El misterio de las centellas (1493)

Science News On Line

Semana del 9 de febrero de 2002; vol. 161, núm. 6

Anatomía de una centella

Una maravilla aérea, meditada durante siglos, ya no parece tan fantasmal

Peter Weiss

No mucha gente llega a ver una centella, pero quienes lo ven nunca lo olvidan. Imagínese que de repente se materializa un orbe brillante frente a usted, posiblemente chisporroteando o exudando una niebla azulada y un olor acre. El globo puede ser más grande que una pelota de playa y volar por el aire, tal vez flotando ocasionalmente como si estuviera considerando su próximo movimiento. La pelota también puede rodar o rebotar por el suelo, trepar postes de electricidad y deslizarse a lo largo de cables de electricidad. A medida que viaja, la esfera ardiente puede destruir equipos eléctricos, provocar incendios e incluso chamuscar animales o personas.

EL RESPLANDOR. Un guardabosques de Australia captó en video un objeto extraordinariamente grande (unos 100 metros de diámetro), que se presume que es una centella. Duró sorprendentemente mucho tiempo, unos 5 minutos. Abrahamson

Después de unos diez segundos, la aparición suele desaparecer de repente. Algunas bolas salen disparadas en silencio, como una lámpara que se apaga. Otras estallan con fuertes explosiones y serpentinas de fuego.

A pesar de medio milenio de informes anecdóticos y dos siglos de investigaciones científicas, nadie puede decir con certeza qué es una centella. Sin embargo, recientemente un pequeño grupo de investigadores ha desarrollado teorías y publicado resultados experimentales que parecen explicar algunas características de las centellas que los modelos anteriores no podían explicar.

La mayoría de los testimonios de testigos oculares apuntan a un rayo común como desencadenante, pero también se han implicado otras descargas eléctricas. Lo que sucede a continuación depende del teórico.

Estos investigadores coinciden en que en las bolas hay un aerosol, una suspensión de partículas finas en el aire, que reacciona químicamente e interactúa electromagnéticamente. Sin embargo, algunos de los teóricos imaginan una red radiante de filamentos, una “bola de fuego”, como la describió un científico. Otro sostiene que el aerosol es una niebla ácida y que encierra un núcleo gaseoso y caliente de sustancias químicas reactivas. En todos los modelos, la acción del aerosol es fundamental para explicar la letanía de relatos de testigos oculares, a menudo asombrosos.

Alternativa a los plasmas

Los avistamientos documentados de centellas se remontan a la Edad Media. Un banco de datos ruso incluye unos 10,000 informes de las últimas décadas. En los últimos años, como la ciencia no ha logrado descifrar el fenómeno, han abundado las explicaciones pseudocientíficas, entre ellas las aniquilaciones de materia y antimateria, los cúmulos de la exótica materia oscura del universo y los estallidos espontáneos de fusión nuclear.

Las centellas tienen “mucho seguimiento entre los chiflados y entre los científicos porque es uno de los grandes misterios inexplicados”, dice Martin A. Uman, de la Universidad de Florida en Gainesville, quien ha estudiado los rayos durante unos 30 años.

De las muchas teorías científicas sobre las centellas, la mayoría describe el fenómeno como una especie de plasma, o gas caliente de electrones e iones atómicos o moleculares con carga positiva. Se trata de una expectativa razonable, ya que se ha informado que las centellas ocurren generalmente junto con tormentas eléctricas, cuyos rayos ordinarios ionizan el aire y crean columnas de plasma a lo largo de su trayectoria.

Sin embargo, los modelos de plasma puro para las centellas están plagados de dificultades. “Ninguno de ellos funciona”, dice con el ceño fruncido Graham K. Hubler, físico y científico de materiales del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) en Washington, DC. Vio una centella hace 42 años cuando tenía 16 años, y nunca ha olvidado la experiencia. “Estás tan asustado que no te puedes mover”, recuerda del momento en que una bola de color amarillo blanquecino del tamaño de una pelota de tenis apareció de repente frente a él una noche en un parque en el norte del estado de Nueva York.

Un desafío importante para la explicación del plasma sobre las centellas es que el plasma siempre se expande a menos que se tomen grandes esfuerzos para confinarle. Los investigadores de la fusión “construyen enormes [reactores llamados] tokamaks para hacer ese tipo de cosas: contener un plasma durante un segundo” dentro de un campo magnético para experimentos de fusión nuclear, señala Hubler (SN: 18/3/00, p. 191).

