Сухоносов В.Я.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И ГИБЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА *
Аннотация:
рассмотрен механизм возникновения скользящих разрядов по поверхности воды в конфигурации электродов острие – поверхность воды. Оценены основные параметры скользящего разряда в рамках гатчинского разряда. Отмечено, что в резко неоднородном электрическом поле при крутом фронте нарастания напряжения в разрядном промежутке скользящий разряд становится многоканальным. В результате этого линейные скользящие разряды формируют двумерную область с образованием плазменного листа
Ключевые слова:
скользящий разряд, ридберговский вещество, самоорганизация, диссипативные структуры, лучистая материя, шаровая молния
DOI 10.24412/2712-8849-2024-978-641-670
УДК 539.1.04
Сухоносов В.Я.
канд. физ.-мат. наук
vysukhonosov@yandex.ru
(г. Обнинск, Россия)
ВОЗНИКНОВЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И
ГИБЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА
Аннотация: рассмотрен механизм возникновения скользящих разрядов по поверхности воды в конфигурации электродов острие – поверхность воды. Оценены основные параметры скользящего разряда в рамках гатчинского разряда. Отмечено, что в резко неоднородном электрическом поле при крутом фронте нарастания напряжения в разрядном промежутке скользящий разряд становится многоканальным. В результате этого линейные скользящие разряды формируют двумерную область с образованием плазменного листа.
Приведены безэлектродные физико – химические реакции водяной плазмы скользящего разряда. В разрядном канале образуются гигантские ридберговские молекулы, которые покидают канал и образуют в атмосфере конденсат в виде аэрозоля. Ридберговский аэрозоль является самоорганизующейся и эволюционирующей системой, в которой возникает феномен структурной самоорганизации, заключающейся в том, что в процессе эволюции возникает последовательность сложных диссипативных структур. Эти структуры представляют собой лучистую материю и являются пятым агрегатным состоянием воды.
Ключевые слова: скользящий разряд, ридберговский вещество, самоорганизация, диссипативные структуры, лучистая материя, шаровая молния.
ВВЕДЕНИЕ.
В зависимости от внешних условий многие вещества способны существовать в трех разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Майкл Фарадей был первым, кто предположил в 1819 году, что вещество может существовать не только в трех состояниях, но и в четвертом состоянии. В 1831 году он наблюдал электрическое свечение разрядов в разреженных газах, которое назвал лучистым состоянием материи (radiant state of matter). Метеоролог и химик Уильям Крукс во второй половине 70-х годов XIX века в экспериментах по газовым разрядам в вакуумных трубках также обнаружил, что внутренность трубки светилась голубоватым светом. У. Крукс полагал, что это свечение является особыми катодными лучами. Свои результаты он опубликовал в статье «Лучистая материя, или четвертое физическое состояние» ("Radiant Matter, or the Fourth Physical State").
Однако фундаментальные открытия В. Рёнтгена и Д.Д. Томсона в конце XIX века были столь революционными, что идея У. Крукса о существовании «лучистой материи» как о четвертом состоянии вещества не нашла поддержки среди исследователей. Однако само предположение, что катодные лучи могут состоять из заряженных атомов газа, часто находило подтверждения в многочисленных экспериментах.
Идея Крукса о «лучистой материи» вновь возникла только в 1909 году в работах Ирвинга Ленгмюра по изучению электрических разрядов в газах и по термоэлектронной эмиссии. Им было обнаружено, что если в разряде степень ионизации газа не слишком мала, то газ приобретает совершенно новые свойства, которыми не обладают обычные газы.
И. Ленгмюр в 1923 г. для ионизированного газа ввел термин "плазма". Классическая плазма представляет собой ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами. Заряженные частицы плазмы взаимодействуют в соответствии с законом Кулона, которое проявляется на больших расстояниях. Именно в этом состоит ключевое отличие плазмы от нейтрального газа. В плазме частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из которых находится в поле как ближних, так и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, как между частицами газа, а коллективное. И. Ленгмюру потребовалось почти тридцать лет, чтобы разработать четкое научное представление о природе плазмы как о четвертом состоянии вещества, но его работы были столь новыми, что нашли признание у научного сообщества только в середине 1950 годов. Можно утверждать, что, например, вода может находиться в следующих четырех состояниях: водяной пар, жидкая вода, лед и водяная плазма.
