Юный гений разобрался в сложнейшей задаче по физике. © royalsocietypublishing.org
Семнадцатилетний школьник из Пакистана нашел ответ на сложнейший вопрос электродинамики о механизме формирования «электрических сот», о чем рассказал в своей работе, опубликованной в Royal Society Open Science. Для начала давайте разберемся, что такое «электрические соты». Если вы когда-нибудь ходили на олимпиады по физике, то вам, возможно, могла попасться такая задачка: «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. Объясните и исследуйте это явление». Эта задача и описывает процесс появления «электрических сот».
В чем суть задачки?
Объясняем. Возьмем два электрода, причем один плоский, другой длинный и тонкий, и разольем на поверхности плоского электрода масло. К плоскому электроду надо поднести тонкий проводник — иглу, на конце которой накопится электрический заряд. Электроны с кончика иглы будут стремиться перейти на плоскую пластину, оказываясь на поверхности масла. Все мы знаем, что масло — плохой проводник, поэтому электроны дойдут до пластины не сразу, а ненадолго задержатся на поверхности масла. Из-за этого масло начинает приобретать ячеистую структуру, которую и прозвали «электрическими сотами». Но почему так происходит — никто долго не мог понять.
Rose window instability
Термин «электрические соты» в английском языке имеет название «Rose window instability», потому что такая система очень напоминает узор ажурной розетки готического храма. Юный физик Альберто Изкердо всерьёз озадачился загадкой «электрических сот», поэтому, когда он поехал на международный турнир молодых физиков в прошлом году, он решил повторить опыт с маслом и электродами и сфотографировать поверхность масла тепловизионной камерой, чтобы понять, как изменяется энергия системы по мере ионизации.
Эксперименты юного гения
В ходе эксперимента Альберто выяснил, что сначала электроны ионизируют молекулы масла. Потом ионы распределяются на поверхности жидкости в группы — чем больше группа, тем сильнее она стремится к положительному заряду. Из-за этого на поверхности масла и образуются соты, а небольшие каналы между ними уравновешивают всю систему. Затем, 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 невидимый глазу теплообмен. Дальше он сделал фотографию «электрических сот» уже при помощи тепловизионной камеры, с помощью которой он узнал, что температура поверхности масла растет в течение пяти минут после разряда и падает только после того, как выпущенные иглой электроны доходят до плоского контакта. Для доказательства своего эксперимента Ниази заблокировал поток электронов над частью поверхности с помощью обычной шариковой ручки. В своей работе школьник объяснил, что при отсутствие ионизирующих зарядов полигональная структура не образуется, а значит, именно миграцией ионов по поверхности жидкости объясняется формирование «электрических сот».