“El plasma caliente en el aire tiene dos tendencias: desaparecer y ascender”, dice el químico físico David J. Turner, de Condensation Physics en Huntingtown, Maryland, un investigador de servicios eléctricos jubilado que se interesó en las centellas mientras estudiaba el comportamiento de los iones en el vapor. Las partículas con carga opuesta que forman el plasma tienden a recombinarse rápidamente, aniquilándolo rápidamente. Además, la flotabilidad del plasma caliente en el aire, que haría que una centella se elevara, no concuerda con el hecho de que las centellas se mantengan suspendidas, rueden y vuelen horizontalmente, añade Turner.

Turner y otros sostienen que una forma de salir del enigma es añadir características de un aerosol a una teoría del plasma de las centellas. El material adicional de un aerosol puede formar una estructura, albergar reacciones químicas duraderas, almacenar cargas eléctricas y, de otro modo, explicar las propiedades observadas en las centellas.

Turner afirma: “No creo que se puedan explicar todas las propiedades [de las centellas] sin aceptar que se trata de un fenómeno relacionado con los aerosoles”.

Secreto sucio

La idea de que los aerosoles pueden ser parte de las centellas se remonta al menos a la década de 1970, pero actualmente está ganando una atención sin precedentes.

¿BOLA DE NANOCORTE? Una imagen de microscopio electrónico de un residuo de suelo vaporizado en un filtro muestra filamentos de partículas a escala nanométrica, como las propuestas en una teoría de centellas. Abrahamson

Algunas de las teorías no incluyen un plasma después del impacto del rayo original. Hace dos años, los ingenieros químicos propusieron un mecanismo específico y plausible por el cual un rayo sobre el suelo podría producir un rayo en forma de bola de tipo aerosol. John Abrahamson, de la Universidad de Canterbury en Christchurch, Nueva Zelanda, y James Dinniss, que ahora está en la empresa de productos químicos domésticos Lever Rexona en Petone, Nueva Zelanda, describieron su hipótesis en Nature e informaron sobre experimentos que parecían respaldarla.

Hubler dijo en un comentario que acompaña al informe que el modelo es el primero que “puede explicar la mayoría de los aspectos de las centellas”.

Además de dar un impulso a las interpretaciones de las centellas a partir de aerosoles, los hallazgos impulsaron a personas de todo el mundo (muchos de ellos científicos o ingenieros) a ponerse en contacto con Abrahamson para contarle relatos de testigos oculares del fenómeno que no habían sido documentados anteriormente. Los hallazgos también dieron lugar a nuevas investigaciones, así como a nuevas colaboraciones entre el puñado de investigadores de las centellas a partir de aerosoles.

En la edición de enero de Philosophical Transactions of the Royal Society London (Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres) aparecen diversos artículos sobre las centellas, incluidas descripciones de las teorías actuales sobre los aerosoles y una recopilación de los nuevos informes de testigos oculares. A. Abrahamson, que fue editor invitado de la edición monográfica, dice que “probablemente duplica el número de observaciones [publicadas]… por personas con formación científica”.

“Podría decirse que Abrahamson y su teoría han revivido el interés por las centellas en general”, afirma Uman. El modelo inventado por Abrahamson, especialista en la reducción del contenido de polvo del aire de las fábricas, y Dinniss, su antiguo alumno, ha sido bautizado por Hubler como el modelo de la bola de pelusa. Los investigadores retomaron una vieja hipótesis según la cual las centellas podrían contener una fina red de partículas metálicas y se basaron en esa idea formulando una secuencia específica de reacciones químicas que podrían desencadenarse por un rayo que impacta en el suelo y generar dichas redes.

En concreto, propusieron que cuando un rayo vaporiza dióxido de silicio (un mineral común en el suelo), las reacciones con compuestos de carbono lo transforman en gotitas de silicio puro a escala nanométrica. Tales reacciones también son la base de la fundición de muchos minerales rocosos para convertirlos en metal.

Una vez formadas, las partículas de silicio reaccionarían con el oxígeno y quedarían recubiertas de una capa aislante. En la atmósfera altamente cargada de una tormenta eléctrica, las nanopartículas recubiertas de óxido captarían cargas eléctricas polarizadas y formarían redes de filamentos poco uniformes, las “bolas de pelusa” de las que habla Hubler.