Одновременно с работами по изучению прохождения электрического тока через разреженный газ в газонаполненной трубке французский физик Гастон Планте с 1855 г. изучал электрические разряды на поверхности воды. Цель его работ заключалась в том, чтобы смоделировать шаровую молнию в лабораторных условиях. Такой эксперимент Г. Планте удалось реализовать в 1875 году. Эксперимент состоял в следующем: сосуд наполнялся слабым водным раствором поваренной соли. В него погружался платиновый электрод, соединённый с минусом батареи. Батарея, заряженная до 4,5 кВ, обеспечивала в воде силу тока разряда в несколько десятков ампер. Сверху плавно опускался другой платиновый электрод, соединённый с плюсом батареи. В момент соприкосновения с поверхностью водного раствора на конце электрода возникал светящийся шарик. При подъеме электрода шарик увеличивался до нескольких сантиметров в диаметре. Этот шарик был очень похож на малую шаровую молнию. Светящаяся сфера находилась в постоянном движении. Затем она угасала, либо прекращала свое существование взрывом. Результаты своего эксперимента Г. Планте изложил в докладе французской Академии наук «Электрические явления в атмосфере» (Comptes rendus de l'Académie, t. LXXX, S. 1133, 3 mai, 1875 année»), который затем был опубликован.
Светящийся объект принципиально отличался от ранее полученных тем, что это был не светящийся искровой разряд в виде узкого цилиндра, а долгоживущее светящееся образование (ДСО) в виде сферы. Современные исследования разряда типа Г. Планте показали, что светящаяся сфера существует, по крайней мере, в течение 1 секунды, даже при отключении батареи. Это означает, что ДСО не может быть плазменным образованием, время жизни которого ~ 1 мс после отключения источника тока. Самым удивительным является то, что по прошествии 149 лет природа ДСО, обнаруженная Г. Планте, неизвестна по настоящее время.
В 1968 году академик Л.В. Келдыш впервые теоретически предсказал, что газ экситонов, которые представляют собой элементарные возбуждения в полупроводнике с водородоподобной структурой (атомы большого радиуса), при достаточной концентрации могут сконденсироваться в электронно-дырочные капли [1].
Идея конденсации плотных возбужденных состояний была применена проф. Э.А. Маныкиным с соавторами к плотному газу ридберговских состояний атомов цезия [2]. Экспериментально было подтверждено, что газ ридберговских атомов цезия действительно при определенной высокой плотности образовывал конденсат из ~ 104 атомов цезия [3]. В работе [4] была выдвинута гипотеза о возможном образовании в воздухе конденсата ридберговских молекул воды, которые имеют диаметр 98 нм и время жизни 58 мкс. Предполагалось также, что этот конденсат является ридберговским веществом (РВ).
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать, что в условиях скользящих разрядов по поверхности воды вблизи их плазменных каналов формируется конденсат сверхвозбужденных молекул воды как конечный результат распада разрядной плазмы. Этот конденсат представляет собой ридберговское вещество, которое излучает ослепительно яркий свет, является лучистой материей и пятым агрегатным состоянием воды.
ФОРМИРОВАНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ РАЗРЯДОВ В КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ «ОСТРИЕ – ПОВЕРХНОСТЬ ВОДЫ». ФИЗИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
Необходимым условием возникновения конденсата сверхвозбужденных молекул является, прежде всего, получение этих молекул в больших концентрациях. Это можно реализовать в скользящих разрядах на поверхности воды. Для этого выбирается конфигурация электродов типа острие - поверхность воды. При подаче постоянного напряжения на такую конфигурацию электродов создаётся резко неоднородное электрическое поле Е с преобладанием нормальной составляющей к поверхности воды. Это позволяет достигать в скользящих разрядах высоких значений Е при умеренных амплитудах высоковольтных импульсов. При этом электроды используются только для подводы энергии, а электрический разряд по сути представляет собой разновидность искрового разряда, разрядные каналы которого стелются по поверхности воды в области раздела: воздух - поверхность воды. Скользящие разряды широко используются в устройствах для обеззараживания и очистки питьевой и сточных вод, а также как источник УФ излучения для дезактивации микроорганизмов в воде [5 - 7].
