Плазма в искровом промежутке-2
Очередной мега-текст.
Эксперименты в продолжение поста « Плазма в искровом промежутке».
В исходной статье Р.Ф.Авраменко «Исследования возможности получения энергии в электрической цепи, содержащей плазменный элемент. Материалы научно-технического отчета. М.: НИИРП, 1998» эксперимент с искровым разрядником описан так:
Экспериментальные исследования
Для исследования количественных характеристик связи плазменного элемента цепи и окружающей среды в данной работе был выбран вариант электрической цепи на основе несимметричной линии (элемента с распределенными параметрами) длиной ~λ/2 для частот ~50 МГц.
Линия с волновым сопротивлением Zл=300 Ом (100 Ом) была выполнена в виде либо медного круглого провода диаметром ~4 мм, расположенного на расстоянии ~5 см над проводящей поверхностью из фольгированного стеклотекстолита ~160см×70см (для Zл=300 Ом), либо в виде ленты из фольгированного текстолита толщиной ~1 мм и шириной 13 мм, расположенной на высоте ~13 мм над проводящей поверхностью. Конструкция линии позволяла изменять ее геометрическую длину lл во время экспериментов. Для удобства во многих экспериментах линия имела геометрию тромбона.
Схема подключения к линии плазменного элемента «П», «короткозамыкающего» конденсатора С0, служившего основным источником энергии для процессов возникновения разряда и поддержания его в течение нескольких циклов «частоты накачки» fн=1/[2π√(Lл(С0+Сл))] (Lл, Сл - интегральные индуктивность и емкость линии), изображена на рис.3.
Полуволновая линия была выбрана на основе теоретических предпосылок о низком внутреннем импедансе плазмы. Для полуволнового резонанса второй конец линии нагружался на конденсатор C0, импеданс которого на ожидаемых частотах также обеспечивает режим «короткого замыкания» линии.
Для регистрации процессов в схеме использовались емкостные и индуктивные датчики, причем индуктивный датчик подключался к несимметричному кабелю (ρ=50 Ом) с помощью широкополосного симметрирующего трансформатора, аналогичного используемому в приемных антеннах телевизионных устройств.
Периодический заряд C0+Сл производился от регулируемого источника высокого напряжения (U0=0...12 кВ) через резистор 1 МОм. Периодический «пробой» промежутка в разряднике «П» создавал в цепи питания пилообразные импульсы зарядного тока с частотой 0...5 кГц при амплитуде напряжения, соответствующей пробою 0.5...4 кВ в зависимости от зазора в разряднике.
Разрядник «П» - воздушный, состоял из одного или нескольких последовательно соединенных разрядных промежутков между электродами специальной формы. Основной материал электродов - медь, зазор между электродами 0.1... 1 мм.
Специальная форма электродов обеспечивала непрерывное (от пробоя к пробою) перемещение электродных пятен, что важно для поддержания максимальной амплитуды изучаемых плазменных колебаний.
[...]
При экспериментах, связанных с отбором мощности в нагрузку (лампу накаливания), использовался в качестве базового специальный индуктивно-емкостной датчик, сконструированный таким образом, чтобы на нагрузке не выделялась мощность затухающих колебаний накачки (классический колебательный разряд конденсатора C0 и емкости линии Cл при замыкании разрядного промежутка плазмой с падением напряжения не ниже 20 В). Конструкция датчика поясняется на рис.4.
Геометрическая длина lД (рис.4) могла варьироваться и, в оптимуме, совместно с длиной петли связи, составляла ~λ/4. Оптимум регистрировался по максимуму мощности (свечению) лампы и одновременно по максимуму амплитуды сигнала на осциллографе (при данной его длительности). Длина lП петли связи (рис.4) составляла ~15 см, так что датчик отбирал из линии только малую часть мощности (слабая связь).
Мне придётся немного модифицировать схему измерений.
Во-первых, у меня нет полутораметрового куска фольгированного стеклотекстолита, чтобы сделать 3-метровую воздушную длинную линию, поэтому я решил для начала воспользоваться кабелем. Чтобы далеко не ходить, несимметричная линия была сделана из кабеля вроде ПВС 3x0,75 (трёхжильный - две фазы и заземление), который уже немолодой и видел ещё социализм в странах СЭВ. Сочетание «плохого» диэлектрика (ПВХ) и окисленной поверхности меди в жилах кабеля обеспечивают сравнительно большое затухание в диапазоне 50-100 МГц, что позволяет во времени раздельно наблюдать процессы различного происхождения.
Во-вторых, внутрь кабеля так просто не влезешь датчиком-петлёй, поэтому я решил наблюдать процессы на конце длинной линии со стороны дуги - напряжение на ёмкостном делителе и ток в шунте. Схема получается примерно такой:
Рисунок 1
В первом варианте измерительные цепи были вольно-длинными:
Рисунок 2
Но паразитная индуктивность в измеряемой цепи («красные» провода разрядника плюс шунт) составила 60-70 нГн, а это много - паразитный импеданс индуктивности на 50 МГц составляет 20 Ом и портит картину напряжения на дуге с сопротивлением ~2 Ом. Хуже того - когда я взял осциллок пошустрее, то проявившийся «забор» из колебаний 240 и 290 МГц заслонил всю осциллограмму, потому что последовательный резонанс ёмкости делителя напряжения (5 пФ) и паразитной индуктивности попал на этот диапазон.
Пришлось всё переделать и миниатюризовать - провода укорочены, ноги у кондёров ёмкостного делителя тоже укорочены до предела, а обкладки «средней точки» ориентированы вниз, чтобы минимизировать паразитную ёмкость на верхнюю «горячую» часть схемы. В качестве шунта взяты 3 smd-резистора 5,1 Ом в параллель, составленные трехгранником (на фото ниже они коричневые в центре). Резисторы странного размера - такой же ширины, как 2512 (3,2 мм), но короче и почти квадратные. Вынуты из платы 5-дюймового винчестера 90 года выпуска, и даже как-то выдерживают импульсный ток более 60 А О_о
«Синий» конденсатор (5 пФ) при толщине керамического диска 1,5 мм выдерживает импульсы 2 кВ, но, честно говоря, было стрёмно подключать осцилок - это низковольтный кондёр, и у него может произойти пробой по поверхности. Хотя, если бы в момент разряда сгорел шунт, то щупам и осцилку тоже мало бы не показалось.
Рисунок 3
Теперь о том, что же следует искать. В оригинале статьи сказано:
Выполненные эксперименты включали две серии. В первой изучался спектр плазменных колебаний, поддерживаемых током накачки (колебательным процессом разряда с периодом τр=2π√(Lл (С0+Сл)). Варьируя длину линии, определялся максимум регистрируемой амплитуды колебаний на частотах диапазона порядка 50 МГц, предсказываемых теорией.
