Наблюдение долгоживущих плазменных образований в тороидальном воздушном вихре при нормальных условиях

Цель. Экспериментально исследовать отличие характерного времени жизни плазменных образований в неподвижном и вращающемся тороидальном объёме воздуха при нормальных окружающих условиях.

Методы. Экспериментальное исследование плазмоидов осуществлено методом видеосъемки высокоскоростной камерой с последующей покадровой обработкой записи. Генерация плазмоидов выполнялась методом механического разрыва плазменного шнура сварочной дуги в поле постоянных магнитов. Создание тороидального вращения плазменного образования в воздухе возникает при прохождении его сквозь отверстие в твердом экране. Численная оценка механических сил, действующих на ионы в воздушном вихре, выполнена по порядку величины на основе данных эксперимента.

Результаты. Созданы две различные по конструкции лабораторные установки для наблюдения плазменных образований в воздухе при нормальных внешних условиях. Время жизни таких «долгоживущих» плазмоидов в воздухе равно примерно двум миллисекундам, что существенно превышает время жизни плазмообразующей сварочной дуги в свободном состоянии при тех же условиях. Увеличение времени жизни плазмоида рассматривается и объясняется в рамках механических представлений о пространственном разделении тяжёлых и легких ионов внутри плазмы под действием сил инерции в результате вращательного движения воздуха. Предложенная механическая модель является заведомо упрощённой и не учитывает диффузионные, рекомбинационные и прочие сопутствующие явления, так как основное и единственное отличие наблюдаемых «долгоживущих» и «обычных» плазмоидов заключается в характере механического движения среды.

Заключение. Созданы и описаны две экспериментальные установки, позволяющие получать и наблюдать поведение плазменных образований с характерным временем жизни порядка двух миллисекунд. Результаты наблюдений косвенно подтверждают простую механическую гипотезу о связи времени жизни свободного плазменного образования с вращательным движением газа внутри него.

1. Список литературы 1. Чейс У. Г. Взрывающиеся проволочки // Успехи физических наук. 1965. Т. 85, вып. 2. С. 381– 386.

2. Ткаченко С. И. Моделирование ранней стадии электрического взрыва проводника // Журнал технической физики. 2000. Т. 70, № 7. С. 138–140.

3. Демидов, В. А., Скоков В. И. О границах бесплазменного режима электровзрыва фольги // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41, № 1. С. 14–20.

4. Баранов М. И. Получение дисперсных материалов с микронными, субмикронными и наноструктурными частицами вещества при электрическом взрыве тонких металлических проводников // Электротехника и электромеханика. 2012. № 4. С. 45–49.

5. Underwater electrical wire explosion and its applications / Y. E. Krasik, A. Grinenko, A. Sayapin [et al.] // Transactions on plasma science. 2008. Vol. 36, no. 2. P. 423–434.

6. Власов А. Н. О возможности формирования тороидального токового слоя при искровом разряде // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1990. Т. 97. С. 468–475.

7. Власов А. Н. Мощный импульсный индукционный разряд с плотной плазмой внутри индуктивного накопителя энергии // Вестник Рязанского радиотехнического университета. 2007. № 21. С. 73–81.

8. Cen J., Ping Y., Simin X. Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning // Physical Review Letters. 2014. Vol. 112, is. 3. Art. no. 035001-5.

9. Корум К., Корум Дж. Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры // Успехи физических наук. 1990. Т. 160, вып. 4. C. 47–58.

10. Егоров А. И., Степанов C. И. , Шабанов Г. Д. Демонстрация шаровой молнии в лаборатории // Успехи физических наук. 2004. Т. 174, вып. 1. С. 107–109.

11. Капица П. Л. О природе шаровой молнии // Доклады АН СССР. 1955. Т. 101, № 2. С. 245– 248.

12. Ohtsuki Y., Ofuruton H. Plasma fireballs formed by microwave interference in air // Nature. 1991. Vol. 350. P. 139–141.

13. Шевкунов С. Рассеяние радиоволн сантиметрового диапазона в ионизированном радиоактивным излучением газе. Формирование кластерной плазмы // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2001. Т. 119, вып. 3. С. 485–508.

14. Стронг Д. Техника физического эксперимента. Л.: Лениздат, 1948. 662 с.

15. Фенман, Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 7. Физика сплошных сред. М.: Мир, 1977. 267 с.

16. Экспериментальное исследование импульсного коронного разряда в воздухе / Ю. К. Стишков, А. В. Самусенко, А. С. Субботский, А. Н. Ковалев // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, вып. 11. С. 21–28.

17. Blandford R., Thorne K. Applications of classical physics. Pasadena: California Institute of Technology, 2005. 336 p.

18. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. 2-е изд., перераб. М.: Наука, 1967. 683 c.

19. Toward a theory of ball lightning occurring in houses and aircraft / J. J. Lowke, W. Heil, E. Tam, A. B. Murphy // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2021. Vol. 214. Art. no. 105532.

20. Spatio-temporal structure and emission of a large plasmoid in atmosphere / R. Friedl, U. Fantz, I. Pilottek [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. Vol. 54. Art. no. 095205.