Вода горит! А также ЭГЭ и волны-убийцы

Водяная спичка — устройство для поджигания воды и проведения интересных опытов с взрывами.
Это конечно не термоядерный взрыв, но что водородный, это точно! Опыт безопасен, так как водород сгорает мгновенно, без накопления опасных объемов.
Предполагаю, что подобная буря в стакане, в масштабах планеты является источником возникновения интересных явлений — волн-убийц и цунами неизвестного происхождения, которые появляются буквально из ниоткуда, обрушиваются на судно и так же бесследно исчезают. На данный момент отсутствует внятное объяснение причин возникновения таких волн.

Возможно, все происходит так…

Анимация “Водяной”

При попадании молнии на поверхность Мирового океана, происходит водородный взрыв, а при удачном сочетании глубины воды и рельефа дна, направления удара и величины напряжения, продолжительности импульса и длительности его фронта — формируется огромная одиночная волна в результате импульсного электролиза поверхностного слоя воды, рассматриваемого в этой статье. Не последнюю роль в явлении играет резонанс.
В районе Бермудского треугольника эти условия выполняются наиболее часто, поэтому он получил свою печальную известность.
Примерно одна миллионная из 250 миллионов молний, ежегодно бьющих по поверхности Мирового океана, рождает супер-волну.
Белая волна — насыщенная газами вода, в которую попадают экипажи низколетящих летательных аппаратов, не является вымыслом и она присутствует в опытах. Вписывается в эту теорию и возникающий при ударе молнии электромагнитный импульс (ЭМИ), выводящий из строя навигационное оборудование.
В отличие от других экзотических способов поджигания воды, рассматриваемый вариант прост и имеет 100% повторяемость. Опыт показывает огромную скорость и производительность электролиза воды при коротком импульсном воздействии, а также позволяет безопасно исследовать электрогидравлический эффект и молнию в лабораторных условиях. Прибор можно использовать для изучения условий формирования блуждающих волн. В дальнейшем станет реальностью создание автоматических устройств, которые сгенерируют встречную волну для гашения разрушительных цунами и волн-убийц в охраняемых прибрежных зонах.

Предположение проверено и подтверждено на небольшом макете. GIF-анимация “Водяной” — формы волн: “одиночная башня”, “белая стена”, а также чудо-юдо с глазами и другие красивые элементы из воды, полученные при начальном для возникновения эффекта напряжении 145 вольт, показаны в тексте выше.
Любой желающий может повторить опыт и проверить предположение.

При нахождении электрода на поверхности жидкости, легко достигается эффект горения воды.

Анимация “Вода горит”

Огниво для воды.
Более года назад вышла статья “Импульсный электролиз на Google Science Fair”, где в опытах по поджиганию воды использовался батарейный вариант импульсного электролизера. С тех пор утекло много соленой воды и был создан новый вариант устройства под названием водяная спичка (ВС). Батарейный вариант из прошлой статьи будет ВС-1, сегодняшний сетевой — ВС-2.
Ключевыми особенностями устройств являются:
— тонкий электрод — чем тоньше, тем лучше;
— работа на поверхности жидкости или в глубине, при помощи изолированного по длине катода;
— импульсный режим работы;
— короткое время импульса и длительная пауза;
— крутой фронт импульса;
— вода с большой соленостью в качестве рабочей жидкости.

Водород выделяется из воды при импульсном воздействии на поверхностный слой с использованием тонкого катода (отрицательный электрод, если кто не знает, да и сам постоянно забываю) и мгновенно сгорает в присутствии кислорода. Процесс выделения/сгорания очень быстрый, поэтому имеет взрывообразный характер. К счастью жителей планеты, процесс является затухающим — сколько водорода выделяется за время импульса, столько и сгорает. Устройство использует соленую воду, так как пресная требует большие напряжения для создания аналогичных размеров водородного пламени.
Работа прибора основана на электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ), открытом великим российским ученым Юткиным. Чтобы никому не было обидно, можно утверждать, что в других странах этот эффект действовал задолго до его открытия в виде обыкновенной молнии. Но даже обычная молния до сих пор изучена не полностью — эльфы, джеты, спрайты, а также космические лучи для запуска процесса подтверждают это.
В устройствах, работающих на эффекте ЭГЭ, требуется высокое напряжение, разрядники, а также другие большие и опасные штучки. Но соленая вода и современные комплектующие позволяют собрать прибор на базе ручки от старого паяльника, используя относительно низкое рабочее напряжение. Хотя не обошлось без микроконтроллера, схема доступна для повторения любым радиолюбителем.

