Дмитрий Шереметьев (dmitry_shem) wrote in ru_radio_electr,
Дмитрий Шереметьев
dmitry_shem
ru_radio_electr

Categories:

Даёшь искру!

Originally posted у меня.
Никто часом в НИИРПе не трудится и с Авраменко не дружил? Там несколько вопросов в конце есть…

Есть на ночь – полезно.
Как-то ближе к полуночи, когда я заварил чай и намазывал сгущёнку с какао на батон, меня посетила мысль, что консервная банка диаметром 70мм из-под этой сгущёнки отлично сойдёт за цилиндрический электрод в экспериментах с коронным разрядом, которые среди прочего описаны в сборнике статей товарища Р.Ф.Авраменко «Будущее открывается квантовым ключом». И решил я этот эксперимент проверить.
Этот широко известный в узких кругах автор использовал цилиндры диаметром 60…100мм в качестве катода, в которые вставлял проволочный электрод диаметром около 0,5мм в качестве анода и наблюдал появление электрических импульсов, максимум частоты которых приходился на напряжение 3,73кВ, которое есть emc/ћ, где e и m – заряд и масса электрона, c – скорость света. Ноги у этой истории растут ещё от товарища Фейнмана и комплексной записи ψ-волны де-Бройля, но это детали.
Схема эксперимента проста, как консервная банка:

13.33 КБ

Чтобы сделать источник напряжения до 5кВ, пришлось немного поколхозить и вернуть к жизни частично разукомплектованную плату от моего старого стеклянного монитора. Полная схема питания консервной банки с гвоздиком и цепей измерения выглядит так:

5.55 КБ

Все резисторы, кроме R2, МЛТ-0,5. R2 в высоковольтном делителе – 4 штуки в параллель КЛМ 1ГОм. Реальный коэффициент деления делителя R2R3, измеренный при напряжении 300В, составляет 22800.
Ёмкости C1, C2 – К15-5 2,2нФ 5кВ, C3 – КВИ-2 100пФ 10кВ.
Cщ 16пФ – входная ёмкость щупа осциллографа.
Для контроля малого тока в цепи цилиндра-катода включен мультиметр в режиме вольтметра, входное сопротивление которого 12МОм как раз подходит для измерения наноампер.

Изначально в высоковольтной цепи были провода длиной около 20см с низкодобротной индуктивностью ~500нГн на десятках МГц, но потом они для удобства были заменены совсем не высоковольтным кабелем вроде ПВС 2x0,75 длиной 60см. У этого кабеля на 10кГц индуктивность ~500нГн, ёмкость между жилами 68пФ, так что волновое сопротивление около 85 Ом. Можно считать, что отличий от первоначальной схемы замещения практически нет.

У Р.ФАвраменко можно увидеть такие типовые зависимости для среднего тока в цепи электрода и частоты импульсов:

11.75 КБ

В качестве центрального электрода я использовал:

– медную лужёную проволоку диаметром 0,28 и 0,15мм из жилы монтажного провода, на концах сформированы иглы путём электрохимического травления в растворе NaCl:

7.43 КБ

– ту же медную проволоку диаметром 0,28 и 0,15мм, но концы были обкушены бокорезами с полуплоским срезом:

9.00 КБ

– ручную швейную иголку d 0.62мм (слева) и булавку d 0,59мм (справа), на концах которых есть «заводское» остриё:

16.11 КБ

Началось всё с экспериментов в корпусе конденсатора МБМ длиной 40мм, у которого был срезан один завальцованный край, а в другом конце оставлена штатная резиновая пробка, через которую можно вставлять проволочные электроды. Одним из первых экспериментов была булавка длиной 25мм, вставленная в цилндрический корпус конденсатора МБМ длиной 40мм, у которого был срезан один завальцованный край.
Вот весь кадр на ISO400 с выдержкой 15сек и усиленной гамма-коррекцией, чтобы стали видны очертания цилиндра, в центре которого на острие булавки видно свечение короны (красное справа внизу - это мышь):

21.86 КБ

А вот сочетание кропов двух таких фотографий: при токе 60нА, когда в цепи электрода возникают импульсы, и при 500нА, когда импульсов нет. Сначала я подумал, что «факел» – это свет воздуха вдоль конуса иглы, но снимок ведь сделан по направлению слева снизу от кончика булавки, поэтому на самом деле «факел» являет собой разряд от острия дальше в пространство по оси иглы (булавки). На верхней половине снимка выкручена гамма-коррекция яркости, чтобы лучше стал заметен «факел», в оригинале он сильно темнее:

