Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 13
1.1. Эксперименты по получению ДСО в электроразрядных условиях 14
1.2. Эксперименты с использованием плазменных струй 20
1.3. Теоретические модели 23
Выводы к Главе 1 33
Глава 2. Свойства шаровых молний - ДСО естественного происхождения 34
2.1. Данные наблюдений ДСО естественного происхождения 35
2.2. Энергетические характеристики ДСО естественного происхождения 36
Выводы к Главе 2 43
Глава 3. Теоретический анализ процессов образования ДСО в плазме при атмосферном давлении при наличии органических компонентов 44
3.1. Рост полимерной макроструктуры - каркаса ДСО в плазме при высоких давлениях газа 44
3.2. Модель роста 47
3.2.1. Первый этап кинетической стадии роста полимерной структуры 48
3.2.2. Второй этап кинетической стадии роста полимерной структуры 52
3.2.3. Гидродинамическая стадия роста
3.3. Оценка энергии, которую может накопить ДСО с полимерным каркасом 58
3.4. Время жизни заряженных полимерных структур 60
3.5. Сравнение данных теории с экспериментами по получению ДСО в газовых разрядах 67
3.6. Сравнение данных теории с наблюдениями естественных шаровых молний...68
Выводы к Главе 3 70
Глава 4. Экспериментальное моделирование ДСО на основе полимерных органических материалов в воздухе 71
4.1. Описание плазменных генераторов, используемых в экспериментах 72
4.2. Исследования воздействия плазмы торцевого плазматрона на полимерные материалы 75
4.3. Исследования воздействия плазмы капиллярного плазматрона. на полимерные материалы .80
4.3.1. Характеристики струй плазмы капиллярного плазматрона 80
4.3.2. Получение светящихся шаров 82
4.3.3. Получение ДСО с полимерной структурой 84
4.4. Исследования воздействия плазмы открытого плазмотрона с полостью между электродами на полимерные материалы 91
4.5. О природе всплывающих светящихся областей и ДСО .94
4.5.1. Температура всплывающих шаров 94
4.5.2. Возможная природа ДСО, созданных при помощи капиллярного плазмотрона 95
Выводы к Главе 4 98
Заключение 100
Список литературы 102
- Эксперименты с использованием плазменных струй
- Энергетические характеристики ДСО естественного происхождения
- Второй этап кинетической стадии роста полимерной структуры
- Исследования воздействия плазмы капиллярного плазматрона. на полимерные материалы
Эксперименты с использованием плазменных струй
К настоящему времени выделилось несколько направлений исследований и создания ДСО в электроразрядных условиях.
К первому можно отнести создание шаров из плазмы паров металла, при замыкании контактов мощных электрических батарей [9,16,17], сопровождающееся окислением атомов металла, а также генерацию шариков при замыкании металлических электрических проводов, как в воздухе, так и в воде [16,17].
Размер ДСО, появляющихся при размыкании контактов батарей достигал нескольких сантиметров, а время жизни - десятые доли секунды. Яркостная температура соответствовала температуре плавления и испарения металла.
Светящиеся шары диаметром 2-4 мм и временем жизни 2-5 с были получены [17] при коротком замыкании цепи двумя электродами в воде. Шары напоминали капли расплавленного металла, горящего в воздухе. После остывания они представляли собой 2 мм металлические сферы со следами окислов на поверхности. В последнее время в работе [18] при взрыве металлических фольг в кюветах с водой над устройством, содержащем эти кюветы, и покрытым вакуумным уплотнением возникали светящиеся шары величиной до 10-15 см и временем жизни до 5 мс. Энергия, вложенная в 8 кювет с фольгами титана 50 мкм xl см х 5 см, составляла 50 кДж, а время импульса 60 мкс. На фотографиях, представленных в статье, видно, что по мере увеличения времени наблюдения чисто диффузное свечение шаров меняется на свечение, наполненное светящимися частицами. Это позволяет высказать предположение о процессах конденсации, которые идут в плазме паров металла, проникших через уплотнение и образовавших светящуюся область.
Вторым направлением является формирование ДСО с временем жизни от нескольких миллисекунд до нескольких секунд при использовании импульсных или кистевых разрядов в смесях воздуха с органическими газами или органическим аэрозолем [19-22], или при деструкции материала металлических электродов [23] в послесвечении разряда.
