Wyładowania atmosferyczne towarzyszą ludzkości, a właściwie naszej planecie od zawsze, wg. jednej z teorii to właśnie wyładowania atmosferyczne zainicjowały syntezę aminokwasów czyli cegiełek życia z których powstaliśmy. Znamy i powszechnie obserwujemy kilka rodzajów wyładowań atmosferycznych ale wszystkie one związane są z liniowym przepływem pożętych prądów rzędu setek kA przez kanał utworzony w powietrzu. Gwałtowny przepływ potężnego prądu rozładowuje nagromadzony w chmurach ładunek elektryczny powstający w wyniku wzajemnego tarcia cząsteczek tworzących chmury.

Występuje jeszcze jeden rodzaj wyładowania (lub wtórnego efektu wyładowania liniowego), nazywany piorunem kulistym. Znamy setki relacji światków i możemy oglądać wiele zdjęć tego zjawiska, niestety wiele z nich to wynik bujnej wyobraźni autorów i efekty fotomontarzu. Jednak wiele z tych relacji jest prawdziwych i możemy mieć pewność że zjawisko naprawdę występuje. Niestety do dnia dzisiejszego nikt nie zaproponował jednoznacznego wyjaśnienia tego fenomenu a tym bardziej nikt nie potwierdził swych teorii w praktyce nawet w mikroskali.
Pozostaje nam tylko opierać się na relacjach naocznych świadków, którzy twierdzą że widziany piorun objawiał się jako poruszająca się jasna kula o średnicy od kilku do kilkunastu centymetrów często wydająca dźwięki podobne do syczenia i towarzyszy jej charakterystyczny zapach, który może być efektem wtórnym wysokiej jego temperatury, która inicjuje w powietrzu powstawanie np. tlenków azotu lub ozonu. Obserwowane pioruny mają zazwyczaj krótkie czasy trwania wynoszące od kilku do kilkudziesięciu sekund. Występują za zwyczaj w czasie burz co skłania ku jednej z teorii, mówiącej że piorun kulisty jest wtórnym wynikiem wyładowania liniowego. John Abrahamson i James Dinniss z University of Cattenbury wymyślili potencjalne wyjaśnienie zjawiska. Według nich piorun kulisty powstaje, gdy zwykły piorun uderza w ziemię, unosząc nieco rozgrzanego krzemu - najbardziej powszechnego składnika skorupy ziemskiej. W wyniku wysokiej temperatury i przetopienia skał glebowych opary krzemu wydostają się ze szczelin w glebie i wznoszą się, przyjmując najpierw kształt pierścienia, a potem kuli. Atomy krzemu wchodzą w reakcję z tlenem, a ich spalaniu towarzyszy wydzielanie energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego - światła [1].
Jest to jedna z najbardziej racjonalnych teorii wytłumaczenia zjawiska, dlatego podjęto wiele prób odtworzenia zjawiska w laboratorium i otrzymano efekty przypominające piorun kulisty dwiema metodami. Pierwsza z nich polega na zjonizowaniu powietrza mikrofalami i podtrzymywaniu wytworzonej plazmy zasilając ją dalej promieniowaniem mikrofalowym. Druga polega na wyładowaniu dużej energii zgromadzonej w baterii kondensatorów naładowanej do napięcia ok. 5 kV przy ich pojemności rzędu 0,8 mF w niewielkiej ilości wody. Dochodzi wtedy do bardzo gwałtownego odparowania i zjonizowania cząsteczek wody i uniesienia kłębka tak powstałej plazmy do góry.

W moim eksperymencie zajmę się właśnie tą drugą metodą. Zbuduję duży bank kondensatorów, układ ładowania i bezpiecznego wyzwalania zgromadzonej energii w krótkim czasie oraz układ synchronizacji momentu powstawania zjawiska z cyfrowym aparatem fotograficznym.
Zaczniemy od samego początku czyli od źródła wysokiego napięcia, którym naładujemy bank kondensatorów.

Rys. 1 Transformator wysokiego napięcia 2 x 4 kV.

