Мои опыты со взрывающимися проволочками

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

 
ЗАРЯЖЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНЫ!

Взрывающиеся проволочки
Впервые электрический взрыв проводников ("проволочек") (ЭВП) (взрывающиеся проволочки - exploding wire) был описан английским физиком Эдуардом Нэрном (Edward Nairne) в трудах Лондонского Королевского Общества в 1774 году.

Эдуард Нэрн

Под электрическим взрывом понимается комплекс процессов, происходящих при быстром нагреве металлического проводника протекающим через него электрическим током до температур, превышающих температуру начала испарения металла. При этом в проводнике за очень короткое время (микросекунды) выделяется большое количество энергии.
При взрыве проволочек происходят очень сложные физико-химические процессы, возникают температуры в сотни тысяч градусов, при которых вещество состоит из ионов и электронов, т.е. представляет собой горячую плазму. Высокая температура и большая плотность такой плазмы, огромные магнитные поля, очень высокая интенсивность излучения – преимущественно в ультрафиолетовой области спектра, - всё это обуславливает интерес исследователей к электрическому взрыву проводников.

Самый простой способ осуществления электрического взрыва - разряд заряженного конденсатора через проводник ("проволочку"). В статье "Exploding wires and their uses" William G. Chace (журнал "New Scientist" №16 за май 1963 года) приводится график тока разряда конденсатора:

штриховая линия - без взрыва
сплошная линия - со взрывом

При замыкании ключа (например, вакуумного разрядника или водородного тиратрона) и начале разряда ток начинает возрастать, подчиняясь дифференциальному уравнению для rLC- контура:
$E = ri + L {di \over{dt}} + {1 \over C} \int {i dt}$
Однако линейное решение этого уравнения не может быть использовано, так как параметры проволочки меняются из-за ее нагрева.

В начале разряда конденсатора проволочка будет плавиться и образовывать расплавленные капельки. Капельки отделены одна от другой, и ток не может протекать между ними.Это отображается в виде кратковременного провала кривой тока. Однако, горячие капельки испаряются, и пар становится ионизированным в еще присутствующем электрическом поле. Ионизированный пар имеет меньшее сопротивление (соответственно, большую проводимость), чем сплошная проволочка, что вызывает резкий скачок тока и соответствующее падение напряжения. Со временем пар расширяется и охлаждается, и ток падает до нуля.

Для повышения интенсивности взрыва необходимо как можно более низкое сопротивление цепи по сравнению с сопротивлением проволочки, и как можно более низкая индуктивность проволочки.

Демонстрация опыта (Массачусетский технологический институт)
Маслонаполненный конденсатор емкостью 100 мкФ заряжается до напряжения 3 кВ за 15 минут. Затем конденсатор разряжается через стальную проволочку длиной 30 см и диаметром 0,255 мм:
(щелкните по картинке для просмотра в увеличенном размере)

Если расположить взрывающуюся проволочку над открыткой (прижать к ней), то взрыв оставляет на глянцевой бумаге открытки след (blast pattern).

R. A. Ford в Homemade Lightning

приводит пример изображения следа:

На недоступном теперь сайте http://www.neurogy.com/kevin/ была приведена фотография следа взрыва с энергией 547 Дж:

Мои эксперименты со взрывающимися проволочками
Мой первый успешный взрыв проволочки был осуществлен 19 апреля 2012 года.
Схема установки:

Установка для взрыва проволочки:

Элементы -
1 - однотактный генератор высокого напряжения на 555 таймере и катушке на ферритовом сердечнике из монитора
2 - высоковольтный выпрямитель (с 10 диодами UF4007)
3 - искровой разрядник из двух шпилек M4, настроенный на пробой при напряжении около 5 кВ

4 - слюдяной конденсатор 0,25 мкФ 2,5 кВ

5 - закрепленная в держателе проволочка (использована проволока из проволочного переменного резистора, очень тонкая, сопротивление 1 см около 5 Ом)

Как донор может быть использован вот такой проволочный резистор:

Конденсатор емкостью C = 0,25 мкФ заряжался до U = 5 кВ, затем происходил пробой разрядника, и энергия $W_e = {{C U^2} \over 2}$ = 3,1 Дж, запасенная в конденсаторе, выделялась на проволочке за очень короткий промежуток времени.
Взрыв проволочки 19 апреля 2012 года -

Видео эксперимента на YouTube - http://youtu.be/hkNfn7Wg1I0
Взрыв настолько скоротечен, что запечатлен буквально на одном-двух кадрах.

Взрыв проволочки 25 апреля 2012 года

След от этого взрыва проволочки (энергия заряженного конденсатора при взрыве составила 6 Дж):

След взрыва при другом моем эксперименте (энергия конденсатора 8 Дж):

Применение электрического взрыва

• Высокотемпературная плазма - при электрическом разряде в газе, образуется высокотемпературная плазма, состоящая из ионов металлов

В ноябре 2011 года группа инженеров из университета Кентербери  в Новой Зеландии при взрыве медной проволочки диаметром 0,2 мм получила плазменную дугу длиной 61 м:

• Источник ультрафиолетового излучения - электрический взрыв проволочек обладает очень высокой интенсивностью светового излучения, причем максимум излучения лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра
• Взрыв в воде - хороший инструмент для изучения химических реакций на границе расплавленного металла с водой, а также для создания ударных волн, применяемых, например, для штамповки деталей
• Сваривание деталей - с помощью электрического взрыва удается сваривать такие, казалось бы, не поддающиеся сварке материалы, как кварц
• Получение металлических нанопорошков - интенсивно исследуется применение электровзрывного метода для получения наноразмерных металлических порошков с крупностью частиц до 100 нанометров
• Z-машина - самый мощный лабораторный источник рентгеновского излучения, располагающийся в Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке (штат Нью-Мехико, США):