Высоковольтная электрическая установка включает в себя сосуд с водой и катод в виде проволоки, расположенной на некотором расстоянии от поверхности воды над центром сосуда. В качестве анода использовали латунный диск, который располагался в воде в сосуде. Разряд инициировался с помощью емкостной батареи. Схема сосуда с электродами представлена на рис.1а [7]. Эта установка практически совпадает с установкой Г. Планте.
В 2000 г. была сконструирована модифицированная высоковольтная электрическая установка, разряд в которой был назван гатчинским разрядом [8,9]. В этой установке анод в виде медного кольца погружался в воду, а катод в виде графита с изолирующей кварцевой трубкой также погружался в воду, но небольшая часть трубки выступала над водой, см. рис.1б.
Рисунок 1. Схемы расположения катодов и анодов в сосудах в традиционной установке рис.1а и в модифицированной установке (гатчинский разряд) рис.1б.
Принципиальное отличие установок [7] и [8] состоит в расположении катода: в первом случае катод расположен над поверхностью воды, а во втором случае – выступает из воды.
Дальнейшее рассмотрение механизма разряда будет связано именно с гатчинским разрядом. Для определенности были выбраны следующие исходные данные: сосуд с водой имеет диаметр 15см и высоту 18 см. Толщина слоя воды равна 16 см. Катодом является графитовый стержень диаметром 8 мм. Катод изолирован от воды кварцевой трубкой с внутренним диаметром 8 мм и толщиной стенки – 0,5 мм. Торец катода расположен по уровню поверхности воды в сосуде, а срез трубки находится на 3 мм выше этого уровня. Для улучшения коммутации на катод в кварцевой трубке нанесена капля воды объемом 0,1 мл. Анод в виде медного кольца погружен в воду на дно сосуда.
Электрическая емкость батареи С равна 500 мкф, которая заряжается до начального напряжения, равного 5 кВ. Сосуд с водою характеризуется электрическим сопротивлением R0 и электрической емкостью слоя воды
С0. Электрическое сопротивление слоя воды равно R0 = ≈ 906 Ом, где ρ = 10-4 Ом-1см-1- электропроводимость водопроводной воды, h =16 см – толщина слоя воды, S= 176,63 см2 – площадь сосуда. Электрическая емкость С0 = = 78,32 пф. Удельная электрическая емкость равна Суд = 0,44 10-12 ф/см2.
Зажигание отрицательного коронного разряда. Напряженность электрического поля в конфигурации электродов острие−плоскость можно оценить по формуле [10]:
где U0 – напряжение на разрядном промежутке,
r = 0,5 мм – толщина стенки кварцевой трубки,
d = 3 мм – расстояние, на котором находится срез трубки над поверхностью воды.
На катоде с начальным отрицательным напряжением U0 ~ 5 кВ в воздушном промежутке имеем Е = 31 кВ/см.
Работа выхода электронов для графита равна ~ 4,6 эВ, что близко к значениям работы выхода для металлов (4 - 5 эВ). При отрицательной полярности катода электрическое поле непосредственно у острия приводит к холодной эмиссии электронов с поверхности катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Средние длины свободного пробега λ и энергия ионизации электронов We в различных газовых средах представлены в табл. 1.
Таблица 1. Средние длины свободного пробега λ и энергия электронов We
в различных газовых средах.
|
|
H2 |
N2 |
O2 |
H2O |
|
λ , мкм |
0,63 |
0,33 |
0,36 |
0,23 |
|
We , эВ |
15,9 |
15,6 |
12,1 |
12,7 |
Если на среднем пробеге электронов в направлении электрического поля в воздухе λ= 0,35 мкм электроны приобретает энергию We = eU = eEλ =
13,9 эВ, то их энергии достаточно для ионизации молекул воздуха. Этому соответствует напряженность электрического поля ~ 25 кВ/см. В нашем случае напряженность поля равна Е = 31 кВ/см, следовательно, в сильном неоднородном электрическом поле при атмосферном давлении воздуха зажигается коронный разряд.
