WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 12 04;12 Долгоживущие плазмоиды — аналоги шаровой молнии, возникающие во влажном воздухе © А.И. Егоров, С.И. Степанов Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, 188300 Гатчина, Ленинградская область, Россия e-mail: pnpi@lnpi.spb.su (Поступило в Редакцию 11 июня 2002 г.) Приведены результаты экспериментального исследования долгоживущих плазмоидов — аналогов шаровой молнии. Основная цель исследования — нахождение условий длительного существования плазмоидов в атмосфере. Дано описание экспериментальной установки и результатов наблюдений в виде видеоматериалов.

Основным методом исследования шаровой молнии ровать громадную энергию (до 500 J / l) от внешнего исстали массовые опросы очевидцев природного феноме- точника ионов. Эту энергию плазмоид должен получить на [1–5]. Анализ субъективных показаний, сдобренных при его образовании.

домыслами и фантазиями, привел к появлению десятНа рис. 1 приведена схема установки, которая позков гипотез о ее природе. Однако до сих пор нет воляет вводить обильную популяцию ионов в клуб убедительных доказательств, что шаровую молнию, т. е.

теплого воздуха, насыщенного водяными парами. Оснолетящее в воздухе, долгоживущее, автономное и свеву установки составляет конденсаторная батарея емкотящееся образование, удалось надежно воспроизвести стью 0.6 mF, которую можно заряжать до 5.5 kV. Полив лаборатории.

этиленовый сосуд диаметром 18 cm наполнялся на 15 cm Самые общие условия появления шаровой молнии слабо проводящей водопроводной водой. На дне сосуда известны — это высокая электрическая активность атмонаходился кольцевой медный электрод, соединенный сферы и высокая концентрация водяных паров в воздуизолированной медной шиной с одним полюсом конхе [2]. Водяной пар обладает рядом уникальных свойств:

денсаторной батареи. Второй полюс батареи соединяли он легче воздуха, не поддерживает горение и замедляет с цилиндрическим электродом, расположенным в центре окисление горючих веществ, но в то же время способен сосуда у поверхности воды и направленным в воздушное взаимодействовать с нагретым углеродом или железом полупространство. Чаще всего в качестве центральнос образованием молекулярного водорода. Максимально го электрода использовался уголь для спектрального неоднородное распределение плотности электронов по анализа диаметром 5-6 mm. Кварцевая трубка, которая молекуле H2O приводит к появлению на атомах водороокружала центральный электрод, возвышалась над ним да и кислорода больших эффективных зарядов. Дипольна 2-4 mm и над поверхностью воды на 3-8 mm. Элекные молекулы воды присоединяются к свободным ионам трическое сопротивление воды между погруженными и обволакивают частицы аэрозолей. Энергия связи перэлектродами составляло 1-1.2k.

вой молекулы H2Oи иона H+ 7.18 eV, второй — 1.6 eV, Для получения искусственной шаровой молнии на пятой — 0.51 eV [6]. Столь же значительна энергия центральный электрод из угля наносили 2-3 капли связи диполей воды с другими ионами, положительными (примерно 0.1 ml) воды. При быстром замыкании–рази отрицательными.

В работах [6,7] приведено компьютерное моделирование процесса взаимодействия молекул воды с ионами H+ и OH- в воздухе, насыщенном водяными парами.

Показано, что при сближении гидратированных ионов разного знака в межионный промежуток втягиваются дополнительные молекулы воды и образуется устойчивый кластер. Он состоит из двух ионов противоположного знака заряда и гидратной оболочки. Молекулы воды препятствуют сближению ионов и их рекомбинации, поэтому время жизни ионов в кластере возрастает до десятков минут, т. е. на 12-13 порядков. В свою очередь Рис. 1. Установка для получения долгоживущих плазмоидов:

из-за диполь-дипольного взаимодействия кластеров воз1 — полиэтиленовая емкость, 2 — кольцевой электрод, никают сначала цепочечные, а затем пространственные 3 — центральный электрод, 4 — конденсаторная батарея структуры, т. е. образуется сгусток холодной плазмы — емкостью 0.6 mF, 5 — разрядник, 6 — капля воды или плазмоид. Внутренней энергии плазмоида недостаточно водной суспензии, 7 — кварцевая трубка, 8 — угольный или для ионизации его молекул, но он способен аккумули- металлический электрод, 9 —медная шина.

Долгоживущие плазмоиды — аналоги шаровой молнии, возникающие во влажном воздухе участков проволочки появляются характерные оплавленные шарики (рис. 3).

В большинстве случаев центральный электрод подключали к отрицательному полюсу конденсаторной батареи. Существует оптимальная разность потенциалов между электродами, при которой плазмоид принимает округлую форму. Для установки с указанными размерами это 4.2-4.8 kV. Максимальный ток при разряде не превышал 30-50 A.

В горизонтальном электрическом поле, созданном плоским конденсатором, шаровая молния растягивается в стороны, время ее жизни уменьшается. Примерное равенство объемных зарядов положительной и отрицательной популяции ионов не исключает существование у плазмоидов небольшого избыточного заряда.

Размер плазмоида несколько меняется от разряда к разряду, но обычно находится в интервале 10-18 cm.

Цвет „водяной“ шаровой молнии близок к цвету газового разряда, возбуждаемого во влажном воздухе при пониженном давлении. Сиреневую центральную часть плазмоида окружает диффузная желтоватая оболочка.

Рис. 2. Летящий плазмоид в момент отделения его от плазменной струи. Диаметр банки с водой 18 cm. Небольшая примесь солей натрия и кальция подкрашивает керн плазмоида в желтый или оранжевый цвет.