Одной из первых работ, посвященной возникновению светящихся шаров в разряде, является [19]. В 4 м воздуха зажигался кистевой разряд, при распылении в разряде аэрозольных частиц p-xylene-azo-p-naphtol из расчета 15 мг/м3. Наблюдавшийся цвет разряда при этом бьш зеленовато-голубым. Затем в центре камеры образовьшалась сфера диаметром 20 см, ярко-красного цвета, которым обладали крупные частицы, образующие сферу. Анализ этих частиц под микроскопом показал, что эти частицы представляют собой длинные цепочки из мелких частиц, до тысячи штук в каждой.
В книге Барри [20] описываются эксперименты автора, когда в импульсный разряд (с напряжением между электродами 10 кВ и энергией в импульсе = С/2/2 250 Дж) в воздухе при атмосферном давлении добавлялся пропан. Его объемная концентрация составляла 1.4-1.8%, что меньше величины концентрации пропана, необходимой для его воспламенения. После чего в объеме появился желто-зеленый шар, который существовал 1-2 секунды.
В книге Сингера [24] описаны эксперименты Науэра [25] по получению светящихся шаров при газовом разряде в атмосфере водорода и углеводородов таких, как метан, пропан и бензин, с концентрацией немного ниже пределов необходимых для их горения. Наибольший эффект наблюдался при использовании бензина. Яркие светящиеся шары возникали даже при ничтожных следах бензина в разрядной камере. При объяснении опытов в этой работе высказывалось предположение, что свечение возникает на комке нитей. (Бензин при сгорании выделяет большое число легких проводящих комков сажи [26].) Однако само свечение рассматривалось как результат горения органического вещества. В тоже время светящиеся сферы наблюдались и при заполнении разрядной камеры инертным газом с малыми добавками углеводородов.
В [26] удалось наблюдать свечение красного шарика диаметром 5 мм, пролетевшего между двумя электродами, один из которых был металлической сеткой, а второй-стержнем. Электродный промежуток с разностью потенциалов 40 кВ поливался сверху искусственным дождем. От сетки внезапно отделился бесформенный лист, который на протяжении 15 мм превратился в правильный шар красного цвета; продолжая двигаться по силовой линии, шар бесшумно исчез, не долетев до второго электрода. Шарик, по мнению авторов статьи, возник на основе комка аэрозоля, поскольку накануне на месте проведения опыта проводились испытания генератора дыма. Свечение объяснялось следующим образом: возникновение проводимости различных нитей и оболочек, парящих в воздухе, при смачивании водой, даже если они образовались из непроводящих материалов, приводит в точках контакта нитей и оболочек к накаливанию нитей или появлению газовых разрядов между нитями в точках их соприкосновения. Также объяснялось и появление шаровых молний как результат свечения клубков обуглероженных органических нитей.
В работе Отсуки [21], которая идеологически продолжала работу [20], создавался импульсный разряд в воздухе между медными электродами, находящимися на расстоянии 3 мм, при этом разрядное напряжение изменялось в диапазоне 8-10 кВ, а энергия в импульсе составлялаE = CU2/2 350 Дж. Разрядная камера имела размеры 150 х 120 х 150 см. При добавлении 2.1% этана в воздух наблюдалось появление красного шарика диаметром до 4 см и временем жизни до 0.3 с. При добавлении 100 см хлопковых волокон в послесвечении разряда в течении 0.8 с наблюдался объект белого цвета 3 см в диаметре. В смеси 2.7% этана, 100 см хлопковых волокон, переработанных до мелких частиц, четыре раза наблюдалось появление светящихся объектов. Один раз диаметр такого объекта составлял 5 см, а его время жизни составляло 2 с после выключения разрядного импульса.
Результаты ранних экспериментов с ДСО в разрядах с органическими добавками были интерпретированы [19,24], как имеющие непосредственное отношение к естественным шаровым молниям, эксперименты с парами металлов также серьезно обсуждались в этой связи. Позже, в работе [27а], при анализе долгого послесвечения высокочастотного разряда в воздухе (с частотой 7.5-107 Гц), достигавшего 1 с в эксперименте [23], был сделан вывод, что существенную роль в этом свечении играют фрактальные кластеры, образующиеся в парах металла и поступающие в разряд с электродов. Фрактальный кластер- это агрегат, в котором масса растет с размером по закону [276] m = m0-{2Rsp/r0Y, (1.1) где то и го масса и размер наименьшего звена, a Rsp радиус кластера (структуры). D -фрактальная размерность, в частности для органических полимеров (типа цепочек С2Н2) )«2.5±0.3, а для неорганических (типа цепочек SiCh) D«1.75±0.2 [8,31].