Эксперимент показал, что действительно имеет место общий резонанс в области предсказанных частот. Изучение более тонкой частотной структуры резонанса показало наличие биений двух близких частот, которые можно отождествить с двумя теоретическими 47.5 и 49.5 МГц.
Варьирование величиной емкости C0 показало, что амплитуда плазменных колебаний имеет два максимума: при значениях C01=390 пФ и C02=440 пФ.
Второе значение C02=440 пФ близко к теоретическому оптимуму для одной из мод колебаний Бозе-конденсата. Первое значение может быть определено из теории с учетом предсказываемого теорией отрицательного емкостного импеданса связи плазмы и окружающей среды.
Типичные осциллограммы колебательного разряда (накачка + плазменные колебания) и выделенных датчиком чисто плазменных колебаний приведены на фото рис.5.
Как видно из осциллограмм, амплитуда плазменных колебаний не зависит от тока накачки и практически постоянна вплоть до момента погасания разряда.
Во второй серии экспериментов осуществлялась демонстрация возможности отвода мощности от плазменных колебаний в низкоомную активную нагрузку - лампу накаливания. Использовались различные лампы накаливания, от миниатюрных типа СМ-15 (~0.5 Вт) до автомобильных 5...10 Вт, 12 В.
Как показано на схеме рис.4, при подключении лампы (СМ-15) на расстоянии ~λ/4 от петли связи датчика, на ней выделялась наибольшая мощность. Светимость лампы контролировалась люксметром. Подключение осциллографа параллельно лампе позволяло контролировать процесс и подтвердить, что лампа горит исключительно от мощности плазменных колебаний.
[...]
Проведенные эксперименты, таким образом, показали существование высокочастотных плазменных колебаний в узком частотном диапазоне (±5 МГц) в районе центральной частоты ~50 МГц, подтвердили теоретически предсказанную оптимальную величину емкости C0, закорачивающую полуволновую линию. Было выявлено, что элемент "П" в первом приближении эквивалентен генератору ЭДС с малым внутренним комплексным импедансом.
Ну и хорошо - ток и напряжение я вижу на конце линии, а ВЧ-нагрузка обеспечивается большим затуханием в самой линии.
Осциллограмма первого разряда на чистых медных электродах с конденсатором C0=360 пФ на другом конце линии выглядит так красиво (красный - сигнал с делителя напряжения, жёлтый - сигнал с шунта, и экран осцилка малость обрезан справа):
Рисунок 4
Когда происходит пробой разрядника, дуга закорачивает заряженную длинную линию, и ток разряда (КЗ) ограничен волновым сопротивлением линии.
По измерениям на низкой частоте (10 кГц) индуктивность кабеля составляет 0.9 мкГн, ёмкость 190 пФ, тогда волновое сопротивление
Zл = sqrt(L/C) = sqrt(0.9мкГн/190пФ) = 69 Ом.
На осциллограмме видно, что скачок напряжения составляет 2100 В, ток разряда 30 А, что говорит о том же волновом сопротивлении линии 2100/30=70 Ом (здесь и далее на графиках ток и напряжение пересчитаны в реальные значения с учётом делителя напряжения и шунта):
Рисунок 5
«Зубчатая» форма тока в первом полупериоде вызвана тем, что фронт волны тока за 10 нс проходит по длинной линии до конденсатора, отражается от него и ещё через 10 нс возвращается к дуге (в сумме 20 нс), и ток в ней скачком повышается в 2 раза чуть выше 60 А. Дуга - это КЗ, фронт волны отражается от неё, проходит по линии туда-обратно и через 20 нс снова возвращается к дуге, и так далее с постепенным затуханием:
Рисунок 6
Ещё есть вопросы к напряжению на осциллограмме - оно явно искажено паразитной индуктивностью. Можно проанализировать один из «красивых» периодов колебаний, например 180-290 нс:
Рисунок 7
Здесь период 110 нс, фазовый сдвиг по первой гармонике между током и напряжением 29º, импеданс по первой гармонике 2,7 Ом, последовательная индуктивность получается 23 нГн.
Если для контроля просто замкнуть разрядник и запитать кабель от генератора, то на частоте 20 МГц паразитная индуктивность разрядника получится 26 нГн, на частоте 40 МГц - 20 нГн, так что с этой величиной я в общем прав.
Рисунок 8
Чтобы увидеть напряжение на дуге, надо из измеренного напряжения вычесть падение на паразитной индуктивности, которое можно вычислить через производную тока, которая считалась как уклон по трём отсчётам (дискретизация сигнала 1 ГГц).
Красный график - ток, зелёный - измеренное напряжение минус шунт (т.е. дуга плюс паразитная индуктивность), синий - напряжение на дуге за вычетом паразитной индуктивности:
Рисунок 9
Поведение дуги тут можно «на скорую руку» описать двуханодным стабилитроном с напряжением 40 В и сопротивлением 1 Ом.
Но так «чисто» дуга горит только на чистой меди.
А со временем (после 50-100 разрядов) на поверхностях электродов формируется тёмное пятно вроде такого (на фото несколько пятен, потому что в нескольких экспериментах электроды изгибались, чтобы разряд происходил в новом месте):
Рисунок 10
Разряд на таких пятнах горит нестабильно, и после переходов тока через ноль дуга перезажигается заново с формированием импульсов напряжения со стороны длинной линии.
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 11
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 12
Удивляет, что при атмосферном давлении дуге для погасания достаточно паузы в несколько наносекунд при переходе тока через ноль. Для сравнения, в лампах дневного света на остывание плазмы и погасание дуги требуются микросекунды - видимо, из-за несопоставимо меньшего давления и горячих катодов.
«Хвосты» напряжения после погасания дуги на двух последних графиках - явление закономерное, потому что дуга размыкает колебательный контур, в котором ещё есть некоторая энергия. В основном это энергия конденсатора, плюс бегающий туда-сюда фронт волны в длинной линии. В итоге после окончательного размыкания линии (со стороны дуги) она сначала становится четвертьволновым резонатором и в напряжении возникают колебания 25 МГц, а после их затухания на емкости конденсатора и линии остаётся постоянная составляющая напряжения:
Рисунок 13
В общих чертах процесс ясен. Теперь - ток.
Чтобы его повнимательнее рассмотреть и отделить «мух от котлет», можно выполнить «низкочастотную» аппроксимацию затухающих колебаний тока вида i(t)=Im•exp(-t/τ)•sin(ωt+φ0) и вычислить разность между гладкой аппроксимацией и «кривым» измеренным током.
