Impulzné DC plazivé výboje na vodnej hladine


fotka        Ďalší z radu experimentov s využitím môjho nového výkonného VN zdroja s IGBT tehlou v polomoste. Už dávnejšie som mal myšlienku, skúsiť experiment s impulznými DC výbojmi plaziacimi sa po povrchu materiálu a skúsiť aj niečo zaujímavé nafotiť. Je to výboj z hrotu voči plochej doske. Totiž, takýto plaziaci sa impulzný DC výboj sa správa rozlične, ako plaziace sa výboje po skle pri 50Hz, ako som robil dávnejšie pri predošlom experimente s PTN a veľkým sklom. Taktiež nie je jedno, či je polarita elektródy (hrotu) voči doske kladná (+) alebo záporná (-), vzniká tu tzv. polaritný efekt na rozdiel od použitia AC 50Hz, ako v predošlom experimente so sklom. No napätie PTN 22kV nie je dostatočné, ani pri krátkodobom preťažení na 50kV napätie nestačí, aby vznikol takýto obrazec na skle. Chcelo by to ešte vyššie impulzné DC napätie, napríklad taký Marxov generátor by už bol veľmi zaujímavý s dostatočným napätím v rade stoviek kV. Ale medzitým som sa dostal aj k inej myšlienke a to použitia namiesto skla, vodnú plochu. Je to klasická obyčajná voda z vodovodu (v mojom prípade nechlórovaná zo studne).

       Sklo ma príliš vysoký odpor a primalú vodivosť pre obrazec pri jednosmernom impulze pri danom VN zdroji a napätí, pre sklo by bolo nutne asi rádovo stovky kV (spomínaný Marxov generátor). Destilovaná voda ma ešte stále vysoký odpor – bude horieť žltý oblúk do vody, ani nenastal impulz v mojom prípade. No bežná voda ma zrejme vhodný odpor a vodivosť a funguje to priam perfektne pre daný experiment. Ak by táto doska bola plech, tak celý náboj z kondenzátorov sa pohltí v jednom bode a nie je dôvod, aby vznikli nejaké čiastkové plazivé výboje. Chce to vhodný „materiál“ pre dosku, ako protiľahlú elektródu voči hrotu, čo je v mojom prípade vodná plocha v ktorej alebo pod ktorou je plech a neskôr alobal voči ktorému sa daný výboj plazí po povrchu vody. Snáď sa mi podarí aj v blízkej dobe otestovať sklo s Marxovým generátorom ak bude na ňom dostatočné napätie pre daný experiment.

       Dajme si teraz aj trocha teórie okolo vyššie spomínaného polaritného efektu, ako som písal, že nie je jedno, či je hrotová elektróda voči doske (vode) kladná (+) alebo záporná (-). Potom sa inak správa koróna, preskok výboja, je rozdielne kritické Uk a preskokové Up napätie a najmä úplne inak a rozdielne vyzerá výsledný obrazec plaziacich sa výbojov po vodnej ploche. Ak niekoho nezaujíma teória a nechce sa mu čítať tak to môže rovno preskočiť dole na fotky z experimentu. Inak takýto obrazec, alebo skôr vypálená stopa obrazca po výboji vzniká aj pri bleskoch. Podľa toho sa dá určiť, či bol blesk kladnej alebo zápornej polarity.

fotka fotka

danger danger V nasledujúcom popísanom experimente sa pracuje s nebezpečným napätím a kondenzátormi nabitými na veľkú a smrteľnú energiu !!! Vybitie takejto energie a impulz je extrémne hlučný a jasný ! Má tiež vysoký podiel UV zložky spektra ! Článok slúži ako zaujímavosť a nie pre napodobňovanie experimentu ! Autor nezodpovedá za prípadne spôsobené škody na živote či majetku !



Niečo z teórie o polaritnom efekte

Polaritný efekt
       Pri vzniku koróny pri kritickom Uk (počiatočnom) napätí v okolí elektródy s malým polomerom zakrivenia (hrot, + alebo -) vzniká priestorový náboj. Vznik priestorového náboja a jeho vplyv na rozloženie intenzity elektrického poľa je možné vysvetliť na príklade elektrického poľa medzi hrotom a doskou (v mojom prípade vodná hladina - uzemnená plechom vo vode). V dôsledku rozdielnej pohyblivosti elektrónov a iónov je rozdielne pôsobenie základného poľa a poľa vytvoreného priestorovým nábojom pri rôznych polaritách napätia priloženého k hrotu. Tento jav sa volá polaritný efekt. Elektróny sú v porovnaní s kladnými iónmi veľmi ľahké a rýchle na rozdiel od kladných ťažkých iónov, ktoré by akoby až stáli na mieste ak sa porovnávajú s elektrónmi, ich rýchlosť je veľmi nízka.


