Коронный разряд — это электрический разряд, вызванный ионизацией жидкости , такой как воздух, окружающий проводник, находящийся под высоким напряжением . Он представляет собой локальную область, где воздух (или другая жидкость) подвергся электрическому пробою и стал проводящим, что позволяет заряду непрерывно утекать из проводника в воздух. Коронный разряд возникает в местах, где напряженность электрического поля ( градиент потенциала ) вокруг проводника превышает диэлектрическую прочность воздуха. Он часто наблюдается как голубоватое свечение в воздухе рядом с заостренными металлическими проводниками, находящимися под высоким напряжением, и излучает свет по тому же механизму, что и газоразрядная лампа , хемилюминесценция . Коронные разряды также могут возникать в погодных условиях, например, во время гроз, когда такие объекты, как корабельные мачты или крылья самолетов, имеют заряд, значительно отличающийся от окружающего их воздуха ( огни Святого Эльма ).
Во многих высоковольтных приложениях корона является нежелательным побочным эффектом. Коронный разряд от высоковольтных линий электропередач представляет собой экономически значимую трату энергии для коммунальных служб. В высоковольтном оборудовании, таком как телевизоры с электронно-лучевой трубкой , радиопередатчики , рентгеновские аппараты и ускорители частиц , утечка тока, вызванная короной, может представлять собой нежелательную нагрузку на цепь. В воздухе корона генерирует газы, такие как озон ( O 3 ) и оксид азота (NO), и, в свою очередь, диоксид азота (NO 2 ), и, таким образом, азотную кислоту (HNO 3 ), если присутствует водяной пар . Эти газы едкие и могут разрушать и охрупчивать близлежащие материалы, а также токсичны для людей и окружающей среды.
Коронные разряды часто можно подавить путем улучшения изоляции, коронных колец и изготовления высоковольтных электродов в гладких округлых формах. Однако контролируемые коронные разряды используются в различных процессах, таких как фильтрация воздуха, копировальные аппараты и генераторы озона .
Коронный разряд — это процесс, при котором ток течет от электрода с высоким потенциалом в нейтральную жидкость, обычно воздух, путем ионизации этой жидкости с целью создания области плазмы вокруг электрода. Образующиеся ионы в конечном итоге передают заряд в соседние области с более низким потенциалом или рекомбинируют, образуя молекулы нейтрального газа.
Когда градиент потенциала (электрическое поле) достаточно велик в некоторой точке жидкости, жидкость в этой точке ионизируется и становится проводящей. Если заряженный объект имеет острый кончик, напряженность электрического поля вокруг этой точки будет намного выше, чем в других местах. Воздух около электрода может стать ионизированным (частично проводящим), в то время как более удаленные области — нет. Когда воздух около точки становится проводящим, это приводит к увеличению кажущегося размера проводника. Поскольку новая проводящая область менее острая, ионизация может не распространяться за пределы этой локальной области. За пределами этой области ионизации и проводимости заряженные частицы медленно находят свой путь к противоположно заряженному объекту и нейтрализуются.
Наряду с похожим кистевым разрядом , корону часто называют «одноэлектродным разрядом», в отличие от «двухэлектродного разряда» — электрической дуги . [1] [2] [3] Корона образуется только тогда, когда проводник достаточно широко отделен от проводников с противоположным потенциалом, так что дуга не может перескочить между ними. Если геометрия и градиент таковы, что ионизированная область продолжает расти, пока не достигнет другого проводника с более низким потенциалом, между ними будет сформирован проводящий путь с низким сопротивлением, что приведет к электрической искре или электрической дуге , в зависимости от источника электрического поля. Если источник продолжает подавать ток, искра превратится в непрерывный разряд, называемый дугой.
Коронный разряд образуется только тогда, когда электрическое поле (градиент потенциала) на поверхности проводника превышает критическое значение, диэлектрическую прочность или градиент разрушающего потенциала жидкости. В воздухе при давлении на уровне моря 101 кПа критическое значение составляет примерно 30 кВ/см, [1] но оно уменьшается с давлением, поэтому коронный разряд представляет большую проблему на больших высотах. [4] Коронный разряд обычно образуется в сильно изогнутых областях на электродах, таких как острые углы, выступающие точки, края металлических поверхностей или провода малого диаметра. Высокая кривизна вызывает высокий градиент потенциала в этих местах, так что воздух разрушается и сначала образует плазму там. На острых точках в воздухе коронный разряд может начинаться при потенциалах 2–6 кВ. [2] Для подавления образования коронного разряда клеммы на высоковольтном оборудовании часто проектируются с гладкими закругленными формами большого диаметра, такими как шары или торы. Коронные кольца часто добавляются к изоляторам высоковольтных линий электропередачи.
