El misterio de las centellas (1457)
Plasmoides luminosos de larga vida procedentes de descargas eléctricas en aire húmedo
S. I. Stepanov*, A. I. Egorov, G. D. Shabanov
Instituto de Física Nuclear de San Petersburgo que lleva el nombre de B.P. Konstantinov R.R. B.P. Konstantinov RAS
*Email: stepanov@omrb.pnpi.spb.ru
De los fenómenos de la electricidad atmosférica de especial interés son las centellas – formaciones voladoras, compactas y luminosas. El descubrimiento de un método reproducible de producción de plasmoides de larga vida a partir de plasma hidratado en la atmósfera abierta [1-3] permitió iniciar un estudio sistemático de sus propiedades. Los resultados de estos estudios se presentan parcialmente en este trabajo.
El montaje experimental (Fig. 1) para la producción de plasmoides permitió una descarga eléctrica prolongada (100 ms) a través de vapor de agua. La base del montaje fue una batería de condensadores 1 con una capacitancia de 0.6 mF, que se cargó a 4.8 – 5.5 kV. Un recipiente de polietileno 2 se llenó hasta 15 cm con agua del grifo 3 débilmente conductora. En el fondo del recipiente había un electrodo circular de cobre 4 conectado al polo positivo conectado a tierra de la batería. El electrodo central negativo 5 estaba en el centro del recipiente y sobresalía del agua entre 3 y 6 mm. El electrodo central consistía en una varilla de grafito de 5 mm de diámetro rodeada por un tubo aislante de cuarzo. En el pozo del electrodo era posible colocar hasta 0.1 g de agua o de suspensión acuosa de la sustancia que se pretendía introducir en el plasmoide. La conexión y desconexión de la corriente de descarga se realizaba manualmente mediante el descargador 6.
Para estudiar las propiedades del chorro de plasma y del plasmoide se creó un equipo de medición especial. Para medir la tensión U1 entre los electrodos, se conectó en paralelo a ellos una resistencia R1 = 100 kOhmios, de una parte de la cual se alimentó la tensión al ADC. La medición de la luminosidad y del tiempo de vida del chorro y del plasmoide se realizó mediante el fotosensor 7 – era una fotomatriz de silicio de 24*36 mm. El fotosensor se colocó en la cámara 8 en lugar de la película fotográfica. El campo de visión del fotosensor abarcaba el espacio donde existía el plasmoide, empezando por la altura H1 = 15 cm desde la superficie del agua hasta la altura H2 = 50 cm.
La carga eléctrica total del plasmoide se midió con un cilindro de Faraday modificado hecho como una rejilla 9 con un diámetro de 25 cm. La rejilla se conectó a una resistencia R2 = 2.0 megaohmios. Un amplificador operacional con una alta resistencia de entrada se conectó a una parte de la resistencia. Para reducir las interferencias, la rejilla se colocó en una pantalla 10 de alambre conectada a tierra.
Además, se realizaron estudios de las propiedades eléctricas del chorro de plasma y del plasmoide utilizando una única sonda. Se trataba de una bola de 0,4 mm de diámetro hecha de nicromo. El cable que conducía a la sonda estaba envuelto en un aislante de vidrio. La sonda se conectó a tierra mediante una resistencia de 0,3-160 Mohm. Como electrodo de referencia (contrasonda) se utilizó una pantalla electrostática conectada a tierra. Se podía aplicar a la sonda un offset en el rango de -600…+600 V.
Las señales de los sensores se registraron mediante la tarjeta de medición de la empresa “L-card” con procesador, memoria, ADC (1.6 µs, 12 dígitos, 16 entradas analógicas). Las señales de varios sensores se registran en un archivo con un muestreo temporal de 0.2 ms.
Al cerrar – abrir rápidamente el descargador, un chorro de plasma salió volando del electrodo central con un ligero chasquido. Se elevó a una altura de 15 – 20 cm durante ~ 100 ms. En este momento, hay tensión entre los electrodos del recipiente (etapas 1.2 en Fig. 2) y una corriente de ~ 50 A (al principio de la descarga). Además, la parte superior del chorro se convierte en un plasmoide volador autónomo con un diámetro de 10 – 18 cm (etapa 3). El plasmoide lentamente, con una velocidad de 1 – 1.5 m/s se eleva hacia arriba (etapas 4 – 6) y después de 0.2 – 0.5 s se desintegra en partes, que se extinguen. La reproducibilidad de los experimentos es cercana al 100%. Al añadir diferentes sustancias al pozo del electrodo central, el carácter del fenómeno en su conjunto sigue siendo el mismo, pero cambian la intensidad y el color de la luminiscencia. El color del plasmoide depende del espectro de emisión de los átomos excitados del electrodo y de la sustancia añadida al pozo. Los experimentos y gráficos descritos a continuación se refieren a plasmoides obtenidos en un electrodo de grafito sin aditivos. Un gran número de interesantes fotografías de plasmoides, que muestran claramente su estructura, fueron obtenidas por S. E. Emelin y A. L. Pirozersky y están disponibles en la página web [4].