Al calcular el calor y la luz que generarían esas bolas tenues cargadas de electricidad, el equipo determinó que una bola plausible del tamaño aproximado de una pelota de baloncesto duraría entre 3 y 30 segundos y brillaría como una bombilla de 100 vatios, condiciones que suelen informar quienes han observado centellas. Sin una capa protectora, se esperaría que la oxidación de nanopartículas de metal desnudo se produjera más rápidamente y a temperaturas más altas que las que han descrito las observaciones de centellas típicas. Esa capa de óxido debería evitar que el oxígeno fresco se difunda demasiado rápido al silicio subyacente. Eso ralentiza las reacciones y reduce la producción de energía.

Uman dice que la teoría es prometedora, pero sospecha que tiene lagunas. Él y otros investigadores de rayos han estado a menos de 100 metros de la tierra cientos de veces, señala. Deberían haber visto centellas al menos unas cuantas veces si la teoría de los neozelandeses es correcta, argumenta Uman. Es más, tanto él como Hubler dicen que el modelo del equipo de Nueva Zelanda sobre cómo los filamentos cargados se ensamblan en estructuras con forma de bola es poco convincente.

Abrahamson replica que recientemente se ha obtenido más apoyo para el modelo en otros campos, en particular en experimentos de microgravedad con materiales granulares. De hecho, en la edición de mayo del Journal of Electrostatics, él y el geólogo John Marshall del Instituto SETI en Mountain View, California, presentarán una explicación novedosa (con pruebas experimentales que la respaldan) de cómo las fuerzas eléctricas pueden construir redes de filamentos.

Diferentes trazos

Seis años antes de que Abrahamson y Dinniss publicaran su modelo, Vladimir L. Bychkov, del Instituto de Altas Temperaturas de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú, propuso que las centellas consisten en un agregado suelto y poroso de partículas. En su teoría, el calor y la luz provienen principalmente de efectos eléctricos, no de oxidación.

Bychkov presenta la última versión de su teoría junto con una versión actualizada del modelo neozelandés en la edición de Transactions sobre centellas. En la teoría de Bychkov, los rayos pueden transformar muchos materiales orgánicos del medio ambiente (no sólo residuos metálicos del suelo) en filamentos de polímeros suspendidos en el aire. Una vez que eso sucede, supone, los filamentos podrían enredarse formando una bola esponjosa. Mientras los materiales de los enredos sean aislantes eléctricos, o dieléctricos, una bola de este tipo puede mantener cargas eléctricas en su lugar y permitir enormes acumulaciones de energía en la superficie de la bola, sostiene Bychkov. La energía se almacena en parches bien separados (un mosaico) de cargas positivas y negativas, dice.

Una vez que se forma una bola, podría producir calor y luz cuando los altos voltajes comiencen a descomponer los gases cerca de la superficie. Ese proceso podría crear las coronas anaranjadas o azules que algunos observadores han presenciado. La enorme acumulación de carga también podría forzar corrientes eléctricas intermitentes a través de algunos de los hilos de la propia bola, haciéndolos brillar como filamentos de bombillas.

La teoría de Turner, también actualizada en Transactions, sostiene que la centella contiene un plasma caliente como su principal fuente de energía y que la esfera mantiene su forma sin ninguna red de filamentos interconectados. En cambio, los iones cargados eléctricamente del plasma se desplazan hacia afuera y se enfrían, recogiendo moléculas de agua en el camino. Esta hidratación de los iones los transforma en gotitas de humedad ácida: partículas de aerosol. En última instancia, una capa cargada eléctricamente de esas gotitas encierra el plasma, al mismo tiempo que absorbe iones de él y hace que la presión interna del plasma dentro de la capa disminuya. La presión interna resultante del aire mantiene la forma de la bola.

Tanto Bychkov como Turner afirman que sus teorías pueden explicar el pequeño pero significativo número de informes sobre las llamadas centellas de alta energía. En esos informes, los orbes de fuego caen en líquidos y los evaporan o queman vidrio, metal, árboles o incluso personas.