Postanowiłem zastosować stary transformator wysokiego napięcia, który swego czasu zasilał rurki reklam neonowych ma on wydajność prądową 60 mA i rdzeń typu rozproszeniowego co sprawia, że bardzo trudno jest takie trafo uszkodzić. Można zrobić zwarcie na wyjściu i iść sobie na obiad. Po powrocie będzie ledwo ciepłe.

Rys. 2 Wyładowanie łukowe na wyjściu wysokiego napięcia.

Trafo posiada dwa uzwojenia, które mają nominalne napięcia 4 kV, można je dowolnie połączyć i uzyskać 4 kV o wyższej wydajności prądowej lub przy szeregowym połączeniu 8 kV. Ja postanowiłem na początku połączyć uzwojenia szeregowo ale nie po to by uzyskać maksymalne napięcie 8 kV ale w celu zastosowania dwu diodowego prostownika dwu połówkowego.

Rys. 3 Schemat ideowy zastosowanego prostownika.

Prostownik taki zapewnia prostowanie pełno okresowe i biorąc pod uwagę, że miałem akurat tylko dwie diody wysokonapięciowe musiałem ten rodzaj prostowania zastosować. Na wyjściu prostownika otrzymałem napięcie 4 kV co wydawało mi się wystarczające do zasilania moich kondensatorów. Niestety później okazało się, że to trochę za mało.

Rys. 4 Testowanie mostka dwu diodowego pod napięciem.

Transformator zasilałem z regulowanego autotransformatora by mieć możliwość regulacji napięcia ładowania a co za tym idzie energii wyładowania elektrycznego. Niezbędnym urządzeniem w tego typu układach jest sonda wysokonapięciowa, którą w każdej chwili możemy sprawdzić do jakiego napięcia naładowane zostały kondensatory i znając ich pojemność możemy płynnie ustalać energię.

Rys. 5 Olejowy kondensator wysokiego napięcia.

W eksperymencie postanowiłem zastosować olejowe kondensatory firmy Maxwell na napięcie 2 kV i o pojemności 50 uF przeznaczone dla medycznych defibrylatorów zdolne do pracy w układach gdzie następuje szybkie wyładowanie dużych prądów. Dla zabezpieczenia diod które nie mają zbyt dużej wydajności prądowej postanowiłem pomiędzy wyjściem mostka a kondensatorami zastosować wysokonapięciowy rezystor dużej mocy o rezystancji 500 omów, który spowolni trochę proces ładowania i sprawi, że w chwili włączenia transformatora nie popłynie od razu duży prąd ładowania.

Rys. 6 Układ ładowania kondensatora z rezystorem ograniczającym prąd ładowania.


Rys. 7 Stycznik dużej mocy 500 A 800 V.

Po naładowaniu kondensatorów należy zadbać o bezpieczne i szybkie przekazanie zgromadzonej energii do obszaru, w którym nastąpi wyładowanie elektryczne. Początkowo planowałem zastosowanie kilku dużych tyrystorów ale znalazłem w swoich zasobach duży stycznik wysokoprądowy zdolny przełączać prąd o natężeniu 500A więc postanowiłem go zastosować. Jedyny problem jaki występuje w przypadku takich styczników to brak możliwości zsynchronizowania wyładowania z aparatem fotograficznym bo czas opóźnienia pomiędzy zasileniem cewki a efektywnym zwarciem wyjścia jest bardzo różny.

Rys. 8 Gotowy układ przygotowany do generowania wyładowań wysokoprądowych.

Teraz pora przygotować sam pojemnik, w którym powstaną pioruny kuliste. Potrzebna będzie duża, szklana zlewka lub plastikowy pojemnik. Ze względów bezpieczeństwa lepszym wariantem jest ten drugi bo w trakcie silnych wyładowań może powstać fala uderzeniowa zdolna potłuc szkło. Ja na początek zastosowałem szklaną zlewkę bo początkowo postanowiłem przeprowadzać stosunkowo niewielkie wyładowania i stopniowo zwiększać energię. Taką zlewkę należy wypełnić czystą wodą do 3/4 jej objętości. Do zlewki należy wstawić dwie elektrody - dodatnią w postaci np. miedzianej pętli lub blachy, która będzie miała możliwie dużą powierzchnię. Tą elektrodę połączymy z przekaźnikiem i to ją zasilimy w chwili rozładowania baterii kondensatorów. Teraz pora na elektrodę ujemną. Należy wykonać ją w postaci rurki szklanej o przekroju ok. 5 do 8 mm, najlepiej kwarcowej w której należy umieścić elektrodę w odległości ok. 5 - 10 mm od jej wierzchołka.

