A pernye és a Yukawa-plazma kölcsönhatása: gömbvillám
A pernye elektromosan semleges, szilárd égéstermék, szilikátok, fém-oxidok, korom keveréke. A jelenléte képes előidézni, módosítani vagy felerősíteni az elektromos kisüléseket, amikor külső áramforrás által keltett nagyfeszültségű tér van jelen.
A pernye és az elektromos tér kölcsönhatásai
1. Az "Inverz korona-jelenség". Az ipari elektrosztatikus porleválasztókban (ESP), ahol a füstgázból pernyeszemcséket vonnak ki, a leválasztó elektródákon vastag pernyeréteg gyűlik össze. Ha a pernye elektromos ellenállása nagy, akkor a rétegen átfolyó áram hatására nagy feszültségesés alakul ki a porrétegben. ami erős elektromos mezőt hoz létre, és átüti a pernyerétegben lévő mikroszkopikus légréseket.
2. Dielektromos átütés és ívkisülés: a levegőben szálló por- és pernyeszemcsék fizikai jelenléte megváltoztatja a közeg elektromos tulajdonságait. A térerővonalak mentén a pernyeszemcsék polarizálódnak, láncba rendeződhetnek, és kvázi "vezető hidakat", íveket húzhatnak a feszültség alatt álló elektródák között.
3. A pernyeszemcsék mikroszkopikus egyenetlenségei, éles sarkai helyi térerősség-növekedést (csúcshatás) okoznak, ami alacsonyabb feszültségen elindítja a gáz ionizációját és a szikra- vagy ívkisülést, mint a tiszta levegőben.
4. Statikus feltöltődés: ha a pernye nagy sebességgel áramlik, súrlódik a csővezetékek falával vagy más szemcsékkel, a súrlódási elektromosság révén jelentős statikus töltést halmozhat fel. Ha a felhalmozódott töltés nem tud biztonságosan leföldelődni, egy idő után a környező tárgyak felé elektrosztatikus kisülés formájában sülhet ki, ami porrobbanás-veszélyes, kockázatos. A kisülés jelenség az ipari elektrosztatikus porleválasztókban (ESP) történik, ahol a külső nagyfeszültségű tér célja a pernye összegyűjtése, de ha a porréteg szigetelési tulajdonságai megváltoznak, vagy túl nagy feszültséget alkalmaznak, a berendezés belsejében nem kívánt, romboló hatású ívkisülések (átívelések), porrobbanások keletkezhetnek.
Hogyan alakul ki az ívkisülés a pernye hatására? A pernye létrehozhat erős külső elektromos térben ívkisülést?
Erős külső elektromos tér a pernye jelenlétében létrehoz ívkisülést. A folyamat lényege, hogy a külső elektromos mező energiája ionizálja a gázközeget. A pernye (fly ash) döntően teljesen elégett ásványi anyagokból (szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxidok, kalcium-oxid) áll, melyek már a oxidált állapotban vannak, kémiailag nem éghetőek. Robbanásra csak az finomszemcsés porok hajlamosak (például a szénpor, faliszt, cukorpor). Ha a pernye széntartalma kicsi (10 - 20%), nem robban és az ívkisülés létrejön. (https://www.researchgate.net/publication/286101651_Prediction_and_Monitoring_of_Unburnt_Carbon_in_Fly_Ash_in_Coal-Fired_Power_Plant)
Erős külső elektromos mezőben a gázok átütéséhez és az ívhúzáshoz a pernye az alábbi fizikai mechanizmusokkal járul hozzá:
1. Lokális térerősség-növekedés. A pernyeszemcsék éles peremekkel, egyenetlen felülettel rendelkező mikroszkopikus testek. Amikor bekerülnek a külső elektromos térbe, a szemcsék csúcsainál a térerővonalak sűrűsödnek, és a helyi térerősség meghaladhatja a levegő kritikus átütési merevségét (~3 kV/mm), elindítva a lokális ionizációt, a gázkisülést.