Параметры аппроксимирующей функции вычислялись без первого полупериода, в котором есть несколько резких скачкой тока. В таблице ниже - параметры аппроксимации (начальная фаза φ0 не приводится, но она не превышает нескольких градусов):
Состояние
разрядника Ёмкость
конденсатора,
пФНачальная
амплитуда
Im, А Частота
колебаний
f=ω/2π, МГц Постоянная
времени затухания
τ, нсчистая медь360719,20160медь с пятном360709,04206медь с пятном460778,09206
На графиках ниже красным показан измеренный ток I, синим пунктиром - аппроксимация затухающего синуса Iнч, чёрным - разница Iвч=I-Iнч.
Первый разряд на чистой меди, C0=360 пФ (на чёрном графике видно, что стоячая волна, порождаемая в линии фронтом тока в начале разряда, затухает к моменту 150-200 нс):
Рисунок 14
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ (до момента 120 нс видны такие же колебания затухающей стоячей волны, но затем перезажигания дуги возбуждают новые стоячие волны в длинной линии, и колебания тока на чёрном графике поддерживаются до полного погасания дуги):
Рисунок 15
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ (похожая ситуация с перезажиганием дуги и поддержанием колебаний тока, но нестабильность в горении дуги проявляется позже около 250 нс):
Рисунок 16
После этого можно делать спектральный анализ тока.
Для добавления «красивости» спектрам и повышения разрешающей способности Фурье-преобразования наблюдаемые фрагменты колебаний тока (400-450 отсчётов) были дополнены нулями справа и слева до 213 отсчётов. Окно получается прямоугольным, что порождает в спектре вокруг реальных максимумов множество боковых лепестков (Hamming было бы красивее, но не в этой жизни).
Спектр тока разряда на чистой меди, C0=360 пФ (первый максимум 9,1 МГц на частоте колебаний конденсатора и длинной линии, остальные кратны 50 МГц, колебаниям λ/2 линии):
Рисунок 17
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=360 пФ (добавились боковые лепестки вокруг частот, кратных 50 МГц, из-за беспорядка при нестабильном горении дуги):
Рисунок 18
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 19
Если вспомнить, что на «грязной» меди дуга переходит в нестабильное горение начиная с времени 160 нс при C0=360 пФ и 180 нс при C0=460 пФ, то разумно сравнить спектры «до» и «после».
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=360 пФ (красный Si1 - для фрагмента до 165 нс, синий Si2 - для фрагмента после 165 нс):
Рисунок 20
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=460 пФ (красный Si1 - для фрагмента до 180 нс, синий Si2 - для фрагмента после 180 нс):
Рисунок 21
Получается вполне логично, что в первой половине колебаний есть максимум около 50 МГц, обусловленный длинной линией как полуволновым резонатором. Во второй половине колебаний с нестабильной дугой моменты её «перезажигания» происходят при переходах через ноль тока «больших» колебаний, и новые фронты волны в длинной линии, порождаемые зажиганием дуги, синхронизируются с «большими» колебаниями. Частота максимума 50 МГц «сползает» в первом случае (360 пФ) до 44,4 МГц и становится пятой гармоникой больших «низкочастотных» колебаний, а во втором случае (460 пФ) до 47,8 МГц и становится шестой гармоникой «низкочастотных» колебаний конденсатора и линии.
На «синих» спектрах частота оказывается меньше 50 МГц потому, что при перезажигании дуги при переходах тока через ноль расходуются наносекунды на развитие фронта напряжения и пробой воздуха, из-за чего в каждом «медленном» полупериоде получаются пачки 50 МГц, но между этими пачками возникают паузы, что в среднем выглядит как понижение частоты.
После всего этого возникают несколько вопросов.
Первый - в статье Авраменко сказано, что «специальная форма электродов обеспечивала непрерывное (от пробоя к пробою) перемещение электродных пятен, что важно для поддержания максимальной амплитуды изучаемых плазменных колебаний». Но какова была поверхность меди в пределах этого блуждания разряда - чистой или с тёмным пятном, сформировавшимся за несколько секунд под воздействием разряда? От этого зависит появление нестабильного горения дуги при токах меньше 20 А. У меня разряд тоже блуждал туда-сюда на расстояние, примерно равное зазору между электродами.
Второй - если вернуться к рисункам 14-16, где выделена ВЧ-разность между измеренным током и его гладкой аппроксимацией, а также к спектрам на рисунках 20 и 21, то в моём случае в первой половине колебаний (до 200 нс) на стабильной дуге ВЧ-частота 50 МГц полностью определяется электрической длиной линии (её полуволновым резонансом), а во второй половине колебаний на нестабильной дуге ВЧ-частота немного понижается, «синхронизируясь» с колебаниями конденсатора и индуктивности линии, и становится 44,4 МГц для 360 пФ и 47,8 МГц для 460 пФ.
Но в исходной статье сказано, что «Изучение более тонкой частотной структуры резонанса показало наличие биений двух близких частот, которые можно отождествить с двумя теоретическими 47.5 и 49.5 МГц». Плохо, что при этом не указана точная электрическая длина линии или её частота полуволнового резонанса. Если 49.5 МГц - это «собственная» частота длинной линии в первой половине колебаний, то 47.5 МГц вполне могут быть «пониженной» частотой во второй половине на нестабильной дуге с перезажиганиями, и это не биения двух частот, а просто два последовательных во времени процесса с разными особенностями.
То есть может быть такая интерпретация (а может и нет):
Рисунок 22
Но есть подозрения на частоту - неувязка получается около 5%.
Синхронизировться с 47.5 МГц могут колебания тока 7,9 или 6,8 МГц, период 126 или 147 нс соответственно. Три периода таких колебаний тока на нижней осциллограмме с 200 нс/дел должны занимать 1,9 или 2,2 клетки. Но на картинке это больше похоже на 2,1 клетки, тогда период НЧ-колебаний тока получается 140 нс, частота 7,14 МГц, а кратные «синхронизированные» ВЧ-колебания должны быть 42,8 или 50,0 МГц.
То есть это либо вопросы измерения частот в исходной статье и погрешности картинки, либо в том эксперименте происходили какие-то другие процессы.
Третий вопрос как продолжение второго - была ли нестабильность дуги и синхронизировались ли ВЧ-колебания с моментами перехода тока через ноль?