В предыдущем эксперименте с поджиганием воды моя роль сводилась к созданию импульсного электролизера. Результаты опытов оказались интересными, но дочка вместо исследования ЭГЭ готовится к ЕГЭ — это новомодное увлечение все больше и больше поглощает умы и время подрастающей молодежи, а также деньги их родителей. Поэтому, экспериментальных данных в этом рассказе будет мало, желающие почитать подробности могут это сделать в предыдущей статье. Я свой интерес удовлетворил созданием более мощного устройства и коротким фильмом.

Теория ЭГЭ.
Юткин в своих опытах использовал напряжение всего лишь 20...50 кВ и более, а емкость до 1 мкФ. Теория была опубликована в работе “Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности”, в формате djVu находится тут.
То, что творится при ударе молнии в воду с ее напряжением в миллионы и миллиарды вольт трудно себе представить, так как энергия, запасенная в конденсаторе, и выделяющаяся при его разряде пропорциональна квадрату напряжения и определяется по формуле: W=СU^2/2.

По сравнению с разрядниками Юткина и тем более молнией, ВС-2 является детской игрушкой, но она позволяет исследовать явление в безопасных режимах в стакане на столе. Вышеприведенную формулу для расчета энергии можно использовать лишь частично, так как ВС-2 управляет количеством энергии, поступающей на катод, и разряд конденсатора производится не полностью.

По теории ЭГЭ считается, что причиной роста давления жидкости является расширение паровоздушной смеси, образовавшейся в результате мгновенного вскипания жидкости в канале стримера из-за его огромной температуры.
Но по результатам предыдущих опытов с ВС-1 можно сделать вывод, что источником роста давления является огромная скорость электролиза, а следовательно — выделение водорода и его последующее горение с большой скоростью (взрыв) в присутствии растворенного в воде кислорода.
То есть, при разряде происходит практически мгновенное разложение молекул воды на атомы водорода — топливо и кислорода — окислитель, и последующий взрыв гремучей смеси в зоне катода (кислород растворен в воде и пополняется из зоны анода).
Скорее всего, наблюдаемое кипение жидкости происходит в результате кавитации, после произошедшего взрыва водорода.
Чем больше плотность тока (определяется напряжением и диаметром катода), и чем короче фронт импульса, тем большее число молекул воды участвует в процессе электролиза и тем больше водорода выделяется при каждом импульсе.
Можно сделать вывод, что в ЭГЭ первичным является высокоскоростной электролиз, который порождает все последующие эффекты.

Гром — звук от молнии, является результатом взрыва водорода при разложении молекул воды, находящихся в атмосфере. Но если в атмосфере вследствие низкой плотности и высокой сжимаемости воздуха слышен лишь взрыв, то в воде образуются волны.
Каждый взрыв индивидуален. Сложный характер движения жидкости иллюстрирует фотография с “чудом-юдом”, где видна траектория движения разгоряченного после взрыва конца электрода.

Исследование импульсного электролиза на границе воздух-жидкость, а также с использованием тонкого закрытого электрода, погруженного в жидкость, позволит изучить явление более подробно. Данные опыты являются началом экспериментов, которые желательно продолжить с использованием современных научных приборов, более совершенной измерительной и записывающей техникой. Желательно провести измерение уровня ЭМИ. В некоторых фрагментах видео (особенно при использовании быстродействующего транзистора) заметно “захлебывание” звукового тракта камеры, чем это вызвано — воздействием ЭМИ на микрофон или его перегрузкой из-за резкого звука, непонятно.

Создание ВС-2.
За основу электрической схемы ВС-2 был взят импульсный электролизер ВС-1 из предыдущей разработки.
Трансформатор, показанный на схеме, любой доступный и он находится вне платы ВС-2. Можно его не использовать, если производится питание от электрической сети. Но при этом существует риск поражения электрическим током.

