В истории человека полно изобретений и открытий, которые так или иначе повлияли на мир, но лишь некоторые могут считаться фундаментальными, чье появление его кардинально изменило. Одним из таких открытий стало электричество, без которого тяжело представить себе современный мир. К примеру, электрическая искра используется для сварки, антимикробной обработки, воспламенения топлива и т. д. Искра — крайне полезная, но тяжело управляемая, так как в открытом пространстве она начинает разделяться на ветви, стремясь к ближайшему металлическому объекту. Ученые из Хельсинкского университета (Финляндия) создали систему, позволяющую контролировать электрические искры в открытом воздухе с помощью ультразвука. Из чего состоит данная система, как именно она работает, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Образование высоковольтных искр при электрическом прорыве создает ветви плазмы в воздухе. Высоковольтные искры в сантиметровом масштабе могут использоваться для зажигания, уничтожения микробов, обработки поверхности, сварки, фрезерования или переключения высоковольтной электроники. Управление траекторией электрических разрядов значительно улучшит эти приложения, например, от простого нацеливания на одну точку до создания двумерных динамических узоров или от следования хаотическому пути до искры, направляемой вокруг препятствий.
Некоторые физические принципы могут быть использованы для воздействия на электрические искры. Альфа-частицы, рентгеновские лучи или гамма-излучение могут ионизировать воздух вдоль своего пути и инициировать образование искры. Однако использование этих высокоэнергетических частиц или волн нецелесообразно для управления искрами, учитывая сложность их генерации вдоль контролируемых путей. Кроме того, они влекут за собой опасности для живых организмов. Микроволновое излучение также может способствовать образованию искры, но не вдоль контролируемого пути.
Поток благородных газов вдоль электрической плазмы расширяет ее охват и снижает ее температуру. Это называется холодной плазмой и имеет многочисленные применения в обработке пищевых продуктов и биоматериалов. Однако для этого требуется постоянный поток благородного газа, и хотя он расширяет охват и прямолинейность плазмы, он не может динамически управлять ею без клапанов и других механических компонентов.
В 1987 году в труде «Behavior of Electric Discharge in Ultrasonic Field» ученые показали, что коронный разряд расширяется, когда в него вводится акустическая пучность стоячей волны. В исследовании «Power ultrasound interaction with DC atmospheric pressure electrical discharge» 2006 года ученые наблюдали аналогичный эффект. Расширенная область коронного разряда увеличивала генерацию озона и перенос тока. Явление усиливается при подаче воздушного потока.
Видео №1: демонстрация направляющего воздействия ультразвука на искру, механического наклона, наклон, управляемого массивом, избирательного питание 3x3 массива неоновых лампочек, изгибания искр вокруг препятствий и временной динамики.
Разряд, направляемый лазерными импульсами, использует мощный лазер для создания плазмы, которая приводит к нагретой области газа с меньшей плотностью, тем самым обеспечивая предпочтительный путь для разряда. Импульсные лазеры могут использоваться для направления искр размером с сантиметр, а лучи Эйри могут даже огибать искру вокруг препятствия. Разряд, направляемый лазером, является единственным методом точного направления электрических разрядов в воздухе. Однако использование мощных лазеров требует тщательного контроля задержек между лазерными импульсами и разрядом, оборудование громоздкое, а сам лазерный луч может повредить поверхности или электроды. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассказывают об использовании динамических ультразвуковых лучей для направления электрической плазмы по сложным траекториям с миллиметровой точностью и миллисекундным временем отклика (видео №1).
Результаты исследования
Изображение №1
Электрическая искра следует за созданной ультразвуковой фокальной точкой (фото выше). Таким образом, если фокальная точка наклонена, искра направляется в разные положения. Используются две стратегии наклона: механическая и управление массивом. Механический наклон выполняется путем вращения ультразвуковых излучателей, тогда как при управлении массивом излучение излучателей регулируется электронным способом без механического приведения в действие. Для механического наклона ультразвуковой фокальной точки с 2 степенями свободы использовалась установка из двух концентрических колец.
Изображение №2
Плазменная искра также может быть наклонена с помощью динамических акустических полей, создаваемых электронным управлением ультразвуковых излучателей. Активируя половину массива на разных кольцах, фокальная точка наклоняется, тем самым наклоняя направляемую искру. Выше показано электронное управление азимутом и наклоном искры для нацеливания на отдельные электроды в массиве 3 на 3 для питания определенных неоновых лампочек. Максимальная чистая скорость переключения составляла 100 мс, и можно было переключаться быстрее, но искра на мгновение ударяла по другим электродам.
Видео №2: демонстрация потенциальной возможности применения тактильных ощущений (тактильных стимулов) для воздействия на различные пальцы.
Ультразвуковое наведение искры позволяет ей поражать цели из разных материалов. Во время опытов искра направлялась к плоским листам как непроводящих (акрил и бумага), так и проводящих материалов (бумага с графитом, перфорированная плита и фольга). Ученые отмечают, что когда искра не направляется ультразвуком, она не попадает в некоторые материалы или попадает в них в разных местах. С помощью ультразвукового наведения как с проводящими, так и с непроводящими материалы искру можно было нацелить на определенные фиксированные точки.