При нестабильном горении дуги для получения максимальной амплитуды ВЧ-колебаний нужно, чтобы частота полуволнового резонанса в длинной линии была кратной частоте «низкочастотных» колебаний конденсатора и индуктивности линии, за счёт чего обеспечивается удачная синхронизация моментов перезажигания дуги и прихода из длинной линии отражённых фронтов тока. Из этого простого условия можно определить ряд ёмкостей конденсаторов, оптимальных для наблюдения эффекта с колебаниями в моём случае на нестабильной дуге при малых токах.
В исходной статье говорится, что оптимальными оказались две ёмкости - 390 и 440 пФ. Плохо, что нет ясности - это для линии с одной и той же длиной или для каждого конденсатора подбиралась новая оптимальная длина? Я буду полагать, что линия была одна и та же, с волновым сопротивлением Z=100 Ом и TD=10 нс, тогда эти конденсаторы должны дать период колебаний 131 нс и 138 нс соответственно. Получаются такие частоты колебаний тока и кратные им 6x и 7x:
390пФ: F1=7,63, F6=45,8, F7=53,4
440пФ: F1=7,25, F6=43,5, F7=50,7
Если наблюдаемые ВЧ-колебания связаны с перезажиганием дуги и синхронизированы с переходами через ноль НЧ-колебаний тока, то изменение ёмкости должно давать такие возможные изменения частоты ВЧ-колебаний:
ΔF6=2,3 МГц,
ΔF7=2,7 МГц,
и случай, если частота переходит с 7-й гармоники при 440пФ на 6-ю при 390пФ:
ΔF6-7=50,7-45,8=4,9 МГц.
Если всё верно и эти конденсаторы использовались с длинной линией одной и той же длины, то расстояние между максимумами частоты, которые «любит» разряд, действительно получается меньше 5 МГц?
Но по-прежнему не ясно, наблюдал ли я те же эффекты в дуге, что были в исходной статье. В моём случае было сравнительно большое затухание и в кабеле с «плохим» диэлектриком и окисленной медью, и в сопротивлении шунта. Кроме того, есть вопрос с влиянием ёмкости линии - у Авраменко ёмкость воздушной линии была около 30 пФ, а у моего кабеля 190 пФ, которые становятся весьма заметны на фоне конденсатора 360 пФ, что может влиять на процессы в дуге. Так что выводов никаких нет, одни только вопросы.
Для красоты ещё можно привести зависимость сопротивления дуги во времени. Посчитана на основе напряжения дуги, которое «очищено» от падения напряжения на паразитной индуктивности, как Rд=Uд/I. Чтобы результат был красивее, напряжение и ток предварительно сглажены ksmooth-ом с окном 4 нс, что похоже на ФНЧ с полосой ~100 МГц. Когда вблизи нулевого тока R иногда и кратковременно улетало в минус ниже минус 4 Ом, его график принудительно разворачивался в «плюс», чтобы вертикальные линии не загораживали картину.
Красный график - ток, синий - сопротивление дуги.
Первый разряд на «чистой» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 23
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 24
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 25
Мне показалось, или на «грязной» меди при малых токах (10-20 А) сопротивление дуги меньше, чем на «чистой» меди? На «грязной» меди получается меньшее катодное падение?
И немножко статистики для красоты. Выделение энергии в дуге Wд (синий график), а также суммарно в дуге и шунте Wsum (зелёный график).
Первый разряд на «чистой» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 26
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 27
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 28
В итоге можно сравнить, сколько энергии было запасено в ёмкости (C0 плюс ёмкость линии) перед разрядом и где и сколько её потом выделилось:
Состояние
разрядникаЁмкость,
пФНапряжение
перед разрядом,
кВНачальная энергия
в ёмкости,
мкДжЭнергия
в дуге,
мкДжЭнергия
в шунте,
мкДжчистая медь360+1902,131240440330медь с пятном360+1902,301450370450медь с пятном460+1902,151500400510
На дугу приходится около 30% энергии, в шунте рассеивается тоже около 30% энергии, остальные 40% должны быть потерями в длинной линии (на самом деле небольшая часть энергии ещё остаётся в системе из-за преждевременного погасания дуги и, как следствие, ненулевого остаточного напряжения на конденсаторе).
Потери в конденсаторе на этом фоне малы - для К15-5 с группой Н50 тангенс потерь tgδ=0,002, и на 8 МГц его активное сопротивление всего лишь 0,1 Ом (тогда как у шунта 1,7 Ом).
И ещё красота. На снимках ниже - разряд в зазоре ~0.15 мм. Выдержка 1/50, чтобы при частоте следования разрядов 20-30 Гц в кадр попадала только одна вспышка. Чувствительность ISO64, первый ряд макроснимков - диафрагма F6,3, второй ряд - F8,0:
Рисунок 29
На макроснимках в центре и крайних справа вблизи поверхности электродов видны светящиеся точки отдельно от плазмы дуги. Попадаются примерно на половине кадров с разрядом. Странно - что это? Если бы это были раскалённые капли меди, выбитой разрядом с поверхности электродов, то на снимках должны были быть следы их движения, которых нет. Если это «оторвавшаяся» плазма - тоже должны быть следы движения. Если это свечение на поверхности в местах предыдущего разряда - то как оно длится десятки миллисекунд, у меди же высокая теплопроводность и поверхность должна быстро отдавать тепло вглубь проволоки? Тем более, что на тёмных кадрах, которые попадают между разрядами, никогда ничего не светится, потому что и не должно (частота разрядов - 20-30 Гц).
Если это отражения от капелек на поверхности электродов - тоже странно. Там всё должно быть покрыто оксидом меди, который в оптическом и ИК-диапазоне есть весьма чёрная субстанция, совершенно не склонная к отражению. Единственный вариант - если после одного разряда каким-то чудом на поверхности электродов образуются неокисленные капельки, а следующий разряд «бьёт» в стороне от предыдущего и от этих капелек отражается свет. Но всё равно сомнительно, и для проверки этой гипотезы нужна видеосъёмка, чтобы всегда знать, где был предыдущий разряд.
Ничего не понимаю.
Рассуждать о каких-то энергетических особенностях дуги пока рано, потому что даже непонятно, получились ли колебания той же природы, что и в исходной статье, или нет. Ещё надо бы проверить как себя поведёт разряд на стальных высокотехнологичных электродах типа «кольцо из гвоздика». Частотные свойства дуги проверить тоже возможно, проведя несколько измерений, укорачивая кабель каждый раз на 5-10%. И неплохо бы взять другой кабель с меньшей ёмкостью и бОльшим волновым сопротивлением - например, «лапшу» с увеличенным расстоянием между жилами. Если заставлю себя - доведу дело до конца.
Вот так всегда - одна куча вопросов сменяется такой же кучей, но уже других. Что за карма такая?
Эксперименты в продолжение поста « Плазма в искровом промежутке».
