Impulzné výboje plaziace sa po vodnej hladine pri kladnej polarite (+) a zápornej polarite (-) impulzu/hrotovej elektródy voči vodnej hladine. Kondenzátorová batéria bola nabíjaná až do +33kV pri energii 800J !

Úvod a teória

      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.

• 
• 
•  

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.

      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.

      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.

---

1. experiment - 34J

Moja konštrukcia – 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 :).

      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 (+).

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

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

• 
• 
• 
• 
•  

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.

• 
• 
• 
• 
•  

    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 (+).

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

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.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Porovnanie výbojov (+) a (-) polarity hrotovej elektródy (34J)

      Spojenie dvoch fotiek pre lepšie porovnanie, v ľavo je záporná (-) hrotová elektróda a v pravo je kladná (+).

• 
•  

---

2. experiment - 43,8J

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 !

• 
• 
• 
• 
•  

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

• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

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.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

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

• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

      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...

• 
• 
• 
•  

Video z prvých pokusov fotenia

 

---

3. experiment - 666J a 800J

Zopakovanie experimentu s ešte väčšou energiou ! – 1x1m vaňa, 30kV a 666J/800J !

13.4.2019
      Po úspešných predošlých pokusoch s impulznými plaziacimi sa výbojmi po vodnej hladine, alebo inak tiež Lichtenbergovými obrazcami na vode, som už dlhšie premýšľal experiment znovu zopakovať, ale vo väčšom s oveľa vyššou energiou. Nápad prišiel hlavne, ako som sa dostal neskôr ku veľkým krabicovým TESLA kondenzátorom 1uF 12/25kV= [datasheeet]. Nominálne prevádzkové napätie je Un=12kV a 25kV je krátkodobé testovacie napätie. Vzhľadom už na nejaký ten vek kondenzátorov, nie je záruka, že to každý kondenzátor znesie a neprebije pod udávaným testovacím napätím. Pri predošlých experimentoch som dosiahol maximálny priemer plaziacich sa výbojov na vodnej hladine pri kladnom pulze 23cm. Pri kladnom pulze sú výboje vždy väčšie a preskakuje výboj z väčšej vzdialenosti na vodnú hladinu, ako pri zápornom pulze. To bolo s kondenzátormi o kapacite 173,8n pri napätí 22,5kV a celkovej energii 43,8J.

      Teraz som vyskladal sériovo-paralelne 6ks kondenzátorov 1uF s výslednou kapacitou 1,48uF. Nabíjam ich z PTN (Prístrojový Transformátor Napätia) s limitáciou prúdu na primárnej strane s jedným skratovaným MOTom, ako tlmivka na napätie 30kV. Je to dvojpólovo izolované PTN na združené napätie 22kV, čiže po usmernení mám 31kVp. Výsledná energia v kondenzátoroch pri napätí 30kV a odmeranej kapacite 1,48uF je 666J. Pri predošlých testoch a prebití jedného kondenzátora som ich už veľmi neprovokoval na vyššie napätia, za cenu čím vyššej energie. Chcelo by to pridať ešte ďalšie kondenzátory paralelne pre zvýšenie kapacity, len tu už som aj limitovaný priestorom. Nemám to kde ďalej rozkladať, aby som aj zároveň dodržal bezpečné vzdialenosti a bolo to skladné v šope niekoľko dní na pokusy bez stáleho zapájania a pratania.

      Usmerňovacia VN dióda je vyskladaná z 90ks BA159 teda 90kV/1A. Dióda vidí dvojnásobné napätie 60kV, ako je na kondenzátoroch (napätie na C + PTN). Nabíjací rezistor je 165k/500W vyskladaný z 5ks drôtových rezistorov 33k/100W. Ideálne riešenie, bez problémov znesú VN a majú taktiež dostatočnú indukčnosť pre ochranu diód pred VF bordelom z výboja. Ten vďaka LC kmitá pár kmitmi na MHz, nie je to len impulz (ako má napr. Marxov generátor). Pravdaže v závislosti, či je to výboj do vody, priamy skrat kondenzátorov, výboj cez cievku, odpálenie niečoho a pod. Potom vyrovnávacie a vybíjacie rezistory sú vyskladané z paralelných kombinácií 4ks 250M 15kV/7,5W. Ak si dobre všimnete na fotkách, majú pozlátené nožičky. Samotné kondenzátory, na elektródu a vaňu sú poprepájané všetko cez 16mm2 kábel pre minimalizáciu odporu pre vysoký impulzný prúd rádovo v stovkách A až jednotkách kA.

      Vaňa na vodu, tú som už potreboval oveľa väčšiu a hlavne som nevedel, aké asi veľké výboje to bude robiť. Odhadol som to na 1x1m vaničku, ktorá bude musieť úplne stačiť, radšej viac, ako by mal chýbať rozmer. Podarilo sa mi zohnať 6 pásové kusy duralu, ktoré som znitoval a polepil silikónom dokopy s bočnicami z odpadovej 50mm novodurovej rúry. Elektróda nad vodou je z 8mm závitovej tyče. Výška hladiny bola rôzna, skúšal som niekde medzi 1,5 - 3,5cm no najlepšie v tomto prípade to bolo na 2 - 3cm. Elektródu som nastavoval na maximálnu vzdialenosť od vody, kedy ešte nastal preskok výboja do vody.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

