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