Школьнику из Пакистана удалось разгадать загадку "электрических сот"

Школьник из Пакистана нашел ответ на самый старый вопрос электродинамики о механизме формирования "электрических сот" и опубликовал свою работу в журнале Royal Society Open Science, сообщает Naked Science.

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.

Пакистанский старшеклассник Мухаммад Шахир Ниази впервые увидел феномен в 2016 году на международном турнире 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".

Ранее сообщалось о том, что физики из Польши проанализировали характер редких вариантов распада так называемых В-мезонов на Большом адронном коллайдере и обнаружили странности, которые могут свидетельствовать о существовании частиц, не укладывающихся в Стандартную модель физики.