Напряжение зажигания разряда равно Uк = = 3,85 кВ,
где k1 = 1,06·10-5 [11]. Нижней границей порогового напряжения коронный разряда является значение потенциала около 3 кВ. Понизить разрядное напряжение Uк можно за счет увеличения удельной поверхностной емкости, т.е. за счет уменьшения толщины слоя воды h. С началом зажигания в воздушном промежутке коронного разряда в разрядной цепи наблюдается появление тока величиной порядка 10-6 А с длительностью импульса короче 10-7 с.
В экспериментах коронный разряд наблюдают визуально в виде прерывистого голубоватого свечения на трубке катода. Специфика этого коронного разряда состоит в том, что конфигурация электродов типа «острие - плоскость» позволяет разделить момент зажигания коронного разряда и момент возникновения искрового пробоя. Коронный разряд становится предшественником искрового разряда.
С ростом напряжения на разрядном промежутке и при малых расстояниях катод – поверхность воды порядка ~ 1 – 3 мм чехол коронного разряда достигает поверхности воды, разряд становится неустойчивым и легко переходит из коронного в искровой разряд с лидерным механизмом развития вдоль поверхности воды в виде скользящих разрядов [6]. Лидеры исходят из ярко светящейся области около катода.
Формирование скользящих разрядов с лидерным механизмом развития. Длина разряда. Оценочное разрядное напряжение скользящего разряда по поверхности воды равно [12]:
UСР = k , кВ
где k = 0,81 для системы электродов с преобладанием нормальной составляющей электрического поля, ε = 80 – относительная диэлектрическая проницаемость воды, d = 0,3 см – длина воздушного разрядного промежутка.
Численное значение UСР равно 0,31 кВ. Это значит, что в системе электродов с преобладающей нормальной составляющей электрического поля, скользящие разряды очень легко возникают на поверхности воды. Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина скользящего разряда
где a – коэффициент, определяемый опытным путем, U =5 кВ – максимальная амплитуда напряжения на катоде, dU/dt - скорость нарастания напряжения на катоде, кВmах/мкс. При постоянном напряжении, когда dU/dt=0, развитие скользящих разрядов затруднено, и удельная поверхностная емкость перестает играть решающую роль. В этом случае UСР практически не зависит от толщины слоя воды h. Увеличение слоя воды приводит к уменьшению длины канала разряда, что позволяет реализовать незавершенный разряд. Лидерно — стримерные разряды возникают на поверхности воды около трубки катода через t ~ 0,5 мс. К этому моменту времени максимальная длина лидера может иметь длину ~ 7 см и даже достигать стенок сосуда. Длинные скользящие разряды с лидерным механизмом развития реализуются также в молниевых разрядах в атмосфере [13].
Многоканальная форма незавершенного скользящего разряда. Плазменный лист. В случае формирования незавершенного скользящего разряда при большой скорости роста приложенного напряжения dUп/dt возникает большая область непрерывного ускорения электронов, в которой
Е ≥ 105 В/см. Если скорость роста напряжения становится dUп/dt ≥ 1012 В/с, то в этой области инициируются множественные поверхностные разряды в виде четко локализованной нитевидной структуры [14]. Обычно на поверхности воды начинают развиваться 3 – 6 скользящих разрядов с лидерным механизмом развития.
В результате многоканальности скользящие разряды представляет собой двумерную область [7] вокруг катода. Формирование двумерной области разрядов является фундаментальным свойством скользящих разрядов в резко неоднородном электрическом поле на границе раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостью и с преобладанием нормальной составляющей электрического поля к поверхности воды. Особенностью скользящего разряда является возможность быстрой конверсии энергии разряда в энергию плазмы. Распределенный поверхностный энерговклад осуществляется в приповерхностную область большой площади. В результате этого появляется возможность получения достаточно однородных тонких плазменных двумерных листов большой площади.
Модель разрядного канала как элемента R(t)С – цепи. Электрический ток протекает от отрицательного полюса батареи с электрической емкостью С к катоду через разрядный промежуток ионизационного воздуха к поверхности слоя воды, которая представляет собой заземленный анод. Эта электрическая цепь представляет собой R(t) C – цепь, через которую происходит заряжение слоя воды. Временная зависимость электрического сопротивления разрядной среды R(t) отражает процесс развития скользящего разряда по поверхности воды. Было установлено, что при развитии разряда экспоненциальный спад тока и напряжения в цепи не имеет места. Разряд формирует линейно падающий характер тока в цепи i (t) = i0 (1- t/τ) , где τ – время релаксации [6]. Для облегчения коммутации разряда в слой воды обычно добавляют хлористый натрий. При этом сопротивление слоя воды уменьшается от 906 Ом до 200 Ом.