Como se propuso por primera vez hace dos años, el modelo del equipo de Nueva Zelanda no podía dar cabida a las bolas de mayor energía. Pero ahora, Abrahamson sostiene que su modelo puede explicar las bolas de alta energía en ciertas condiciones inusuales, como cuando cae un rayo o una potente descarga eléctrica sobre una caja de fusibles u otro objeto metálico confinado. Las bolas resultantes serían más ricas en combustible metálico que las producidas por un impacto en el suelo y, por lo tanto, arderían a mayor temperatura.

Abrahamson señala un precedente de esto. Los científicos militares estadounidenses han ideado, como posibles señuelos de misiles para aviones de guerra, bolas de aerogel (SN: 14/12/96, p. 383) —una sustancia extremadamente porosa y ligera— cuyas superficies interior y exterior están recubiertas de una fina película de hierro. Normalmente envasadas en gas inerte, las bolas se oxidan espontáneamente cuando tocan el aire, emitiendo radiación infrarroja que engaña a los misiles. Celia I. Merzbacher, del NRL, una de las inventoras de las bolas, las describe en el número de Transactions. (Para ver clips de video relacionados, véase http://www.sciencenews.org/20020209/balllightning.asp)

Ver para creer

“Si queremos entender las centellas, necesitamos poder producirlos y controlarlos en el laboratorio”, afirma Turner en su informe Transactions.

“Esta es la prueba de fuego de cualquier teoría”, coincide Abrahamson.

Como punto de partida para comprobar las teorías de los aerosoles, los científicos señalan que desde hace tiempo se sabe que los rayos crean tubos huecos con paredes de vidrio justo debajo de la superficie del suelo. Los tubos, conocidos como fulguritas (SN: 20/3/93, pág. 184), se forman cuando las descargas de los rayos derriten y vaporizan el suelo a su paso. Durante al menos 30 años, los investigadores han sospechado que los materiales de dichas cavidades podrían desempeñar un papel en las centellas.

COSA CALIENTE. En un experimento ruso, una bola de fuego flotante del tamaño de una pelota de béisbol se fusiona a partir de vapores de cera y resina que se desintegraron mediante una descarga eléctrica. La bola sobrevivió durante casi medio segundo. Bychkov

En experimentos soviéticos publicados en 1977, los investigadores de laboratorio utilizaron hasta 12,000 voltios para vaporizar las paredes internas de tubos de hielo o plástico que servían como modelos de fulguritas. Una vez que se generó suficiente presión en el tubo para romper un diafragma de plástico delgado, salieron volando bolas brillantes de hasta 400 mm de diámetro. Aunque tenían un tamaño similar al de las centellas naturales, los especímenes eran demasiado brillantes y duraban solo unos pocos milisegundos, informaron los científicos.

Experimentos posteriores de Bychkov y sus colegas también han producido bolas de fuego. Por ejemplo, descargas eléctricas vaporizaban material de las paredes de tubos de cera o plástico. Cuando ese plasma chocaba con un metal, aparecían pequeñas bolas de un brillo amarillo o rojo amarillento, pero ninguna de ellas duraba más de una fracción de segundo.

En lugar de utilizar plástico y otros sustitutos del suelo, Abrahamson y Dinniss probaron su hipótesis con tierra real. La colocaron en platos poco profundos y conductores de electricidad y la sometieron a una descarga de hasta 20,000 voltios. Tal como habían predicho, se formaron cadenas de partículas a escala nanométrica. Para encontrarlas, los científicos bombearon el aire sobre los lechos de tierra a través de filtros justo cuando se producía la descarga eléctrica. Utilizando un microscopio electrónico, los investigadores detectaron cadenas con forma de filamento atrapadas en los filtros.

En experimentos más recientes descritos en la edición de Transactions, Abrahamson y sus colegas llevaron a cabo descargas en capas de suelo más profundas y estrechas. Las capas estaban aisladas en la parte superior para que se pudiera formar una cavidad similar a la de la fulgurita cuando el suelo se vaporizara. Aunque ninguna de las 24 pruebas produjo bolas luminosas, dos de las descargas generaron bocanadas de material de corta duración con forma de rosquilla, como anillos de humo incandescentes. Esos bucles brillantes pueden ser precursores de la formación de centellas, conjetura Abrahamson.

Ni él ni Turner han tenido el privilegio de ver centellas. “Tengo muchas ganas de verlas”, confiesa Turner.

