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.

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https://web.archive.org/web/20040601000656/http://balllightning.narod.ru/Dagomys02/Dagomys02.doc

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.

https://web.archive.org/web/20040401154830/http://balllightning.narod.ru/2003/Gatchina/Stepanov03-1/Stepanov03.htm

El misterio de las centellas (1455)

arXiv:physics/0306158 21 Jun 2003

Condiciones para el inicio no estacionario de la descarga en modo “burning-Through”

S. E. Emelin

Instituto de Investigación Científica de Radiofísica de la Universidad Estatal de San Petersburgo

Sergei.Emelin@pobox.spbu.ru

Resumen

Se ha considerado la forma especial de una descarga eléctrica – “burn-through” en relación con el problema de las centellas. Habiéndose realizado en un volumen cerrado, este modo de descarga erosiva ha mostrado una serie de claras diferencias consistentes en la alta densidad del gas, la formación del aerogel de metal-polímero, la corriente percolante y las características inusuales del escape del plasma. Se han determinado las condiciones para su origen estable y las principales etapas del proceso de descarga.

1. Introducción. Una de las cuestiones clave en la simulación de “centellas densas en energía” consiste en la determinación de las condiciones para el origen del estado metaestable de la sustancia que satisface dos requisitos principales – de alta energía específica y tiempo de relajación prolongado. Desde el punto de vista del enfoque desarrollado en el marco de la autoorganización estructural-energética, la característica fundamental de dicho estado y del proceso de su creación es el máximo nivel de su no-equilibrio. El carácter complejo y multivariado del desarrollo de alto desequilibrio obliga a prestar atención a las condiciones de tales descargas eléctricas, dirigidas a la reproducción de centellas densas en energía, que, en contraste con los poderosos de un solo impulso, combinan la retención duradera del medio activo bajo bombeo con la supresión del régimen de equilibrio para lograr el contenido de energía selectivo y profundo. En relación con la solución del problema planteado, se prestó atención por primera vez en el artículo [1] a las condiciones similares observadas en la combustión eléctrica de la madera. La condición análoga había sido detectada independientemente por el autor en 1992 en la llamada descarga capilar cerrada, pero, siendo compleja y ocurriendo irregularmente en un volumen bastante pequeño, el proceso respectivo había permanecido poco estudiado [2]. En el presente trabajo se ha llevado a cabo la investigación de la descarga considerada de presión inferior a 100 atm en volumen ampliado para aclarar la etapa inicial del proceso y averiguar los medios de su reproducción segura.

2. Descarga capilar cerrada. En [2] el tubo de polietileno por diámetros 9 mm/1.5 mm por una longitud alrededor de 45 mm con dos electrodos de acero de varilla simétrica con rosca M2 atornillado en sus extremos hasta la magnitud de una brecha interelectrodo ~ 6 mm, se había utilizado como un descargador. Después del encendido de la descarga corta de la fuente por el voltaje de aproximadamente 1.8 kV a través de la resistencia de 100 ohmios cambió por una disminución múltiple de la corriente, y después de una fracción de segundo la expulsión del objeto fluorescente autónomo a través de la pared lateral del tubo acompañó la desconexión de la corriente. El estudio del contenido de un descargador acabado mostró la presencia de una mezcla de oligómeros, aerosol metálico fino y partículas estructuradas de gran tamaño. Las tentativas emprendidas para regularizar esta forma de la descarga habían revelado su extrema inestabilidad a la energía de encendido, a las heterogeneidades de los canales roscados para estrangular una sobrepresión de gas, a la temperatura de arranque, al material del tubo etc. Se ha observado que la ausencia de aerosol fino de hierro nunca ha ido acompañada de la formación de los objetos, sino que ha conducido a la expulsión temprana en forma de estallido fuera del descargador.