Из 2-ого закона Кирхгофа и закона Ома можно определить сопротивление разрядного канала R(t) из следующей задачи:
UC (t) + UR (t) = 0
UR (t) = i R(t)
i (t) = i0 (1- t/τ)
R(0) = Rпк ,
где Rпк – начальное сопротивление плазменного канала. Заряд на конденсаторе равен Q (t) = , а UC (t) = . После преобразований имеем:
R(0) = Rпк
При условии, что t << τ получим решение:
R(t) = Rпк - .
Основной вывод данного рассмотрения состоит в том, что электрическое сопротивление разрядной цепи R(t) имеет слабую зависимость от времени. В начальные моменты времени ток в цепи ограничен только сопротивлением плазменного канала Rпк.
Скорость разряда емкостной батареи характеризуется временем релаксации, равным τ =R0С = 100 мс. Из экспериментальных данных следует, что начальное сопротивление плазменного канала Rпк на порядок меньше, чем R0 и равно Rпк = 20 Ом. Скользящий разряд по поверхности воды формируется за время 0,5 мс, которое будем считать временем отсчета протекания тока в цепи.
Тогда начальный ток равен i0 = U0/ Rпк = 250 А. Начальный заряд батареи равен Q0 = CU0. Напряжение на батареи за время t1 = 5 мс станет равным U1 = = 2,5 кВ. Ток в разрядной цепи равен i1 = U1 / Rпк = 125 А, который затем линейно уменьшается со временем i (t) = i1 (1- t/τ).
Как видно из табл.2, в начальный момент имеет место резкий всплеск тока с амплитудой 250 А, который обусловлен образованием на поверхности воды разрядного плазменного канала. Этому току соответствует большое падение напряжения на батареи. Затем ток разряда убывает по линейному закону.
Таблица 2. Временная зависимость тока скользящего разряда в воде.
|
t, мс |
0,5 |
5 |
20 |
40 |
60 |
80 |
95 |
|
i, А |
250 |
125 |
100 |
75 |
50 |
25 |
2,5 |
При больших временах t > τ ток в цепи связан с электрической зарядкой водного слоя емкостью С0 = 78,32 пф. Будем считать, что емкость С0 пропорциональна длине скользящего разряда L(t), тогда емкость слоя воды также зависит от времени С0(t). Ток в цепи I равен:
I =
Если распространение скользящего разряда остановилось, то его длина, а следовательно, и емкость слоя воды не изменяется . Тогда ток в цепи I будет равен току смещения I = Iсмещ = . Следовательно, при больших временах ток в цепи обусловлен зарядкой водного слоя и ограничен током смещения.
Волна ионизации при своем движении заряжает распределенную емкость водного слоя (плазменный канал – заземленный анод) при замыкании тока через ток смещения. Вследствие этого, волна ионизации существенно замедляется. Средняя скорость распространения разряда равна v = L/tимп.
Как показывают многочисленные эксперименты, скользящие поверхностные разряды имеют скорость порядка v ~ ~ 140 м/с и являются низкоскоростными. Считаем, что длительность физической стадии развития разряда равна 0,5 мс.
ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА И РИДБЕРГОВСКОГО АЭРОЗОЛЯ. ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
Низкотемпературная плазма скользящего разряда. Одним из чрезвычайно важных свойств скользящего по поверхности воды разряда является возможность генерации плазмы в безэлектродных реакциях. Электроды катод и анод используются только для возбуждения скользящего разряда и не принимают непосредственного участия в физико-химических реакциях. По своей сути эти безэлектродные реакции являются электрохимическими реакциями.
Другим важным свойством является возможность создания тонкого плазменного слоя («плазменного листа») большой площади за счет формирования многоканального разряда. Механизм образования плазменного канала очень сложен и связан с большим числом физико-химических реакций. Поэтому, рассмотрим физико-химическую стадию только в общих чертах. Все реакции, протекающие в плазменном канале, можно разделить на первичные, вторичные и третичные.