2. Hídhatás (Láncképződés). Ha a pernye koncentrációja magas, a külső elektromos térben a szemcsék polarizálódnak (dipólussá válnak). Az ellentétes pólusaik vonzzák egymást, így a térerővonalak mentén mikroszkopikus láncolatokat, „vezető hidakat” alkotnak az elektródák között, ami zárlatot okoz, elindítja a folyamatos ívkisülést, átüt.
3. Termikus elektronemisszió, az ív fenntartása: amikor az első szikra átüt, a feszültség alatt álló pernyeszemcsék a helyi áram sűrűsége miatt extrém módon felizzanak. A magas hőmérséklet hatására a szemcsékből és a környező gázból elektronok szabadulnak fel (termikus ionizáció), ami tartós, nagy áramerősségű, stabil plazmacsatornát – azaz ívkisülést – tart fenn.
2. Hídhatás (Láncképződés). Ha a pernye koncentrációja magas, a külső elektromos térben a szemcsék polarizálódnak (dipólussá válnak). Az ellentétes pólusaik vonzzák egymást, így a térerővonalak mentén mikroszkopikus láncolatokat, „vezető hidakat” alkotnak az elektródák között, ami zárlatot okoz, elindítja a folyamatos ívkisülést, átüt.
3. Termikus elektronemisszió, az ív fenntartása: amikor az első szikra átüt, a feszültség alatt álló pernyeszemcsék a helyi áram sűrűsége miatt extrém módon felizzanak. A magas hőmérséklet hatására a szemcsékből és a környező gázból elektronok szabadulnak fel (termikus ionizáció), ami tartós, nagy áramerősségű, stabil plazmacsatornát – azaz ívkisülést – tart fenn.
Az erőtér megszűnésekor fennmaradhat a Yukawa plazma
Az elektromos erőtér megszűnésekor fennmaradhat Yukawa-plazma (más néven poros plazma). A Yukawa-plazma egy olyan többfázisú rendszer, amelyben a hagyományos plazma-összetevők (elektronok, gázionok és semleges gázatomok) mellett makroszkopikus méretű, szilárd porszemcsék (itt: pernyeszemcsék) vannak jelen. A rendszer nevét Hideki Yukawa japán fizikusról kapta, aki a porszemcsék közötti kölcsönhatás távolságfüggését leárnyékolt Coulomb-potenciálal (Yukawa-potenciál) írja le, ahol az exponensben r, a szemcsék távolsága, és λ D a plazma Debye-hossza (a screening/leárnyékolási távolság) hányadosa szerepel negatív előjellel: r -1 exp (-r/ λ D).
A Yukawa-plazma az erőtér megszűnésekor három jól elkülöníthető lépésben történik az ívkisülés kialakulásától az erőtér megszűnéséig:
- Intenzív elektronáram - A külső feszültség = 0 - Hőmérséklet leesik
- Pernye negatívan feltöltődik - Az izzó plazma hűlni kezd - "Lassú" ionok és töltött pernyék
- Termikus plazma dominál - Kollektív elektronbefogás - Yukawa-kristály vagy folyadékfázis
- Termikus plazma dominál - Kollektív elektronbefogás - Yukawa-kristály vagy folyadékfázis
1. Töltésfelhalmozódás az ívkisülés alatt
Az ívkisülés plazmacsatornájában a szabad elektronok mozgékonysága (mobilitása) nagyságrendekkel nagyobb, mint a nehéz pozitív gázionoké. A gáztérben lebegő pernyeszemcsékbe emiatt másodpercenként rengeteg elektron csapódik be. A pernye így negatív statikus töltésre, 10 3 - 10 5 elemi töltés szemcsénként, tesz szert.
2. Az erőtér megszűnése
Amikor a külső elektromos erőtér megszűnik (az ívkisülés magától összeomlik), a gáz ionizációját fenntartó energiaellátás megszűnik, a plazmafizikában utófénylés-fázisnak nevezik.
