Смертоносный конденсатор. Разбор случая⁠⁠1

Написать этот пост меня вынудил загадочный случай, произошедший якобы в детстве с одной пикабушницей. Вкратце (для лиги лени) ситуация такая: в игрушках у героини оказался некий зеленый конденсатор от детской игры-викторины, который при подключении к батарейке взорвался. При этом взрыв оказался такой силы, что у одной девочки оказалось "вспорото брюхо и пах" (цитата по оригинальному тексту), у двух других множественные осколочные ранения и контузия.

Могло ли быть причиной взрыва подключение конденсатора к батарейке?

Для начала рассмотрим, из-за чего взрываются конденсаторы. Здесь есть несколько разных случаев.

В первом случае мы имеем дело с пробоем, при котором энергия, запасенная в конденсаторе, а также энергия внешнего источника питания интенсивно переходят в тепло, быстро разогревая внутренности конденсатора, вызывают интенсивное кипение и термическое разложение его содержимого, приводящее к быстрому (за доли секунды) росту внутреннего давления и разрыву корпуса с разлетом фрагментов его и внутренних компонентов (фольги, диэлектрика или пропитанной электролитом бумаги и т.п.). Такой случай реализуется при взрыве конденсатора в цепях, запитанных от сети или мощного аккумулятора, способного хотя бы кратковременно обеспечить ток в цепи в сотни и тысячи ампер. В зависимости от размеров конденсатора и мощности внешнего источника этот взрыв может быть достаточно сильным, способным нанести серьезные травмы, но если этот источник -- батарейка, то есть низковольтный и маломощный -- подобное исключено.

Во втором случае, при пробое, ошибочном подключении полярного оксидно-электролитического конденсатора в неверной полярности, либо при его перегрузке переменной составляющей внутри происходят процессы, ведущие к выделению газов. Если они продолжаются достаточно долго, давление внутри повышается вплоть до разрыва оболочки конденсатора. Сила взрыва невелика, так как выделяющаяся при взрыве энергия определяется объемом выделившихся газов и предельным давлением, вернее, разностью давлений внутри и снаружи перед взрывом. Вычисляется эта энергия по формуле E = (∆P / (k_r - 1)) * V , где ∆P -- разность давлений, V -- объем сосуда, а k_r -- показатель адиабаты: k_r = Cp / Cv, который для двухатомных газов равен 1,4. Принимая объем газа внутри конденсатора за 1 см^3, разность давлений -- 1 МПа (скорее всего, это завышенная оценка), получаем E = 2,5*10^6 Па * 1 * 10^-6 м^3 = 2,5 Дж. Осколки с такой энергией (а это суммарная энергия всех осколков) способны, конечно, поранить кожу, сделать синяк (если в лоб прилетит целый корпус, как часто бывает при таких взрывах), но серьезная травма здесь возможна лишь при попадании в глаз. Более того, у меня есть очень большие сомнения, что батарейка напряжением не более 4,5 вольт вообще могла вызвать подобный взрыв даже при переполюсовке, так как для этого требуется длительная, в течение нескольких часов или даже дней, "работа" конденсатора при обратной полярности.

И, наконец, третий случай возможен с танталовыми или ниобиевыми оксидно-полупроводниковыми конденсаторами. В этих конденсаторах обкладки выполнены в виде спрессованной массы из порошков тантала (ниобия) и диоксида марганца, смешанного с углеродом. Тантал (ниобий) образует одну обкладку, диоксид марганца с углеродом -- другую, и в результате их химического взаимодействия в контролируемых условиях, на границе фаз образуется тонкая пленка оксида тантала (ниобия), являющегося в этом типе конденсаторов диэлектриком. То есть, мы имеем дело со смесью металла и оксида, подобной термитам. Если происходит пробой этого диэлектрика, при условии, что энергии, запасенной в нем или отдаваемой внешним источником, достаточно, чтобы разогреть данную смесь в точке пробоя до нескольких сот градусов, этот разогрев приводит к тому, что тантал (ниобий) начинает бурно взаимодействовать с диоксидом марганца с интенсивным выделением тепла вплоть до плавления компонентов реакционнной смеси. "Взрывом" это можно назвать с большой натяжкой, но выглядит эффектно, пожароопасно, опасно для глаз и приводит к прогарам на платах. Но это не наш случай: из-за маленьких размеров ни один танталовый конденсатор не способен организовать столь масштабные травмы.

Итак, ни один конденсатор не мог быть причиной столь сильного взрыва, тем более при подключении к батарейке. А что могло?

Известно, что взрывы сосудов под давлением причиняют, как правило, только осколочные травмы. Но даже в непосредственной близости от очага взрыва не наблюдается явлений, характерных для действия ударной волны: отрывов конечностей и разрывов тканей, баротравм (контузий). В нашем случае "вспоротое брюхо и пах" можно интерпретировать именно как разрывы тканей брюшной стенки ударной волной, также имела место контузия. Поэтому ясно, что речь идет о взрыве заряда взрывчатого вещества.

