Выше нас — облака и молнии, а ниже — земная кора, состоящая из литосферных плит. На Земле их полтора десятка, каждая перемещается как целое, а друг относительно друга они скользят со скоростью несколько сантиметров в год.

Пробой по поверхности

Если увеличивать электрическое напряжение, приложенное к диэлектрической детали, к изолятору, то при некотором напряжении происходит пробой — сильное уменьшение сопротивления диэлектрика. Образуется канал пробоя, по которому течёт ток; последствия зависят от многих факторов, прежде всего от мощности источника. В электротехнике изолятор чаще всего находится на воздухе, а канал пробоя может располагаться как в толще диэлектрика, так и на его поверхности, на границе диэлектрика и воздуха. Напряжённость поля, при которой происходит пробой по поверхности, меньше, чем та, при которой происходит пробой по объёму, и часто даже меньше той, при которой происходит пробой по воздуху. Именно поэтому изоляторы часто делают ребристыми — чтобы удлинить путь по их поверхности. Вы наверняка видели ребристые изоляторы на линиях электропередачи; их не случайно называют «тарелки». Механизм пробоя по поверхности изучен плохо, считается, что это пробой по воздуху, но с примесью частиц, испарившихся из самого изолятора, и тех, которые десорбировались с его поверхности.

Исследователи из Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург) изучили ионный состав плазмы, которая образуется при поверхностном пробое диэлектриков, и величину ионного тока. В экспериментах «участвовали» сера (S), хлорид калия (KCl) и полиэтилен. Пробой происходил в импульсном режиме (60 кВ, 0,1 мкс, 3—6 кА), основные ионы, обнаруженные в плазме канала пробоя, — однократно ионизованные молекулы S2, KCl и однократно ионизованные комплексы из нескольких (от одного до четырёх) мономеров полиэтилена (C₂H₄)+.

Выбор материалов для исследования определялся не потребностями электриков, а работой над макетами электрореактивных двигателей космических аппаратов. Вот там и важно, сколько и каких ионов образуется, — их же потом надо ускорять.

Емлин Р. В., Морозов П. А., Щербаков Е. Н. Измерение масс-зарядового состава основных компонент плазмы наносекундного поверхностного пробоя диэлектриков. ЖТФ, 2024, вып. 4. с. 590.

Углерод, пропитанный кремнием

Всё, что мы видим вокруг себя, сделано из каких-то материалов, и свойства всех вещей зависят от параметров материалов. Поэтому материаловеды постоянно создают что-то новенькое. Одно из достижений — карбид кремния, SiC. Отношение прочности и жёсткости к удельному весу этого материала настолько велико, что именно из него сделана основа зеркал космических телескопов «Гершель» и «Гея» (и проекта «Спика»). Один из способов получения карбида кремния — пропитка пористой углеродной матрицы расплавленным кремнием под действием капиллярных сил и последующая выдержка при высокой температуре. При этом одновременно идёт несколько процессов: собственно пропитка, взаимодействие Si и C, диффузия. Итоговый продукт может содержать в разных пропорциях SiC (от 35 до 70% по весу), Si (5—15%) и C (остальное) и иметь разную структуру.

Исследователи из Челябинского государственного университета и ООО «СилКам» (г. Озёрск, Челябинская обл.) использовали в качестве матриц прессовки разной плотности (1,11—1,66 г/см³) из углеродных частиц диаметром до 0,5 мм. Матрицу с основанием 20 x 20 мм и высотой 105 мм при 1600°C приводили снизу в контакт с расплавом кремния при 1450°С (при этом температура могла несколько возрастать из-за экзотермичности реакции). Всё устройство выдерживали 30 минут при 1600°С, охлаждали и исследовали. Оказалось, что матрицы плотностью 1,38 г/см³ и менее пропитываются кремнием на всю высоту (105 мм), а матрицы плотностью 1,45—1,52—1,66 г/см³ пропитываются на высоту 75—30—12 мм соответственно. Авторы изучили состав и структуру однородно и неоднородно пропитанных образцов и установили последовательность протекания процессов при пропитке. Состав однородно пропитанных образцов различается в разных точках и лежит в пределах SiC 48—63%, C — 17—31%, Si — 11—32% по весу.

Тюменцев В. А. и др. Особенность инфильтрации под действием капиллярных сил расплава кремния на большую глубину пористого углеродного материала. ЖТФ, 2024, вып. 2, с. 207.

Эльфы живут на границах плит

Выше нас — облака и молнии, а ниже — земная кора, состоящая из литосферных плит. На Земле их полтора десятка, каждая перемещается как целое, а друг относительно друга они скользят со скоростью несколько сантиметров в год. Именно по стыкам плит расположены вулканы (в том числе подводные), гейзеры, эпицентры землетрясений. А за облаками, в ионосфере, есть спрайты, джеты и даже эльфы. Так называют различные электрические светящиеся явления (родственные молниям) на высотах от 50 до 100 км, то есть намного выше обычных молний (до 16 км). Спрайты и джеты вытянуты преимущественно по вертикали, а эльфы устроены иначе — это красные диски или кольца диаметром до 400 км, возникающие на высотах 80—100 км и существующие несколько миллисекунд. Эльф (ELVES, аббревиатура от Emission of Light for Very low frequency perturbation from an Electromagnetic pulse Source, то есть «излучение света при низкочастотном возмущении от источника электромагнитных импульсов») генерируется в плазме ионосферы импульсным электрическим полем, которое образуется при стекании электрического заряда грозового облака при разряде молнии от облака к поверхности Земли. Эльфы, спрайты и прочие объекты на больших высотах — не яркие, увидеть их сложно, но с МКС эльфы видны и данные наблюдений имеются.

Координаты эльфов — точки с номерами. Цвет точки — форма данного эльфа. Границы литосферных плит — красные линии. На врезках — четыре области в увеличенном масштабе.  Рисунок из реферируемой статьи. 

Исследователи из Объединённого института высоких температур РАН и Центрального научно-исследовательского института машиностроения (г. Королёв) сопоставили данные по наблюдению с МКС 37 эльфов за период с ноября 2019 по октябрь 2022 года и установили, что большинство из них обнаруживается в районах стыков литосферных плит и в экваториальной области. Возможна связь с частотой гроз в этих областях, повышенным тепловыделением на стыках плит и наличием вулканов. Не исключены и другие механизмы.

Василяк Л. М., Шубралова Е. В. Высотные эльфы, зарегистрированные на международной космической станции, и границы литосферных плит Земли. Прикладная физика, 2024, № 2, с. 13.

№3, 2025