• A könnyű és gyors szabad elektronok mikroszekundumok alatt rekombinálódnak vagy kidiffundálnak a rendszerből.
• A nehezebb, lassabb pozitív gázionok és a hatalmas tömegű, negatívan töltött pernyeszemcsék viszont a térben maradnak. A szemcsék nanoméretűek, tömegük kicsi,a levegő felhajtóereje, a konvekciós áramlások és a környező elektromos terek könnyen képesek őket lebegtetni, ellentétben a mikrométeres ipari pernyével.
• A könnyű és gyors szabad elektronok mikroszekundumok alatt rekombinálódnak vagy kidiffundálnak a rendszerből.
• A nehezebb, lassabb pozitív gázionok és a hatalmas tömegű, negatívan töltött pernyeszemcsék viszont a térben maradnak. A szemcsék nanoméretűek, tömegük kicsi,a levegő felhajtóereje, a konvekciós áramlások és a környező elektromos terek könnyen képesek őket lebegtetni, ellentétben a mikrométeres ipari pernyével.
3. A Yukawa-állapot, egy többfázisú, gáz/plazma alapú rendszer stabilizálódása
Mivel a külső erőtér már nem kényszeríti irányított mozgásra (áramra) az ionokat, a rendszerben a mikroszkopikus elektrosztatikus erők a meghatározóak. A pernyeszemcsék negatív töltéseit a környező pozitív gázionok felhője veszi körül (Debye-leárnyékolás). A leárnyékolt taszítás megakadályozza, hogy a pernyeszemcsék összetapadjanak, ugyanakkor a gáz fojtó hatása miatt a szemcsék lelassulnak. Létrejön egy erősen csatolt komplex plazma, ahol a pernye úgy viselkedik, mintha egy makroszkopikus "atomokból" álló gáz, folyadék, (néha szilárd rács, úgynevezett Yukawa-kristály) lenne.
Miért különleges a pernyéből létrejött plazma?
1. Hőmérsékleti aszimmetria: az erőtér megszűnése után a plazma gyorsan hűl. A gázkomponens szobahőmérsékletűvé válik, de a pernyeszemcsék töltése megmarad. Ezt hívják nem-termikus vagy hideg poros plazmának.
Mivel a pernyeszemcsék mikrométeres méretűek, a belőlük kialakuló Yukawa-plazma szerkezete, hullámai és fázisátmenetei lézeres megvilágítással szabad szemmel is, vagy egyszerű kamerákkal megfigyelhetőek (szemben a hagyományos plazmák atomi skálájú folyamataival).
3. A korlátozó tényező a gravitáció. A pernyeszemcsék viszonylag nehezek. Külső elektromos mező hiányában a gravitációs erő a pernyét elkezdi lefelé húzni (kiülepedés). A laboratóriumokban a tiszta Yukawa-plazma jelenségeket emiatt vagy mikro- gravitációban (pl. a Nemzetközi Űrállomás plazmakísérleteiben) vizsgálják, vagy a földön egy nagyon gyenge, minimális függőleges elektromos térrel tartják lebegve a szemcséket, hogy ellensúlyozzák a súlyukat.
Milyen szerepet játszik a pernye szemcsemérete a plazma élettartamában? A kis szemcsék lebegnek: gömbvillám jön létre!
A finomszemcsés por (mint a pernye) és a belőle kialakuló poros plazma elfogadható tudományos magyarázat a gömbvillámok létrejöttére és stabilitására A gömbvillám (ball lightning) évszázadok óta rejtély a tudomány számára, mert a vonalas gázplazma (a rendes villámcsapás csatornája) a külső erőtér megszűnése után a másodperc ezredrésze alatt feloszlik. A gömbvillám pedig másodpercekig, sőt ritkán percekig is képes egyben maradni és lebegni.