Первичные реакции:
Н2О + e- → Н2О+ + 2e- (1)
Н2О + e- → Н2О* + e- (2)
Н2О* → Н + ОН (3)
Н2О* → Н2 + О (4)
Н2О + e- → Н2О** + e- (5)
e- → (6)
Н2О+ + Н2О → Н3О+ + ОН (7)
Н2О+ + → Н2О* (8)
Н2О+ + → Н2О* → H* + OH, (9)
либо → Н2О* → H + OH* (10)
Вторичные реакции:
ОН + ОН → Н2О2 (11)
Н + ОН → Н2О (12)
Н + Н → Н2 (13)
Третичные реакции:
ОН + Н2 → Н2О + Н (14)
H + O2 → OH + O (15)
H + O2 → HO2 (16)
O + H2 → OH + H (17)
2H2 + O2 → 2H2O (18)
ОН + Н2О2 → HO2 + Н2О (19)
HO2 + Н2О2 → OH + O2 +Н2О (20)
HO2 + HO2 → Н2О2 + O2 (21)
В результате первичных реакций создается область ионизационных и возбужденных состояний, и формируется разрядный плазменный канал. Энергия ионизации Iион в жидкой воде равна 8,76 эВ, что значительно ниже, чем Iион = 12,56 эВ в водяном паре. Поэтому, в жидкой воде эффективно протекают процессы ионизации в реакции (1), которые значительно превышают число возбужденных состояний, образующихся в реакции (2). Электронно-возбужденные состояния Н2О* имеют время жизни ~ 10-12 с, а затем распадаются в соответствие с реакциями (3) – (4). Наряду с образованием возбужденных состояний Н2О*, в канале образуются также сверхвозбужденные состояния (ридберговские) Н2О** в реакции (5). Это гигантские ридберговские молекулы с диаметром, равным 98 нм, и с временем жизни ~ 58 мкс [4]. Гатчинский разряд позволяет создавать очень высокую плотность таких возбужденных состояний. Электроны ионизации гидратируются в реакции (6).
Возбужденные состояния образуются также в результате рекомбинации в реакции (8), которые затем распадаются в результате процессов диссоциации в реакциях (9) - (10). Ионы Н2О+, , атомы H, О, и радикалы OH образуют низкотемпературную плазму.
Во вторичных реакциях (11) - (13) протекает гибель радикалов ОН и атомов Н с образованием молекулярных продуктов: перекиси водорода Н2О2 и молекулярного водорода Н2. В третичных реакциях (14) - (21) протекает гибель молекулярных продуктов, включая растворимый в воде кислород.
Возбужденные частицы канала переходят в основные состояния, что вызывает свечение разрядной плазмы. Многие физико-химические реакции являются экзотермическими. Поэтому, в плазменном канале возникает резкий скачок давления и возбуждается ударная волна. На больших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую, которая воспринимается как хлопок.
В результате реакции (8) происходит распад плазмы скользящих разрядов. Плотность зарядов в плазме уменьшается с течением времени по закону [15]:
,
где β – коэффициент электрон – ионной рекомбинации. Решение этого уравнения имеет вид ne = . В разрядном канале ионы рекомбинируют за время 10-11 - 10-10 сек. С учетом диффузии ионов при больших t имеет место равенство ne = , которое позволяет оценить время распада плазмы ~ 10-3 с .
Специфика плазменного канала скользящих разрядов состоит в том, что в канале протекают относительно большие токи ~ 200 – 20 А. Поэтому, в объеме канала создаются высокие плотности активных частиц, что ведет к большой вероятности гибели частиц при взаимодействии друг с другом. После прекращения протекания тока в разрядном канале, канал быстро охлаждается и происходит распад разрядной плазмы за ~1 мс.
Образование конденсата ридберговских молекул воды. Гигантские ридберговские молекулы Н2О**, имеющие диаметр 98 нм и время жизни 58 мкс, будут покидать разрядный плазменный канал в виде потока пара с нарастающей концентрацией. Ридберговские молекулы обладают большой поверхностью по сравнению с молекулами воды и имеют тенденцию к конденсации с образованием частичек конденсированного вещества (ридберговского вещества) в виде светящихся шариков.