В работе [22] для получения ДСО использовались стримерные разряды, создаваемые высокочастотным генератором Теслы на частоте 67 кГц, при этом средняя мощность, подаваемая на высоковольтный электрод, составляла 3.2 кВт. В [22] была реконструирована установка Н. Теслы [28] в уменьшенном размере. Экспериментально было установлено, что в процессе развития разрядов образуется большое число углеродных частиц и частиц испаренного металла с электрода в небольшой приэлектродной области, в той же области возникают сильные электрические поля (напряженностью до 10-20 кВ/см), при этом образованные частицы быстро нагреваются. ДСО появлялись у высоковольтного электрода, казалось "из ничего", поскольку их не было видно на предыдущем кадре видеосъемки, т.е. их время образования было тсг 40 мс. ДСО имели разные цвета, в том числе: красный, желтый, голубой и белый; их время жизни достигало 2 с, а диаметр 1-5 см. Часто, в конце существования, они взрывались с громким хлопком, что указывало на энергозапас E 5/2-kT-N 0.2 Дж/см (где 5/2-kT-N -равновесный энергозапас воздуха при температуре Г=300 К). Лучшие результаты были получены тогда, когда высоковольтный электрод покрывался воском или обугленной древесной.
Энергетические характеристики ДСО естественного происхождения
В течение последних двадцати лет несколько авторов научных работ [8,20, 37,56-57] явно и неявно утверждали, что шаровые молнии не являются сильно энергетическими объектами. Эта мысль впервые появилась в [8], где утверждалось, что все энергетически сильные эффекты приписываемые ШМ на самом деле связаны с действием линейных молний. ШМ создает какой-либо канал для токов в атмосфере, такое же отношение к ШМ высказано и в книге [56]. Более сбалансированная точка зрения была выражена в работе [9], в которой энерго содержание средней ШМ было оценено равным РГ«20-30 МДж/м . Оценка плотности энергии Ж«100 МДж/м3 [9], полученная на основе наблюдений того, как ШМ проделала отверстие в стекле, была названа в [9] слишком завышенной без всяких обсуждений. В [9] была высказана мысль о том, что ШМ снимает заряды индуцированные на поверхности различных предметов во время грозы, а затем переносит их, производя при этом высокоэнергетические эффекты. Тем не менее, в [9] были представлены данные о прожигании ШМ дыры в металлической части сидения в самолете и оценка испарения металла, которая показала большую плотность энергии ШМ W&450 МДж/м3. Согласно же плазменным теориям ШМ, если учитывать энергию необходимую для ионизации, диссоциации и возможных химических реакций в газе, то можно получить оценку для плотности энергии ШМ W 90 МДж/м3, которая по порядку величины совпадает с химической энергией воздуха, заключенного в объеме равном объему ШМ. Эгели на основе наблюдений энергетических воздействий ШМ в Венгрии при отсутствии гроз в [86] пришел к выводу об очень высоком удельном энерго-запасе ШМ, W 103 МДж/м3. В. [31,87] были сделаны аналогичные выводы на основе анализа наблюдений и исходя из полимерно-композитной теории. Поэтому целью данной работы является обсуждение высоко энергетических событий, связанных с ШМ и возможности накопления высокой энергии ШМ, если ее структура представляет пористый диэлектрический (полимерно-композитный) агрегат. Наблюдения ДСО. обладающих высокой энергией.
В данном разделе представлены данные о высоко энергетических ШР почерпнутые из литературы, где проведены оценки энергии ШМ или на основе данных которых можно провести соответствующую оценку. Эти результаты приведены в Таблице 2.2. (см. ниже) и их обсуждение также представлены в [88].
No.l [89, No.22] ШМ образовалась из само скручивающейся светящейся нити, которая проникла в комнату через отверстие для электрических проводов в стене комнаты. Затем она взорвалась в 1.5 м от наблюдателя, который в армии служил сапером, и мог по звуку взрыва определить энергию взрывчатки. Энергия ШМ оказалась порядка 250-300 г толуола. (Величина плотности энергии получена нами).