Abrahamson añade: “No estaré satisfecho hasta que tengamos todas las condiciones adecuadas para lograr una centella del tamaño de un balón de fútbol en el laboratorio”. Con suerte, ellos o algún otro científico afortunado podrían transformar pronto la centella de una aparición rara en un conocido cotidiano.

Referencias:

Fiery blasts: QuickTime video clips.

Abrahamson, J. 2002. Ball lightning from atmospheric discharges via metal nanosphere oxidation: From soils, wood or metals. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):61-88.

______. 2002. Chemical models of ball lightning from atmospheric electricity. Available at http://www.pubs.royalsoc.ac.uk/phil_maths/news/balllight.html.

______. 2002. Preface. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):3.

Abrahamson, J., A.V. Bychkov, and V.K. Bychkov. 2002. Recently reported sightings of ball lightning: Observations collected by correspondence and Russian and Ukranian sightings. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):11-35.

Abrahamson, J., and J. Marshall. In press. Permanent electric dipoles on gas-suspended particles and the production of filamentary aggregates. Journal of Electrostatics.

Abrahamson, J., and J. Dinniss. 2000. Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature 403(Feb. 3):519.

Bychkov, V.L. 2002. Polymer-composite ball lightning. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):37.

Bychkov, A.V., V.L. Bychkov, and J. Abrahamson. 2002. On the energy characteristics of ball lightning. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):97-106.

Hubler, G.K. 2000. Fluff balls of fire. Nature 403(Feb. 3):487-488.

Merzbacher, C.I. 2002. Materials that emit light by chemical reaction. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):89-96.

Singer, S. 2002. Ball lightning—the scientific effort. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):5-9.

Turner, D.J. 2002. The fragmented science of ball lightning (with comment). Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):107-152.

Lecturas adicionales:

Weiss, P. 2000. Neon gives healthy glow to reactor. Science News 157(March 18):191.

Wu, C. 1996. Aerogel films as electronic insulators. Science News 150(Dec. 14):383.

______. 1993. In the wild, a bolt of “bucky” luck. Science News 143(March 20):84.

Fuentes:

John Abrahamson

Departamento de Ingeniería Química y de Procesos

Universidad de Canterbury

Private Bag 4800

Christchurch

Nueva Zelanda

Vladimir L. Bychkov

Instituto de Altas Temperaturas

Academia Rusa de Ciencias

Izhorskaya 13/19

Moscú 127412

Rusia

James Dinniss

Ingeniero de procesos

Lever Rexona

Private Bag 1

Petone

Nueva Zelanda

Graham K. Hubler

Laboratorio de investigación naval

Código 6370

4555 Overlook Avenue, SW

Washington, DC 20375

John Marshall

Instituto SETI

Centro de Investigación Ames de la NASA

Moffett Field, CA 94035-1000

Celia I. Metzbacher

Laboratorio de Investigación Naval

Código 1004

4555 Overlook Avenue, SW

Washington, DC 20375

Stanley Singer

Athenex Research

381 South Meridith Avenue

Pasadena, CA 91106-3576

David J. Turner

Física de la condensación

3435 Plum Point Road

Huntington, MD 20639

Martin A. Uman

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática

Universidad de Florida

216 Larsen Hall

P.O. Box 116200

Gainesville, FL 32611-6200

De Science News, vol. 161, núm. 6, 9 de febrero de 2002, pág. 87.

https://web.archive.org/web/20020212163711/http://www.sciencenews.org/20020209/bob8.asp

El misterio de las centellas (1492)

arXiv: physics/0306158 v1 21 de junio de 2003

Condiciones para la iniciación de descarga no estacionaria en modo “quemar a través”

SE Emelin

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

Abstract

Se ha estudiado la forma especial de descarga eléctrica, la “burn-through” (quema a través de la corriente), en relación con el problema de las centellas. Este modo de descarga erosiva, que se ha llevado a cabo en un volumen cerrado, ha mostrado una serie de claras diferencias, consistentes en la alta densidad de gas, la formación del aerogel de metal-polímero, la corriente de percolación y las características inusuales de la salida del plasma. Se han determinado las condiciones para su formación estable y las principales etapas del proceso de descarga.