11.54 КБ

Но эти импульсы – штука капризная. Когда к середине ночи была реанимирована плата от монитора, получены 5кВ и в корпус от МБМ был воткнут не помню какой электрод, импульсы никак не наблюдались ни при каком напряжении. Но форточка была открыта, и когда с улицы подул какой-то другой ветер, чудо вдруг произошло, и в определённом диапазоне напряжений эти импульсы стали возникать. Потом всё опять пропало. Когда начался восход солнца и его свет напрямую попал в комнату (но не на стол), импульсы наблюдались стабильно. Когда солнце поднялось выше и ушло за облака – всё снова пропало :)
Поэтому было решено не полениться, взять консервную банку от сгущёнки, которая по диаметру соответствует экспериментам в публикациях, вырезать в её дне отверстие, вставить в него в качестве изолятора резиновую пробку из корпуса МБМ, а в эту пробку – электрод. В консервной банке ситуация с возникновением импульсов стала заметно лучше и стабильнее.
Днём проходил грозовой фронт и шёл какой-то дождь, и во время грозы и чёрных туч (независимо от того, идёт дождь или нет) у «трудного» электрода кривая частотной зависимости сильно расширялась по напряжению вправо, а максимум наблюдаемой частоты смещался вправо и вверх до нескольких килогерц (наподобие картины далее на графиках с индексом «1» у электрода d=0.28, обкушенного бокорезами). Когда небо посветлело, зависимость частоты импульсов от напряжения у того электрода вернулась на прежнее место, и «расширение вправо» убралось. Форточка была открыта, и что там влияло – изменение влажности, ионизация воздуха, его состав, или что-то глобально – не знаю. Есть мысль автоматизировать снятие характеристик (зависимости частоты импульсов от напряжения) и провести эксперимент в пустой комнате с плотно закрытым окном и дверью при прохождении грозового фронта. Вот будет потеха, если грозовой фронт при неизменной атмосфере в комнате приведёт к сильным колебаниям формы кривой f(U) :)

Но характеристики, нарисованные далее, получены при нормальной погоде без гроз и ураганов.
Кроме того, у меня возникли подозрения о возможном влиянии ферромагнитной жести у консервной банки на процесс разряда, и я задействовал алюминиевую пивную банку, у которой срезал верхнюю фигуристую часть до высоты 85мм от основания банки. Особых отличий от жестяной банки, правда, не обнаружилось, но серя опытов с измерениями была проведена в итоге с алюминием.
Фотографии коронного разряда делались под углом около 30º к оси электрода, чтобы можно было разглядеть возникновение «факела» в короне. Корона располагается примерно центре кадра, чтобы минимизировать хроматические аберрации оптики:

21.09 КБ

Эксперимент №0 – у электрода с почти идеальной острой иглой на конце плазма зажигается при невысоких напряжениях (у меня так мало не делается, но наверно 2,2-2,3 кВ) и горит стабильно без возникновения импульсов во всём диапазоне токов. Одиночные импульсы иногда наблюдаются только при включении установки, когда заряжается внутреннее пространство банки. На графиках – зависимость тока короны от напряжения:

19.31 КБ  6.58 КБ
В случае других проволочных электродов при специфических для каждого электрода напряжениях возникают импульсы напряжения, например такие:

4.42 КБ

Постоянная времени наблюдаемого импульса напряжения обусловлена эквивалентом R'C'≈12кОм•18пФ=216нс:

4.53 КБ

Если же сесть осцилком на R4 в цепи высокого напряжения (не делайте так!!!) «землёй» слева от R4, а щупом «справа», то вполне законно наблюдается похожий импульс – цепь C3R5 осталась на прежнем месте, и постоянная времени импульса по-прежнему обусловлена ёмкостью щупа и R5, хотя схема теперь несколько другая:

4.10 КБ

Ток, который виден справа после короткого импульса (160мВ/68кОм=2,4мкА), вызван как процессом заряда C3 (100пФ), так и возможным «хвостом» разряда через электрод.
Но не всё сразу – нормальные измерения я делал, как и нарисовано на схеме, относительно корпуса банки, не связываясь приборами гальванически с цепью ВН центрального электрода. Медленные процессы перезаряда C3 и возможные длинные «хвосты» тока меня пока не интересуют, и я смотрю «быстрые» импульсы примерно на такой развёртке (тут усреднение по 16 кадрам, поэтому так бесшумно):

3.92 КБ

Второй канал осцилка здесь измеряет напряжение с делителя ВН для контроля его величины, т.к. мультиметр занят измерением наноампер, стекающих через корпус банки.