Пар ридберговских молекул, как и пар обычной воды, представляет собой бесцветный газ. Плазменный канал всегда имеет более высокую температуру по сравнению с окружающим воздухом из – за протекания экзотермических реакций внутри канала. Поэтому, в какой-то момент пар ридберговских молекул воды становится насыщенным и при дальнейшем охлаждении начинает конденсироваться, образуя частицы аэрозоля [H2O**]n. В эксперименте над разрядными каналами возникает туман в виде белого облачка.
В кварцевой трубке катода образуется тонкая упругая и эластичная пленка с высокой механической прочностью из – за высокого поверхностного натяжения и сильных водородных связей [16,17]. Поднимающаяся вверх пленка с большим запасом поверхностной энергии самопроизвольно стремится минимизировать свою энергию в соответствие с изменением энергии Гиббса: ΔG ≤ -SdT + Vdp, где S – энтропия, T и p – соответственно температура среды и давление. В результате эволюции пленка «выдувается» в сфероид подобно мыльному пузырю. В процессе формирования оболочки сфероида внутрь его захватываются частицы аэрозоля [H2O**]n и компоненты воздуха: N2, O2, Ar, H2O. Таким образом, сфероид имеет структуру типа оболочка – ядро и представляет собой ослепительно светящуюся материю, которая не является плазмой. Следует отметить, что в природе структуру типа оболочка – ядро имеют вирусы [18].
С течением времени частицы аэрозоля [H2O**]n внутри оболочки излучают свет с образованием пара воды:
[H2O**]n → [H2O**]m + k + kH2O (пар) .
В конце жизни сфероида внутри оболочки образуется большое количество пара воды, который становится насыщенным. По мере подъема сфероида происходит его охлаждение, и пар воды конденсируется: kH2O → [H2O]k. Таким образом, ядро сфероида содержит частицы аэрозоля [H2O**]m ридберговских молекул и частицы аэрозоля [H2O]k молекул воды. В работе [19] было установлено, что при прохождении лазерного луча через ДСО наблюдалось рассеяние лазерного излучения на аэрозольных частицах разного размера. Был сделан вывод о том, что внутренность ДСО заполнена водным аэрозолем из двух фракций: одна фракция имеет частицы со средним диаметром 460 мкм, а другая – 19 мкм. По нашему мнению частицы первой фракция являются частицами аэрозоля ридберговских молекул [H2O**]m. Большую разницу в диаметрах частиц разных фракций можно объяснить большим отношением поверхности ридберговской молекулы Sр к поверхности молекулы воды Sв, которое равно Sр / Sв = (dp/dв)2 = (98/0,3)2 ~ 105. Вторую фракцию со средним диаметром 19 мкм представляют частицы аэрозоля [H2O]k молекул воды.
Частицы аэрозоля ридберговских молекул со средним диаметром 460 мкм являются довольно крупными частицами. Их диаметры сопоставимы с частицами порошка кофе или с крупными частицами песка, диаметры которых равны ~ 400 мкм. Человеческий глаз способен разглядеть частицы размером 40 микрон, поэтому такие частицы можно наблюдать в эксперименте при разрыве оболочки сфероида. Скорость осаждения таких частиц равна 0,5 м/с.
СТАДИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ РИДБЕРГОВСКОГО АЭРОЗОЛЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР.
При достаточно большой концентрации частиц ридберговский аэрозоль под действием сил поверхностного натяжения имеет тенденцию к самоорганизации с образованием ряда диссипативных структур, которые последовательно переходят в новые устойчивые структуры. Механизм самоорганизации связан с кооперативным взаимодействием частиц аэрозоля, обусловленный поверхностным натяжением и приводящий к синхронизации внутренних процессов и их когерентному поведению. Необходимым условием самоорганизации с возникновением структур является наличие в системе неустойчивых состояний. Тогда при возникновении в системе спонтанных флуктуаций рождаются новые пространственные структуры. Инициирующим стимулом самоорганизации является стремление аэрозоля к минимизации его поверхности. Управляющим параметром самоорганизации является концентрация ридберговских молекул.