В исходной статье Р.Ф.Авраменко «Исследования возможности получения энергии в электрической цепи, содержащей плазменный элемент. Материалы научно-технического отчета. М.: НИИРП, 1998» эксперимент с искровым разрядником описан так:
Экспериментальные исследования
Для исследования количественных характеристик связи плазменного элемента цепи и окружающей среды в данной работе был выбран вариант электрической цепи на основе несимметричной линии (элемента с распределенными параметрами) длиной ~λ/2 для частот ~50 МГц.
Линия с волновым сопротивлением Zл=300 Ом (100 Ом) была выполнена в виде либо медного круглого провода диаметром ~4 мм, расположенного на расстоянии ~5 см над проводящей поверхностью из фольгированного стеклотекстолита ~160см×70см (для Zл=300 Ом), либо в виде ленты из фольгированного текстолита толщиной ~1 мм и шириной 13 мм, расположенной на высоте ~13 мм над проводящей поверхностью. Конструкция линии позволяла изменять ее геометрическую длину lл во время экспериментов. Для удобства во многих экспериментах линия имела геометрию тромбона.
Схема подключения к линии плазменного элемента «П», «короткозамыкающего» конденсатора С0, служившего основным источником энергии для процессов возникновения разряда и поддержания его в течение нескольких циклов «частоты накачки» fн=1/[2π√(Lл(С0+Сл))] (Lл, Сл - интегральные индуктивность и емкость линии), изображена на рис.3.
Полуволновая линия была выбрана на основе теоретических предпосылок о низком внутреннем импедансе плазмы. Для полуволнового резонанса второй конец линии нагружался на конденсатор C0, импеданс которого на ожидаемых частотах также обеспечивает режим «короткого замыкания» линии.
Для регистрации процессов в схеме использовались емкостные и индуктивные датчики, причем индуктивный датчик подключался к несимметричному кабелю (ρ=50 Ом) с помощью широкополосного симметрирующего трансформатора, аналогичного используемому в приемных антеннах телевизионных устройств.
Периодический заряд C0+Сл производился от регулируемого источника высокого напряжения (U0=0...12 кВ) через резистор 1 МОм. Периодический «пробой» промежутка в разряднике «П» создавал в цепи питания пилообразные импульсы зарядного тока с частотой 0...5 кГц при амплитуде напряжения, соответствующей пробою 0.5...4 кВ в зависимости от зазора в разряднике.
Разрядник «П» - воздушный, состоял из одного или нескольких последовательно соединенных разрядных промежутков между электродами специальной формы. Основной материал электродов - медь, зазор между электродами 0.1... 1 мм.
Специальная форма электродов обеспечивала непрерывное (от пробоя к пробою) перемещение электродных пятен, что важно для поддержания максимальной амплитуды изучаемых плазменных колебаний.
[...]
При экспериментах, связанных с отбором мощности в нагрузку (лампу накаливания), использовался в качестве базового специальный индуктивно-емкостной датчик, сконструированный таким образом, чтобы на нагрузке не выделялась мощность затухающих колебаний накачки (классический колебательный разряд конденсатора C0 и емкости линии Cл при замыкании разрядного промежутка плазмой с падением напряжения не ниже 20 В). Конструкция датчика поясняется на рис.4.
Геометрическая длина lД (рис.4) могла варьироваться и, в оптимуме, совместно с длиной петли связи, составляла ~λ/4. Оптимум регистрировался по максимуму мощности (свечению) лампы и одновременно по максимуму амплитуды сигнала на осциллографе (при данной его длительности). Длина lП петли связи (рис.4) составляла ~15 см, так что датчик отбирал из линии только малую часть мощности (слабая связь).
Мне придётся немного модифицировать схему измерений.
Во-первых, у меня нет полутораметрового куска фольгированного стеклотекстолита, чтобы сделать 3-метровую воздушную длинную линию, поэтому я решил для начала воспользоваться кабелем. Чтобы далеко не ходить, несимметричная линия была сделана из кабеля вроде ПВС 3x0,75 (трёхжильный - две фазы и заземление), который уже немолодой и видел ещё социализм в странах СЭВ. Сочетание «плохого» диэлектрика (ПВХ) и окисленной поверхности меди в жилах кабеля обеспечивают сравнительно большое затухание в диапазоне 50-100 МГц, что позволяет во времени раздельно наблюдать процессы различного происхождения.
Во-вторых, внутрь кабеля так просто не влезешь датчиком-петлёй, поэтому я решил наблюдать процессы на конце длинной линии со стороны дуги - напряжение на ёмкостном делителе и ток в шунте. Схема получается примерно такой:
Рисунок 1
В первом варианте измерительные цепи были вольно-длинными:
Рисунок 2
Но паразитная индуктивность в измеряемой цепи («красные» провода разрядника плюс шунт) составила 60-70 нГн, а это много - паразитный импеданс индуктивности на 50 МГц составляет 20 Ом и портит картину напряжения на дуге с сопротивлением ~2 Ом. Хуже того - когда я взял осциллок пошустрее, то проявившийся «забор» из колебаний 240 и 290 МГц заслонил всю осциллограмму, потому что последовательный резонанс ёмкости делителя напряжения (5 пФ) и паразитной индуктивности попал на этот диапазон.
Пришлось всё переделать и миниатюризовать - провода укорочены, ноги у кондёров ёмкостного делителя тоже укорочены до предела, а обкладки «средней точки» ориентированы вниз, чтобы минимизировать паразитную ёмкость на верхнюю «горячую» часть схемы. В качестве шунта взяты 3 smd-резистора 5,1 Ом в параллель, составленные трехгранником (на фото ниже они коричневые в центре). Резисторы странного размера - такой же ширины, как 2512 (3,2 мм), но короче и почти квадратные. Вынуты из платы 5-дюймового винчестера 90 года выпуска, и даже как-то выдерживают импульсный ток более 60 А О_о
«Синий» конденсатор (5 пФ) при толщине керамического диска 1,5 мм выдерживает импульсы 2 кВ, но, честно говоря, было стрёмно подключать осцилок - это низковольтный кондёр, и у него может произойти пробой по поверхности. Хотя, если бы в момент разряда сгорел шунт, то щупам и осцилку тоже мало бы не показалось.
Рисунок 3
Теперь о том, что же следует искать. В оригинале статьи сказано:
Выполненные эксперименты включали две серии. В первой изучался спектр плазменных колебаний, поддерживаемых током накачки (колебательным процессом разряда с периодом τр=2π√(Lл (С0+Сл)). Варьируя длину линии, определялся максимум регистрируемой амплитуды колебаний на частотах диапазона порядка 50 МГц, предсказываемых теорией.