Короны могут быть положительными или отрицательными . Это определяется полярностью напряжения на сильно изогнутом электроде. Если изогнутый электрод положительный по отношению к плоскому электроду, он имеет положительную корону ; если он отрицательный, он имеет отрицательную корону . (Подробнее см. ниже.) Физика положительной и отрицательной короны разительно отличается. Эта асимметрия является результатом большой разницы в массе между электронами и положительно заряженными ионами , причем только электрон имеет возможность подвергаться значительной степени ионизирующего неупругого столкновения при обычных температурах и давлениях.
Важной причиной рассмотрения корон является образование озона вокруг проводников, подвергающихся коронным процессам в воздухе. Отрицательная корона генерирует гораздо больше озона, чем соответствующая положительная корона.
Коронный разряд имеет ряд коммерческих и промышленных применений:
Короны могут использоваться для создания заряженных поверхностей, что является эффектом, используемым в электростатическом копировании ( фотокопировании ). Их также можно использовать для удаления твердых частиц из воздушных потоков, сначала заряжая воздух, а затем пропуская заряженный поток через гребень с переменной полярностью, чтобы осадить заряженные частицы на противоположно заряженных пластинах.
Свободные радикалы и ионы, образующиеся в реакциях коронного разряда, могут использоваться для очистки воздуха от некоторых вредных продуктов посредством химических реакций, а также для производства озона .
Короны могут генерировать слышимый и радиочастотный шум, особенно вблизи линий электропередач . Поэтому оборудование для передачи электроэнергии проектируется таким образом, чтобы минимизировать образование коронного разряда.
Коронный разряд, как правило, нежелателен в:
Во многих случаях корону можно подавить с помощью коронирующих колец — тороидальных устройств, которые служат для распространения электрического поля на большие площади и снижения градиента поля до уровня ниже порога короны.
Коронный разряд происходит, когда электрическое поле достаточно сильное, чтобы создать цепную реакцию; электроны в воздухе сталкиваются с атомами достаточно сильно, чтобы ионизировать их, создавая больше свободных электронов, которые ионизируют больше атомов. Схемы ниже иллюстрируют в микроскопическом масштабе процесс, который создает корону в воздухе рядом с заостренным электродом, несущим высокое отрицательное напряжение относительно земли. Процесс выглядит следующим образом:
Термодинамически корона — это очень неравновесный процесс, создающий нетепловую плазму. Механизм лавины не выделяет достаточно энергии для нагрева газа в области короны в целом и его ионизации, как это происходит в электрической дуге или искре. Только небольшое количество молекул газа принимает участие в электронных лавинах и ионизируется, имея энергию, близкую к энергии ионизации 1–3 эв, остальная часть окружающего газа близка к температуре окружающей среды.
Напряжение начала короны или напряжение начала короны (CIV) можно найти с помощью закона Пика (1929), сформулированного на основе эмпирических наблюдений. В более поздних работах были получены более точные формулы.
Положительная корона проявляется как однородная плазма по всей длине проводника. Часто ее можно увидеть светящейся синим/белым цветом, хотя многие выбросы находятся в ультрафиолете. Однородность плазмы обусловлена однородным источником вторичных лавинных электронов, описанным в разделе механизма ниже. При той же геометрии и напряжении она выглядит немного меньше, чем соответствующая отрицательная корона, из-за отсутствия неионизирующей плазменной области между внутренней и внешней областями.
Положительная корона имеет гораздо меньшую плотность свободных электронов по сравнению с отрицательной короной; возможно, тысячную долю электронной плотности и сотую часть общего числа электронов. Однако электроны в положительной короне сосредоточены близко к поверхности изогнутого проводника, в области высокого градиента потенциала (и поэтому электроны имеют высокую энергию), тогда как в отрицательной короне многие электроны находятся во внешних областях с более низким полем. Поэтому, если электроны должны использоваться в приложении, требующем высокой энергии активации, положительные короны могут поддерживать большую константу реакции, чем соответствующие отрицательные короны; хотя общее число электронов может быть меньше, число электронов с очень высокой энергией может быть больше.
Короны являются эффективными производителями озона в воздухе. Положительная корона генерирует гораздо меньше озона, чем соответствующая отрицательная корона, поскольку реакции, которые производят озон, относительно низкоэнергетичны. Поэтому большее количество электронов отрицательной короны приводит к увеличению производства.