1. Introducción. Una de las cuestiones clave en la simulación de “centellas de alta densidad energética” consiste en determinar las condiciones para el surgimiento de un estado metaestable de la sustancia que satisfaga dos requisitos principales: una energía específica elevada y un 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 nivel más alto de desequilibrio. El carácter complejo y multivariado del desarrollo de un alto desequilibrio obliga a prestar atención a las condiciones de este tipo de descargas eléctricas destinadas a reproducir centellas de alta densidad energética que, a diferencia de los potentes de un solo impulso, combinan la retención duradera del medio activo bajo bombeo con la supresión del régimen de equilibrio para alcanzar un contenido energético selectivo y profundo. En relación con la solución del problema considerado, se prestó atención por primera vez en un artículo a condiciones similares, observadas durante la combustión eléctrica de madera [1]. El autor había detectado una condición análoga en 1992 en la llamada descarga capilar cerrada, pero, al ser compleja y presentarse de forma irregular en un volumen relativamente 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 un volumen ampliado para aclarar la etapa inicial del proceso y descubrir los medios para su reproducción segura.

2. Descarga capilar cerrada. En [2] se utilizó como descargador un tubo de polietileno de 9 mm de diámetro/1.5 mm de longitud y unos 45 mm de largo, en cuyos extremos se habían atornillado dos electrodos de acero simétricos con rosca M2 hasta una distancia entre electrodos de unos 6 mm. Después de encenderse, la descarga corta de una fuente con una tensión de unos 1.8 kV a través de una resistencia de 100 ohmios se modificaba con una disminución múltiple de la corriente y, tras una fracción de segundo, la expulsión de un objeto fluorescente autónomo a través de una pared lateral del tubo acompañaba la desconexión de la corriente. El estudio del contenido de un descargador terminado mostró la presencia de una mezcla de oligómeros, aerosoles finos metálicos y partículas estructuradas de gran tamaño. Los intentos de regularizar esta forma de descarga revelaron su extrema inestabilidad debido 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 de la tubería, etc. Se observó que la ausencia de aerosol fino de hierro nunca estuvo acompañada por la formación de objetos, sino que provocó una eyección temprana en forma de explosión fuera del descargador.

3. Montaje experimental. El descargador (fig. 1) difería del utilizado en [2] y representaba un tubo con diámetros de 25 mm a 20 mm y 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 un chaflán cónico en el extremo y se insertaron en el tubo hasta una profundidad de 25 mm para formar un espacio entre electrodos de 30.0 mm. El descargador ensamblado se colocó en ranuras semicirculares de un exprimidor que constaba de dos placas de polimetilmetacrilato con un espesor de 40 mm, que se apretaron con seis pernos con un diámetro de 10 mm. 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 erigió entre topes para evitar la extracción de los electrodos. La construcción eliminó el estrangulamiento de la sobrepresión a lo largo de la rosca del electrodo y, en consecuencia, el calentamiento de los extremos de los electrodos masivos y la fusión del polímero que tuvo 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 primario considerado en [3].

Fig. 1. El conjunto del descargador

La parte eléctrica consistía en un dispositivo para simular la acción de los impulsos de rayo sobre los dispositivos de protección de una línea de transmisión de alta tensión. Incluía un descargador aislador que permitía acompañar la avería del descargador estudiado con la conexión simultánea a él de un rayo equivalente con una duración de 50 µs con una corriente de hasta 30 kA y de una fuente de tensión de hasta 15 kV con una inductancia L_d = 7.6 mH y una resistencia R_d de hasta 200 ohmios.

4. Propiedades de descarga eléctrica. Después de la ruptura del descargador con la ayuda de un condensador de pulso C_f = 1200 pF x 80 kV, se produjo una descarga completa de un condensador C_l = 25 µF x 16 kV a través de una inductancia de 5 µH con una magnitud de la corriente de 24 kA. Al finalizar su conducción, desapareció temporalmente y la caída de tensión del descargador aumentó junto con la carga del condensador C_l desde una fuente de alto voltaje a través de la inductancia L_d y la resistencia R_d; al estar cargado, el condensador C_l se desconectó del circuito del descargador. En este punto, la corriente de “quemado” se estaba estabilizando y con la resistencia constante R_d = 60 Ohm podía continuar desde decenas de milisegundos hasta un segundo dependiendo de la magnitud de la tensión aplicada dentro del rango de 1.6 – 1.1 kV con una conservación aproximada de la magnitud de la carga transmitida Q_d. El corte de la corriente se inició con la expulsión del contenido del descargador y se acompañó de la desconexión del circuito del descargador de la fuente de alto voltaje. El procedimiento proporcionaba la iniciación estable del modo de “quemado continuo” en todo el rango de magnitudes de la resistencia R_d.