A modern kutatások (John Abrahamson és James Dinniss Nature-ben megjelent nano szilíciumváz elmélete szerint a villámcsapás a talajban lévő szilikátokat fémes szilícium- és szilícium-monoxid gőzzé redukálja. Ha a fémgőz lehűl, a levegőben nanométeres méretű porszemcsék hálózatává (aerogél vázzá) kondenzálódik. A lebegő, töltött porszerkezet lassan oxidálódik (ég), miközben a felületén tárolt elektromos töltések egyben tartják a poros plazmát
V. L. Bychkov plazmafizikus munkássága) a nanoszerkezetű aerogélek segítségével magyarázzák ezt a stabilitást. (Vladimir Lvovich Bychkov: Natural and Artificial Ball Lightning in the Earth's Atmosphere). Bychkov egyik legismertebb elmélete szerint a gömbvillám nem gáz halmazállapotú, hanem erősen feltöltött polimerszálakból álló laza, porózus,de szilárd hálózat. Amikor a hagyományos, vonalas villám belecsap valamilyen anyagba (például talajba, fába, organikus anyagokba vagy elektromos berendezésekbe), a nagy hőmérséklet és elektromos térerő hatására polimerizációs folyamat indul be. Kémiai elemekből (például szilícium-dioxidból, szénből vagy fémekből) nanoméretű szálak és hálózatok (aerogélek) jönnek létre. A finom szálak nagy mennyiségű azonos előjelű elektromos töltést hordoznak. A szálak szerkezeti rugalmassága és a közöttük lévő elektrosztatikus erők egyensúlya tartja egyben a gömbformát. Későbbi munkáiban (az Orosz Tudományos Akadémia munkatársaival közösen) Bychkov továbbfejlesztette a gömbvillám belső szerkezeti leírását:
• A gömbvillám központi része egy unipolárisan feltöltött mag.
• A magot egy dielektromos (szigetelő) burok veszi körül, kettős réteg alakulki.
• A mag elektromos tere polarizálja a külső burkot, és a fellépő molekuláris vonzóerő ellensúlyozza a mag azonos töltései közötti nagy elektrosztatikus taszítást (Coulomb-taszítás). A kényes fizikai egyensúly biztosítja, hogy a gömbvillám másodpercekig vagy akár percekig is stabilan fennmaradjon.
• A gömbvillám központi része egy unipolárisan feltöltött mag.
• A magot egy dielektromos (szigetelő) burok veszi körül, kettős réteg alakulki.
• A mag elektromos tere polarizálja a külső burkot, és a fellépő molekuláris vonzóerő ellensúlyozza a mag azonos töltései közötti nagy elektrosztatikus taszítást (Coulomb-taszítás). A kényes fizikai egyensúly biztosítja, hogy a gömbvillám másodpercekig vagy akár percekig is stabilan fennmaradjon.
Hogyan hoz létre a pernye és a Yukawa-plazma gömbvillámot?
Amikor egy hagyományos, hatalmas energiájú lineáris villám belecsap a talajba, vagy egy ipari környezetben extrém erejű ívkisülés történik, a talajból sok pernye keletkezik. A kicsi szemcsék hatalmas töltést kapnak és láncokba rendeződnek.
Yukawa-plazmagömb (gömbvillám) keletkezik:a leárnyékolt taszítás megtartja a formát, a lassú égés miatt világít.
Yukawa-plazmagömb (gömbvillám) keletkezik:a leárnyékolt taszítás megtartja a formát, a lassú égés miatt világít.
A villámcsapás vagy az ívkisülés helyén a pernye szilikátjai és fém-oxidjai a hatalmas hőben pillanatok alatt elpárolognak, majd a levegőben hirtelen lehűlve nanométeres porszemcsék milliárdjaivá kondenzálódnak, a gravitáció ellenére lebegnek.
A levegő természetes áramlása (konvekció), a hő-mozgás, valamint a szemcsék azonos előjelű (nagy negatív) töltése miatti kölcsönös taszítás lebegő állapotban tartja a porfelhőt.
A Yukawa-potenciál mint „összetartó erő”: a felhő belsejében erősen csatolt poros plazma (Yukawa-plazma) van.
