El misterio de las centellas (1433)
Formaciones de plasma de larga duración derivadas de la combustión de alambres metálicos
A. L. Pirozerski1 y S. E. Emelin2
1 Instituto de Investigación Científica de Física y 2 Instituto de Investigación Científica de Radiofísica de la Universidad Estatal de San Petersburgo, San Petersburgo, 198904, Rusia.
Correo electrónico: piroz@pdmi.ras.ru, Sergei.Emelin@pobox.spbu.ru
WWW: http://balllightning.narod.ru
Resumen. Proponemos un método de generación de objetos de plasma de larga vida sobre la base de plasma de baja temperatura con fase dispersa condensada en forma de partícula metálica microscópica e investigamos sus características principales.
1. Introducción
La investigación de las formaciones de plasma de larga vida (LLPF), que surgen de diferentes tipos de descarga erosiva [1-4] es de indudable interés tanto para la comprensión de los mecanismos principales responsables de la metaestabilidad y los procesos de auto-organización de la estructura-energía en el plasma de baja temperatura con fase dispersa condensada, como para el modelado de laboratorio de fenómenos naturales tan raros y transitorios como las centellas, sprites, 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 quema 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 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.
En la Fig. 1 se muestran fotogramas seleccionados de la grabación de video que muestran las diferentes etapas de la evolución del LLPF-MW.
Fig. 1. Evolución del LLPF-MW. Evolución del LLPF-MW.
Debajo de cada fotograma se indica su número a partir del inicio de la descarga, el intervalo de tiempo entre fotogramas sucesivos es de 40 ms. El voltaje inicial del condensador de almacenamiento fue de 3.1 kV, el residual – 1.0 kV, el valor de la resistencia – 86 Ohm.
Como se ve en la Fig.1, la forma de LLPF-MW cambia gradualmente de esférica a toroidal. La luminiscencia de LLPF dura unos 0.3-0.4 s, mientras que el toroide de polvo residual vive otros 5-10 s con relativa estabilidad 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 LLPF-MW y la dinámica de su evolución dependen en gran medida de las condiciones aerodinámicas, en particular, del tamaño y la forma de la partición instalada en el descargador, y de la presencia de objetos cercanos que afecten al movimiento convectivo del aire.
Los oscilogramas de la corriente de descarga y la tensión (esta última se midió en el hueco de protección conectado en serie y el descargador principal) se muestran en la Fig.2.
Fig. 2. Corriente y tensión de descarga. Corriente y tensión de descarga.
Como se puede ver en la Fig.2, el tiempo total de la descarga es de unos 90 ms, por lo tanto, el LLPF-MW mostrado en la Fig.1 existe ya después de la interrupción de la corriente. Las oscilaciones de la corriente y el voltaje evidencian la aparición de procesos ondulatorios en el plasma erosionado durante la combustión del alambre, y están relacionados, probablemente, con ondas acústicas en el esqueleto de polvo formado por partículas metálicas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Fig. 3. LLPF-MW con envolventes.
Las LLPF-MW se caracterizan por su expresa no homogeneidad espacial, en particular, por la presencia de envolturas débilmente luminosas (Fig. 3) y filamentos (Fig. 4). Cabe señalar que se observaron estructuras espaciales similares en LLPF, que aparecen en la descarga capilar erosiva en la superficie del agua (LLPF-WD) [5].
Para la comparación directa de estos dos tipos de LLPF los descargadores correspondientes fueron conectados en serie, lo que permitió la observación simultánea de ambos objetos (Figs. 4-6).
Fig. 4. Estructuras filamentosas de LLPF-MW (izquierda).
Fig. 5. Generación simultánea de LLPF-MW y LLPF-WD.
Ambas LLPF tenían una dinámica similar, pero el tiempo de vida de la LLPF-WD era un 10-20% mayor, lo que parece estar relacionado con la menor temperatura de esta última.
Para aclarar el papel de los procesos de oxidación realizamos un experimento sobre la generación de LLPF-MF en atmósfera de CO2, ver Fig.6.
Fig. 6. Un LLPF-MF en una columna llena de CO2 (a la derecha).
Los LLPF correspondientes fueron más pequeños y flotaron 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. La disminución de la luminosidad de los 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. Cabe señalar también que la vida útil de LLPF-MF en atmósfera de CO2 fue más corta.
4. Discusión
El descubrimiento de los principales mecanismos de metaestabilidad y la determinación de la forma de almacenamiento de energía son de gran 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 lugar a dudas sólo uno de ellos.
En el trabajo [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, 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 una vida útil anormalmente larga y la presencia de un almacén de energía no equilibrado (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 (ver [4]) supera 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 un 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 el 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.
5. 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 LLPF-MW pueden ser explicadas por el modelo de plasma frío no ideal con fase dispersa condensada en forma de partículas metálicas cargadas positivamente de tamaños micrónicos y submicrónicos.
6. Referencias
1. S.E. Emelin, V.S. Semenov, V.L. Bychkov et al.// Tech. Phys. 42 (3), 269, 1997.
2. Emelin S.E., Pirozerski A.L., Skvortsov G.E., Bychkov V.L. // Proceedings of 7th International Symposium on Ball Lightning (ISBL01), July 26-29 2001, St. Louis, Missouri, USA. Preprint physics/0107059.
3. Shabanov G.D.// Tech. Phys.Lett., 2002.
4. Egorov A.I., Stepanov S.I. // Submitted to Tech.Phys.
5. Emelin S.E., Pirozerski A.L., Egorov A.I., Stepanov S.I., Bychkov V.L. //Submitted to the 10th Russian Conference on Cold Nuclear Transmutation and Ball Lightning (RCCNT&BL –10), Dagomys, 2002.
6. Barry, J. D. Ball lightning and bead lightning. New York:Plenum, 1980.
7. Stakhanov I.P. On the physical nature of the ball lightning. Moscow: Nauchnyj Mir, 1996, 264 pp.
8. V.L. Bychkov, Electrical charging of polymer structures. Preprint. MIFI, 1992.
9. E.A. Manykhin, M.I. Ozhovan, P.P. Poluektov. // JTEP 57, 256, 1983.
10. Shevkunov S.V. // JETP, 2001, v.119. N. 3, pp. 485-508, (in russian).
https://web.archive.org/web/20040327181114/http://balllightning.narod.ru/golub02/mw/wires11e.html