Мои опыты со взрывающимися проволочками

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

  опасность
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
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:
ток при электрическом взрыве
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)
электрический взрыв

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
Homemade Lightning
приводит пример изображения следа:
взрыв проволочки

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

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

разрядник
4 - слюдяной конденсатор 0,25 мкФ 2,5 кВ
конденсатор
5 - закрепленная в держателе проволочка (использована проволока из проволочного переменного резистора, очень тонкая, сопротивление 1 см около 5 Ом)
проволочка
Как донор может быть использован вот такой проволочный резистор:
ПП2-20

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

Взрыв проволочки 25 апреля 2012 года
взрыв проволочки

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

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

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:
высокотемпературная плазма

  • 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):
    Z-машина

Яндекс.Метрика