No.2 [86, No.270c] Наблюдатели видели красный неправильной картофельной формы объект. ШМ оставила след расплава на песке площадью 10x70 см . Для наших оценок были использованы значения глубины слоя песка d = 0.3-1 см при его плотности 1-1.3 г/см3 и проведен расчет энергии необходимой для доведения плавления кварцевого песка. (Наша оценка).
No.3 [86, No.222] ШМ упала в емкость с 120 л воды. Вода испарилась из емкости, не оставив следов на стенках емкости. Оценки соответствуют энергии необходимой для нагревания воды с комнатной температуры до температуры испарения.
No. 4 [86, No.58] отверстие (5-см диаметром и 1.5 мм толщиной) появилось на месте, где диск ШМ коснулся передней стальной части трамвайной кабины. Оценки энергии проделаны для нагрева объема металла равного объему отверстия, начиная с комнатной температуры и кончая температурой кипения металла. (Наша оценка).
No.5 [86, No.4] ШМ проникла в дом через проплавленное ею отверстие в оконном стекле (диаметр отверстия 10 см). Оценка энергии необходимой для того, чтобы расплавить стеклянную пластину толщиной 2.0-2.5 мм. (Наша оценка).
No. 6 [56, случай 1981 гг., стр. 65] голубой шар размером с большой шарик для игры в шары разрушил нагревательное кольцо электрической плиты, в [3] проведены оценки энергии необходимой, чтобы расплавить кусок никеле -хромово-железного сплава объемом 1.46-10"7 м3. Диаметр ШМ нами принят равным 1.5-2-см потому, что ШМ не оставила следов на металлических полосах кольца, лежащих против разрушенной части кольца (расстояние между полосами 0.5 см, а ширина полосы, которой коснулась ШМ 0.6 см). (Наша оценка).
No. 7 [24, глава 2, случай 1749 гг.]- нагрев древесины. ШМ величиной с жернов сломала главную мачту и главную топ мачту корабля "Лизард". Энергия необходимая для такого разрушения получена на основе расчета с учетом разогрева воды внутри древесины и последующих разбухания и разрьгеа волокон [90]. Диаметр деревянной топ мачты был принят равным 60-90 см. No.8 [91] нагрев и плавление почвы. ШМ оставила след расплавленной и обугленной почвы диаметром 1.5-м и толщиной 20-25-см. Оценка проделана на основе данных эксперимента по измерению энергии СВЧ генератора, необходимой для создания такого же типа следа. В радиусе 100 м ШМ разрушила электрическую цепь, необходимая энергия оценивалась (оценка сверху) нами по теории точечного взрыва.
No.9 [20] оценка плотности энергии ШМ необходимой для нагрева воды от 20 до 60 С когда ШМ (10-15-см диаметром) упала в бак с 18 л воды. (Наша оценка).
No.10 [9, No 30] отверстие в стекле (5-см диаметр, 2.5-мм толщина) было проделано ШМ. Оценка на основе эксперимента, в котором лазерное излучение было использовано для того, чтобы создать аналогичное отверстие в стекле.
No.ll [9, No 33] воздействие ШМ на железную трубку (5-6-см в диаметре и 70-80-см длиной) с закручиванием последней. При оценке рассматривался нагрев области трубки 5-см от комнатной температуры 700 С.
No.12 [9, No 34] ШМ проделала отверстие в фабричной железной трубе. При оценке принималось, что толщина стенки трубы была 0.4-0.5-см, и труба нагревалась от комнатной температуры до температуры плавления. а No.13 [9, No 35] ШМ проделала отверстие в металлической части самолета ( 3 см или -24 г железа исчезло). Оценен нагрев в обоих случаях - при плавлении металла и при его испарении. No.14 [92] При взрыве ШМ была оторвана доска (2 м длиной, 2.5 см толщиной и 15-см шириной) от стены, к которой она была прибита 6 гвоздями (15-см длиной, каждый). No.15 [20, глава 4.2, 21] расщепление большого дуба. Энергия необходимая для такого разрушения получена на основе расчета с учетом разогрева воды внутри древесины и последующих разбухания и разрыва волокон. No.16 [93] Большая ШМ распалась на 8-12 маленьких ШМ. Каждая из них оставила расплавленный след на влажном асфальте. Проделана оценка энергии необходимой для того, чтобы сделать круговой след расплавленного асфальта и испарить на асфальте слой воды. No.17 [92] ШМ размером с теннисный мяч упала в емкость с водой 0.3x2.5 м наполненную слоем 15 см воды. Почти вся вода испарилась, находящиеся в ней лягушки сварились. Проделана оценка энергии необходимой для нагрева воды от 10 до 100 С и для ее испарения.