3. Montaje experimental. El descargador (fig. 1) difería del utilizado en [2] y representaba un tubo de diámetros de 25 mm a 20 mm y de una longitud de 80 mm. Los electrodos de acero con un diámetro de 20 mm tenían una rosca con un paso de 0.8 mm con chaflán cónico y se insertaron en el tubo hasta una profundidad de 25 mm para formar una separación entre electrodos de 30.0 mm. El descargador ensamblado se colocó en ranuras semicirculares de un apriete consistente en dos placas de polimetilmetacrilato de 40 mm de espesor, que se apretaron mediante seis pernos de 10 mm de diámetro. Para el escape de los productos de descarga, una de las placas del exprimidor estaba provista de una abertura cónica con un diámetro menor de 6 mm y una conjugación lisa con una ranura. El conjunto se erigía entre topes que impedían el derribo de los electrodos. La construcción eliminó la estrangulación de la sobrepresión a lo largo de la rosca del electrodo y, en consecuencia, el calentamiento de las terminaciones de los electrodos masivos y la fusión del polímero que tenían lugar en [2], pero también eliminó por completo las causas de la inestabilidad señalada anteriormente utilizando la posibilidad de intercambio de un procedimiento de fabricación de aerosol-primo considerado en [3].

 Fig. 1. Montaje del descargador

La parte eléctrica representaba la instalación para la simulación de la acción de los impulsos de rayo sobre los aparatos de protección de una línea de transmisión de alta tensión. Incluía el descargador aislante que permitía acompañar una avería de un descargador estudiado con la conexión simultánea al mismo de un rayo equivalente de duración 50 µs con corriente hasta 30 kA y de la fuente de tensión hasta 15 kV con inductancia Ld = 7.6 mH y resistencia Rd hasta 200 Ohm.

4. Propiedades de la descarga eléctrica. Después de la ruptura del descargador con la ayuda de un condensador de impulsos Cf = 1200 pF x 80 kV se produjo una descarga completa de un condensador Cl = 25 µF x 16 kV a través de una inductancia 5 µH con una magnitud de la corriente 24 kA. Al terminar, la conducción del descargador desaparecía temporalmente y la caída de tensión del descargador aumentaba junto con la carga del condensador Cl desde una fuente de alta tensión a través de la inductancia Ld y la resistencia Rd; una vez cargado, el condensador Cl se desconectaba del circuito del descargador. En esta coyuntura la corriente de “burning-through” se estabilizaba y con la resistencia constante Rd = 60 Ohm podía continuar desde decenas de milisegundos hasta un segundo en dependencia de la magnitud de la tensión aplicada dentro del rango 1.6 – 1.1 kV con conservación aproximada de la magnitud de la carga transmitida Qd. Al ser iniciado por la expulsión del contenido del descargador, el corte de la corriente fue acompañado por la desconexión del circuito del descargador de la fuente de alta tensión. El procedimiento aseguraba el inicio estable del modo de “burning-through” en toda la gama de magnitudes de la resistencia Rd.

5. Etapas principales del proceso de descarga. La interrupción simulada del flujo del proceso en diferentes momentos permitió detectar la presencia de algunos componentes del proceso que formaron una serie de etapas secuenciales. En la primera etapa bajo la influencia del impulso de la corriente grande la evaporación del polímero y del metal conllevaba la aparición de la presión mayor que podría destruir el tubo sin el apretamiento, y también la formación de un aerosol fino magnético que se depositaba sobre el electrodo inferior por una capa de un milímetro de espesor y más, sobre el electrodo superior menos y sobre la superficie caliente de la pared del tubo. Como resultado, la resistencia del descargador descendía hasta varios kiloohmios. El crecimiento suave de la tensión bajo la presión aumentada no invocaba una descarga de arco, y la corriente dentro de esta etapa resultaba de la conducción de la pared de la tubería y de la descarga percolante de un aerosol metálico fluidizado si el electrodo inferior era positivo.