Известно небольшое количество физических систем, в которых имеют место процессы самоорганизации. В гидродинамических системах при подогревании жидкости снизу возникает конвективное движение жидкости. В неравновесном состоянии миллионы молекул двигаются согласовано и образуют ячейки Бенара в форме правильных шестиугольников. Источником порядка становится тепловой поток.
Самоорганизация возникает также в химических системах. При определенных неравновесных условиях реакция Белоусова – Жаботинского демонстрирует колебательный режим. В некоторый момент времени при комнатной температуре вся химическая система внезапно окрашивается в голубой цвет, через несколько минут голубой цвет сменяется красным. Затем красный цвет сменяется голубым.
Процессы самоорганизации имеют место и в молекулярном аэрозоле.
Уникальность самоорганизации аэрозоля ридберговских молекул воды заключается в том, что образуется не одна диссипативная структура, а целый ряд устойчивых структур, которые последовательно переходят из одной структуры в другую. Поэтому, изучение самоорганизации ридберговского аэрозоля будет плодотворным для исследования самоорганизующих структур.
Цилиндрическая структура (струя). На начальной стадии вокруг катода к моменту времени 10 мс образуется воздушный аэрозоль ридберговских молекул. Цилиндрическая структура формируется, если концентрация частиц аэрозоля недостаточна для образования пленки на поверхности воды внутри кварцевой трубки катода. Взаимодействие между частицами отсутствует. Поверхностное натяжение частиц также отсутствует. При подходящем подборе параметров электрического разряда в эксперименте [8] удавалось наблюдалась цилиндрическую структуру (струю). Это тривиальная структура, представляющая собой поток невзаимодействующих частиц аэрозоля. Струя, помещенная в горизонтальное электрическое поле конденсатора, должна отклоняться от вертикального направления. С ростом напряженности электрического поля время жизни струи будет резко уменьшаться из - за автоионизации ридберговских молекул H2O** → H2O+ + e-.
Купольная структура. С увеличением начальной концентрации частиц аэрозоля между частицами возникнет коллективное взаимодействие, обусловленное поверхностным натяжением. Через несколько миллисекунд после формирования разрядных лидеров на поверхности воды из ридберговских молекул в трубчатом катоде формируется пленка. На эксперименте она визуализируется в виде святящегося выпуклого пятна [20]. Одновременно вокруг катода образуется водяной аэрозоль из ридберговских молекул. В эксперименте уже через 20 мс лидерные каналы визуально плохо видны из –за ридберговского тумана.
К моменту времени 12 — 60 мс происходит подъем пленки, которая деформируется с образованием купольной структуры. Форма купола образуется благодаря тому, что частицы аэрозоля из-за нарастания поверхностного натяжения самопроизвольно стремятся образовать выпуклую снаружи структуру, близкую к форме тела вращения, и представляющую собой сегмент сферы (полусферы). Причем, чем больше частиц вовлечены в построение структуры, тем ближе она приближается по форме к полусфере.
Таким образом, эволюция ДСО должна представлять собой ряд структур сферических поверхностей. Ранее было показано, что сферическая поверхность пленки состоит из элементарных ячеек шести и пятиугольников [17].
Грибовидная структура. С течением времени купол разрастается в атмосферном воздухе в радиальном направлении с увеличением длины пленки, скрывая свечение разрядных лидеров. При этом частицы пленки взаимодействует с частицами аэрозоля, и ко времени 80 мс образовавшаяся структура представляет собой купол со столбом аэрозольных частиц в виде грибовидной формы. Грибовидная структура возникает в результате того, что поверхностное натяжение между частицами еще недостаточно сильное. Принципиально важно, что грибовидная структура формируются в неавтономной фазе, когда имеется связь с разрядом емкостной батареи. Экспериментально можно установить, что свечение периферии этой структуры, находящейся на расстоянии в несколько сантиметров от катода, не зависит от параметров разряда. Это служит доказательством того, что структура состоит из возбужденных молекул воды и не связана с частицами разрядной плазмы.
Номер журнала Вестник науки №9 (78) том 3
Ссылка для цитирования:
Сухоносов В.Я. ВОЗНИКНОВЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И ГИБЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА // Вестник науки №9 (78) том 3. С. 641 - 670. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/17349 (дата обращения: 19.07.2025 г.)
Вестник науки © 2024. 16+