Эксперимент показал, что действительно имеет место общий резонанс в области предсказанных частот. Изучение более тонкой частотной структуры резонанса показало наличие биений двух близких частот, которые можно отождествить с двумя теоретическими 47.5 и 49.5 МГц.
Варьирование величиной емкости C0 показало, что амплитуда плазменных колебаний имеет два максимума: при значениях C01=390 пФ и C02=440 пФ.
Второе значение C02=440 пФ близко к теоретическому оптимуму для одной из мод колебаний Бозе-конденсата. Первое значение может быть определено из теории с учетом предсказываемого теорией отрицательного емкостного импеданса связи плазмы и окружающей среды.
Типичные осциллограммы колебательного разряда (накачка + плазменные колебания) и выделенных датчиком чисто плазменных колебаний приведены на фото рис.5.
Как видно из осциллограмм, амплитуда плазменных колебаний не зависит от тока накачки и практически постоянна вплоть до момента погасания разряда.
Во второй серии экспериментов осуществлялась демонстрация возможности отвода мощности от плазменных колебаний в низкоомную активную нагрузку - лампу накаливания. Использовались различные лампы накаливания, от миниатюрных типа СМ-15 (~0.5 Вт) до автомобильных 5...10 Вт, 12 В.
Как показано на схеме рис.4, при подключении лампы (СМ-15) на расстоянии ~λ/4 от петли связи датчика, на ней выделялась наибольшая мощность. Светимость лампы контролировалась люксметром. Подключение осциллографа параллельно лампе позволяло контролировать процесс и подтвердить, что лампа горит исключительно от мощности плазменных колебаний.
[...]
Проведенные эксперименты, таким образом, показали существование высокочастотных плазменных колебаний в узком частотном диапазоне (±5 МГц) в районе центральной частоты ~50 МГц, подтвердили теоретически предсказанную оптимальную величину емкости C0, закорачивающую полуволновую линию. Было выявлено, что элемент "П" в первом приближении эквивалентен генератору ЭДС с малым внутренним комплексным импедансом.
Ну и хорошо - ток и напряжение я вижу на конце линии, а ВЧ-нагрузка обеспечивается большим затуханием в самой линии.
Осциллограмма первого разряда на чистых медных электродах с конденсатором C0=360 пФ на другом конце линии выглядит так красиво (красный - сигнал с делителя напряжения, жёлтый - сигнал с шунта, и экран осцилка малость обрезан справа):
Рисунок 4
Когда происходит пробой разрядника, дуга закорачивает заряженную длинную линию, и ток разряда (КЗ) ограничен волновым сопротивлением линии.
По измерениям на низкой частоте (10 кГц) индуктивность кабеля составляет 0.9 мкГн, ёмкость 190 пФ, тогда волновое сопротивление
Zл = sqrt(L/C) = sqrt(0.9мкГн/190пФ) = 69 Ом.
На осциллограмме видно, что скачок напряжения составляет 2100 В, ток разряда 30 А, что говорит о том же волновом сопротивлении линии 2100/30=70 Ом (здесь и далее на графиках ток и напряжение пересчитаны в реальные значения с учётом делителя напряжения и шунта):
Рисунок 5
«Зубчатая» форма тока в первом полупериоде вызвана тем, что фронт волны тока за 10 нс проходит по длинной линии до конденсатора, отражается от него и ещё через 10 нс возвращается к дуге (в сумме 20 нс), и ток в ней скачком повышается в 2 раза чуть выше 60 А. Дуга - это КЗ, фронт волны отражается от неё, проходит по линии туда-обратно и через 20 нс снова возвращается к дуге, и так далее с постепенным затуханием:
Рисунок 6
Ещё есть вопросы к напряжению на осциллограмме - оно явно искажено паразитной индуктивностью. Можно проанализировать один из «красивых» периодов колебаний, например 180-290 нс:
Рисунок 7
Здесь период 110 нс, фазовый сдвиг по первой гармонике между током и напряжением 29º, импеданс по первой гармонике 2,7 Ом, последовательная индуктивность получается 23 нГн.
Если для контроля просто замкнуть разрядник и запитать кабель от генератора, то на частоте 20 МГц паразитная индуктивность разрядника получится 26 нГн, на частоте 40 МГц - 20 нГн, так что с этой величиной я в общем прав.
Рисунок 8
Чтобы увидеть напряжение на дуге, надо из измеренного напряжения вычесть падение на паразитной индуктивности, которое можно вычислить через производную тока, которая считалась как уклон по трём отсчётам (дискретизация сигнала 1 ГГц).
Красный график - ток, зелёный - измеренное напряжение минус шунт (т.е. дуга плюс паразитная индуктивность), синий - напряжение на дуге за вычетом паразитной индуктивности:
Рисунок 9
Поведение дуги тут можно «на скорую руку» описать двуханодным стабилитроном с напряжением 40 В и сопротивлением 1 Ом.
Но так «чисто» дуга горит только на чистой меди.
А со временем (после 50-100 разрядов) на поверхностях электродов формируется тёмное пятно вроде такого (на фото несколько пятен, потому что в нескольких экспериментах электроды изгибались, чтобы разряд происходил в новом месте):
Рисунок 10
Разряд на таких пятнах горит нестабильно, и после переходов тока через ноль дуга перезажигается заново с формированием импульсов напряжения со стороны длинной линии.
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 11
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 12
Удивляет, что при атмосферном давлении дуге для погасания достаточно паузы в несколько наносекунд при переходе тока через ноль. Для сравнения, в лампах дневного света на остывание плазмы и погасание дуги требуются микросекунды - видимо, из-за несопоставимо меньшего давления и горячих катодов.
«Хвосты» напряжения после погасания дуги на двух последних графиках - явление закономерное, потому что дуга размыкает колебательный контур, в котором ещё есть некоторая энергия. В основном это энергия конденсатора, плюс бегающий туда-сюда фронт волны в длинной линии. В итоге после окончательного размыкания линии (со стороны дуги) она сначала становится четвертьволновым резонатором и в напряжении возникают колебания 25 МГц, а после их затухания на емкости конденсатора и линии остаётся постоянная составляющая напряжения:
Рисунок 13
В общих чертах процесс ясен. Теперь - ток.
Чтобы его повнимательнее рассмотреть и отделить «мух от котлет», можно выполнить «низкочастотную» аппроксимацию затухающих колебаний тока вида i(t)=Im•exp(-t/τ)•sin(ωt+φ0) и вычислить разность между гладкой аппроксимацией и «кривым» измеренным током.