Второй этап кинетической стадии роста полимерной структуры
На Рис. 3.2 представлены решения уравнения при учете двух максимальных первых членов суммы в (3.476), что в нашем случае верно при Rsp 30 см. На этом рисунке представлена временная зависимость нагрева поверхности сферы, состоящей из частичек материала по физическим свойствам подобным стеарину. Расчет проделан для сферы радиусом 1, 10 и 30 см. при потоке энергии на поверхность за счет разрядов мощностью qef= 102,103 и 104 Вт/м2. На рисунке выделены два временных интервала разогрева: до 370 К (при котором развивается термический пробой поверхности ) и до 570 К (при котором возможно возгорание органических частиц на поверхности). Из рисунка видно, что при qef= 10 Вт/м . клубки с радиусом 1-30 см живут долго до термического пробоя, в диапазоне 2-30 с, в зависимости от размера. Время их жизни увеличивается в 2-3 раза, если гибель происходит при нагреве до температуры возгорания структуры, однако не выходит за границы диапазона времен наблюдения естественных ШМ. При qef 102 Вт/м2 время жизни клубков резко уменьшается, что говорит о быстром влиянии разогрева на уменьшение времени жизни.
Временная зависимость температуры поверхности сферы, состоящей из частиц стеариновой кислоты. Числа 1,2,3 около кривых соответствуют qef =102, 103, 104 Вт/м , соответственно. Числа без штриха соответствуют радиусу сферы Rsp = 1 см, со штрихом - Rsp = 10 см, с двумя штрихами - Rsp = 30 см.
Из этих данных можно определить временную зависимость средней энергии необходимой во время существования разрядов возле сфер W An R2spqef . Максимальная плотность энергии необходимая для этого не превышала 0.35 Дж/см, что лишь в 3 раза превышает плотность тепловой энергии в см воздуха.
На Рис. 3.3 представлено сравнение с данными экспериментов а и b соответствуют максимальным температурам нагрева (возгорания) и максимальному временному интервалу , соответственно, а и Ь -минимальным температурам нагрева (пробою поверхности), а и а соответствуют р100 Вт/м2; b, Ь - р1000 Вт/и2.
Зависимость времени жизни ДСО (секунды) от размера (м) светящихся образований, а и b - максимальное время нагрева структуры (соответствующее нагреву до температуры возгорания) структуры , а и Ь -минимальное время нагрева структуры (соответствующее нагреву до температуры пробоя поверхности), а и а соответствуют р100 Вт/м2; b,b - # 1000 Вт/м2.
Точка 1 (крест) соответствует экспериментам с эрозионным разрядом [42], когда частицы сажи или ваты (до 0.1 см) были в канале капиллярного плазмотрона со стенками из полиметилметакрилата (оргстекла). При разряде из канала диаметром 1 мм вьшетали шарики от 0.2 до 0.7 см диаметром. Они имели красное свечение, время их жизни составляло 5-7 с. После этого шары либо сгорали, либо вьшадали в виде маленьких структур, типа снежинок, белого цвета (до 0.7 см). Эти агрегаты (или частицы порошка) были высоко эластичными с практически отсутствующей электропроводностью.
Точка 2 соответствует появлению шариков 5-7 мм диаметром при электрическом пробое деревянной таблетки в воздухе [29]. Шарики появлялись из отверстия в куске древесины, пробитого разрядом. Один из них проделал 2 мм отверстие в стекле, пирекс, толщиной 1.5 мм.
Точка 3 соответствует данным экспериментов [20], в объем с искровым разрядом в воздухе был добавлен пропан с концентрацией ниже соответствующей пределу воспламенения.
Точка 4 соответствует эксперименту [22] по воспроизведению результатов Н.Теслы на установке меньшего размера. В нем шары появлялись около высоковольтного электрода, покрытого воском или куском обугленной древесины.
Точка 5 соответствует результатам экспериментов [21] -усовершенствованный вариант экспериментов [20], органические газы и хлопковые волокна добавлялись в разрядный объем, ионизация производилась искровым разрядом. Концентрация органических газов также была ниже необходимой для воспламенения.
