Национальный исследовательский ядерный университет московский инженерно-физический институт
Исследование капиллярного разряда и его взаимодействие с различными веществами
11 класс
Научный руководитель – , доцент кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ
г. Москва 2017.
Введение:
В настоящее время практически невозможно представить нормальную жизнь современного общества без электричества. Однако несмотря на всю обширность использования данного блага в жизнедеятельности человека, к сожалению, не все электрические явления полностью изучены, многие из которых не имеют до сих пор четкого теоретического боснования. Ярким примером подобного явления служит феномен шаровых молний, которые чаще всего возникают возле канала линейной молнии в грозовую погоду. В то же время в последнее время в мире ведутся работы по изучению капиллярного разряда с целью выявления новых способов его применения.
Нас заинтересовало образование двух различных видов светящихся сфер, с продолжительностью жизни до 1 с. и диаметром до 1 см., голубого и оранжевого цветов при взаимодействии с жидком азотом и с фольгами соответственно. Поэтому был проведен ряд опытов по определению характеристик капиллярного разряда, светящихся образований, особенностей их взаимодействия между собой и с различными жидкостями.
В виду схожести капиллярного разряда с линейной молнией выло выдвинуто предположение о связи исследуемых явлений с феноменом шаровых молний, таким образом помимо установления характеристик капиллярного разряда и полученных в ходе экспериментов сфер целью работы было сопоставление полученных данных с известными характеристиками шаровых молний и попытка их объяснения в виду возможных теоретических обоснований природы шаровых молний.
В ходе исследований было установлено наличие упругой оболочки у светящихся сфер, образующихся при взаимодействии факела капиллярного разряда с металлическими фольгами. Помимо этого, было установлено, что поверхность данных образований не очень высокой температуры. Данные выводы были сделаны на основании опытов по взаимодействию локализованных светящихся образований (ЛСО) с твердыми поверхностями и с бумагой.
Принцип действия и конструкция капиллярного разряда
Энергия запасается в конденсаторах С1=2.4-4.5 мФ и С2=0.8-1.5 мФ. При зарядном напряжении от 200 до 300 В энергия батареи составляет от 60 до 270 Дж, форма импульса тока определяется величинами индуктивностей L1=0.5 мГн и L2=0.6 мГн. Поджиг происходит при замыкании ключа К, в результате чего на анод подается высоковольтный импульс и возникает пробой капилляра между анодом и катодом.
Рис. 1. Электрическая схема капиллярного разряда: 1-диэлектрическая пластина толщиной 3 мм в виде правильного шестиугольника со стороной 30 мм, 2-капилляр диаметром 2 мм; 3-катод; 4-анод; 5-факел; 6-шунт; 7-делитель напряжения
Рис. 2. Электротехнические параметры разряда: а) зависимость силы тока от времени, б) зависимость напряжения от времени
При прохождении тока по капилляру происходит испарение диэлектрика. В спектральных исследованиях факела капиллярного разряда (ФКР) было установлено, что его плазма состоит из продуктов испарения стенок капилляра, материала электродов, а также элементов воздуха.
Рис. 3. Спектр электромагнитного излучения капиллярного разряда.
Для регистрации спектров используется спектрометр высокого разрешения Ava Spec 2048Ч14, применяемый на кафедре Физика плазма в различных экспериментах по исследованию характеристик лабораторной плазмы. Основу спектрометра составляет вогнутая дифракционная решетка (3), на которую через входную щель (2) падает исследуемое световое излучение (1) (рис.4). Полученный спектр фокусируется на ПЗС-линейку (4) с количеством пикселей 2048 вдоль горизонтальной оси и 14 пикселей вдоль вертикальной оси. Сигналы с ПЗС-линейки считываются с помощью электронной схемы (5) и выводятся на компьютер.
