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