Точка 6 соответствует данным экспериментов [7] по применению эрозионных разрядов со стенками из воска. ДСО с временем жизни до 1 с появлялись после окончания импульса разряда на выходе из капилляра.
Сравнение представленной теории с экспериментами показывает, что имеется согласие между временем жизни ДСО, появляющихся в искровых и импульсных разрядах.
В случае ДСО, образованных в эрозионных разрядах, время жизни ДСО становится небольшим.
Сравнение данных теории с наблюдениями естественных шаровых молний. Представленные выше результаты показывают, что модель шаровых молний с заряженным полимерным каркасом позволяет объяснить многие свойства естественных ШМ, в том числе и их время жизни, достигающее 102 с. Представленная теория также позволяет проанализировать результаты наблюдений естественных шаровых молний в грозу. Результаты таких наблюдений представлены на Рис.3.4. [131]. Сплошная линия соответствует среднему значению зависимости времени жизни от диаметра шаровой молнии. Зависимость показывает рост времени жизни от диаметра ШМ.
Проанализируем эту зависимость для упрощения при небольших радиусах ШМ. Из формулы (3.45) для параметров воздуха при Rsp 5 см можно получить следующее выражение где мы использовали для теплоемкости воздуха выражение с =—NkB ( в -постоянная Больцмана, N- плотность молекул воздуха). Здесь Гтах, и Тх температура максимального нагрева поверхности и окружающего воздуха, соответственно. Отсюда явно следует увеличение времени жизни ШМ с радиусом, что подтверждает выводы развитой теории. Это сравнение показывает, что развитая теория может интерпретировать эти объекты, как полимерные образования, появляющиеся при развитии грозовых разрядов, а также у линий электропередач, или около других объектов, генерирующих электрические поля и заряженные частицы. Тогда при формировании каркаса таких шаров могут участвовать полимерные частицы деструктированных материалов естественного (пыльца, трава, листья, органическая пыль, полимеризующиеся частицы Si02 и др.) и искусственного (различного рода полимерная изоляция, пластики и др.) происхождения.
Зависимость времени жизни от диаметра шаровых молний, наблюдаемых в грозу. Сплошная линяя - среднее значение времени жизни, точки - данные наблюдений.
Сравнение экспериментальных и теоретических результатов показывает следующее. В экспериментах [20-22, 29] светящиеся шары были образованы в условиях близких по параметрам к ионизованному газу, образованному обычным коронным разрядом около поверхности каркаса структуры. В экспериментах [7] светящиеся объекты находились в поле действия более мощньк разрядов, их поверхность быстро перегревалась, и они исчезали раньше, чем в первом случае. В целом, условия для создания светящихся шаров в ионизованном газе не благоприятны, поскольку случайные вариации полей, и увеличение температуры приводят к уменьшению их времени жизни.
Представленные в работе [42] ДСО имели значительно большее время жизни, чем предсказывается представленной теорией. Это говорит о возможности другого механизма создания и свечения ДСО, к исследованию этого вопроса мы вернемся в Гл.4.
Проведенные нами исследования показывают, что при помощи эрозионных разрядов с введенными в них органическими компонентами или при использовании плазмообразующего материала сложного полимерного состава можно получать частицы (порошки) или ДСО с сильно отличающимися от исходного материала свойствами. Экспериментальному получению ДСО на основе плазмообразующего материала сложного полимерного состава посвящена Глава 4 данной диссертации.
Исследования воздействия плазмы капиллярного плазматрона. на полимерные материалы
Природой ДСО может служить сгорание крупных полимерных кластеров, появляющихся в канале за счет полимеризации материала стенок или за счет отрыва фрагментов материала в капилляре и их объединения в кластеры внутри канала. В этом случае прогрев поверхности частиц может приводить к образованию горящей пленки отходящих от их поверхности газов. Величина фронта пламени для полимерных материалов естественного происхождения [137] достигает нескольких (5-8) ширин тонких образцов, при времени жизни для пламенной стадии сгорания t 1.5 -d2, с, где d-начальный диаметр образца (d 5 мм).
Используя формулу (4.6) можно показать, что материалы с плотностью ели, сосны или березы (которые близки по параметрам нашей смеси с р 0.3-0.5- 10 кг/м ) могут парить под действием выталкивающей силы холодного воздуха, действующего на область, занимаемую светящимся объектом.