• A porszemcsék közötti leárnyékolt Coulomb-taszítás megakadályozza, hogy a felhő összeomoljon vagy a szemcsék összetapadjanak.
• A felhő határán lévő felületi energia, (a felületi feszültséghez hasonló elektromos hatás, töltéskülönbség) megakadályozza, hogy a gömb szétpattanjon. Az egyensúly adja a gömbvillám gömb alakját és stabilitását külső elektromos tér nélkül is.
• A felhő határán lévő felületi energia, (a felületi feszültséghez hasonló elektromos hatás, töltéskülönbség) megakadályozza, hogy a gömb szétpattanjon. Az egyensúly adja a gömbvillám gömb alakját és stabilitását külső elektromos tér nélkül is.
A gömbvillám világít, lead hőt
A pernyében van egy kevés még nem elégett szén, a kis szemcsék a levegő oxigénjével érintkezve lassú, felületi kémiai oxidációnak (izzásnak) indulnak. A megmaradt szénszemcsék égése biztosítja a gönbvillám energiaveszteségeit. A belső, elnyújtott kémiai energiaellátás tartja fénylően és forrón a gömböt másodperceken át, miközben a poros plazma szerkezete egyben tartja a gömbformát.
A folyamat az alábbi fizikai és aerodinamikai elvek miatt képes stabilan működni:
1. Amikor egy villámcsapás vagy egy nagyfeszültségű zárlat (például egy távvezeték ívhúzása) elpárologtatja a talajt vagy a környező anyagokat, egy sűrű por- és plazmafelhő lökődik a levegőbe. A gömb felületén kialakul egy ion- és elektronfelhő, ami láthatatlan, elektromos „burkot” vagy „bőrt” képez a gömb körül, és a felületi energiája a felületi feszültséghez hasonlóan egyben tartja a szerkezetet, miközben a belsejében a kicsi pernyeszemcsék a Yukawa-potenciál miatt taszítják egymást.
2. Miért nem fújja szét a szél azonnal?
A gömbvillám belsejében lévő erősen csatolt plazma (a Yukawa-plazma) nem úgy viselkedik, mint egy gázfelhő:
• Folyadékszerű viselkedés: a pernye és az ionok közötti erős elektromos kapcsolat miatt a gömb belső anyaga inkább egy viszkózus folyadékhoz vagy lágy gélhez hasonlít, mintsem gázhoz.
• Ha külső hatás éri, rugalmas, a gömb képes deformálódni, áramvonalassá válni, majd újra felvenni a gömb alakot, ahelyett, hogy elpárologna vagy szétoszlana.
• Folyadékszerű viselkedés: a pernye és az ionok közötti erős elektromos kapcsolat miatt a gömb belső anyaga inkább egy viszkózus folyadékhoz vagy lágy gélhez hasonlít, mintsem gázhoz.
• Ha külső hatás éri, rugalmas, a gömb képes deformálódni, áramvonalassá válni, majd újra felvenni a gömb alakot, ahelyett, hogy elpárologna vagy szétoszlana.
Valós példák
• Távvezetékek és transzformátorok zárlatai: ha egy viharban a nagyfeszültségű vezetékek ívet húznak egymás között, a keletkező erős elektromos tér és a levegőben lévő szálló por (vagy a fémhuzalok mikroszkopikus oxidjai) azonnal létrehozhatnak lebegő gömbvillámokat, amelyek elindulnak a vezetékek mentén.
• Vulkáni villámlás: amikor egy vulkán kitör, a kráter feletti felhő tele van finomszemcsés vulkáni hamuval (ami kémiailag és fizikailag szinte teljesen megegyezik a pernyével). A hamufelhőben keletkező gigantikus villámok hatására rendszeresen megfigyelnek szabad szemmel is lebegő, önálló plazmagömböket. A pernye maga a kulcs, az alkotóelemek belső elektromos és fizikai kölcsönhatása (a Yukawa-struktúra) végzi el az összetartó munkát.
