ДОЛГОЖИВУЩИЕ СВЕТЯЩИЕСЯ ПЛАЗМОИДЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ ВО ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ

С.И. Степанов^*, А.И. Егоров, Г.Д. Шабанов

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН

^*Email: stepanov@omrb.pnpi.spb.ru

Из явлений атмосферного электричества особый интерес вызывают шаровые молнии – летящие, компактные и светящиеся образования. Открытие воспроизводимого способа получения долгоживущих плазмоидов из гидратированной плазмы в открытой атмосфере [1-3] позволило приступить к систематическому изучению их свойств. Результаты этих исследований частично представлены в данной работе.

Экспериментальная установка (рис.1) для получения плазмоидов позволяла осуществлять длительный (100 мс) электрический разряд через пары воды. Основу установки составляла конденсаторная батарея 1 емкостью 0,6 мФ, которую заряжали до 4,8 – 5,5 кВ. Полиэтиленовый сосуд 2 наполняли на 15 см слабо проводящей водопроводной водой 3. На дне сосуда находился кольцевой медный электрод 4, соединенный с положительным, заземленным полюсом батареи. Отрицательный центральный электрод 5 находился в центре сосуда, выступая из воды на 3 – 6 мм. Центральный электрод состоял из графитового стержня диаметром 5 мм, окруженного кварцевой изолирующей трубкой. В лунку электрода можно было поместить до 0,1 г воды или водной суспензии вещества, которое предполагалось ввести в плазмоид. Включение и выключение тока разряда осуществлялось вручную разрядником 6.

Для исследования свойств плазменной струи и плазмоида была создана специальная измерительная аппаратура. Для измерения напряжения U1 между электродами параллельно им был подключен резистор R1 = 100 кОм, с части которого напряжение подавалось на АЦП. Измерение светимости и времени жизни струи и плазмоида осуществлялось фотодатчиком 7 — он представлял собой кремниевую фотоматрицу 24*36 мм. Фотодатчик помещали в фотоаппарат 8 на место фотопленки. Поле зрения датчика охватывало пространство, где существовал плазмоид, начиная с высоты H1 = 15 см от поверхности воды до высоты H2 = 50 см.

Измерение полного электрического заряда плазмоида осуществлялось модифицированным цилиндром Фарадея, изготовленным в виде сетки 9 диаметром 25 см. Сетка соединялась с резистором R2 = 2,0 МОм. К части резистора был подключен операционный усилитель с высоким входным сопротивлением. Для уменьшения наводок сетка помещалась в заземленный экран 10, выполненный из проволоки.

Дополнительно исследования электрических свойств плазменной струи и плазмоида проводили с помощью одиночного зонда. Он представлял собой шарик диаметром 0,4 мм из нихрома. Подводящий к зонду провод был заключен в стеклянную изоляцию. Через резистор 0,3-160 МОм зонд соединялся с землей. В качестве опорного электрода (противозонда) использовался заземленный электростатический экран. На зонд можно было подавать смещение в диапазоне –600…+600 В.

Регистрация сигналов датчиков осуществлялась измерительной платой фирмы “L-card” с процессором, памятью, АЦП (1,6 мкс, 12 разрядов, 16 аналоговых входов). Сигналы нескольких датчиков записываются в один файл с дискретизацией 0,2 мс по времени.

При быстром замыкании – размыкании разрядника из центрального электрода с легким хлопком вылетала плазменная струя. Она поднималась на высоту 15 – 20 см в течение ~ 100 мс. В это время между электродами, находящимися в сосуде, имеется напряжение (стадии 1,2 на рис 2) и протекает ток ~ 50 А (в начале разряда). Далее верхняя часть струи превращается в автономный летящий плазмоид с диаметром 10 – 18 см (стадия 3). Плазмоид медленно, со скоростью 1 – 1,5 м/с поднимается вверх (стадии 4 – 6) и через 0,2 – 0,5 с распадается на части, которые гаснут. Воспроизводимость опытов близка к 100%. При добавлении в лунку центрального электрода различных веществ характер явления в целом сохраняется, однако интенсивность и цвет свечения меняются. Окраска плазмоида зависит от спектра излучения возбужденных атомов электрода и вещества, добавленного в лунку. Опыты и графики, описанные далее, относятся к плазмоидам, полученным на графитовом электроде без добавок. Большое количество интересных фотографий плазмоидов, на которых хорошо видна их структура, получено С.Е. Емелиным и А.Л. Пирозерским и размещено на сайте [4].

