Коронный разряд — это электрический разряд , вызванный ионизацией жидкости, например воздуха, окружающей проводник , находящийся под высоким напряжением . Он представляет собой локальную область, где воздух (или другая жидкость) претерпел электрический пробой и стал проводящим, что позволяет заряду постоянно утекать из проводника в воздух. Коронный разряд возникает в местах, где сила электрического поля ( градиент потенциала ) вокруг проводника превышает диэлектрическую прочность воздуха. Его часто можно увидеть как голубоватое свечение в воздухе рядом с заостренными металлическими проводниками, несущими высокое напряжение, и оно излучает свет по тому же механизму, что и газоразрядная лампа . Коронные разряды также могут возникать в погодные условия, например во время грозы, когда заряд таких объектов, как мачты кораблей или крылья самолетов, значительно отличается от заряда воздуха вокруг них ( огонь Святого Эльма ).
Во многих приложениях высокого напряжения коронный разряд является нежелательным побочным эффектом. Коронный разряд на высоковольтных линиях электропередачи является экономически значимой тратой энергии для коммунальных предприятий. В оборудовании высокого напряжения, таком как телевизоры с электронно-лучевой трубкой , радиопередатчики , рентгеновские аппараты и ускорители частиц , утечка тока, вызванная коронным разрядом, может представлять собой нежелательную нагрузку на цепь. В воздухе короны выделяют такие газы, как озон (O 3 ) и оксид азота (NO), а также, в свою очередь, диоксид азота (NO 2 ) и, следовательно, азотную кислоту (HNO 3 ), если присутствует водяной пар . Эти газы являются коррозионными и могут разлагать и охрупчивать близлежащие материалы, а также токсичны для человека и окружающей среды.
Коронные разряды часто можно подавить за счет улучшенной изоляции, коронирующих колец и изготовления высоковольтных электродов гладкой закругленной формы. 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, создавая область плазмы вокруг электрода. Образовавшиеся ионы в конечном итоге передают заряд близлежащим областям с более низким потенциалом или рекомбинируют с образованием молекул нейтрального газа.
Когда градиент потенциала (электрическое поле) в какой-то точке жидкости достаточно велик, жидкость в этой точке ионизируется и становится проводящей. Если заряженный объект имеет острую точку, напряженность электрического поля вокруг этой точки будет намного выше, чем где-либо еще. Воздух вблизи электрода может стать ионизированным (частично проводящим), а более удаленные области - нет. Когда воздух вблизи точки становится проводящим, это приводит к увеличению видимого 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 путь к противоположно заряженному объекту и нейтрализуются.
Наряду с аналогичным щеточным разрядом , корону часто называют «одноэлектродным разрядом», в отличие от «двухэлектродного разряда» — электрической дуги . [1] [2] [3] Корона образуется только тогда, когда проводник достаточно далеко отделен от проводников с противоположным потенциалом, чтобы дуга не могла проскочить между ними. Если геометрия и градиент таковы, что ионизированная область продолжает расти, пока не достигнет другого проводника с более низким потенциалом, между ними образуется проводящий путь с низким сопротивлением, что приводит к образованию электрической искры или электрической дуги , в зависимости от источника. электрическое поле. 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 диэлектрической прочности или разрушающего градиента 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 собой большую проблему на больших высотах. [4] Коронный разряд обычно образуется в сильно изогнутых участках электродов, например, в острых углах, выступающих точках, краях металлических поверхностей или проводах малого диаметра. Высокая кривизна вызывает высокий градиент потенциала в этих местах, так что воздух сначала разрушается и образует плазму . В острых точках воздуха корона может возникнуть при потенциалах 2–6 кВ. [2] Чтобы подавить образование коронного разряда, клеммы высоковольтного оборудования часто имеют гладкую закругленную форму большого диаметра, например, шарики или торы. Коронирующие кольца часто добавляют в изоляторы линий электропередачи высокого напряжения.