• Vulkáni villámlás: amikor egy vulkán kitör, a kráter feletti felhő tele van finomszemcsés vulkáni hamuval (ami kémiailag és fizikailag szinte teljesen megegyezik a pernyével). A hamufelhőben keletkező gigantikus villámok hatására rendszeresen megfigyelnek szabad szemmel is lebegő, önálló plazmagömböket. A pernye maga a kulcs, az alkotóelemek belső elektromos és fizikai kölcsönhatása (a Yukawa-struktúra) végzi el az összetartó munkát.
***********************************************************************************************
A negatív differenciális ellenállás szerepe ha lenne külső elektromos tér
A plazmafizika és a gömbvillám-kutatások egy jelentős ága (például Mircea Sanduloviciu és E. Lozneanu professzorok modelljei) pontosan a negatív differenciális ellenállást (NDR) nevezi meg a struktúra fenntartásának és az energiaveszteségek pótlásának kulcsaként. A hagyományos fizikai rendszerekben a veszteségek (disszipáció, mint a hő- és fénykisugárzás) gyorsan felemésztik az energiát. Hogy a gömbvillám külső energiaforrás nélkül is fennmaradjon, egy olyan belső mechanizmusra van szükség, amely képes kompenzálni a sugárzási és hőveszteségeket. Amikor a gömbvillám poros plazmája hűlni kezd, az elektronok és ionok mozgása megváltozik, és a lokális tértöltések (pl. a porszemcsék körüli ionfelhők) átrendeződnek. Ez a nemlineáris átrendeződés instabilitást és negatív differenciális ellenállású tartományt hoz létre.
A klasszikus Ohm-törvénnyel szemben a plazmákban és gázkisülésekben létezik olyan állapot, ahol a feszültség csökkenésével az áram hirtelen növekedni kezd (vagy fordítva), ez a negatív differenciális ellenállású tartomány.
A negatív differenciális ellenállás révén a plazmagömb képes a belső, elnyújtott kémiai égési energiáját (a pernye lassú oxidációjának energiájátt) a plazma belső elektronjainak felgyorsítására fordítani, ami gátolja a töltések végzetes rekombinációját (semlegesítődését).
A pernye mint a "kondenzátor", "stabilizátor": a kis lebegő pernyeszemcsék nagy kapacitású töltéstárolóként működnek, amelyek lassan adják le az elektronokat, így elnyújtják a rekombináció folyamatát. Úgy működnek, mint egy áramköri terhelő-ellenállás.
A plazmafizikában a hőmérséklet csökkenése (a klasszikus gázokkal ellentétben) nem egyszerűen lelassítja a folyamatokat, hanem megváltoztatja a közeg elektromos tulajdonságait, elmozdítja a rendszert a negatív differenciális ellenállás (NDR) tartományába. A plazma elektromos ellenállását elsősorban az határozza meg, hogy a szabad elektronok milyen gyakran ütköznek a gázionokkal. Magas hőmérsékleten az elektronok mozgási energiája nagy, gyorsan elszáguldanak a pozitív ionok mellett, az ionok vonzóereje alig tudja eltéríteni őket. Az ütközési keresztmetszet kicsi, a plazma ellenállása alacsony. Ahogy a plazma hűl, az elektronok lassulnak. A pozitív ionok elektromos tere hosszabb ideig és erősebben hat rájuk. Az elektronok elkezdenek szóródni az ionokon. A lassulás egy kritikus ponthoz vezet: a hőmérséklet csökkenésével az ütközések gyakorisága növekszik, ami hirtelen megemeli a plazma lokális ellenállását.
2. A hűlő közegben a lebegő pernyeszemcsék beavatkoznak a töltések egyensúlyába. A porszemcsék felszínére folyamatosan áramlanak az elektronok és az ionok: az elektronok még a hűlő plazmában is lényegesen könnyebbek és gyorsabbak, mint a nehéz gázionok, ezért a pernyeszemcsék sokkal több elektront fognak be, mint iont, és hatalmas negatív potenciálra tesznek szert.