На графиках дальше будет:

красный I – суммарный ток,
сиреневый Ip – часть тока, уходящего в виде коротких импульсов,
зелёный Iфон – "спокойная" часть тока (Iфон=I–Ip),
сплошной синий F – частота импульсов,
пунктир синий Up – амплитуда импульсов напряжения на электроде, усреднённая по 8 или 16 кадрам (на ёмкости ~20 пФ получается от 0,5 В на тонких электродах до 5 В на толстых и тупых).

Причём усреднение для измерения амплитуды Up нужно из-за того, что у каждого электрода с ростом напряжения начинает появляться всё больше импульсов уменьшенной амплитуды на фоне «нормальных» больших, например так:

4.94 КБ

Рядом с фотографиями разряда подписан суммарный ток (I), измеряемый через корпус банки, и частота возникающих импульсов в цепи центрального электрода. Эксперименты проведены с внешним (минусовым) электродом d=65мм (банка от пива). Эксперименты пронумерованы в порядке их выполнения, но расположены в порядке возрастания напряжения, при котором возникают импульсы.

Эксперимент №2 – разряд, возникающий на конце электрода из проволоки 0,15, обкушенной бокорезами перпендикулярно к оси (тот электрод на свету я забыл сфотографировать, поэтому здесь показан просто для масштаба другой электрод такого же диаметра, установленный как-то по-другому):

22.06 КБ  8.23 КБ

Эксперимент №3 – электрод из проволоки 0,15 с условно плоским торцом. На мелком точильном бруске был заторцован срез монтажного провода в изоляции, после чего из жилы взята одна проволочка, и заусенцы там наверняка есть. Несколько удивляют два факта – положение максимума частоты импульсов почти не изменилось, хотя фоновый ток стационарной короны I3, как и должен, сместился вправо, но «факел», связанный с импульсами, стал почти невидимым.
Странная особенность этого электрода – он какой-то «одноразовый». В первый раз, когда снимал его характеристики, после нескольких десятков секунд на повышенном напряжении при токе короны выше 100нА, возникновение импульсов в районе 3,2кВ стало большой проблемой. Чтобы сфотографировать «факел», нужны импульсы, а для этого пришлось махать книжкой перед банкой и гонять воздух :) Потом этот электрод лежал на столе несколько суток, и когда я его снова решил посмотреть, все характеристики получились точно такими, как и в прошлый раз, и с таким же результатом – после возвращения в повышенного напряжения на 3,2кВ импульсов я уже не увидел. Танцы с бубном какие-то.
На первых двух снимках разряда выкручена гамма-коррекция, чтобы стало заметно "факел":

19.54 КБ  6.69 КБ

Эксперимент №4 – швейная иголка 0,62 мм с заводским остриём (на первых двух снимках выкручена гамма-коррекция, чтобы стало заметно "факел"):

18.61 КБ  9.14 КБ

Эксперимент №1 – электрод из проволоки 0,28, конец которой обкушен бокорезами перпендикулярно к оси:

18.93 КБ  8.25 КБ

Эксперимент №5 – электрод из проволоки 0,28 с закруглённым торцом (на первом снимке выкручена гамма-коррекция, чтобы стало заметно "факел"). И, согласитесь, нижний снимок сферической короны прекрасен:

17.48 КБ  5.48 КБ

Короткую булавку в пивной банке не измерял – возникновение импульсов очень нестабильно. Возможно, виновата близость острия к фигуристому дну банки, потому что в консервной банке с плоским дном импульсы на булавке возникают стабильно.

Дополнительно анализ осциллограмм импульсов напряжения позволяет оценить энергетические характеристики импульсов тока, возникающих на конце электрода.

Например, картина, наблюдаемая на электроде 0,28мм (конец обкушен бокорезами, разряд в банке от пива) превосходно аппроксимируется разностью двух экспонент (по наименьшим квадратам, genfit в маткаде):

u(t) = Um•(exp(-t/τ2)–exp(-t/τ1))
Um=–5,5
τ1=36,4 нс
τ2=207 нс

Сплошной синий – измеренное напряжение, красный пунктир – аппроксимация:

3.40 КБ

И эта картина явно представляет собой свёртку короткого экспоненциального импульса тока и импульсной характеристики параллельной RC-цепи (схема замещения с 12кОм и 18пФ нарисована выше):

i(t) = Im•exp(–t/τ1)

Im = Um•C•(1/τ1–1/τ2)
Im = –2,24 мА

Синее – напряжение, красный – ток:

4.49 КБ

Так можно посмотреть на параметры импульса тока. Электроды в таблице пронумерованы так же, как и эксперименты с фотографиями выше, и расположены в порядке возрастания напряжения, при котором наблюдаются импульсы:

Цилиндр d=65мм банка от пива:
Электрод№0
d 0,15
игла
№2
d 0,15
бокорезы
№3
d 0,15
торец
№4
d 0,62
шв. иголка
№1
d 0,28
бокорезы
№5
d 0,28
закругл
U, кВ2,63,23,23,53,84,2
Fmax, Гц18090400170050
τ1, нс131626303640
Im, мА0,30,91,91,32,23,5
Q, пкКл415494082140

Цилиндр d=17мм корпус от конденсатора МБМ («частотные» зависимости при этом не снимал):
Электрод№2
d 0,15
бокорезы
№4
d 0,62
шв. иголка

d 0,59
булавка
№1
d 0,28
бокорезы
№5
d 0,28
закругл
U, кВ2,62,73,03,13,4
τ1, нс1029303141
Im, мА0,91,21,62,03,3
Q, пкКл9364963136

Электрод №3 с плоским торцом пока исключим из хит-парада – сильно уж он из-за своей «тупизны» выбивается из общей тенденции по энергетике импульса, хотя оп частоте импульсов находится на «своём». месте.
Далее идут графики, обобщающие данные на разных электродах (цифры – номера электродов).
Честно скажу – я никак не ожидал увидеть коэффициент корреляции 0,96 между амплитудой импульса тока и напряжением, при котором эти импульсы проявляются. Ведь электроды здорово отличаются, и я ожидал увидеть здесь хаос:

6.66 КБ

Оригинально, что амплитуда импульса тока (Im) у каждого электрода осталась практически неизменной, полный заряд (Q) также изменился незначительно, лишь все графики стали «круче». И если по графику Im построить линейный тренд, то в обоих случаях он пересечёт нулевое значение где-то чуть левее напряжения 2,5кВ, что будет означать исчезновение эффекта с импульсами. И это действительно так, потому что уже на электродах, для которых «напряжением импульсов» является 2,6кВ, феномен наблюдается весьма нестабильно.

Следующий график – зависимость максимальной частоты импульсов на том или ином электроде от напряжения, при котором этот максимум наблюдается (за исключением электрода №1, для которого из-за нездоровой ширины «частотной» зависимости я взял напряжение 3,8кВ, которому соответствуют импульсы напряжения нормальной большой амплитуды без появления примеси мелких).
Ещё один неожиданный прикол – в окрестности напряжения 3,7кВ действительно наблюдается нездоровый ажиотаж (цифрами отмечены номера электродов):

3.05 КБ

Итак:

1. На идеальной игле (самый первый вариант, графики с индексом 0) сферическая корона горит хорошо и стабильно начиная где-то с 2,3 кВ даже при малых токах. Если в статье известного автора ток короны начинался с ~3,5кВ, то у него была далеко не идеальная игла на электроде. Остаётся вопрос о материале электрода-анода и форме острия на его конце, включая описание патента РФ №2069869 от 14.02.1992 (датчик всего, что связано с ионизацией воздуха).

2. "Факел" есть только тогда, когда наблюдаются импульсы напряжения (и тока) в цепи электрода. При повышении напряжения (и среднего тока) выше некоторого порога импульсы и "факел" пропадают, и стабильно горит сферическая корона.

3. На электродах с корявым, но острым кончиком (в виде "двухскатной крыши" после бокорезов) "факел" получается ярким в видимом синем диапазоне спектра. Надо заметить, что в этом случае на самой вершине «крыши» среза получается рваный металл.

4. На электродах с кончиком, близким к сферическому, "факел" на снимках едва заметен, но разряды слышны ухом как «треск» – значит, энергия в них приличная. Возможно, спектр излучения уходит в ультрафиолет?
При небольшом радиусе кривизны (кончик швейной иголки) импульсы и факел возникают при напряжении ~3.45 кВ, при большом радиусе кривизны торца (последнее фото) импульсы возникают при более высоком напряжении – 4,23 кВ. И чем тупее конец, тем темнее "факел". При повышении напряжения и исчезновении импульсов сферическое свечение есть независимо от "тупизны" конца, разница только в напряжении.

5. Возникновению импульсов и "факела" способствует диапазон токов порядка 20–100нА. При повышении до сотен нА импульсы пропадают, зажигается стабильное сферическое свечение.

6. В импульсах разряда амплитуда тока на 4 порядка превышает ток стационарной сферической короны, которая может гореть в сопоставимых [по напряжению] условиях на этом же электроде.

