óxidos hidratados estructuralmente ramificados en el plasma superenfriado, que unen cargas para formar una malla cargada [5] debido a las altas no idealidades de Coulomb y polarización.
Mientras que los productos de desintegración fríos del plasma químicamente activo retrasan la recombinación y son inhibidores de la combustión, las partículas metálicas calientes actúan como catalizador. Por lo tanto, el establecimiento de la distribución natural de la temperatura de los componentes del plasma a lo largo del radio del objeto, teniendo en cuenta los flujos de materia, conduce a la redistribución de los propios componentes y a la división funcional del objeto en una serie de regiones [4,6]. En la parte central caliente, los procesos de mezcla de materia, combustión, recombinación y generación de radiación son más activos. En la parte exterior fría, expuesta a la radiación de las capas interiores, se acumulan las partículas metálicas y dieléctricas más grandes, creando varias capas [4] con diferente no-idealidad. La existencia de carbono en estas condiciones sólo óxidos gaseosos no permite que los objetos basados en él tengan la misma envoltura elástica que en el caso del hierro, lo que afecta a la forma de los objetos.
La dependencia del estado del objeto con respecto a la descarga en la fase de separación visual de la zona de brillo catódico, la combustión del hilo y la no combustión de la lámina delgada de aluminio indican la presencia de corrientes remotas invisibles al ojo que sostienen la existencia del objeto. El mantenimiento de la cáscara sobre la base del plasma de polvo fuertemente no ideal es posible en principio por fuentes de radiación de diferente naturaleza: química, nuclear. Sin embargo, el hecho mencionado es ante todo esencial para la explicación de la ocurrencia de algunas centellas en condiciones de tormenta [7] y la comprensión de sus propiedades.
5. Conclusiones
Los objetos estudiados tienen forma globular y, según los autores de SPbSU y MSU, representan un estado condensado metaestable excimérico [8] basado en un plasma fuertemente no ideal de partículas metálicas y dieléctricas, formado en el proceso de autoorganización estructural y energética. Este estado tiene baja energía y densidad de materia, pero un brillo de luminiscencia significativo para el ojo y se relaja en las condiciones consideradas. Su existencia se apoya en la liberación de energía del plasma químicamente activo en descomposición y en la descarga eléctrica.
Lista de referencias.
1. ??????? ?.?. // ?????? ? ???. 2002. ?. 28. ? 4. ?. 81
2. ?????? ?.?., ???????? ?.?. // ?????? ? ???.
3. ????????? ?.?., ?????? ?.?. ? ??. // ???. 1990. ?. 60. ? 12. ?.57
4. ?????? ?.?. ? ??. // ??. ???????? VI ????. ????. ??????????? ???????? ????????????? ? ???????????????????? ?????????. ?-??. 26-30 ???? 2000?. ?.191
5. ?????? ?.?. ?? ????????????? ????????? ?????????? ????????. ???????? ????. ?., 1992. 16 ?.
6. ?????? ?.?., ??????? ?.?. // ???.??????. 1997. ?.16. ? 6. ?.144.
7. ???????? ?.?. ? ?????????? ??????? ??????? ??????. ?.: ??????? ???, 1996. 264 ?.
8. ?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????? ?.?. ? ??. //???. 1997. ?. 67. ? 3. ?. 19
https://web.archive.org/web/20040601000656/http://balllightning.narod.ru/Dagomys02/Dagomys02.doc