Параметры аппроксимирующей функции вычислялись без первого полупериода, в котором есть несколько резких скачкой тока. В таблице ниже - параметры аппроксимации (начальная фаза φ0 не приводится, но она не превышает нескольких градусов):
Состояние
разрядника Ёмкость
конденсатора,
пФНачальная
амплитуда
Im, А Частота
колебаний
f=ω/2π, МГц Постоянная
времени затухания
τ, нсчистая медь360719,20160медь с пятном360709,04206медь с пятном460778,09206
На графиках ниже красным показан измеренный ток I, синим пунктиром - аппроксимация затухающего синуса Iнч, чёрным - разница Iвч=I-Iнч.
Первый разряд на чистой меди, C0=360 пФ (на чёрном графике видно, что стоячая волна, порождаемая в линии фронтом тока в начале разряда, затухает к моменту 150-200 нс):
Рисунок 14
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ (до момента 120 нс видны такие же колебания затухающей стоячей волны, но затем перезажигания дуги возбуждают новые стоячие волны в длинной линии, и колебания тока на чёрном графике поддерживаются до полного погасания дуги):
Рисунок 15
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ (похожая ситуация с перезажиганием дуги и поддержанием колебаний тока, но нестабильность в горении дуги проявляется позже около 250 нс):
Рисунок 16
После этого можно делать спектральный анализ тока.
Для добавления «красивости» спектрам и повышения разрешающей способности Фурье-преобразования наблюдаемые фрагменты колебаний тока (400-450 отсчётов) были дополнены нулями справа и слева до 213 отсчётов. Окно получается прямоугольным, что порождает в спектре вокруг реальных максимумов множество боковых лепестков (Hamming было бы красивее, но не в этой жизни).
Спектр тока разряда на чистой меди, C0=360 пФ (первый максимум 9,1 МГц на частоте колебаний конденсатора и длинной линии, остальные кратны 50 МГц, колебаниям λ/2 линии):
Рисунок 17
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=360 пФ (добавились боковые лепестки вокруг частот, кратных 50 МГц, из-за беспорядка при нестабильном горении дуги):
Рисунок 18
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 19
Если вспомнить, что на «грязной» меди дуга переходит в нестабильное горение начиная с времени 160 нс при C0=360 пФ и 180 нс при C0=460 пФ, то разумно сравнить спектры «до» и «после».
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=360 пФ (красный Si1 - для фрагмента до 165 нс, синий Si2 - для фрагмента после 165 нс):
Рисунок 20
Спектр тока разряда на «грязной» меди, C0=460 пФ (красный Si1 - для фрагмента до 180 нс, синий Si2 - для фрагмента после 180 нс):
Рисунок 21
Получается вполне логично, что в первой половине колебаний есть максимум около 50 МГц, обусловленный длинной линией как полуволновым резонатором. Во второй половине колебаний с нестабильной дугой моменты её «перезажигания» происходят при переходах через ноль тока «больших» колебаний, и новые фронты волны в длинной линии, порождаемые зажиганием дуги, синхронизируются с «большими» колебаниями. Частота максимума 50 МГц «сползает» в первом случае (360 пФ) до 44,4 МГц и становится пятой гармоникой больших «низкочастотных» колебаний, а во втором случае (460 пФ) до 47,8 МГц и становится шестой гармоникой «низкочастотных» колебаний конденсатора и линии.
На «синих» спектрах частота оказывается меньше 50 МГц потому, что при перезажигании дуги при переходах тока через ноль расходуются наносекунды на развитие фронта напряжения и пробой воздуха, из-за чего в каждом «медленном» полупериоде получаются пачки 50 МГц, но между этими пачками возникают паузы, что в среднем выглядит как понижение частоты.
После всего этого возникают несколько вопросов.
Первый - в статье Авраменко сказано, что «специальная форма электродов обеспечивала непрерывное (от пробоя к пробою) перемещение электродных пятен, что важно для поддержания максимальной амплитуды изучаемых плазменных колебаний». Но какова была поверхность меди в пределах этого блуждания разряда - чистой или с тёмным пятном, сформировавшимся за несколько секунд под воздействием разряда? От этого зависит появление нестабильного горения дуги при токах меньше 20 А. У меня разряд тоже блуждал туда-сюда на расстояние, примерно равное зазору между электродами.
Второй - если вернуться к рисункам 14-16, где выделена ВЧ-разность между измеренным током и его гладкой аппроксимацией, а также к спектрам на рисунках 20 и 21, то в моём случае в первой половине колебаний (до 200 нс) на стабильной дуге ВЧ-частота 50 МГц полностью определяется электрической длиной линии (её полуволновым резонансом), а во второй половине колебаний на нестабильной дуге ВЧ-частота немного понижается, «синхронизируясь» с колебаниями конденсатора и индуктивности линии, и становится 44,4 МГц для 360 пФ и 47,8 МГц для 460 пФ.
Но в исходной статье сказано, что «Изучение более тонкой частотной структуры резонанса показало наличие биений двух близких частот, которые можно отождествить с двумя теоретическими 47.5 и 49.5 МГц». Плохо, что при этом не указана точная электрическая длина линии или её частота полуволнового резонанса. Если 49.5 МГц - это «собственная» частота длинной линии в первой половине колебаний, то 47.5 МГц вполне могут быть «пониженной» частотой во второй половине на нестабильной дуге с перезажиганиями, и это не биения двух частот, а просто два последовательных во времени процесса с разными особенностями.
То есть может быть такая интерпретация (а может и нет):
Рисунок 22
Но есть подозрения на частоту - неувязка получается около 5%.
Синхронизировться с 47.5 МГц могут колебания тока 7,9 или 6,8 МГц, период 126 или 147 нс соответственно. Три периода таких колебаний тока на нижней осциллограмме с 200 нс/дел должны занимать 1,9 или 2,2 клетки. Но на картинке это больше похоже на 2,1 клетки, тогда период НЧ-колебаний тока получается 140 нс, частота 7,14 МГц, а кратные «синхронизированные» ВЧ-колебания должны быть 42,8 или 50,0 МГц.
То есть это либо вопросы измерения частот в исходной статье и погрешности картинки, либо в том эксперименте происходили какие-то другие процессы.
Третий вопрос как продолжение второго - была ли нестабильность дуги и синхронизировались ли ВЧ-колебания с моментами перехода тока через ноль?
При нестабильном горении дуги для получения максимальной амплитуды ВЧ-колебаний нужно, чтобы частота полуволнового резонанса в длинной линии была кратной частоте «низкочастотных» колебаний конденсатора и индуктивности линии, за счёт чего обеспечивается удачная синхронизация моментов перезажигания дуги и прихода из длинной линии отражённых фронтов тока. Из этого простого условия можно определить ряд ёмкостей конденсаторов, оптимальных для наблюдения эффекта с колебаниями в моём случае на нестабильной дуге при малых токах.