5. Etapas principales del proceso de descarga. La interrupción simulada del flujo del proceso en los diferentes momentos había permitido detectar la presencia de algunos constituyentes del proceso que habían formado la serie de etapas secuenciales. En la primera etapa, bajo la influencia del impulso de gran corriente, la evaporación del polímero y el metal implicaba la aparición de una gran presión que podía destruir la tubería sin comprimirla, y también la formación de un aerosol fino magnético que se depositaba sobre el electrodo inferior en una capa de un milímetro de espesor y más, sobre el electrodo superior de menos y sobre la superficie caliente de la pared de la tubería. Como resultado de esto, la resistencia de un descargador descendía hasta varios kiloohmios. El crecimiento suave del voltaje bajo el aumento de la presión no invocaba una descarga de arco, y la corriente dentro de esta etapa era el resultado de la conducción de la pared de la tubería y la descarga de percolación de un aerosol de metal fluidizado si el electrodo inferior era positivo.

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

La segunda etapa se caracterizó por el paso de la corriente de pared bajo una presión de gas cercana al valor crítico para una descarga de arco. Bajo la acción del calentamiento por la corriente, el polímero se fundió y se mezcló con un aerosol, y en una capa de esta mezcla se generó una descarga de percolación. Esto dio origen al rápido crecimiento de un aerogel sobre la base de polímeros fragmentados que absorbían metales (fig. 2). La velocidad de crecimiento, la duración del crecimiento, la admitancia y las propiedades estructurales del aerogel dependían de las magnitudes de voltaje, presión y 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. Punto del electrodo quemado.

En la siguiente etapa, la corriente de descarga total se concentró en un aerogel, provocando su “quema a través” bajo alta presión de gas. Cuando las condiciones eran óptimas, la corriente de “quema a través” se distribuyó en promedio casi a lo largo de toda la sección transversal de la tubería. Esto fue atestiguado por los puntos de electrodo (fig. 3), cuyo tamaño era inusualmente grande en relación con la cantidad de magnitudes de presión y corriente. El metal en la zona de un punto tenía un brillo característico y una fuerte hinchazón, lo que le permitía ser la fuente efectiva de metales finos para “quemar a través”. En una etapa final, la pared de polietileno se apoderó del puerto de escape del exprimidor, formando un hueco en forma de embudo; en su centro, el canal apareció y creó el escape de una emisión de descarga (fig. 4).

Fig. 4. Canal de salida (sección transversal de la capa de espesor 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 más prolongadas, el radio circunscrito no superaba los 200 µm. En condiciones no óptimas, se introdujo 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 era de duración, la eyección de plasma se llevó a cabo en dos actos, además, sólo el “primero” tenía la forma de un globo, y el “último” tenía la forma de un chorro (fig. 5). Las decenas de ampollas con un diámetro de unos 200 µm quedaron en una pared interior de la tubería. Era muy probable que la sustancia densa en energía obtenida mostrara inestabilidad a la generación de los pulsos delgados de chorro de haz de un intercambio de energía y sustancia, y a medida que su densidad disminuía, las propiedades no lineales se relajaban considerablemente.

Para la comparación con los procesos del caso considerado en [2], es necesario tener en cuenta que en el presente experimento la densidad de la energía aportada no superó los 200 J/cm^3.La relación entre el espesor de la pared y el diámetro del canal fue de 0.14, y en [2] fue dieciséis veces – 2.3. Bajo la acción de una radiación más fuerte en la región del orificio perforado, el polímero debería estar más caliente y tener otras propiedades de viscosidad de choque. 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 separada

7. Conclusiones. La transición de la descarga erosiva al modo de “quema” es eficaz para la formación de “sustancias metaestables” porque la corriente del arco se rompe como resultado de una breve disminución de la tensión a una densidad de gas suficientemente alta y se lleva a cabo a través de la conductividad del dieléctrico parcialmente roto con las partículas más pequeñas de metal de los electrodos. El aumento de la eficacia de esta transición se logra mediante la creación de un aerosol metálico de alto fractal en el material de los electrodos y en 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://balllightning.narod.ru/2003/Articles/Emelin2/0306158.html