Наблюдение светящихся образований, возникающих при взаимодействии капиллярного разряда с жидким азотом
Нами изучались свойства и характеристики локализованных светящихся образований (ЛСО) при воздействии факела капиллярного разряда (ФКР) на жидкий азот (Т = 77.4 К). Факел направлялся под углом к поверхности жидкого азота, при этом вершина факела растекалась по поверхности жидкости. Наблюдения велись визуально в затемненном помещении, а также проводилась съемка с помощью фотоаппарата Nikon 1 J1 (Светочувствительность, единицы ISO 100 - 6400 и 1920х1080, 60 кадров/с; 640x424, 400 кадров/с). В качестве диэлектрика использовался полиметилметакрилат (органическое стекло). После окончания разряда было замечено свечение синего цвета всего объема жидкого азота, которое продолжалось до 5 с. На дне у стенки сосуда были обнаружены шаровые ЛСО диаметром 3-5 мм с размытыми границами, яркость которых значительно превышала общий фон свечения жидкого азота. ЛСО больших размеров было в количестве одного или двух. Свечение шариков имеет синий цвет и продолжается обычно 5-10 с до плавного погасания. Максимальная длительность свечения ЛСО составляла 30-40 с. Во время своего существования ЛСО не меняет размеры. ЛСО можно осторожно передвигать по объему сосуда, при механическом воздействии на образование оно сохраняет форму, но может исчезнуть.
Во время эксперимента использовались сосуды размерами 15Ч10Ч4 см, изготовленные из алюминиевой фольги толщиной 0.1 мм, ось факела была направлена под углом 300 – 400 градусов к поверхности жидкого азота на расстоянии 3-4 см.
Также был снят спектр излучения объемного свечения жидкого азота после взаимодействия с капиллярным разрядом, для этого была собрана следующая схема:
С помощью собирающей линзы мы фокусировали свет от свечения азота на световод спектрометра AvaSpec 2048Ч14, который регистрировал спектр излучения и выводил его на экран компьютера. Ввиду очень малой интенсивности свечения жидкого азота в первом опыте нам не удалось зарегистрировать спектр его свечения. Поэтому для контроля работоспособности прибора мы зарегистрировали спектр свечения органических веществ, помещенных в жидкий азот: пенопласт и полихлорвинил. Мы надеемся повысить чувствительность спектрометра, и мы сможем провести спектральный анализ свечения жидкого азота.
Для определения электромагнитных характеристик образований рядом с сосудом и в самом сосуде с жидким азотом были расположены конденсатор или колебательный контур, которые были подключены к осциллографу. После того, как факел сработал, были замечены изменения поведения кривой на экране осциллографа, что говорит о наличии в данных образованиях заряженных частиц.
Взаимодействие капиллярного разряда с металлическими фольгами
В данных экспериментах капиллярный разряд взаимодействовал с металлической фольгой и прожигал ее (рис. 8). Факел проходит сквозь фольгу, пробивая небольшое отверстие, и образуя на выходе ЛСО. В этом процессе могла возникать ионизация близлежащего воздуха. Свечение ЛСО имеют красный и оранжевый цвета, продолжается до 0,1-1 с до плавного погасания (рис. 8). Во время своего существования ЛСО не меняет размеры. На рис. 10 показаны увеличенные изображения ЛСО. Максимальные размеры составляют около 3-4 мм. Иногда ЛСО меняют непроизвольно траекторию своего движения, распадаются на более мелкие составляющие, взаимодействуют друг с другом. Ввиду этого требуется дальнейшее изучение свойств ЛСО.
Рис. 9. Фотографии 1) факела, в момент прожигания фольги, 2) ЛСО получившиеся после прожига
Рис. 10.