Короны могут быть положительными или отрицательными . Это определяется полярностью напряжения на сильно изогнутом электроде. Если изогнутый электрод положителен по отношению к плоскому электроду, он имеет положительную корону ; если он отрицательный, то у него отрицательная корона . (Подробнее см. ниже.) Физика положительных и отрицательных корон разительно отличается. Эта асимметрия является результатом большой разницы в массе между электронами и положительно заряженными ионами , при этом только электрон обладает способностью подвергаться значительной степени ионизирующего неупругого столкновения при обычных температурах и давлениях.
Важной причиной рассмотрения коронных разрядов 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 можно использовать для создания заряженных поверхностей, что является эффектом, используемым при электростатическом копировании ( фотокопировании ). Их также можно использовать для удаления твердых частиц из воздушных потоков путем сначала зарядки воздуха, а затем пропускания заряженного потока через гребенку переменной полярности для осаждения заряженных частиц на противоположно заряженные пластины.
Свободные радикалы и ионы, образующиеся в результате реакций коронного разряда, можно использовать для очистки воздуха от некоторых вредных продуктов посредством химических реакций и для производства озона .
Короны могут генерировать звуковой и радиочастотный шум, особенно вблизи линий электропередачи . Поэтому оборудование передачи электроэнергии спроектировано так, чтобы минимизировать образование коронного разряда.
Коронный разряд обычно нежелателен в:
Во многих случаях короны можно подавить с помощью коронирующих колец — тороидальных устройств, которые служат для распространения электрического поля на большие площади и уменьшения градиента поля ниже порога короны.
Коронный разряд возникает, когда электрическое поле достаточно сильное, чтобы вызвать цепную реакцию; Электроны в воздухе сталкиваются с атомами достаточно сильно, чтобы ионизировать их, создавая больше свободных электронов, которые ионизируют больше атомов. Диаграммы ниже иллюстрируют в микроскопическом масштабе процесс, который создает корону в воздухе рядом с заостренным электродом, несущим высокое отрицательное напряжение по отношению к земле. Процесс таков:
Термодинамически корона — это очень неравновесный процесс, создающий нетепловую плазму. Лавинный механизм не выделяет достаточно энергии для нагрева газа в области короны в целом и его ионизации, как это происходит в электрической дуге или искре. Лишь небольшое количество молекул газа принимает участие в электронных лавинах и ионизируется, имея энергии, близкие к энергии ионизации 1–3 эв, остальная часть окружающего газа близка к температуре окружающей среды.
Начальное напряжение короны или начальное напряжение короны (CIV) можно найти с помощью закона Пика (1929), сформулированного на основе эмпирических наблюдений. В более поздних работах были выведены более точные формулы.
Положительная корона проявляется как однородная плазма по всей длине проводника. Его часто можно увидеть светящимся сине-белым светом, хотя большая часть излучения приходится на ультрафиолет. Однородность плазмы обусловлена однородным источником вторичных лавинных электронов, описанным в разделе о механизме ниже. При той же геометрии и напряжении она кажется немного меньше, чем соответствующая отрицательная корона, из-за отсутствия неионизирующей области плазмы между внутренней и внешней областями.
Положительная корона имеет гораздо меньшую плотность свободных электронов по сравнению с отрицательной короной; возможно, тысячная часть электронной плотности и сотая часть общего числа электронов. Однако в положительной короне электроны сосредоточены вблизи поверхности изогнутого проводника, в области большого градиента потенциала (и, следовательно, электроны имеют большую энергию), тогда как в отрицательной короне большая часть электронов находится во внешней , области нижнего поля. Следовательно, если электроны должны использоваться в приложении, требующем высокой энергии активации, положительные короны могут поддерживать большую константу реакции, чем соответствующие отрицательные короны; хотя общее количество электронов может быть меньше, количество электронов очень высокой энергии может быть выше.