По найденным в литературе данным, при взрыве ВВ типа тротила разрывы кожи газами и ударной волной взрыва наблюдаются на расстоянии 2-10 радиусов заряда. То есть мы можем грубо прикинуть размеры и массу заряда по размерам описанного дефекта брюшной стенки, который можно оценить в ~10 см, то есть радиус заряда составлял 1-5 см. То есть от размеров того самого "конденсатора" до размеров ручной гранаты. Поскольку последняя нанесла бы, скорее всего, значительно более серьезные травмы (а скорее всего, убила бы всех троих), а взорвавшийся предмет был описан, как "зеленый конденсатор", будем исходить из этих размеров: предположим, что это был цилиндрический заряд диаметром 20 мм и такой же длиной. Масса такого заряда при условии, что он полностью состоит из литого тротила, составляет около 10 грамм. Взрыв такого заряда на некотором расстоянии от тела наибольшим образом пострадавшей девочки в может объяснять полученные ею травмы живота, объяснимы и травмы остальных девочек (поражение немногочисленными, но летящими с большой скоростью осколками оболочки, контузия). Но если при таком взрыве она держала заряд в руках, она должна была лишиться как минимум пальцев рук. Здесь имеется нестыковка.

Что за изделие могло быть принято за "конденсатор"? А Махадев его знает. По-видимому, это какая-то разновидность электродетонатора, но стандартные электродетонаторы типа ЭДП и др., основанные на капсюле-детонаторе №8, имеют совсем другой внешний вид, не напоминая ничем конденсатор, и суммарный заряд ВВ, не превышающий 1,5 г не объясняет описанных травм. Взрыв таких детонаторов иногда приводит к весьма характерной и специфической смертельной травме кумулятивной "пулькой", а также дает разлет осколков, но вряд ли способен "вспороть брюхо". Возможно, речь идет о каком-то специзделии военного или технического назначения. Можно предполагать, что отец авторицы поста, бывший военный, взял это специзделие на память, и оно каким-то образом попало в игрушки. Чтобы отвести от себя ответственность, он рассказал историю про конденсатор.

Список нестыковок, обнаруженных при данном "расследовании":

1. Игра такого типа не содержит конденсаторов. Обычно подобные викторины содержат в своей электрической цепи лишь лампочку или две лампочки (красную и зеленую), батарейку, кнопки, гнезда или контакты для щупа, и контактную группу, с помощью которой осуществляется задание правильного ответа с помощью вставляемой в игру карточки с вопросами. Например, в той, что была у меня, были карточки, сделанные из картона с наклеенной на них алюминиевой фольгой. С помощью прорезей в фольге выполнены необходимые печатные проводники, заклеенные сверху бумагой с вопросом и окнами для касания фольги щупом. Есть варианты, где картонные карточки имеют отверстия, через которые замыкаются контакты, а выбор правильного ответа делается нажатием одной из четырех кнопок.

2. Несоответствие тяжести травмы брюшной стенки девочки, пострадавшей наибольшим образом, с отсутствием упоминания у нее тяжелых травм рук (вплоть до их отрыва), которые должны были возникнуть при таком взрыве.

3. При очевидных признаках контузии автор поста не страдала потерей слуха, судя по всему, ни минуты. В ушах звенело, но вопрос матери "Где мои дети?" она слышала.

4. Осколки, выходящие через вены, не делали рентген и проч.

Резюме: на вопрос "был ли это взрыв конденсатора" однозначный ответ -- нет. Нужно ли следовать рекомендации "не делать так" и бояться радиодеталей от детских игрушек, так как они могут взорваться от подключения к батарейке? Ответ и здесь -- нет, это невозможно, опасности взрыва не существует. На вопрос "что взорвалось" -- однозначный ответ дать сложно, но это был некий заряд взрывчатого вещества, возможно -- разновидность электродетонатора. На вопрос "произошло ли в реальности это событие" дать однозначный ответ также сложно, но наличие ряда нестыковок вызывает подозрение, что не произошло. На вопрос "зачем в таком случае автор это написал?", могу сделать предположение, что это намеренный вброс, так как вбросы такого рода (явные) я уже несколько лет наблюдаю.

PS: Случаи подрыва детей и подростков на электродетонаторах не являются редкими. Дети находят их на улице, их приносят домой родители, работающие на шахтах, они добывают их путем кражи. Дальше детонатор либо пытаются разобрать, либо подключают к батарейке, либо кидают в огонь. Итог один: детонатор взрывается, ребенок получает травмы той или иной степени тяжести. Обычно относительно легкие, но иногда смертельные. Подобный случай, произошедший еще в начале прошлого века, описан в известной биографии физика Роберта Вуда под авторством В. Сибрука:

Однажды зимой, в воскресенье вечером, в доме Бриско все слуги были отпущены, и стало холодно. Мисс Бриско подошла к печке и открыла ее дверцу, чтобы посмотреть, хорошо ли она горит. Вся семья услышала звук, похожий на слабый выстрел из пистолета, и мисс Бриско воскликнула: "Меня что-то укололо!"

Когда к ней подбежали, она стояла перед открытой дверцей печки, в ужасе держалась за грудь и повторяла: "Это было вроде сильного укуса. Что-то ударило меня - здесь!"

