Журнал «Юный техник» 2007 №01

ПОЛИГОН

Что умеет подводная молния

Рассказывают, что в конце 1940-х годов прошлого века студент Лева Юткин пережидал грозу на берегу озера. Внезапно молния ударила в воду, подняв к небу огромный фонтан, окативший юношу с головы до ног. Дивное явление запомнилось. Школьный учитель дал Леве небольшую электростатическую машину, и студент не пожалел нескольких лет, чтобы экспериментально воспроизвести увиденное.

Казалось бы все просто: один провод бросить в сосуд с водой, другой поднести к ее поверхности да покрутить рукоятку машины. Но и первая, и сотая искра никакого эффекта не дали…

А потом получилось. Небольшой аквариум вдруг негромко раскололся на несколько больших кусков, и вода хлынула в комнату. Этот успех и определил дальнейшую жизнь Юткина-изобретателя.

Оказалось, если правильно провести электрический разряд в воде, да еще использовать для этого источник энергии помощнее, чем школьная электростатическая машина, то получался мощный взрыв. Его сила разрушала любые материалы. Все говорило о давлениях в тысячи и десятки тысяч атмосфер. Не удивительно, что в 1950 году Л.А.Юткин совместно со своей супругой Лидией Александровной Гольцовой подает заявку на «Способ получения высоких и сверхвысоких давлений». Заявка увенчалась авторским свидетельством, правда, через семь лет…(Впоследствии Л.А.Юткин и Л.А.Гольцова сделали еще около 150 изобретений!)

Во время электрического разряда в воде происходят сложные процессы. На первой его стадии, длящейся микросекунды, образуется плазменный канал с температурой до 40 000 °C. Плазма расширяется со скоростью, соизмеримой со скоростью звука в воде (1410 м/с).

Так образуется первая ударная волна и полость, наполненная раскаленным паром и газом, которая постепенно заканчивает свое расширение, затем начинает пульсировать и в конце концов схлопывается. Возникает кумулятивный эффект, похожий на тот, что используется в бронебойных снарядах. Возникающее на этой стадии давление, по оценкам ученых, может достигать 450 тысяч атмосфер. Неудивительно, что нет материалов, способных устоять в воде перед электрической искрой.

Отметим, что электрические разряды в воде наблюдали еще в XIX веке. Но ученые не увидели в них ничего примечательного. А Л.А.Юткин обнаружил много интересного. Потому весь круг явлений, связанных с электрическим разрядом в воде и других жидкостях, принято называть электрогидравлическим эффектом (ЭГЭ), или эффектом Юткина.

В ЭГЭ до 30–80 % электрической энергии переходит в механическую работу, а тепла порою выделяется значительно, в 2–3 раза, больше. Причина — в процессах, происходящих в моменты схлопывания полости. К сожалению, мы мало о них знаем. Основная их часть происходит, когда полость уменьшается до размеров, не различимых ни в один микроскоп. К тому же и длится наиболее интересный этап схлопывания много меньше, чем миллиардная доля секунды. Тем не менее, недостаток теоретических знаний не мешает практическому применению эффекта Юткина.

Прежде всего, это дробление самых различных материалов, начиная от простого превращения каменных глыб в щебень. Так, при реконструкции одного из мостов в Москве старые бетонные детали при помощи электрических разрядов превратили в крошку, которую пустили на изготовление новых.

Но есть процессы дробления более тонкие. На поверхности стальных деталей, отливаемых в земляную форму, остается прочно въевшийся в нее слой земли и окалины. Удаление его крайне трудоемко, если не применять ЭГЭ. А если им воспользоваться, то процесс оказывается крайне простым. Детали кладут в ванну, несколько ударов подводной молнии — и их поверхность чиста.