3. Amikor a plazma hőmérséklete egy bizonyos küszöb alá esik, az elektronok energiája már nem elég ahhoz, hogy legyőzzék a pernyeszemcsék körül kialakuló negatív taszító teret (a Yukawa-potenciál gátját), ami egy nemlineáris visszacsatolást indít el.
3. Az áram-feszültség karakterisztika meredeksége előjelet vált. Amikor csökken a lokális áramerősség, mert a hűlés miatt lassulnak a töltések, megnövekszik a lokális feszültségesés és a feszültségnövekedés (potenciálugrás) lokálisan újra gyorsítja a megmaradt szabad elektronokat, ami egy negatív visszacsatolt folyamat.
A hűlés nélkül a plazma megmaradna csillapodó, elhaló gázkisülésnek, de a hűlés és a pernye együttes jelenléte létrehoz egy öngerjesztő áramköri hurkot. A negatív differenciális ellenállás miatt a plazmagömb belső elektromos tere és a külső környezet között egy nem-lineáris egyensúly alakul ki. Amikor a gömb hűl, az ellenállása megváltozik, ami miatt több energiát vesz fel a környező (maradvány) elektromos térből, és ha túlforrósodik, a folyamat megfordul. Az önszabályozó mechanizmus egy zárt áramkörhöz hasonlítható jelenség, ahol a plazma saját maga tartja fenn a hőmérsékletét, amíg a környezetben tárolt elektromágneses energia el nem fogy.
Tehát a levegőben szálló pernye, szilikátok és fém-oxidok jelenléte csökkenti a gázok ionizációs küszöbét, és katalizátorként működik. Amikor a villámcsapás elpárologtatja a pernyéket, a keletkező sűrű, nanorészecskékkel teli gőz-plazma keverék átlép egy nem-lineáris fázisba, ahol a negatív differenciális ellenállás a jellemző. A pernye biztosítja az "üzemanyagot" , a negatív differenciális ellenállás pedig az a "fizikai kapcsoló", ami a kaotikus kisülést stabilan világító gömbbé gyújtja be.
A Sanduloviciu–Lozneanu-féle poros plazmamodell szerint a gömbvillám robbanásszerű megsemmisülése a negatív differenciális ellenállás (NDR) hirtelen megszűnése és az azt követő globális lavinaeffektus következménye.
A modell alapján a robbanás mechanizmusa a következő lépésekből áll:
A modell alapján a robbanás mechanizmusa a következő lépésekből áll:
1. A gömbvillám szerkezetét a porszemcsék körüli negatív tértöltésű mag és az azt körülvevő pozitív ionfelhő (a plazma duplaréteg) tartja fenn. Az NDR biztosítja, amikor a plazma hűlni kezd, a lokális feszültség megugrik, ami újra felgyorsítja az elektronokat, és melegszik. Az önszabályozó hurok csak egy szűk paramétertartományon (hőmérséklet, töltéssűrűség) belül stabil.
2. A visszacsatolási hurok megszakadása
Ahogy a belső kémiai üzemanyag (a pernye oxidációja) elfogy, vagy a külső tápláló elektromos tér kritikusan lecsökken, a gömbvillám eléri a kritikus pontot: a plazma hőmérséklete egy minimális küszöbérték alá esik.
• A gát összeomlása: Az elektronok energiája annyira lecsökken, hogy már nem melegítenek, és a Yukawa-potenciálgát összeomlik.
• A gát összeomlása: Az elektronok energiája annyira lecsökken, hogy már nem melegítenek, és a Yukawa-potenciálgát összeomlik.
3. A bezárt energia hirtelen felszabadulása a robbanás a rekombináció: az elektrosztatikus energia (amelyet a pernye mint kondenzátor tárolt) szabadul fel.
• Hősokk és lökéshullám: A hirtelen rekombináció és a megmaradt kémiai energia gázzá alakítja a gömb belső magját. A gáz robbanásszerű tágulása hozza létre a megfigyelhető akusztikus lökéshullámot (a dörrenést).