Rys. 9 Schemat budowy generatora piorunów kulistych.

Dolną część elektrody należy połączyć z grubym, miedzianym przewodem i zaizolować w ten sposób, by całkowicie odizolować elektrodę i przewód od wody. Taką elektrodę należy umieścić tak by wystawała nad powierzchnię cieczy w zlewce na 2 - 3 mm. Do tak przygotowanej elektrody będziemy wlewać wodę przed każdym wyładowaniem w taki sposób, by utworzył się wypukły menisk ponad rurką.

Rys. 10 Przygotowanie elektrody ujemnej z miedzianej siatki.


Rys. 11 Generator piorunów przed zalaniem wodą.

Gdy wszystko już gotowe można generator zalać wodą pamiętając o odpowiednim zalaniu także elektrody ujemnej. Pierwsze wyładowanie wykonałem stosując dwa połączone szeregowo kondensatory o pojemności 50 uF każdy, tak więc:

Otrzymałem kondensator na napięcie 4kV i o pojemności zastępczej 25 uF. Energia zgromadzona w tym kondensatorze wnosiła odpowiednio:

Energia takiego wyładowania wynosiła 400 J, a teraz prezentacja efektu czyli tego, na co wszyscy czekamy. Niestety nic szczególnie imponującego nie zauważyłem. Po prostu energia była zdecydowanie za mała.

Rys. 12 Wyładowanie przy energii 400 J.

Rys. 13 Zdjęcie wyładowania 400 J przy krótszym czasie naświetlania.

Rys. 14 Wyładowanie 400 J.
Niestety wyładowania nie są zbyt imponujące, zmusiło mnie to do zakupu większej ilości kondensatorów i zwiększenia napięcia baterii. Co prawda łącząc trzy kondensatory równolegle tracę na ich pojemności bo zgodnie z wcześniejszym wzorem możemy wyliczyć, że zastępcza pojemność wyniesie już tylko 16,66 uF ale analizując drugi wzór na energię kondensatora możemy wywnioskować, że zwiększanie napięcia bardziej się opłaci, nawet kosztem utraty pojemności.

Rys. 15 Energia kondensatora w funkcji napięcia i pojemności.

Zależności te obrazuje powyższy wykres. Widzimy, że zwiększając pojemność przy stałym napięciu liniowo zwiększamy energię, ale jeśli teraz mając stałą pojemność będziemy zwiększać napięcie do jakiego taki kondensator naładujemy to możemy zaważyć, że energia nie rośnie już liniowo tylko wykładniczo.

Rys. 16 Nowiutkie kondensatorki 2kV/50uF.

Tanio zakupione na jednej z aukcji internetowych, śliczne kondensatorki postanowiłem więc połączyć szeregowo-równolegle po trzy szeregowo i 4 takie baterie równolegle. Parametry zastępcze takiej baterii to 6 kV 66,64 uF. Parametry takie pozwolą uzyskać energię wyładowania 1199 J.

Rys. 17 Wysokonapięciowe, rosyjskie diody prostownicze.

Musiałem też przerobić prostownik układu ładowania na cztero diodowy mostek, który pozwoli uzyskać napięcie do 8 kV z zastosowanego transformatora. Okazało się, że w swoich zasobach mam elementy, o których już kilka razy zdążyłem zapomnieć. Przeglądając pudełko z napisem WN trafiłem na całkiem pokaźną ilość powyżej zaprezentowanych rosyjskich diod. Nie znam ich parametrów, ale znając starą radziecką technologię wytrzymają na pewno.

Rys. 18 Bateria szeregowa zasilana z nowego mostka cztero diodowego.