Эффект Юткина позволяет не только крушить, но и созидать. Вот как, например, с его помощью штампуют детали из металлического листа. Сначала делают матрицу — деталь, обратную по форме той, которую хотят получить. Ее помещают на дно ванны, сверху прочно прижимают лист металла и откачивают из-под него воздух. Затем сверху наливают воду, и в ней производят разряды. Лист металла прогибается и точно заполняет всю поверхность матрицы.

Надо сказать, что листовую штамповку можно производить и множеством других способов, например, давлением масла или ударом молота по слою резины. Но тут необходимо применять особо пластичный и мягкий металл, значит, деталь получается непрочной. Эффект Юткина позволяет штамповать детали из хрупких и прочных металлов, и деталь получается очень прочной.

Так работает электробур.

Способен ЭГЭ и бурить. Бур Юткина состоит из пластмассового стержня с электродом внутри и коронки из любого металла, например, меди. И коронка, и стержень неподвижны, вращается только легкий проволочный электрод. Через еще один из каналов в стержне подается вода. При каждом повороте электрода зубцы неподвижной коронки обегает множество искр, дробящих в пыль лежащую внизу породу, а вода уносит ее на поверхность. И нет пород, которые могут устоять перед таким буром.

Однажды Л.А.Юткин и Л.А.Гольцова подвергли ЭГ-ударам обычную почву, продувая через нее воздух. Дело в том, что содержащиеся в ней минеральные соли поступают к корням растений, в основном, с поверхности ее частиц. Микромолнии раздробили их, поверхность увеличилась, и большая часть содержащихся в почве солей стала доступна корням растений. Более того, содержащийся в воздухе азот перешел в форму химических соединений, доступных растениям. Обычная земля превратилась в прекрасное экологически чистое удобрение!

Об эффекте Юткина можно говорить еще долго, но лучше его попробовать своими руками. Главное — источник высокого напряжения, способный создавать резкие, быстро нарастающие импульсы. В промышленных установках для этого применяется высоковольтный трансформатор на 30–60 кВ, который через выпрямитель заряжает конденсатор. Однако сделать такой источник питания очень трудно, да и работать с ним опасно.

Самый простой способ — это поступить так же, как и сам Юткин: начать опыты с небольшой школьной электростатической машиной, которая может дать около 30 000 В. С ней вам предстоит собрать цепь, состоящую из двух воздушных разрядников и электродов, укрепленных на дне ванны. Но вначале нужно привести в полный порядок саму электростатическую машину — разобрать и тщательно очистить от пыли.

Внимание! Все работы с электрической машиной опасны! Их можно вести только в присутствии взрослых!

Для нас очень важны стоящие на ее подставке два высоковольтных конденсатора типа «лейденская банка». Они представляют собою стаканы, оклеенные фольгой. Их следует очищать от пыли особенно тщательно, стараясь при этом не повредить фольгу, которая является обкладкой конденсаторов: пыль при высоких напряжениях неплохой проводник. Замыкая ток, вырабатываемый машиной, она не позволит набрать высокое напряжение.

Следует также обратить внимание на маленькие медные щеточки — токосъемники. Их нужно очистить от темного налета окислов. И наконец, электростатическую машину нужно хорошо просушить. Для этого поставьте ее на сутки возле горячего калорифера. После этого она начнет так работать, что вы ее не узнаете. Искры будут большие, звонкие и частые. Теперь приступаем к получению электрогидравлического эффекта.

Вам понадобится ванна с прозрачными стенками. Стеклянный сосуд не годится — он не выдержит гидравлический удар. Лучше взять нижнюю часть от пятилитровой пластиковой бутыли. Ее следует соединить с электростатической машиной при помощи высоковольтного провода, наподобие того, что применяется в системе зажигания автомобиля. Для формирования импульса необходимо сделать два разрядника. Каждый из них представляет собой укрепленные на куске пластмассы шарики диаметром по 15–20 мм. Их можно найти среди старых школьных приборов. Разрядники отрегулируйте так, чтобы расстояние между шарами равнялось 15–20 мм.