La temperatura media del plasmoide se estimó mediante la velocidad de su ascenso vertical. Si se toma el plasmoide como un palo de aire caliente de 14 cm de diámetro, flotando en la atmósfera a 293 K con una velocidad de 1.2 m/s (los datos se obtuvieron procesando un archivo de video [5]), la temperatura media calculada del plasmoide no supera los 330 K.
Para medir la carga del plasmoide, se colocó una rejilla de medición (dentro de una malla metálica) por encima del recipiente a una altura de 30 cm de la superficie del agua. Al entrar en contacto con la rejilla, el plasmoide emergente desaparecía, creando una corriente a través de la resistencia R2 (Figura 4). Al principio del gráfico se observa una señal debida a la descarga. Después no hay señal: el plasmoide se eleva pero aún no toca la rejilla. Más tarde, en el intervalo 320 – 580 ms, podemos ver la señal causada por la carga del plasmoide fluyendo a través de la rejilla y la resistencia R2 a tierra. Integrando la corriente en este intervalo de tiempo, se puede determinar la carga del plasmoide. Las cargas del plasmoide medidas de esta forma resultaron ser negativas. La magnitud de la carga estaba en el rango de -4…-10 nKl, siendo el valor más probable -8 nKl. Si suponemos que la carga del plasmoide se concentra en un volumen esférico de radio R=6 cm, el potencial del plasmoide respecto al suelo puede estimarse de la siguiente manera 
El estudio del chorro de plasma mediante una única sonda colocada a una altura de 12 – 18 cm mostró que su potencial es negativo y es de -1.8 …-2.2 kV. Por lo que se puede concluir que el plasmoide recibe su carga de la parte superior del chorro.
El plasmoide también se investigó con una sola sonda. En el desplazamiento cero, las cargas negativas se recogen del plasma (Fig. 5), – el campo eléctrico en este caso se dirigió de la sonda al plasma. En el momento en que la sonda se encuentra en la superficie superior del plasmoide, se observa una fuerte ráfaga de corriente.
A una polarización de -400…-500 V, la señal de la sonda (figura no mostrada), en el momento en que la sonda estaba dentro del plasmoide, correspondía a la colección de cargas negativas, lo que significa que el potencial dentro del plasmoide excedía, modulo el potencial de polarización aplicado – lo que es consistente con las medidas realizadas con la rejilla. En el momento en que la sonda estaba en la superficie superior del plasmoide, había una colección de cargas positivas. Esto significa que el potencial del plasma aquí es aproximadamente igual al potencial de polarización aplicado a la sonda.
Así pues, los plasmoides luminosos voladores, que, según testigos presenciales, se asemejan a centellas de corta duración, tenían una carga intrínseca y un potencial de aproximadamente -1300 V. Cabe señalar que también se detectó un campo eléctrico con una intensidad de 60 kV/cm en un plasmoide obtenido en vapor de agua saturado [6].
Los autores agradecen a S. E. Emelin, A. L. Pirozersky, E. A. Drobchenko y A. M. Pirogov por su ayuda en la fabricación de equipos de medición, experimentos y valiosas discusiones, así como a L. A. Noskin por proporcionar equipos electrónicos para el trabajo.
[1] G.D. Shabanov, Letters in ZhTF, 2002, vol. 28, número 4, pp. 81 – 86.
[2] A.I. Egorov, S.I. Stepanov, ZhTF, 2002, vol. 72, número 12, pp. 102 – 104.
[3] S.E. Emelin, A.L. Pirozersky, A.I. Egorov, et al, en Proc. Cold transmutation of nuclei, M, 2002, p. 240 – 248. (Mater. 9 All-Russian Conf., Dagomys, 2002).
[4] http://www.balllightning.narod.ru
[5] ftp://biod.pnpi.spb.ru/pub/people/stepanov/fball02.avi
[6] E.T. Protasevich, ZhTF, 1993, vol. 63, número 7, pp. 201 – 204.