 Fig. 2. Preparación del aerogel metal-polimérico (resolución 1 µm)

La segunda etapa se caracterizaba por el paso de la corriente de pared bajo la presión del gas cercana al valor crítico para una descarga de arco. Bajo la acción del calentamiento por la corriente el polímero se fundía y se mezclaba con un aerosol, y en una capa de esta mezcla surgía la descarga percolante. Se originaba el rápido crecimiento de un aerogel sobre la base de polímero disgregado que absorbía metales (fig. 2). La velocidad de crecimiento, la duración del crecimiento, la admitancia y las propiedades estructurales del aerogel dependían de las magnitudes de la tensión, la presión y los parámetros de los elementos del circuito eléctrico. Junto con el llenado de la tubería por el aerogel la parte de la corriente que fluía a través del descargador, crecía, y la corriente de pared disminuía.

Fig. 3. El punto del electrodo “burning-through”.

En la etapa siguiente, toda la corriente de descarga se concentraba en el aerogel, provocando su “burning-through” bajo alta presión de gas. Cuando las condiciones eran óptimas, la corriente de “burning-through” se distribuía por término medio casi a lo largo de toda la sección transversal del tubo. Así lo atestiguan los puntos de electrodo (fig. 3), cuyo tamaño era inusualmente grande con el recuento de magnitudes de presión y corriente. El metal en la zona de la mancha tenía un brillo característico y una fuerte hinchazón, lo que le permitía ser una fuente eficaz de metales finos para “burning-through”. En la fase de cierre, la pared de polietileno se introducía en el orificio de escape de la compresión, formando una cavidad en forma de embudo; en su centro aparecía un canal que producía el escape de una emisión de descarga (fig. 4).

Fig. 4. Canal de salida (capa de sección transversal por el espesor de 0.4 mm perpendicular al radio de la tubería).

6. Algunas características de la descarga. La forma de la sección transversal del canal representaba varias roturas radiales que salían del centro común y se inscribían en una circunferencia de diámetro inferior a 1 mm. En los casos de descargas de mayor duración el circunradio no superaba los 200 µm. En condiciones no óptimas se extruyó en el canal un trozo de pared de tubo en forma de disco de 6 mm de diámetro y 2.8 mm de espesor.

Cuando la descarga fue duradera la eyección de plasma se realizó en dos actos, además solo el “primero” adoptaba la forma de un globo, y el “segundo” tenía la forma de un chorro (fig. 5). En la pared interior del tubo quedaron decenas de ampollas de un diámetro aproximado de 200 µm. Es muy probable que la sustancia densa energéticamente obtenida mostrara inestabilidad a la generación de los impulsos de chorro de rayo delgado de una transferencia – intercambio de energía y sustancia, y con su densidad disminuía las propiedades no lineales se relajaban considerablemente.

Para la comparación con los procesos en el caso considerado en [2], es necesario tener en cuenta que en el presente experimento la densidad de la entrada de energía no superó los 200 J/cm³. La relación entre el grosor de la pared y el diámetro del canal fue de 0.14, y en [2] fue de 16 veces – 2.3. Bajo la acción de una radiación más fuerte en la región del agujero perforado el polímero debería estar más caliente y tener otras propiedades de choque-viscosidad. Por lo tanto, tanto la forma del canal de salida como el carácter de la interacción del polímero con el plasma serían diferentes.

Fig. 5. La eyección por partes

7. Conclusiones.

Eficaz para la formación de “sustancia metaestable”, la transición de la descarga erosiva al modo de “burning-through” se produce por la interrupción de la corriente de arco como resultado de una disminución de la tensión de corta duración a una densidad de gas suficientemente alta y se lleva a cabo a través de la conductividad del dieléctrico parcialmente alterado con las partículas más pequeñas de metal de los electrodos. El aumento de la eficacia de esta transición se alcanza por medio de la creación del aerosol de metal de alto fractal del material de los electrodos y la pared lateral con la ayuda de un impulso corto de una gran corriente que inicia el proceso.

Referencias.

1. N. M. Slyusarev, Ball Lightning [in Russian], IVTAN, Moscow (1990), pp. 18-29.

2. S. E. Emelin et al., Tech. Phys. 42 (3), March 1997, pp. 269-277.

3. Yu. V. Sokolov, V.S. Zhelezniy, Tech. Phys. Lett. 29 (8), August 2003.

https://web.archive.org/web/20040401134056/http://balllightning.narod.ru/2003/Articles/Emelin2/0306158.html