При замене центрального угольного электрода на железный, медный или алюминиевый основной характер явления сохраняется. При импульсном разряде из металлического электрода, смоченного водой без примеси органических веществ, вылетает ослепительная плазменная струя и отделяется летящий плазмоид. Его окраска зависит от спектра излучения возбужденных атомов электрода: железные плазмоиды — белесые, медные — зеленоватые, алюминиевые — белые с красноватым отливом.

Температуру шаровой молнии можно оценить по скорости ее вертикального подъема. Если принять плазмоид за клуб теплого, влажного воздуха диаметром 14 cm, всплывающего в атмосфере при 293 K со скоростью 1-1.2 m / s, то расчетная средняя температура плазмоида не превышает 330 K.

Время жизни искусственной шаровой молнии зависит Рис. 3. Увеличенная фотография проволочек, побывавших от целого ряда факторов: от размера и геометрической внутри плазменной струи.

формы центрального электрода, от напряжения между электродами, от величины и длительности импульса тока, от температуры и электропроводности воды, наносимой на центральный электрод. Существует еще одна мыкании разрядника из центрального электрода с легвозможность изменения времени жизни плазмоида — ким хлопком вылетает плазменная струя, от которой введение в него дополнительной дисперсной фазы. Для отделяется автономный светящийся плазмоид. Он медэтого на центральный электрод нужно нанести суспенленно всплывает в воздухе и через 0.2-0.5s исчезает, зию некоторого вещества: при импульсном разряде вераспадаясь на части. На рис. 2 зафиксирован момент щество распыляется, диспергируется и вместе с ионной отделения такого плазмоида от плазменной струи.

популяцией попадает в плазмоид.

Взвешенное на аналитических весах колечко из тонБыли испытаны десятки веществ: порошки угля, угкой (0.1 mm) медной или нихромовой проволоки, помелеводороды с высокой теплотой сгорания, сажа, смесь щенное на пути шаровой молнии, частично распыляется, угля и мелкодисперсного кремнезема, порошок карбоа в плазменной струе даже расплавляется, по-видимому нильного железа, коллоидная суспензия Fe3O4, глина, за счет интенсивной рекомбинации ионов на металличе- образцы почв, опилки, канифоль и другие природные ской поверхности. При этом на концах сохранившихся вещества. Для детального исследования были отобраны Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 104 А.И. Егоров, С.И. Степанов жизни появляются довольно редко. Керн плазмоида имеет окраску пламени, т. е. диспергирование углерода и деструкция органики при импульсном разряде сопровождаются образованием накаленных частиц сажи и химических радикалов.

Таким образом, при введении мощной популяции ионов обоих знаков в клуб теплого воздуха, насыщенного водяными парами, возникает округлый, светящийся, долгоживущий плазмоид. Он аккумулирует энергию, затраченную электрическим разрядом на образование пар ионов, и сохраняет ее длительное время. Температура плазмоида немного превышает комнатную температуру, и распадается он со взрывом только в редких случаях, когда содержит много водорода. На металлических поверхностях рекомбинация ионов заметно ускоряется, в то же время аэрозоли мелкодисперсного углерода и окисленного железа, введенные в плазмоид, не уменьшают время его жизни. Лабораторные разряды не столь грандиозны, как природные, зато искусственные шаровые молнии хорошо воспроизводятся и доступны для детального исследования.

Искусственная шаровая молния — одно из красивейших физических явлений. Всплывающие в притемненном помещении светящиеся шары представляют незабываемое зрелище, особенно для очевидцев короткоживущей природной молнии. Для них адекватность явлений не вызывает сомнений.

Авторы выражают глубокую благодарность Г.Д. Шабанову, С.Е. Емелину и А.Л. Пирозерскому за неоценимую помощь в экспериментах, В.М. Лобашеву за постоянный интерес и поддержку работы.

Список литературы [1] Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния. М.: Мир, 1983. 288 с.

[2] Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии.

М.: Научный мир, 1996. 264 с.

Рис. 4. Стадии рождения, полета и распада искусствен[3] Сингер С. Природа шаровой молнии. М. Мир, 1973. 240 с.

ной шаровой молнии, полученной из коллоидного графи[4] Григорьев А.И. Огненные убийцы. Ярославль: Дебют, 1990.

та, ацетона и воды. Цифры обозначают номер кадров 32 с.

в видеофильме. Интервал времени между кадрами 0.2 s.

[5] Синкевич О.А. // ТВТ. 1997. Т. 35. № 4. Там же. № 6. С. 968– Полностью видеофильм „fball02.avi“ доступен по адресу:

982.

ftp: // biod.pnpi.spb.ru / pub / people / stepanov [6] Шевкунов С.В. // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. № 3. С. 485–508.

[7] Шевкунов С.В. // Докл. РАН. 2001. Т. 379. № 2. С. 181–186.

коллоидный графит и мелкодисперсные оксиды железа, хотя, возможно, есть и другие, более оптимальные компоненты суспензий. Необходимо только, чтобы суспензия имела высокое электрическое сопротивление.

В большинстве экспериментов на центральный угольный электрод наносилась суспензия из 3 g коллоидного графита, 8-10 ml ацетона (смачиватель) и 90 ml воды.

При электрическом разряде через слой этой суспензии образуется летящий округлый плазмоид (рис. 4), который медленно всплывает в воздухе и исчезает через 0.3-0.8 s, причем плазмоиды с большим временем Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.