Взаимодействие ЛСО с жидким азотом
Капиллярный разряд и держатель с металлической фольгой располагались над поверхностью жидкого азота (рис. 11). После взаимодействия разряда с фольгой появлялись ЛСО, которые продолжали движение к поверхности жидкого азота. Взаимодействие ЛСО с поверхностью жидкого азота показано на фотографии (рис. 12). На фотографии, к сожалению, не видна поверхность жидкого азота ввиду большой прозрачности данной жидкости. На наше удивление ЛСО при попадании на поверхность не исчезали, а упруго отражались от поверхности жидкого азота. Иногда отражение происходило не по закону упругого отражения, известного в механике. Это возможно связано с вращением ЛСО.
Рис. 11 Рис. 12
Обсуждение полученных результатов.
Возможные применения результатов исследований
1. В современном мире плазменные технологии находят широкое применение, от напыления покрытий на детали автомобиля до производства и реализации плазменных двигателей для спутников. Большая часть плазмотронов основана на дуговом разряде, на котором дуга поджигается и поддерживается длительное время, в отличие от капиллярного разряда, при котором разряд работает в импульсном режиме. Описанные опыты с жидким азотом были продублированы и с дуговым разрядом, при этом объемное свечение было более интенсивным. Исходя из этого, продолжение данного рода экспериментов может повлечь открытие новой области применения плазменных технологий, а также углубление познаний физики данного процесса.
2. Так как после взаимодействия жидкости с капиллярным или дуговым разрядами объем данной жидкости начинал светиться (люминесцировать), поэтому мы можем говорить об переходе внешней энергии разряда во внутреннюю энергию жидкости, выделяющуюся в последствие в виде электромагнитного излучения. Данные опыты помогут раскрыть всю полноту физической составляющей люминесцентных процессов в веществах, найти причины выделения энергии посредством люминесценции.
3. Шаровая молния — редкое природное явление, которое выглядит как светящееся и плавающее в воздухе образование. Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено. Существует огромное количество теорий возникновения данного явления, но ни одна из них не описывает всех свойств шаровой молнии. В лабораторных условиях возможно создать модель, обладающую некоторыми свойствами шаровой молнии. Предполагается, что полученные в опытах светящиеся образования имеют схожие с шаровыми молниями причины возникновения и устойчивого существования. Поэтому развитие данной отрасли физики плазмы, возможно, приблизит нас к пониманию процесса появления и жизни шаровых молний.
Заключение
1. Получен и расшифрован спектр излучения электромагнитного излучения, в котором наблюдается преобладание интенсивности линий определенных элементов. Получены навыки работы с оптическим прибором: спектрометр AvaSpec 2048Ч14.
2. Для выявления возможных причин аномально долгого свечения во всем объеме жидкого азота после взаимодействия его с капиллярным разрядом были сняты спектры излучения данного свечения. Однако в виду отсутствия видимых результатов в связи с недостаточной чувствительностью прибора, каких-либо результатов по данной теме получено не было.
3. Были проведены опыты по взаимодействию капиллярного разряда с поверхностью жидкого азота. В виду аномально продолжительного времени жизни полученных в опытах образований, была высказана гипотеза о возможной связи данного явления с феноменом шаровой молнии, физическая природа которой до сих пор не изучена.
4. Проводились опыты по прожиганию металлических фольг капиллярным разрядом. При прожигании факелом фольги образуются светящиеся образования, летящие в направлении распространения факела капиллярного разряда. Данные образования живут до 5 секунд, имеют желто-красный цвет. По сравнению с ЛСО в жидком азоте скорость движения намного выше.
Литература
1. , , Исследование плазменных образований, инициируемых эрозионным разрядом // ЖТФ. 1990. Т. 60. № 12. С. 57.
2. , , Некоторые объекты, возникающие при взаимодействии электрического разряда с металлом и полимером // ЖТФ. 1997. Т. 67. № 3. С. 19.
3. , , . Возникновение локализованных светящихся образований в жидком азоте под воздействием капиллярного и дугового разрядов // Препринт МИФИ 021-92 1992г.
4., , Возникновение светящихся областей в криогенных жидкостях под воздействием излучения разрядов. Тезисы докладов 3 Межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодинамике, М., 1994г., с 94-95.