Kladná polarita hrotu (+)
       Pri kladnej polarite hrotu počiatočný štartelektrón sa objaví v dôsledku vonkajšieho ionizátora v okolí kladného hrotu. Vzniká lavína elektrónov. Akonáhle počet elektrónov dosiahne kritickej hodnoty dôjde k intenzívnej fotoionizácii v oblasti čela lavíny a budú sa vytvárať ďalšie lavíny. Vznikne stabilný korónový výboj. Opticky tento jav je možné pozorovať ako svetlomodré svetielkovanie na špičke elektródy vyvolané fotoionizáciou. Na obrázku dole je znázornená výstavba priestorového náboja v okolí kladného hrotu a rozloženie intenzity elektrického poľa medzi elektródami bez priestorového náboja a s priestorovým nábojom.

fotka

       Lavíny smerujú k hrotu, t.j. do oblasti s vyššou intenzitou elektrického poľa. Počet ionizácií a hustota kladných iónov značne narastá. Elektróny v dôsledku rýchlej pohyblivosti dosiahnu anódu a vstupujú do nej. Pred hrotom ostávajú kladné ióny a vytvárajú kladný priestorový náboj. Intenzita elektrického poľa tesne pred hrotom sa zníži, ale v časti medzi katódou a priestorovým nábojom sa zväčší. Tým ako by sa predĺžila kladná elektróda a vytvárajú sa vhodné podmienky pre preskok.


Záporná polarita hrotu (-)
       Pri zápornej polarite hrotu počiatočný štartelektrón vzniká najskôr v dôsledku emisie z katódy, ale môže sa objaviť aj v blízkosti katódy. Elektróny smerujú do oblasti slabšieho poľa. Maximum ionizácií je o niečo vzdialený od elektródy, ale stále sa nachádza v oblasti zóny ionizácie. Keď lavína pri svojom rozvoji získa kritický počet elektrónov, potom vzniká stabilný lavínový výboj v dôsledku fotoionizácií v čele lavíny. Elektróny rýchlo odchádzajú do oblasti slabého elektrického poľa, kde je intenzita elektrického poľa nižšia, ako kritická. Na obrázku dole je uvedená výstavba priestorového náboja v okolí záporného hrotu a rozloženie intenzity elektrického poľa medzi elektródami bez priestorového náboja a s priestorovým nábojom.

fotka

       Kladný priestorový náboj v okolí hrotu zosilňuje pole. Pri anóde intenzita elektrického poľa bude o niečo väčšia, ale vcelku v medzielektródovom priestore sa vyrovná (zhomogenizuje). Aby došlo k preskoku potrebujeme zvýšiť napätie na hrote. Hodnota preskokového napätia narastá.


Záver polaritného efektu
       Na základe vyššie uvedených informácií môžeme povedať, že v nehomogénnom elektrickom poli (náš prípad hrot a doska - voda) pri rovnakej vzdialenosti medzi elektródami nastáva preskok výboja pri kladnej polarite hrotu oveľa skôr pri nižšom napätí, kým pri zápornej polarite hrotu, musíme ešte viac zvýšiť napätie, aby došlo k preskoku výboja. Alebo napätie ostáva rovnaké a musíme pri zápornom hrote zmenšiť preskokovú vzdialenosť. Taktiež je to veľmi dobre vidieť na vznikajúcej koróne a ionizácií v okolí hrotu aj voľným okom pri kladnom a zápornom hrote. Kým pri kladnom hrote je ionizácia veľmi silná a hlasná, pri zápornom podstatne slabšia a tichá slabo viditeľná.
Up+ < Up-

       Pri priložení striedavého napätia na hrotovú elektródu je rozhodujúca polperióda s kladnou polaritou, pričom k preskoku dochádza v momente maximálnej hodnoty napätia: Up + = Up ~

       Stredná hodnota prieraznej pevnosti pri kladnej polarite hrotu je okolo 4,5kV/cm, a pri zápornej – 10kV/cm.



Moja konštrukcia a zostavenie experimentu – prvé pokusy s násobičom 30-40kV
       Dostávame sa už priamo k môjmu experimentu. Ako VN napájací zdroj som použil spomínaný polomost s IGBT tehlou do napätia 22,5kV. Spočiatku pri prvých pokusoch som postavil dvojcestný násobič z dvoch diód a dvoch kondenzátorov alebo inak, ako jedna VN dióda 60ks BA159 a kondenzátory olejové TESLA 50n/25kV DC po jednom, neskôr po dva kusy paralelne. Napätie som dvíhal na cca 30-40kV podľa nastavenej vzdialenosti elektródy (hrotu) od vody. Zatiaľ som používal len vodu pripojenú na násobič bez plechu vo vode. Tlmiaci rezistor najmä pre násobič je 600R 125W, keďže som už predtým odpálil 120ks diód BA159, keď som ťahal len tak výboje na priamo :).