В качестве задающего генератора использован микроконтроллер PIC12F675, который формирует необходимую длительность импульсов.

Излишки напряжения (предполагалась работа до 800 В) гасятся на балластном резисторе, который выполнен из сборки полуваттных резисторов. Экономичность генератора импульсов и большая скважность работы способствуют низкому уровню мощности, выделяемой на данном резисторе. Последовательное соединение и большое количество резисторов препятствуют их пробою на предельных напряжениях.

Данный вариант блока питания был выбран из-за простоты, надежности, а также в связи с тем, что предполагалась работа не от сети 220 В, где можно получить на накопительных конденсаторах лишь 311 В, а от разделительного повышающего трансформатора, позволяющего значительно поднять напряжение на конденсаторах. Из того, что имелось в наличии собрана схема из трех трансформаторов и получено переменное напряжение 544 В, из которого после выпрямления и фильтрации получается 769 В постоянного напряжения. Это уже что-то, по сравнению с 145 В, использованных в ВС-1.

Из предыдущих опытов стало понятно, что одним из факторов, влияющих на производительность установки, является минимальная длительность фронта импульса, поэтому схемотехника устройства направлена на увеличение крутизны:
— короткая длина электродов и проводов, размещение силовых элементов в непосредственной близости от электродов для уменьшения индуктивности силовой части схемы;
— мощный драйвер MOSFET TC4452, управляющий силовым транзистором;
— новейший супер-пупер транзистор в качестве скоростного ключа: CREE Z-FET™ MOSFET на карбиде кремния (SiC) CMF10120D с параметрами Qg = 47 nC, максимальным напряжением 1200 В, сопротивлением RDS(on) = 160 mΩ и импульсным током 49 А.
При отладке на макете (работа на длинных проводах) все работало отлично. После установки на ручку паяльника и сокращении длины проводников до электродов, первый экземпляр ключа не выдержал работы на высоком напряжении 769 вольт и был заменен на его брата-близнеца. При его высокой стоимости это было шоком. Разработка силовой электроники, это затратная область деятельности.
Второй экземпляр также не смог долго продержаться. Скорее всего, происходит выброс напряжения при отключении импульса, и транзистор вылетает по превышению максимального напряжения, пополняя список жертв эксперимента. Результат контрольного измерения — пробой по всем выводам. В следующий раз, при наличии большого количества транзисторов, можно поискать область безопасной работы между 311 и 769 В.

При работе устройства пробой транзистора наблюдается так: длительность импульса уже не ограничена контроллером, и на электроде, при касании поверхности воды происходит выделение значительной энергии. Электрод не выдерживает и немного сгорает, разбрызгивая частички меди — работает предохранителем. Фрагмент виден в середине фильма “Вода горит!” (ниже по курсу).

Помимо сокращения длительности фронта, другой путь увеличения добычи водорода, а следовательно высоты пламени — увеличение напряжения на электродах. Предполагалась получение напряжения импульса до 800 В, поэтому пришлось использовать пару конденсаторов. Два последовательно соединенных конденсатора 47 мкФ х 450 В дают результирующую емкость 23,5 мкФ х 900 В.

Богатырские накопительные конденсаторы, используемые в схеме, как и Илья Муромец лежали очень долго, поэтому была проведена их формовка. Для этого, на протяжении двух суток последовательно соединенные конденсаторы находились под выпрямленным сетевым напряжением 220 В. В первые сутки напряжение на них менялось следующим образом:
С1 — 241, 235, 216, 203, 196, 190, 187, 184, 179, 175, 172, 165, 162, 155, 154 В.
С2 — 065, 072, 104, 120, 127, 134, 139, 141, 145, 148, 154, 160, 159, 153, 153 В.
Суммарное напряжение на конденсаторах зависит от величины сетевого напряжения в соответствии с формулой U=220х1,414=311 В. На вторые сутки разница напряжений не превышала 1 вольта, что является показателем окончания процесса формовки.