Postanowiłem też zmienić elektrodę wyładowczą bo tą poprzednią wykonałem ze zwykłego szkła i uległa zniszczeniu. Nie miałem akurat pod ręką rurki kwarcowej więc postanowiłem wykorzystać sodową lampę wyładowczą. Odciąłem po prostu jej kawałek i wykorzystałem nie tylko rurkę, ale także jedną z jej elektrod.

Rys. 19 Nowa elektroda z lampy sodowej.

Wystarczyło już tylko przylutować przewód i uszczelnić połączenie rurkami termokurczliwymi.

Rys. 20 Wyładowanie 600 J, elektroda z lampy sodowej.

Rys. 21 Wyładowanie 1200 J, elektroda z lampy sodowej.


Rys. 21 Bateria kondensatorów.

Jak widać na zdjęciach poza ślicznym błyskiem nie osiągnąłem zamierzonego efektu, niestety czeka mnie dokupienie kondensatorów i zmiana ich połączenia, które postanowiłem wykonać miedzianym płaskownikiem. Na pewno dopracuję też inny rodzaj elektrody wyładowczej bo może tu jest psina pogrzebana. Wspomnę teraz jeszcze kilka słów o robieniu zdjęć tak szybkich i krótkotrwałych zjawisk. Na pewno potrzebny nam będzie aparat fotograficzny z możliwością zewnętrznego wyzwalania. Moja Alfa 200 ma takie gniazdko składające się z trzech pinów: GND, AF i R.ON. By zrobić zdjęcie należało zbudować układ, który w chwili wyładowania zewrze GND z R.ON. Oczywiście wcześniej należy zewrzeć GND z AF co spowoduje włączenie autofocusa.
Oczywiście autofocus nie będzie działał prawidłowo w ciemności więc należy automatycznie ustawić ostrość na obiekt, następnie wyłączyć automat i zgasić światło. Teraz pora zrobić układ, który wyzwoli migawkę aparatu w interesującej nas chwili. Ze względu na fakt zastosowania bardzo wolnego stycznika nie mam możliwości zsynchronizowania aparatu z jego zadziałaniem, wpadłem więc na pomysł nieco inny. Posiadam w swych zasobach światłowodowy odbiornik optyczny wykorzystywany do transmisji danych o symbolu HFBR-2521. Postanowiłem więc końcówkę światłowodu umieścić na statywie w pobliżu miejsca wyładowania. Na zdjęciu nr 21 widać ten światłowód. Powstający błysk sprawi, że na jego wyjściu pojawi się sygnał - potencjał masy, bo przy braku światła na wyjściu jest 5V.

Rys. 22 Schemat wewnętrzny przetwornika optycznego.


Rys. 23 Schemat ideowy synchronizatora.

Działanie układu jest następujące: Gdy czujnik nie wykrywa światła na jego wyjściu jest napięcie +5V zapewniane przez wewnętrzny rezystor podciągający, napięcie to sprawia, że tranzystor T1 przewodzi więc na wejściu tranzystora T2 jest potencjał masy i jest ona zatkany co sprawia, że przekaźnik nie jest załączony. Gdy przetwornik wykryje światło na jego wyjściu (otwarty kolektor z rezystorem podciągającym Vo+Rl) pojawi się niski stan, tranzystor T1 przestanie przewodzić co sprawi że na bazie drugiego tranzystora pojawi się 5V i otworzy się on a zatem cewka przekaźnika zadziała wyzwalając tym samym migawkę aparatu. Błysk trwał jednak tak krótko, że nie zawsze przekaźnik zdążył zadziałać. Zastosowałem wiec zatrzask wykorzystując wolną parę styków przekaźnika. Po zadziałaniu tranzystora zestyk K1 podtrzyma przepływ prądu pomimo zaniku światłą i wyłączeniu tranzystora. Przełącznik S1 służy do włączania autofocusa i ustawiania ostrości.

Rys. 24 Test układu wyzwalania migawki.

Tak więc w tym opracowaniu zbliżamy się już do końca, efekt nie został osiągnięty, ale kilka ładnych zdjęć udało się wykonać. Po przebudowie układu i mam nadzieje osiągnięciu efektu przygotuję nowy artykuł, a na zakończenie, jeszcze jedno całkiem ładne zdjęcie wyładowania.