fotka

       Zatiaľ prvé takéto výsledky, ako na fotkách dole, plus celá počiatočná narýchlo poskladaná zostava na experiment. Výboje malé, no experiment funguje. Krásne je vidieť na fotkách, ako sa plazí výboj po vodnej hladine a ako je viac ťahaný po vode smerom k elektróde vo vode v roku misky. Na hrotovej elektróde je kladná polarita (+).

fotka fotka
fotka fotka fotka fotka
fotka fotka fotka

       Potom som už pridal do vody aj kus plechu na ktorý som priamo pripojil výstup z násobiča. Výsledok je hneď vidieť, ako sa výboj plazí rovnomerne do strán po vodnej hladine.

fotka fotka fotka fotka

Kondenzátorová batéria 173n do +20kV (34J) – kladná polarita hrotu (+)
       Chcelo to zmenu a ísť nato inak, tak som skúsil zrušiť celý násobič a zapojil som všetky 4ks kondenzátorov paralelne, kondenzátory sú olejové TESLA 50n/25kV DC, reálna zmeraná kapacita všetkých C spolu je 173nF. Kondenzátory som nabíjal do 20kV čo máme energiu v kondenzátoroch 34J. Spočiatku som tam ešte mal tlmiaci rezistor 600R 125W. Plazivé výboje na vode už sú o niečo väčšie a jasnejšie.

fotka

fotka fotka
fotka fotka

       Potom som už konečne dal preč tlmiaci rezistor 600R a voala tu je výsledok ! Energia vychádza 34J pri napätí do 20kV a nezabudnúť, že tu mám kladnú polaritu hrotu (+).

fotka fotka fotka fotka
fotka fotka fotka

Kondenzátorová batéria 173n do -20kV (34J) – záporná polarita hrotu (-)
       Teraz sa dostávame k otočeniu polarity hrotovej elektródy – otočenie usmerňovacej diódy. Krásne vidieť na fotkách zmenu charakteru plaziacich sa výbojov po vodnej hladine. Taktiež pri rovnakom napätí som musel znížiť asi až o 50% výšku hrotovej elektródy bližšie k vode, ako už bolo spomínane vyššie v teórií. Taktiež výboje sú menej jasné a o niečo slabšie.

fotka fotka fotka fotka
fotka fotka fotka

Porovnanie výbojov (+) a (-) polarity hrotovej elektródy (34J)
       Spojenie dvoch fotiek pre lepšie porovnanie, v ľavo je záporná (-) hrotová elektróda a v pravo je kladná (+).

fotka

Ďalšia nová zostava pre experiment – väčšia vanička, 22,5kV a 43,8J !
       Ďalší deň experimentovania. Celé som to prerobil, spravil nejako poriadnejšie, nastavil elektródy pre maximálnu vzdialenosť a pre nabíjanie na plné napätie 22,5kV čo je už energia v kondenzátoroch 43,8J ! Pridal ešte celkom užitočnú vec a to vybíjací VN rezistor 510M (zakaždým ručne skratovať kondenzátory je dosť nepraktické a veľmi hlučné :) .. noa aj pre bezpečnosť). Vymenil som vaničku pre vodu, použil som inú podstatne rozmernejšiu. Vhodný plech daných rozmerov som už však nemal, tak som použil alobal na dno vaničky. Ten alobal však celkom pokazil fotky, vadia mi tam tie tiene, svetlo, odlesky... s plechom sa mi fotky viac páčia, hoc priemer kruhu výbojov je menší. Teraz dosahujem ešte silnejšieho impulzu a kruhový priemer plaziacich sa výbojov je až 22-23cm po vodnej hladine !

fotka

fotka fotka fotka fotka


+22,5kV a 43,8J ! – kladná polarita (+)

fotka fotka fotka fotka

       Potom ešte tu mám aj takéto špecialitky fotky z boku a korónové sršanie do vody tesne pred kritickou vzdialenosťou pred preskokom výboja pri plnom napätí 22,5kV DC.

fotka fotka fotka fotka


-22,5kV a 43,8J ! – záporná polarita (-)

fotka fotka fotka fotka

       Detail na niektoré fotky, našiel som tam zaujímavé „anómalie“, ktoré som nikde inde nevidel, len konkrétne pri tejto zatiaľ najvyššej energii 43,8J a zápornej polarite hrotovej elektródy. Akoby sa tam tvorila nejaká vodná bublina...

fotka fotka fotka


Video z prvých pokusov fotenia



© copyright 2010 - 2018   |   Jakub Tejiščák   -   tesla.kubo(zavináč)gmail.com