Короны являются эффективными производителями озона в воздухе. Положительная корона генерирует гораздо меньше озона, чем соответствующая отрицательная корона, поскольку реакции, в результате которых образуется озон, являются относительно низкоэнергетическими. Следовательно, 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 отрицательная корона, положительная корона инициируется экзогенным событием ионизации в области высокого градиента потенциала. Электроны, образующиеся в результате ионизации, притягиваются к изогнутому электроду, а положительные ионы отталкиваются от него. Подвергаясь неупругим столкновениям 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 вне плазмы или лавинной области. Они создаются в результате ионизации, вызванной фотонами, испускаемыми из этой плазмы в различных процессах снятия возбуждения, происходящих в плазме после столкновений электронов, при этом тепловая энергия, высвобождаемая при этих столкновениях, создает фотоны, которые излучаются в газ. Электроны, образующиеся в результате ионизации молекулы нейтрального газа, затем электрически притягиваются обратно к изогнутому электроду, втягиваются в плазму, и так начинается процесс создания дальнейших лавин внутри плазмы.
Отрицательная корона проявляется в неоднородной короне, изменяющейся в зависимости от особенностей поверхности и неровностей изогнутого проводника. Он часто проявляется в виде пучков короны на острых краях, количество которых зависит от силы поля. Форма отрицательной короны обусловлена ее источником вторичных лавинных электронов (см. ниже). Она кажется немного больше, чем соответствующая положительная корона, поскольку электронам разрешено вылетать из ионизирующей области, и поэтому плазма продолжает оставаться на некотором расстоянии за ее пределами. Общее число электронов и электронная плотность значительно больше, чем в соответствующей положительной короне. Однако они имеют преимущественно более низкую энергию из-за того, что находятся в области более низкого градиента потенциала. Следовательно, хотя для многих реакций повышенная плотность электронов приведет к увеличению скорости реакции, более низкая энергия электронов будет означать, что реакции, требующие более высокой энергии электронов, могут протекать с более низкой скоростью.
Отрицательные короны имеют более сложную конструкцию, чем положительные. Как и в случае с положительными коронами, возникновение короны начинается с экзогенного события ионизации, генерирующего первичный электрон, за которым следует электронная лавина.
Электроны, ионизированные из нейтрального газа, бесполезны для поддержания процесса отрицательной короны за счет генерации вторичных электронов для дальнейших лавин, поскольку общее движение электронов в отрицательной короне происходит наружу от изогнутого электрода. Вместо этого для отрицательной короны доминирующим процессом генерации вторичных электронов является фотоэлектрический эффект от поверхности самого электрода. Работа выхода электронов (энергия, необходимая для освобождения электронов с поверхности) значительно ниже, чем энергия ионизации воздуха при стандартных температурах и давлениях, что делает его более либеральным источником вторичных электронов в этих условиях. Опять же, источником энергии для высвобождения электронов является фотон высокой энергии из атома внутри плазменного тела, расслабляющийся после возбуждения от более раннего столкновения. Использование ионизированного нейтрального газа в качестве источника ионизации еще больше снижается в отрицательной короне из-за высокой концентрации положительных ионов, группирующихся вокруг изогнутого электрода.
В других условиях столкновение положительных частиц с изогнутым электродом также может вызвать освобождение электронов.
Таким образом, разница между положительной и отрицательной коронами с точки зрения генерации лавин вторичных электронов состоит 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 газом, окружающим плазменную область, причем новые вторичные электроны движутся внутрь, тогда как в отрицательной корона, они генерируются самим изогнутым электродом, новые вторичные электроны движутся наружу.
Еще одной особенностью структуры отрицательных корон является то, что по мере дрейфа электронов наружу они сталкиваются с нейтральными молекулами и объединяются с электроотрицательными молекулами (такими как кислород и водяной пар ), образуя отрицательные ионы. Эти отрицательные ионы затем притягиваются к положительному неизогнутому электроду, замыкая «цепь».
Ионизированные газы, образующиеся при коронном разряде, ускоряются электрическим полем, создавая движение газа или электрического ветра . Движение воздуха, связанное с разрядным током в несколько сотен микроампер, может задуть небольшое пламя свечи в пределах примерно 1 см от точки разряда. Вертушку с радиальными металлическими спицами и заостренными кончиками, изогнутыми вдоль окружности, можно заставить вращаться, если на нее подается коронный разряд; вращение происходит из-за дифференциального электрического притяжения между металлическими спицами и областью экрана пространственного заряда , окружающей кончики. [9]