Когда расстегнули платье, было видно маленькое красное пятно. Все удивились, собирались помазать его йодом и позвать доктора. К их ужасу, девушка упала и меньше чем через три минуты умерла. На этом месте кровь не выступила - только маленький красный прокол.

Вскрытие, сделанное врачом, показало, что была перерезана большая артерия и внутренние ткани сильно разорваны. Но никакого чужеродного тела, никакой "пули" сначала обнаружить не могли. Наконец, просвечиванием рентгеновскими лучами открыли в теле маленький непрозрачный предмет. Новое вскрытие показало, что это - маленькая металлическая "шляпка" странной формы, размером и формой похожая на виноградное семя, окруженная тонкой металлической "юбочкой". Никто никогда не видал подобных вещей.
<...>

"Что же вы думаете о нем?" - спросил химик.

"Я думаю, что это - часть детонатора или динамитного капсюля, который случайно попал в печь с углем. Вероятно, он лежал сверху угля, и когда дверца печки была открыта, огонь прорвался сквозь еще не сгоревший уголь и подорвал детонатор".

<...>

Кусочек меди, удаленный из тела, нисколько не напоминал какую-либо из частей детонатора. Здесь мы имели грушевидную "пульку" из сплошной меди, размером с виноградное зерно, окруженную тонким диском из металла, свисавшим как юбочка с середины груши - в то время как детонатор представляет собой тонкостенную медную трубочку размером примерно с патрон двадцать второго калибра, длиной от одного до двух дюймов. В нижнем конце в меди есть ямка, похожая на ту, которую пробивает боек охотничьего ружья в капсюле. Эта ямка играет особую роль и придает детонатору его смертоносные свойства. Она наполнена гремучей ртутью - легко взрывающимся веществом, которое "запаливается" электрическим током в двух проволочках.

Мы укрепили детонатор над твердым дубовым бруском со стороной около пяти дюймов и подорвали его. На поверхности дерева была видна маленькая дырочка, и, расколов брусок, мы нашли маленькую медную "пульку", проникшую в дуб на глубину в четыре дюйма. Размером "пулька" напоминала вынутую из тела, но она была сильно помята при прохождении сквозь твердое Дерево. Я взял с собой еще несколько детонаторов и привез их в свою лабораторию, где подвесил один из них на высоте двух футов над большим глиняным горшком, содержащим около пяти галлонов воды. При взрыве детонатора горшок разлетелся на куски от давления, оказанного водой при попадании в нее маленького медного осколка (головки детонатора), которая летит при взрыве со скоростью, в три раза превышающей скорость винтовочной пули,- так же, как крынка с водой "взрывается" при попадании в нее пули из сильной винтовки. Маленький "осколок" меди, найденный среди черепков, в точности походил на тот, который был обнаружен при вскрытии, но ничем не напоминал головку детонатора.

Дальнейшее исследование детонаторов показало, что они не содержат в себе ничего, похожего на такие цельные "пульки", и было ясно, что они образуются из расплавленной теплом и давлением взрыва тонкой стенки медной трубочки. Такое открытие - это действительно было открытием - показывает важность эксперимента в любом исследовании. До этого времени образование таких цельных "пулек" не было никем замечено и описано. Их образование обусловлено наличием углубления на донышке медной трубочки, которое, как обнаружили эксперты-взрывники, усиливает силу взрыва динамита. Почему - они не знали. Теперь причина стала ясной. Медная "пулька" пронизывает всю длину палки динамита с очень большой начальной скоростью. Если такой "пульки" нет, при взрыве детонатора динамит подрывается только с одного конца.

Вопрос о том, как именно образуется сплошная пулька, был разрешен "стрельбой" детонаторами, заряженными разными количествами взрывчатого вещества, в длинную цилиндрическую трубку, набитую ватой, с перегородками через каждые два дюйма. Пульку находили между последним пробитым и первым целым диском. По мере того, как "пулька", вылетающая с начальной скоростью около 6000 футов в секунду, проникает в вату, она обволакивается плотным шариком - ткет себе, так сказать, собственный "кокон" и этим предохраняется от трения о вещество, сквозь которое пролетает".

До того как доктор Вуд сделал эти открытия, даже технические эксперты-динамитчики и подрывники не знали и не подозревали даже, какую огромную скорость имеет "пулька", которой стреляет детонатор, и какую странную форму она приобретает.

Эти детонаторы, ..кажущиеся столь безобидными и смертельные, как гремучая змея, заинтересовали доктора Вуда. Он узнал, что в Соединенных Штатах за год происходит от трехсот до четырехсот несчастных случаев с детонаторами - в том числе много с трагическим исходом. Он продолжил свои эксперименты и написал предостережения, которые помогли снижению числа случаев, когда дети получают ранения, становятся калеками, слепнут, а иногда погибают.

Доктор Вуд говорил: "Дети обычно взрывают их, положив на камень и ударяя молотком или другим камнем. Родители и учителя должны предупредить детей, что если они найдут что-нибудь похожее на гильзу 22 калибра, с проволочками, торчащими из нее, они должны бежать от нее и ни в коем случае не пытаться взорвать".