7. Не обнаружено жёсткой привязки максимума частоты импульсов к напряжению 3,73 кВ, как изначально у автора публикаций. Есть сильная зависимость от диаметра электрода и формы разрядного конца (правильная/неправильная), но с ограничением «снизу» условий возникновения феномена – ниже 2,5кВ импульсы, скорее всего, наблюдать не получится. Однако, если феномен с импульсами на электроде возникает в районе напряжения 3,7кВ, то частота получается заметно выше, чем у других электродов при других напряжениях.

8. Известный автор упоминает о возникновении сферических плазмоидов диаметром 1-2 мм в моменты наблюдения импульсов (порядка единиц-десятков герц) на центральном электроде. У меня же частота импульсов – сотни герц-килогерцы и наблюдается линейный "факел" длиной 2-4 мм, ориентированный преимущественно вдоль оси электрода и являющийся его продолжением (съёмка проводилась под углом ~30 градусов к оси электрода, поэтому на снимках "факелы" имеют длину 1-2 мм при разрешении снимков около 35 мкм/пкс). И в моём случае "факелы" глазом почти не видны, помогает лишь фотосъёмка с ISO400 и выдержкой 15 сек.

Вопрос по всем пунктам один - почему?
Причём ожидается непротиворечивое и единое объяснение всех пунктов сразу.


Из возможных экспериментов на перспективу есть мысль проверить влияние индуктивности в цепи проволочного электрода на весь процесс, а также проверить, не связано ли положение наблюдаемых могучих импульсов с возможными провалами в токе относительно стабильной сферической короны (с её зажиганием/погасанием).


В качестве приложения добавлю рассмотрение под лупой очень странного импульса, возникающего при минимальном напряжении 2,6кВ на проволочном электроде d=0,15мм с плохой иглой на коце, полученной электрохимическим травлением (в противоположность удачной игле электрода d=0,28мм). Специфика этого электрода в том, что импульсы возникают при сравнительно низком напряжении 2,6кВ, ниже которого феномен с импульсами может вообще не наблюдаться.

Импульс этот имеет «неправильную» форму – мало того, что он «угловатый» с очень крутым фронтом, так его макушка ещё и приплюснута. Нулевое время – это положение синхронизации в осциллографе:

3.64 КБ

На следующем графике по измеренному напряжению для наглядности вычислен ток в параллельной RC-цепи (18пФ 12кОм), красная линия (который является током разрядного импульса на электроде):

4.46 КБ

Наблюдаемый фронт тока развивается примерно за 7нс, как и для импульсов на других электродах при других напряжениях, но это время сопоставимо с быстродействием измерительного тракта – у самого осцилка переходная характеристика 3,5нс, у кабеля (щупа) 1,4нс. Поэтому, чтобы достоверно вычислить фронт тока, нужен более быстрый осцилок, да и более компактная измерительная цепь, чтобы начальная часть импульса тока не убегала мимо щупа осциллографа через паразитную ёмкость тела C3 из-за заградительного эффекта паразитной индуктивности его нижней «ноги»:

3.47 КБ

Но пока я считаю фронт тока идеально резким, а то, что происходит потом (после момента синхронизации при t>0), можно аппроксимировать ступенчатой моделью. На следующем графике до момента времени 80нс – экспоненциальный спад с уровня 490мкА с постоянной времени 6нс плюс «поддержка» 12мкА; после 80нс – экспоненциальный спад с уровня 12мкА с постоянной времени 120нс:

5.17 КБ

Странно всё это выглядит...
Но этот график тока приведён лишь для иллюстрации, а параметры сложной модели тока изначально подбирались для аппроксимации наблюдаемого импульса напряжения, т.к. в этом случае любая ошибка интегрируется со временем и становится лучше видна.
Дальше – графики напряжения. Синий пунктир – измеренное напряжение, красный пунктир – «ручная» аппроксимация с использованием сложной модели тока, зелёный пунктир – простая аппроксимация разностью двух экспонент, как для «правильных» импульсов у более «высоковольтных» электродов:

4.44 КБ

Кроме разницы в «красоте» аппроксимации напряжения, получается также разница в параметрах импульса тока.
Когда напряжение аппроксимируется разностью двух экспонент, ему соответствует простой экспоненциальный импульс тока с параметрами
Im=0,31мА, τ1=11,5нс, Q=3,5пкКл.

Тогда как для сложного импульса тока и хорошей аппроксимации (заряд посчитан с учётом всех «ступеней» и «хвостов»):
Im=0,49мА, τ1=6нс, Q=5,3пкКл

Для сравнения – при численном интегрировании тока, возникающего в резисторе (плюс остаточный заряд в ёмкости в конце осциллограммы) получается близкое значение заряда Q=4,9пкКл.
Tags: Дезен, Инфо
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for members only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 19 comments