За пределами плазмы, в униполярной области , поток положительных ионов низкой энергии направлен к плоскому электроду.
Как и в случае с отрицательной короной, положительная корона инициируется экзогенным событием ионизации в области высокого градиента потенциала. Электроны, возникающие в результате ионизации, притягиваются к изогнутому электроду, а положительные ионы отталкиваются от него. Претерпевая неупругие столкновения все ближе и ближе к изогнутому электроду, дальнейшие молекулы ионизируются в электронной лавине.
В положительной короне вторичные электроны для дальнейших лавин генерируются преимущественно в самой жидкости, в области за пределами плазмы или области лавины. Они создаются ионизацией, вызванной фотонами, испускаемыми из этой плазмы в различных процессах снятия возбуждения, происходящих внутри плазмы после столкновений электронов, причем тепловая энергия, высвобождаемая в этих столкновениях, создает фотоны, которые излучаются в газ. Электроны, возникающие в результате ионизации нейтральной газовой молекулы, затем электрически притягиваются обратно к изогнутому электроду, притягиваются в плазму, и таким образом начинается процесс создания дальнейших лавин внутри плазмы.
Отрицательная корона проявляется в неоднородной короне, изменяющейся в зависимости от особенностей поверхности и неровностей изогнутого проводника. Она часто выглядит как пучки короны на острых краях, причем количество пучков меняется в зависимости от силы поля. Форма отрицательной короны является результатом ее источника вторичных электронов лавины (см. ниже). Она кажется немного больше, чем соответствующая положительная корона, поскольку электронам разрешено дрейфовать из области ионизации, и поэтому плазма продолжает некоторое расстояние за ее пределами. Общее количество электронов и электронная плотность намного больше, чем в соответствующей положительной короне. Однако они имеют преимущественно более низкую энергию из-за нахождения в области с более низким градиентом потенциала. Поэтому, в то время как для многих реакций повышенная электронная плотность увеличит скорость реакции, более низкая энергия электронов будет означать, что реакции, требующие более высокой электронной энергии, могут происходить с более низкой скоростью.
Отрицательные короны сложнее положительных по конструкции. Как и в случае с положительными коронами, установление короны начинается с экзогенного события ионизации, генерирующего первичный электрон, за которым следует лавина электронов.
Электроны, ионизированные из нейтрального газа, бесполезны для поддержания процесса отрицательной короны путем генерации вторичных электронов для дальнейших лавин, поскольку общее движение электронов в отрицательной короне направлено наружу от изогнутого электрода. Для отрицательной короны, вместо этого, доминирующим процессом генерации вторичных электронов является фотоэлектрический эффект с поверхности самого электрода. Работа выхода электронов (энергия, необходимая для освобождения электронов с поверхности) значительно ниже энергии ионизации воздуха при стандартных температурах и давлениях, что делает его более либеральным источником вторичных электронов в этих условиях. Опять же, источником энергии для освобождения электронов является высокоэнергетический фотон из атома внутри плазменного тела, релаксирующего после возбуждения от более раннего столкновения. Использование ионизированного нейтрального газа в качестве источника ионизации дополнительно уменьшается в отрицательной короне из-за высокой концентрации положительных ионов, скапливающихся вокруг изогнутого электрода.
При других условиях столкновение положительно заряженных частиц с изогнутым электродом также может привести к высвобождению электронов.
Таким образом, разница между положительной и отрицательной короной в вопросе генерации вторичных электронных лавин заключается в том, что в положительной короне они генерируются газом, окружающим плазменную область, причем новые вторичные электроны движутся внутрь, тогда как в отрицательной короне они генерируются самим изогнутым электродом, причем новые вторичные электроны движутся наружу.
Еще одной особенностью структуры отрицательных корон является то, что по мере того, как электроны дрейфуют наружу, они сталкиваются с нейтральными молекулами и, с электроотрицательными молекулами (такими как кислород и водяной пар ), объединяются, образуя отрицательные ионы. Эти отрицательные ионы затем притягиваются к положительному неизогнутому электроду, замыкая «цепь».
Ионизированные газы, образующиеся в коронном разряде, ускоряются электрическим полем, создавая движение газа или электрического ветра . Движение воздуха, связанное с током разряда в несколько сотен микроампер, может задуть небольшое пламя свечи в пределах примерно 1 см от точки разряда. Вертушка с радиальными металлическими спицами и заостренными кончиками, согнутыми по окружности, может вращаться, если ее возбуждать коронным разрядом; вращение происходит из-за дифференциального электрического притяжения между металлическими спицами и областью экрана пространственного заряда , которая окружает кончики. [9]