В исходной статье говорится, что оптимальными оказались две ёмкости - 390 и 440 пФ. Плохо, что нет ясности - это для линии с одной и той же длиной или для каждого конденсатора подбиралась новая оптимальная длина? Я буду полагать, что линия была одна и та же, с волновым сопротивлением Z=100 Ом и TD=10 нс, тогда эти конденсаторы должны дать период колебаний 131 нс и 138 нс соответственно. Получаются такие частоты колебаний тока и кратные им 6x и 7x:
390пФ: F1=7,63, F6=45,8, F7=53,4
440пФ: F1=7,25, F6=43,5, F7=50,7
Если наблюдаемые ВЧ-колебания связаны с перезажиганием дуги и синхронизированы с переходами через ноль НЧ-колебаний тока, то изменение ёмкости должно давать такие возможные изменения частоты ВЧ-колебаний:
ΔF6=2,3 МГц,
ΔF7=2,7 МГц,
и случай, если частота переходит с 7-й гармоники при 440пФ на 6-ю при 390пФ:
ΔF6-7=50,7-45,8=4,9 МГц.
Если всё верно и эти конденсаторы использовались с длинной линией одной и той же длины, то расстояние между максимумами частоты, которые «любит» разряд, действительно получается меньше 5 МГц?
Но по-прежнему не ясно, наблюдал ли я те же эффекты в дуге, что были в исходной статье. В моём случае было сравнительно большое затухание и в кабеле с «плохим» диэлектриком и окисленной медью, и в сопротивлении шунта. Кроме того, есть вопрос с влиянием ёмкости линии - у Авраменко ёмкость воздушной линии была около 30 пФ, а у моего кабеля 190 пФ, которые становятся весьма заметны на фоне конденсатора 360 пФ, что может влиять на процессы в дуге. Так что выводов никаких нет, одни только вопросы.
Для красоты ещё можно привести зависимость сопротивления дуги во времени. Посчитана на основе напряжения дуги, которое «очищено» от падения напряжения на паразитной индуктивности, как Rд=Uд/I. Чтобы результат был красивее, напряжение и ток предварительно сглажены ksmooth-ом с окном 4 нс, что похоже на ФНЧ с полосой ~100 МГц. Когда вблизи нулевого тока R иногда и кратковременно улетало в минус ниже минус 4 Ом, его график принудительно разворачивался в «плюс», чтобы вертикальные линии не загораживали картину.
Красный график - ток, синий - сопротивление дуги.
Первый разряд на «чистой» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 23
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 24
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 25
Мне показалось, или на «грязной» меди при малых токах (10-20 А) сопротивление дуги меньше, чем на «чистой» меди? На «грязной» меди получается меньшее катодное падение?
И немножко статистики для красоты. Выделение энергии в дуге Wд (синий график), а также суммарно в дуге и шунте Wsum (зелёный график).
Первый разряд на «чистой» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 26
Разряд на «грязной» меди, C0=360 пФ:
Рисунок 27
Разряд на «грязной» меди, C0=460 пФ:
Рисунок 28
В итоге можно сравнить, сколько энергии было запасено в ёмкости (C0 плюс ёмкость линии) перед разрядом и где и сколько её потом выделилось:
Состояние
разрядникаЁмкость,
пФНапряжение
перед разрядом,
кВНачальная энергия
в ёмкости,
мкДжЭнергия
в дуге,
мкДжЭнергия
в шунте,
мкДжчистая медь360+1902,131240440330медь с пятном360+1902,301450370450медь с пятном460+1902,151500400510
На дугу приходится около 30% энергии, в шунте рассеивается тоже около 30% энергии, остальные 40% должны быть потерями в длинной линии (на самом деле небольшая часть энергии ещё остаётся в системе из-за преждевременного погасания дуги и, как следствие, ненулевого остаточного напряжения на конденсаторе).
Потери в конденсаторе на этом фоне малы - для К15-5 с группой Н50 тангенс потерь tgδ=0,002, и на 8 МГц его активное сопротивление всего лишь 0,1 Ом (тогда как у шунта 1,7 Ом).
И ещё красота. На снимках ниже - разряд в зазоре ~0.15 мм. Выдержка 1/50, чтобы при частоте следования разрядов 20-30 Гц в кадр попадала только одна вспышка. Чувствительность ISO64, первый ряд макроснимков - диафрагма F6,3, второй ряд - F8,0:
Рисунок 29
На макроснимках в центре и крайних справа вблизи поверхности электродов видны светящиеся точки отдельно от плазмы дуги. Попадаются примерно на половине кадров с разрядом. Странно - что это? Если бы это были раскалённые капли меди, выбитой разрядом с поверхности электродов, то на снимках должны были быть следы их движения, которых нет. Если это «оторвавшаяся» плазма - тоже должны быть следы движения. Если это свечение на поверхности в местах предыдущего разряда - то как оно длится десятки миллисекунд, у меди же высокая теплопроводность и поверхность должна быстро отдавать тепло вглубь проволоки? Тем более, что на тёмных кадрах, которые попадают между разрядами, никогда ничего не светится, потому что и не должно (частота разрядов - 20-30 Гц).
Если это отражения от капелек на поверхности электродов - тоже странно. Там всё должно быть покрыто оксидом меди, который в оптическом и ИК-диапазоне есть весьма чёрная субстанция, совершенно не склонная к отражению. Единственный вариант - если после одного разряда каким-то чудом на поверхности электродов образуются неокисленные капельки, а следующий разряд «бьёт» в стороне от предыдущего и от этих капелек отражается свет. Но всё равно сомнительно, и для проверки этой гипотезы нужна видеосъёмка, чтобы всегда знать, где был предыдущий разряд.
Ничего не понимаю.
Рассуждать о каких-то энергетических особенностях дуги пока рано, потому что даже непонятно, получились ли колебания той же природы, что и в исходной статье, или нет. Ещё надо бы проверить как себя поведёт разряд на стальных высокотехнологичных электродах типа «кольцо из гвоздика». Частотные свойства дуги проверить тоже возможно, проведя несколько измерений, укорачивая кабель каждый раз на 5-10%. И неплохо бы взять другой кабель с меньшей ёмкостью и бОльшим волновым сопротивлением - например, «лапшу» с увеличенным расстоянием между жилами. Если заставлю себя - доведу дело до конца.
Вот так всегда - одна куча вопросов сменяется такой же кучей, но уже других. Что за карма такая?