Ручка ВС-2 взята от паяльника ЭПСН 220 В, 40 Вт. В ней имеются углубления и упоры, которые позволяют надежно зафиксировать печатную плату с элементами.

При работе устройства происходит значительный разброс капель соленой воды, поэтому компоненты устройства расположены внутри защитной пластиковой бутылки.

Как было доказано в опытах с ВС-1, высота факела пламени зависит от толщины электрода. Электроды ВС-2 изготовлены из медной проволоки диаметром 1,7 мм. Анод должен значительно превышать по размеру катод.

Тонкий медный катод диаметром 0,07 мм (меньше найти не удалось) припаян к концу несущего электрода. При уменьшении диаметра необходимо подобрать параметры импульса (напряжение, длительность, пауза), чтобы электрод практически не разрушался при коротком импульсном воздействии.

Как следует из экспериментов с ВС-1, при взрыве водорода образуется воронка и происходит колебание поверхности жидкости. При последующих импульсах волны набегают на электрод, и поверхностный взрыв превращается в подводный — происходит “захлебывание” электрода, и уменьшение высоты пламени водорода. Удержать электрод точно на поверхности в условиях сильного шторма при помощи одной руки (вторая управляет процессом фотосъемки) становится затруднительно. Чтобы облегчить задачу, в программе ВС-2 длительность импульса уменьшена вдвое — до 100 мксек, а продолжительность паузы между импульсами увеличена втрое — до 300 мсек по сравнению с программой работы ВС-1.

Программа работы ВС-2.
start:
HIGH GPIO.2 ' включение ключа
PAUSEUS 100 ' 100 мксек — длительность импульса
LOW GPIO.2 ' отключение ключа
PAUSE 300 ' 300 мсек — длительность паузы
GOTO start

Фото и видео
Брызги воды разлетаются от электрода на расстояние более метра, поэтому съемку пришлось проводить на большом удалении.
Необходимо использовать защитное стекло на объектив и желательно прикрыть фотоаппарат, так как соленая вода для электроники, это не очень хорошо.
В идеале желательно использовать высокоскоростную камеру, но за неимением таковой, съемка велась на зеркалку Nikon D7000 с объективом 18-105 мм.
Фотографирование лучше проводить в ручном режиме, так как при маленьком времени импульса автоматика не справляется.
Перед съемкой как можно точнее сфокусировать закрепленный на штативе аппарат на место предполагаемых взрывов с помощью дополнительного высококонтрастного объекта, так как поймать фокусировку по воде трудно. По пробным съемкам выставить время выдержки.
Теперь можно рассчитать вероятность получения удачного снимка:
— время импульса — 100 мксек;
— пауза между импульсами — 0,3 сек;
— скорострельность аппарата в непрерывном высокоскоростном режиме — 6 кадров в секунду;
— выдержка, выставленная для снимка — 1/100 сек.
То есть вероятность крайне низкая.
Скорость выделения водорода огромная, поэтому получить четкое изображение факела пламени с такой выдержкой нереально. Уменьшая выдержку для получения красивого снимка столба пламени, мы делаем еще меньшую вероятность попадания вспышки в кадр. Как вариант, можно попробовать приспособления для автоматической синхронизации, но эти устройства отсутствуют.
Все вспышки, пойманные за время съемки, а также другие фотографии, относящиеся к этому проекту, можно посмотреть в альбоме. При анализе снимков видно, что каждый удар индивидуален, хотя электрод расположен почти одинаково. Поэтому формирование высокой волны на море, при ударе молнии, имеет даже меньшую вероятность, чем получение удачного снимка.

С видео все проще, но рассмотреть место взрыва подробно становится затруднительным.

Видео “Вода горит!” Показаны три фрагмента работы.
1. Скоростной транзистор CMF10120D при работе с напряжением 311 В.
2. CMF10120D в момент, когда он пробит при работе с напряжением 769 В.
3. Устаревший транзистор 2SK1358 при работе с напряжением 311 В.

Гифка “водяной” вначале статьи, была сделана из старых кадров с участием ВС-1. Для модели ВС-2 закрытый электрод не изготавливался, так как будет очень большой разброс капель.