Изображение №3
Акустические поля не ограничиваются прямыми лучами из фокальной точки. Ученые также протестировали сложные поля, такие как изогнутые фокальные точки. Две фокальные точки пересекаются, чтобы создать изогнутую фокальную точку, которая направляет искру по крутому повороту. На снимках выше две фокальные точки выровнены под разными углами, чтобы создать изогнутую искру, которая может избежать препятствия и продолжить движение вверх.
Изображение №4
Время, необходимое ультразвуковому полю для направления плазменной искры, измерялось при различных условиях. Если ультразвуковое поле уже активно и искра включена, то искре требуется 15 мс для направления и 30 мс для достижения полной длины (4A). Когда ультразвуковое поле активируется на существующей искре, среднее время до перемещения искры в требуемое положение составляет 35 мс (4B). Когда фокусная точка была наклонена вправо/влево на 10°, время стабилизации составило 40 мс (4C), а наклон начинается с нижней части искры.
Изображение №5
Воздух в непосредственной близости от плазменного стримера нагревается, что является результатом столкновений заряженных частиц, ускоренных электрическим полем, и других нейтральных молекул воздуха. Нагретый воздух имеет иное акустическое сопротивление, чем окружающий воздух, поскольку они имеют разные температуры и, следовательно, плотности и скорость распространения звука. Это приводит к появлению силы акустического излучения, которая толкает горячий воздух в пучности. Это явление было отмечено между различными газами, где газ с меньшим акустическим сопротивлением захватывается в пучностях стоячей волны.
Видео №3: модели областей горячего воздуха в ультразвуковом поле.
Моделирование захвата и выпрямления горячего воздуха с меньшей плотностью представлено на 5A. На 5B моделируются только гравитация и течение, направляющий эффект не наблюдается, и, таким образом, можно предположить, что основная сила, действующая на горячий воздух, обусловлена силой акустического излучения, возникающей из-за наличия акустического контраста между нагретым воздухом с меньшей плотностью и окружающим воздухом. Дополнительные моделирования показаны на видео №3, где видно, что области горячего воздуха с меньшей плотностью будут направляться вдоль областей с высокой амплитудой (пучностей).
Видео №4: искра с наведением и без него.
Нагретую и менее плотную область воздуха можно экспериментально увидеть на видео выше. Для визуализации воздуха при различных температурах и плотностях использовалась установка Шлирена. Без применения ультразвука искра создает турбулентный поток горячего воздуха, который идет вверх. При применении ультразвукового поля менее плотная область горячего воздуха ограничивается прямой линией в высокоамплитудной области фокальной точки.
Изображение №6
Нагретые области воздуха с меньшей плотностью обеспечивают предпочтительный путь для разряда, как описано ранее для наведения с использованием импульсных лазеров. Экспериментально очевидно, что разряды следуют за областями с высокой амплитудой, где концентрируется нагретый и менее плотный воздух (снимки выше).
Ученые отмечают, что они пренебрегли прямым влиянием ультразвуковых волн на напряжение пробоя, поскольку оно колеблется со временем, поэтому не дает существенных изменений при усреднении за период волны. Более того, влияние на напряжение пробоя со стороны нагретого воздуха с меньшей плотностью на порядок больше, чем влияние колебаний давления. В экспериментах ученые использовали пиковые звуковые давления 1500 Па, которые, согласно закону Пашена, влияют на пробой как ±460 В/см. С другой стороны, если нагретая и менее плотная область воздуха имеет температуру 70 °C (измеренную в экспериментах), а окружающий воздух — 25 °C, напряжение пробоя уменьшается на 4091 В/см.
Подводя итог, электрическая искра нагревает воздух; этот нагретый воздух расширяется, тем самым уменьшаясь в плотности; нагретый воздух с меньшей плотностью формируется ультразвуковым полем, которое толкает его в области с высокой амплитудой; и область воздуха с меньшей плотностью является предпочтительным путем разряда. Это соответствует лазерно-управляемому разряду, но нагретая область воздуха с меньшей плотностью создается самой искрой и формируется ультразвуковым полем.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали и протестировали установку, позволяющую контролировать электрической искрой с помощью ультразвука.
Электрическая искра является крайне полезной и используется в сварке, обработке поверхностей, зажигании топлива и т. д. Проблема в том, что ею трудно управлять. Попытки достичь контроля над искрой были и раньше, но они требовали сложного, дорогого и громоздкого оборудования, в частности мощных лазеров.
В данном же труде ученым удалось достичь контроля с помощью ультразвука. Степень полученного контроля была столь высока, что искру можно было нацеливать на определенные точки на непроводящем материале.
Эффект контроля обусловлен тем, что искра нагревает воздух, который расширяется, а его плотность уменьшается. Этот воздух направляется ультразвуковыми волнами в области, где интенсивность звука выше, а следующие искры следуют за этими областями более легкого воздуха из-за его более низкого напряжения пробоя.
Разработанная установка отличается своей простотой, компактностью и низкой стоимостью. Как отмечают ее авторы, контролируемая и направляемая искра может быть крайне полезна в самых разных отраслях деятельности человека, от атмосферных наук и биологических процедур до избирательного питание цепей. Куда более амбициозным и весьма футуристичным является идея ученых использовать их наработки для создания системы контролируемых тактильных стимулов, которые можно будет использовать для реализации бесконтактной системы Брайля.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
