Школьник разгадал знаменитую загадку “электрических сот”

Семнадцатилетний школьник из Пакистана нашел ответ на старый вопрос электродинамики о механизме формирования «электрических сот» и опубликовал работу в одном из самых известных научных журналов мира

Если взять два электрода, один плоский, другой длинный и тонкий, и разлить по поверхности плоского электрода масло, можно сделать «электрические соты».

Электрический заряд накапливается на конце длинного и узкого проводника (иглы), и рано или поздно воздух между ним и маслом пробивает коронный разряд.

Электроны с кончика иглы, стремясь перейти на пластину второго электрода, оказываются на поверхности масла. Масло – плохой проводник, электроны проходят сквозь него не сразу. Сначала они путешествуют по поверхности масла, ионизируя его молекулы. На поверхности жидкости образуется узнаваемая ячеистая структура, напоминающая пчелиные соты. Пока электроны не доберутся до нижнего электрода, вся система напоминает, по словам испанского физика Альберто Изкердо, заплутавшую молнию.

В англоязычной литературе это называется rose window instability, потому что короткоживущая электродинамическая система, возникающая после пробоя, напоминает узор ажурной розетки готического собора.

Иными словами:

Налейте немного масла на горизонтальную металлическую пластину и поместите над ним вертикальную металлическую иглу. При приложении между иглой и пластиной высокого напряжения на поверхности масла возникает ячеистая структура.

Феномен «электрических сот» был известен задолго до того, как пакистанский старшеклассник Мухаммад Шахир Ниази впервые увидел его. В 2016 году он съездил на международный турнир молодых физиков, где повторил опыт с маслом и электродами; тогда же ему пришла в голову блестящая идея: сфотографировать поверхность масла тепловизионной камерой, чтобы выяснить, как изменяется энергия системы по мере ионизации.

Сначала электроны ионизируют молекулы масла. Ионы распределяются по поверхности жидкости в группы, которые растут по мере того, как увеличивается разность потенциалов между каждой ионной группой и пластиной электрода. Чем больше группа, тем сильнее она стремится вниз, к положительному заряду. В результате на поверхности масла образуются маленькие ямки. За несколько миллисекунд между ямками образуются канальцы – так получается полигональная структура, которая уравновешивает систему.

Чтобы показать, как коронный разряд создает область повышенной температуры и неоднородной плотности в воздухе и на поверхности масла, Ниази сделал несколько снимков по методу Шлирена, которым пользуются, чтобы визуализировать невидимые глазу конвекционные потоки. Затем юный физик снял ячеистую структуру тепловизионной камерой и показал, как распределение заряда в жидкости повышает внутреннюю энергию системы; температура поверхности масла растет в течение пяти минут после разряда и падает только после того, как выпущенные иглой электроны доходят до плоского контакта.

В завершение эксперимента Ниази заслонил часть поверхности жидкости «ионной тенью», другими словами, блокировал поток электронов над частью поверхности с помощью обычной шариковой ручки. Ниази показал, что в отсутствие ионизирующих зарядов полигональная структура не образуется, а значит, именно миграцией ионов по поверхности жидкости объясняется формирование «электрических сот». Результаты работы Ниази опубликовал вчера журнал Royal Society Open Science. Мальчик намерен продолжать исследования и мечтает о Нобелевской премии, рассказывает The New York Times.