Аннотация 

В работе представлен анализ экспериментального наблюдения кратковременно устойчивых, визуализированных шаровых плазменных образований, возникающих в воздухе в межэлектродном пространстве додекапольного (двеннадцатипольного) конденсатора рядом или после завершения основного электрического разряда. Эти структуры появляются спонтанно, «вспыхивают» в определенных точках пространства, проявляют признаки временной устойчивости, быстро дрейфуют и исчезают. Их рождение не совпадает с пиковой фазой разряда, что указывает на нетривиальный механизм формирования. Учитывая уникальные свойства этих плазмоидов — существование без внешнего магнитного поля, электродинамическую стабилизацию, реакцию на изменение параметров среды и существенно большую «жизнеспособность», чем у обычных искровых каналов, предлагается рассматривать данное явление как пример самосогласованной, неравновесной постразрядной плазмы. Рассматривается физическая интерпретация, аналогии и потенциальное применение наблюдаемого эффекта.

1. Введение 

Наблюдение устойчивых сферических плазменных образований в свободном воздухе остаётся одной из наиболее интригующих тем современной физики плазмы. Такие образования, если они не связаны напрямую с тепловой, вынужденной или дуговой плазмой, дают возможность исследовать фундаментальные процессы самоорганизации и сохранения энергии в неравновесных открытых системах. Наиболее известным природным аналогом считается шаровая молния — слабо объяснённое явление, характеризующееся устойчивостью, локальностью и высокой энергетической плотностью.

В данном исследовании представлен результат наблюдения плотных, временно устойчивых плазменных образований, возникающих как во время электрического пробоя рядом с разрядом, как и в фазе, следующей за окончанием основного межэлектродного разряда. Эти образования вспыхивают в воздухе на расстоянии от электродов, демонстрируя признаки сложной постразрядной динамики заряженных частиц и полей.

2. Додекапольный конденсатор

Додекапольный конденсатор содержит одновременно двенадцать  электрических полей чередующейся полярности, которые формируют три пересекающиеся в общем центре “энергетические” оси симметрии O1, О2, О3. Вдоль осей О1, О2, О3 осуществляется фокусировка (сжатие) движущихся возбужденных ионизированных атомов в газе.

Додекапольный конденсатор, состоит из двадцати четырёх обкладок различной формы, соединённых попарно с источником напряжения. Додекапольный конденсатор с тремя осями фокусировки (сжатия) движущихся возбужденных ионизированных атомов в газе представлен следующим образом.

Рис. № 1. Додекапольный конденсатор.

Электрические поля додекапольного конденсатора обладают шестью взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии и шестью плоскостями анти симметрии.

 Особенность додекапольного конденсатора в том, что возбужденные ионизированные атомы в газе фокусируются вдоль трёх осей симметрии O1, О2, О3 с пересечением в общем центре. 

Распространение разрядов в додекапольном конденсаторе с прямоугольными обкладками показано на следующем рисунке

Рис. № 2. Распространение разрядов в додекапольном конденсаторе.

3. Экспериментальные условия 

— Электродная система представляет собой додекапольный (двеннадцатипольный) конденсатор с межэлектродным зазором порядка 10 мм;

— Воздушная среда при нормальном атмосферном давлении, без принудительной ионизации;

— Источник напряжения — импульсный высоковольтный генератор на базе катушки зажигания внутреннего сгорания, с частотой импульсов ≈1 кГц;

— Съёмка производилась при помощи видеокамеры в видимом диапазоне.

4. Объективное наблюдение 

Появляющиеся плазмоиды обладают следующими свойствами:

— Проявляются  в пространстве рядом с основным разрядом;

— Проявляются сразу после того, как короткий разряд между электродами прекращается;

— Проявляются в объёме воздуха, иногда на удалении от электродов, подобно спонтанным вспышкам;

— Имеют визуально сферическую (или близкую к таковой) форму, светятся равномерно;

— Демонстрируют слабое, но заметное перемещение, дрейф или колебание в пространстве перед исчезновением.

5. Основное физическое отличие этого эффекта 

Ключевая особенность — задержка между прохождением основного разрядного тока и появлением светящегося плазмоида. Это исключает классическую модель образования плазмы током разряда и указывает на иной механизмы генерации. Высоковольтный импульс подаётся, возникает краткий пробой.  После спада поля или затухания основного тока, в объёме образуется метастабильная плазменная структура.  После потери баланса (диссипации энергии, диффузии), структура исчезает. Таким образом, мы имеем дело с самоподдерживающимся плазменным объектом.

6. Гипотеза физического механизма формирования

Наиболее вероятная интерпретация основана на сложном взаимодействии следующих феноменов:

— Оставшееся в воздухе ион-электронное облако после разряда;

— Временное квазистационарное электрическое поле, сохраняющееся на границе электродов или между ними;

— Локальная концентрация энергии и зарядовой плотности;

— Влияние пространственного распределения электрического поля.

Возникающая плазмоидная структура является результатом спонтанного образования стационарной зоны высокой плотности заряженных частиц, поддерживаемой остаточной энергией поля и собственным внутренним распределением зарядов (самосогласованность). Это делает такие образования сродни «плазменной капле», удерживаемой собственными кулоновскими силами в граничных условиях.

7. Потенциал практического применения

Данное наблюдение может найти применение и вызвать интерес в следующих областях:

— Исследование постразрядных состояний и поздней эволюции плазмы;

— Разработка устройств локального энергетического выброса/накопления на основе остаточной энергии плазменных разрядов;

— Прототипы компактных плазменных источников света;

— Исследование динамики самосогласованных плазменных структур без внешнего магнитного поля;

— Лабораторное моделирование кратковременных природных атмосферных явлений;

— Образовательные и демонстрационные установки для физики плазмы.

8. Заключение

Экспериментально обнаруженные сферические плазменные образования, появляющиеся рядом с плазменным разрядом или после завершения основного разряда в системе октопольного типа, демонстрируют признаки уникального плазменного поведения. Они:

— Возникают без участия магнитного удержания;

— Формируются спонтанно в фазе релаксации системы;

— Некоторое время сохраняют форму и энергию как самосогласованная структура;

— Являются примерами нестационарных, но упорядоченных структур в неравновесной плазме.

Это делает явление ценным не только с точки зрения лабораторного моделирования природных процессов, но и как потенциальную область для новых приложений в управлении плазмой, передаче энергии и физике постразрядных плазменных состояний.

Дальнейшие исследования требуют спектрального анализа излучения, диагностики пространственной структуры полей и применения точной высокоскоростной электрооптики для понимания тонкой динамики формирования и распада плазмоидов.