Эффективность процесса.
Одним из самых интересных вопросов — КПД при получении водорода, хотя он сразу и сгорает.
К полезной части, для оценки КПД, относятся электромагнитный импульс излучений в различных диапазонах спектра, колебание поверхности жидкости, выброс капель, звуковая волна — но это трудно оценить в виде цифр. Наиболее простым способом определения выработки является визуальная оценка объема водорода по кадрам видеосъемки или фотографиям области пламени.
Для четкого определения границ необходимо поснимать взрывы заранее известного объема водорода, а затем анализировать вспышки при проведении импульсного электролиза поверхностного слоя. Хотя опытные химики и взрывники наверняка и без предварительных взрывов смогут определить границы водорода, участвующего в процессе.

Так как разряд заряженного конденсатора при импульсе происходит не полностью, то формулу по расчету его энергии использовать некорректно.
Затраты энергии считаются по анализу осциллограммы на небольшом резисторе, включенном в цепь электрода или на токоограничительном резисторе блока питания.

При предварительных испытаниях устройства, когда супер-транзистор недолго работал при высоком напряжении, высота пламени водорода достигала трех сантиметров, но на видео это не успело попасть, и объем остался неизвестен. После выхода из строя двух современных ключей, за неимением лучшего, был установлен транзистор 2SK1358, который не отличается выдающимися параметрами, что заметно даже по характеру звука в фильме “Вода горит”. Поэтому для установки ВС-2 объем водорода не определялся, а дальнейшая работа производилась на “пониженном” напряжении 311 В. В предыдущих опытах с ВС-1 выработка определялась по размеру пламени, потребление — по падению напряжения, включенного в цепь электрода.

Продолжение работ.
Работа по импульсному электролизу перспективна и интересна людям, у некоторых имеется желание повторить и продолжить опыты. Был замечен интерес к ней со стороны людей, уже занимающихся подобными исследованиями, что очень похвально. Результатов пока не видно, но это дело времени.
В Интернете выложено большое число видео с процессом электролиза. Как правило, электролиз проводят при неотключаемом напряжении — постоянном или переменном. При этом остро встает проблема сохранности электрода, который изготавливают из материалов, устойчивых к высокой температуре.
В случае же импульсного воздействия, как правило, производится полный разряд накопившего энергию конденсатора на водную среду, высоковольтный ключ/разрядник производит лишь включение цепи.
Фишкой установок ВС-1 и 2 является то, что можно ограничить длительность импульса до минимально возможной. При этом, благодаря маленькому диаметру электрода, плотность тока в импульсе достигает огромных величин, но короткое время воздействия не позволяет разрушить даже тонкую медную проволоку. При достаточно высокой частоте следования импульсов можно добиться визуального эффекта непрерывного горения водорода на поверхности воды.

По результатам эксперимента можно сделать вывод, что для начальных опытов достаточно выпрямленного сетевого напряжения, желательно — гальванически развязанного от сети при помощи трансформатора. Потребление энергии устройством небольшое, так как ВС-2 работает в импульсном режиме с большой скважностью.
Схему можно упростить, что уменьшит размеры устройства. Накопительный конденсатор достаточно использовать один, емкостью 10...47 мкФ на напряжение 450 В. Составной балластный резистор можно изготовить из трех-четырех последовательно соединенных резисторов.
При доработке устройства можно ввести регулировку длительности импульса, паузы, напряжения на накопительном конденсаторе, предусмотреть режим одиночных импульсов.
Изучайте, исследуйте, это действительно интересно, и выкладывайте свои результаты.

Интересный фильм “Повелители молний” был снят автором Антоном Войцеховским в рублике «ЕХперименты». В фильме, в частности, упоминается испытательный полигон ВНИЦ ВЭИ, расположенный в городе Истра. На базе этого научного заведения можно начать исследования условий возникновения волн-убийц при попадании молнии в морскую воду. Продолжить опыты можно уже на море, создав там мощную установку для получения молниеносного напряжения.

Ссылки.
1. Альбом с фотографиями.
2. ВС-2. Электрическая схема.
3. ВС-2. Печатная плата.
4. ВС-2. Повышающий трансформатор, оказался практически невостребованным.

Автор: Kidar

Источник