+30kV a 666J ! – kladná polarita (+)

      Výboje pri kladnej polarite elektródy. Priemer výbojov na hladine je 60cm, vzdialenosť elektródy od vody je cca 3cm. Nastavujem stále maximálnu vzdialenosť, kedy ešte preskočí výboj na vodu, pre dosiahnutie maximálneho napätia a energie, pri ktorom nastáva výboj.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

+33kV a 800J ! – kladná polarita (+)

      Na záver po dotočení videí a fotení som skúsil ešte viac pridať napätie kondenzátorom asi niekde medzi 32-34kV, čo je 760-855J. Maximálne napätie je limitované medzerou medzi elektródou a vodou. Medzera je teraz asi 5cm. Výboj má viditeľne viac energie, je jasnejší a priemer obrazca výbojov na hladine dosahuje až 65cm ! Nechcel som hneď od začiatku dávať za každú cenu, čo najvyššie napätie, aby to v niektorom kondenzátore neprebilo dnu, čo by som veľmi nechcel pri takejto veľkej energii. Un=12kV, ja to mám aktuálne niekde medzi 16-17kV na kondenzátore. Testovacie krátkodobo je 25kV, no jeden iný kus mi v blízkosti pod testovacím napätím strelil dnu medzi elektródami. Hádam im to zatiaľ aj stačí. Nakoniec ešte taká perla, dobre si všimnite posledné dva fotky a na nich priemer závitovej tyče a priemer výboja z tyče do vody. Priemer závitovej tyče je 8mm, priemer výboja bude tak 2cm !!

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

-30kV a 666J ! – záporná polarita (-)

      Výboje pri zápornej polarite elektródy. Priemer výbojov na hladine je 50cm, vzdialenosť elektródy od vody je cca 2cm. Pri zápornej polarite impulzu nastáva preskok výboja stále na menšiu vzdialenosť a plaziace sa výboje po vodnej hladine sú stále menšie v porovnaní s kladným impulzom. Pozri hore polaritný efekt a rozdiel medzi kladným a záporným impulzom na začiatku článku.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Pohľad na celé usporiadanie pri +33kV 800J

• 
• 
• 
• 
•  

Porovnanie výbojov kladného (+) a záporného (-) impulzu

• 1. porovnanie - spojenie štyroch fotiek pre lepšie porovnanie kladných a záporných impulzov. Bližšie info priamo na fotkách. Jedno porovnanie je ešte vyššie skôr v článku.
• 2. porovnanie - snímky z videa tesne pred vznikom impulzu výboja na hladinu a tesne po zaniknutí výboja z 240fps videa.

• 
• 
•  

Finálne video + spomalené zábery výbojov

 

Experimenty pokračujú ďalej v ďalšom článku - Lichtenbergove obrazce 2 – Marxov generátor

---

Klydonograf a Lichtenbergove obrazce

Doplnenie z teórie – Klydonograf a Lichtenbergove obrazce

3.5.2019
      ...vďaka LC kmitá pár kmitmi na MHz, nie je to len impulz (ako má napr. Marxov generátor). Pravdaže v závislosti, či je to výboj do vody, priamy skrat kondenzátorov, výboj cez cievku, odpálenie niečoho a pod.

      Ako som už načrtol skôr, Lichtenbergove obrazce, ktoré vznikajú v mojom prípade na vodnej hladine. Môžu byť čisto kladné z kladného hrotu elektródy alebo čisto záporné zo záporného hrotu elektródy. Rozvoj výboja je stále od elektródy do vody. No ešte sú tu výboje pri kmitavom ráze výboja, ako mám ja. Pri kmitavom impulze do vody je dôležitá nielen frekvencia kmitov (máme tu LC, kondenzátory a indukčnosti vodičov), ale aj útlm kmitov. Pri veľkom útlme kmitov, je charakter obrazca viac kladný alebo záporný, podľa polarity prvej polvlny. Pretože je kladný obrazec väčší, ako záporný, zachováva sa pri zápornej polarite prvej polvlny aj obrazec kladný z druhej polvlny.

      Ak si prelistujete článok, fotky, porovnávacie fotky pri jednotlivých napätiach a energiách. Všimnete si väčšie alebo menšie rozdiely v kladnej a zápornej polarite elektródy. Keďže stále sa jedná o kmitavú razovú vlnu o istej frekvencií a útlme, podľa toho aj viac či menej na obrazci prevláda druhá polvlna opačnej polarity. Pri menších napätiach a energiách vidieť väčší rozdiel medzi kladnou a zápornou elektródou, čo je vďaka rýchlejšiemu útlmu, kratšom čase kmitavej rázovej vlny atď.

      Rýchlosť šírenia výboja po hladine do obrazca je veľmi veľká. V oboch prípadoch pri kladnej aj zápornej polarite hrotu, je výboj tvorený elektrónmi a nie kladnými iónmi, výboj sa stále šíri od hrotu. Rýchlosť šírenia výboja do obrazca po povrchu je 2*10^6 až 3*10^7 cm/s aj viac, čo svedčí o tom, že podstatou celého javu je pohyb elektrónov. U kladných obrazcov býva rýchlosť šírenia väčšia, ako pri záporných. Rozdiel je viac zreteľný pri nižších napätiach a rozdiel sa zmenšuje pri vyšších napätiach.

• 
• 
• 
• 
•