Средняя температура плазмоида оценивалась по скорости его вертикального подъема. Если плазмоид принять за клуб теплого воздуха диаметром 14 см, всплывающий в атмосфере при 293 К со скоростью 1,2 м/с (данные получены обработкой видеофайла [5]), то расчетная средняя температура плазмоида не превышает 330 К.

Для измерения заряда плазмоида измерительную сетку (внутри проволочного экрана) помещали над сосудом на высоте 30 см от поверхности воды. При контакте с сеткой всплывающий плазмоид исчезал, создавая ток через резистор R2 (рис 4). В начале графика видна наводка, обусловленная разрядом. Далее сигнал отсутствует, - плазмоид поднимается вверх, но еще не касается сетки. Позднее, в интервале 320 – 580 мс, виден сигнал, обусловленный утеканием заряда плазмоида через сетку и резистор R2 на землю. Интегрируя ток в этом интервале времени, можно определить заряд плазмоида. Заряды плазмоидов, измеренные таким способом, оказались отрицательными. Величина заряда находилась в диапазоне -4…-10 нКл, наиболее вероятное значение составляло -8 нКл. Если принять, что заряд плазмоида сосредоточен в сферическом объеме радиуса R=6 см, потенциал плазмоида относительно земли можно оценить как

Исследование плазменной струи одиночным зондом, помещенным на высоту 12 – 18 см, показало, что ее потенциал отрицательный и составляет –1,8 …–2,2 кВ. Так что можно сделать вывод, что плазмоид получает свой заряд от верхней части струи.

Исследование плазмоида проводили также одиночным зондом. При нулевом смещении происходит сбор отрицательных зарядов из плазмы (рис.5), – электрическое поле в этом случае было направлено от зонда к плазме. В тот момент, когда зонд находится на верхней поверхности плазмоида, виден резкий всплеск тока.

При смещении –400…-500 В сигнал зонда (рисунок не приводится), в момент его нахождения внутри плазмоида, соответствовал сбору отрицательных зарядов, это означает, что потенциал внутри плазмоида превосходил, по модулю, потенциал поданного смещения, – что согласуется с измерениями, сделанными с помощью сетки. В момент, когда зонд находился на верхней поверхности плазмоида, происходил сбор положительных зарядов. Это означает, что потенциал плазмы здесь примерно равен потенциалу смещения, поданного на зонд.

Таким образом, летящие, светящиеся плазмоиды, которые, по мнению очевидцев, похожи на короткоживущие шаровые молнии, имели собственный заряд и потенциал около -1300 В. Следует отметить, что электрическое поле с напряженностью 60 кВ/см было также обнаружено в плазмоиде, полученном в насыщенных парах воды [6].

Авторы благодарят С.Е. Емелина, А.Л. Пирозерского, Е.А. Дробченко и А.М. Пирогова за помощь в изготовлении измерительной аппаратуры, проведении экспериментов и ценные обсуждения, а также Л.А. Носкина за предоставление электронной техники для проведения работы.

[1] Г.Д. Шабанов, Письма в ЖТФ, 2002, т.28. вып.4. с.81 – 86.

[2] А.И. Егоров, С.И. Степанов, ЖТФ, 2002, т.72, вып. 12, с.102 – 104.

[3] С.Е. Емелин, А.Л. Пирозерский, А.И. Егоров и др., в сб. : Холодная трансмутация ядер, М, 2002, с. 240 – 248. (Матер. 9 всеросс. конф., Дагомыс, 2002)

[4] http://www.balllightning.narod.ru

[5] ftp://biod.pnpi.spb.ru/pub/people/stepanov/fball02.avi