Таким образом, одним из типов естественных шаровых молний с временем жизни t 20 с и диаметром до 2 см могут являться полимерные горящие частицы, образованные при ударе линейных молний в деревья. При этом фронт пламени, по размеру значительно больший, чем размер частиц, будет восприниматься наблюдателями, как эффективный размер ШМ. В то же время этот фронт пламени будет определять способность частиц к левитации, за счет архимедовой силы.
Исследования воздействия плазмы открытого плазмотрона с полостью меяеду электродами на полимерные материалы Типичная вольт -амперная характеристика этого плазмотрона представлена на Рис. 4.20. Из неё видно, что импульс тока по времени имеет треугольную форму. При использовании в качестве проводящего материала смеси молотой древесины с канифолью длительность импульса тока была на т 1,5 мс короче, чем в случае заполнения полости между электродами водой. Это можно объяснить тем, что в смеси молотой древесины с канифолью, за время импульса канифоль, находящаяся на поверхности полости между электродами испарялась быстрее, чем в случае, когда использовалась вода при том же объеме (температура кипения: воды Тк=100 С, канифоли ТК=65С; удельная теплоемкость: воды Ср при атмосферном давлении (Т=1-100 С) Ср= 4.19 кДж/ (кг К), канифоли Ср«2-2.9 кДж/ (кг К); плотность канифоли 1,07 103 кг/м3), это приводило к уменьшению времени существования канала и, соответственно, импульса тока.
В качестве полимерного плазмообразующего материала нами использовались парафин, канифоль, воск, молотая древесина (длиной 100-300 мкм, толщиной 10-30 мкм ), а так же смесь молотой древесины (длиной 100-300 мкм толщиной 10-30 мкм) с канифолью. В зависимости от используемых плазмообразующих материалов менялись внешние характеристики разрядной плазмы: происходило изменение формы и цвета разряда. Типичный вид разряда, создаваемого данным плазмотроном на основе смеси молотой древесины с канифолью представлены на Рис. 4.21 .
Наиболее интересные результаты в этой серии экспериментов были получены при заполнении полости смесью молотой древесиной с канифолью Рис. 4.22. В результате разряда создавались ДСО с продолжительностью жизни достигавшей 0.4 с, при этом получаемые ДСО обладали упругостью, так при падении на горизонтальную поверхность установки с высоты 30 см, испытав соударение они отскакивали вверх на высоту нескольких сантиметров. Появление данных ДСО происходило каждый раз, при первом разряде плазмотрона, после заполнения полости между электродами плазмообразующим материалом.
При использовании в качестве плазмообразующего материала только частиц молотой древесины, в данной серии экспериментов наблюдалось появление светящихся объектов с временем жизни до 0.4 с, см. Рис 4.23, 4.24. Эти результаты аналогичны результатам Рис. 4.21. Типичный вид разряда открытого плазмотрона с наполнителем из смеси молотой древесины и канифоли.
Рис. 4.22 ДСО полученные с помощью открытого плазмотрона. работы [138], в которой появление ДСО с временем жизни 33 мс наблюдалось при пробое воздуха между электродами, когда на поверхность этих электродов помещались (приклеивались) частицы обугленной молотой древесины. Это согласуется с результатами исследований горящих частиц естественного происхождения, приведенными в [137], которые указывают на то, что частицы древесины (ель, сосна) диаметром 0,5 мм сгорают за 0.4 с, при размере окружающей горящей области до 3 мм. На Рис. 4.23. представлена разряд в результате которого появилось несколько ДСО, на Рис 4.24. представлен разряд в результате которого появилось единичное ДСО. Рис. 4.23. Несколько ДСО, полученных при заполнении полости между электродами молотой древесиной.
Наблюдение подъема светящихся шаров, их цвет от желтого до красного и уменьшение размеров с оставлением дымного следа, говорит о процессах горения в области шаров с выделением энергии и нагревом этих шаров. Для определения температуры горячей, светящейся области напишем следующие уравнение для подъема горячей области радиуса R с захваченной ею частицами, массой тр, объем которых значительно меньше объема горячей области: (mp+mg)- = pair--K-R3-g-(mp+mg)-g, где mg- масса газа в горячей области, v-скорость подъема горячей области, t-время, ра„ плотность воздуха, окружающего горячую область. После несложных преобразований получим следующее выражение для подъема горячей области:
Похожие диссертации на Формирование долгоживущих светящихся образований при помощи эрозионных плазменных генераторов
