Как и къде възниква коронният разряд? Коронен разряд - възникване, особености и приложение. Работен ред

Великият хетман на короната Станислав Жолкевски Един от най-блестящите командири на Полско-Литовската общност е роден през 1547 г. в семейното имение Жолкевка, разположено на река Вепр близо до Лвов, в семейството на губернатора Станислав Жолкевски (също изписван Желковски и

(1 atm), възникващи в рязко нехомогенна електрическа поле в близост до електроди с малък радиус на кривина (накрайник, тънки проводници и др.). Бледо синьо или лилаво сияние, подобно на ореол слънчева коронапороди името. В допълнение към видимата, UV (основен образ), както и в по-късите части на спектъра, K. r. придружено от движение на газови частици от корониращия електрод (така наречения електрически вятър), шумолене, понякога радиоизлъчване, хим. реакции (например образуването на озон и азотни оксиди във въздуха).

На пост. прави се разлика между униполярна корона (положителна или отрицателна в зависимост от знака на корониращия електрод) и биполярна корона, когато и двата електрода са коронни. и възбуждане на частици неутрален газ от лавини от електрони са локализирани в граници. зона – т.нар йонизационна зона (IZ). От ЗИ до доп. зона (VZ) се движи поток от носители, чийто знак съвпада със знака на заряда на разрядния електрод. Полученият обемен заряд се забавя по-нататъчно развитиейонизационни процеси, отслабване на средното поле в близост до корониращия електрод, което локализира запалването в близост до корониращия електрод. При всяко напрежение на електродите (по-голямо от началното напрежение на короната и по-малко от напрежението на пробив), обемният заряд на VZ има такава величина и разпределение, при които градиентът на полето на повърхността на корониращия електрод остава практически непроменен и е близък по величина до градиента на началото на короната. По този начин интензитетът на K. r. регулирани от собствени. обемен заряд.

Възпроизвеждане електронни лавинив ЗИ и стационарност на К. р. при положителен короната се осигуряват от фотойонизация от собственото излъчване на възбудени атоми и молекули на газа: нов електрон се образува в резултат на поглъщането на радиационен квант в газа близо до конвенционалния външен. границите на SI, а след това лавината се развива към коронния електрод. Ако е отрицателен корона (движение на електронни лавини от коронния електрод), нов електрон се освобождава в резултат на фотоемисия от повърхността на катода (вж. Фото ефект).В разреден въздух, в някои други газове и при много голяма кривина на електродите са възможни и други процеси. Особеностите в механизма на възпроизвеждане на лавините и свързаната с тях разлика в разпределението на йони и електрони в земята определят някои външни фактори. различия в К. р. различна полярност. За отрицателен короните се характеризират с: локализиране на светещи лезии под формата на отделни, повече или по-малко равномерно разпределени светещи фокуси по повърхността на електрода; по-голяма, отколкото при положителна. корона, зависимост на напрежението на възникване на корона от състоянието на повърхността на електрода; прекъсване във времето на процесите на йонизация и флуктуациите на ВЧ тока (радио излъчване с почти равномерен честотен спектър до няколко MHz). За положителен Короните върху електроди с много малък радиус на кривина се характеризират с равномерно светлинно покритие, плътно прилежащо към повърхността на електрода, липса на HF трептения в тока и липса на радиоизлъчване.

С намаляване на степента на нехомогенност на полето (радиусът на кривината на електрода е повече от няколко mm), както и с увеличаване на напрежението на K. r. придобива не хомогенна, а стримерна (понякога факелна или клъстерна) форма. В този случай активните процеси се довеждат до смисъл. разстояние от повърхността на електрода (десетки cm). Вместо униформено покритие ще го сложи. короната изглежда като отделни завързани ярко светещи канали ( стримери), размивайки се в краищата в дифузен блясък. Възникват високочестотни колебания на тока и радиоизлъчване, често по-мощни, отколкото при отрицателни. полярност.

Разпределението на напрегнатостта на полето в рамките на 311 се различава малко (средно) от това в нейонизиращите. газ (електронно статично разпределение). Следователно няма причина да се счита, че покритието на короната е силно проводим слой.

Праговата напрегнатост на полето на повърхността на електрода, при достигане на среза възниква реакция на нагряване, зависи от радиуса на кривината на електрода, вида и плътността на газа и практически не зависи от материала на електрод.

Загубите на енергия по време на K. r. случи гл. обр. във ВЗ и само в малка степен в ЗИ. На пост. напрежение и един корониращ електрод, това е топлинната загуба на еднополюсен поток от йони, които разсейват енергия при сблъсък с неутрални газови частици. С два коронни електрода (биполярна корона) насрещните потоци от йони с различни знаци частично се рекомбинират, отслабвайки екраниращия ефект на заряда на заряда и увеличавайки интензивността на процесите в заряда. К.р. използвани в индустриални устройства за зареждане на потоци от диспергирани материали с йони за тяхното утаяване чрез електрически сили. области (електрофилтри и електросепаратори, устройства за “електростатично боядисване”, нанасяне на защитни или декоративни покрития и др.). При електропреносни линии с високо напрежение короната върху проводниците причинява загуби, които са особено значителни при атм. валежи (до стотици kW/km). К.р. е и изходното средство. радиосмущения.

Появата на стримери в обема между електродите не винаги води до искра, но може да предизвика и друг вид разряд - коронен разряд. Фигурата показва диаграма на устройство, с което можете да възпроизведете коронен разряд. В това устройство тънък проводник се поставя по оста на кух метален цилиндър.

Когато между проводника и цилиндъра има напрежение, в пространството между тях възниква неравномерно електрическо поле с максимален интензитет в близост до проводника. Когато напрегнатостта на полето в близост до проводника се доближи до стойността на пробив на напрежението на въздуха (около U p =30 000 V/m), между проводника и цилиндъра се запалва коронен разряд и във веригата протича ток, т.е. Около жицата се появява сияние - корона. Външен видкорона при отрицателен потенциал на проводника (отрицателна корона) е малко по-различна от положителната корона.

При отрицателен потенциал на проводника, електронните лавини започват от проводника, разпространяват се към анода и на известно разстояние стримерите се откъсват поради намаляване на силата на полето. В случай на положителна корона, електронните лавини произхождат от външната граница (повърхността) на короната и се движат към проводника. За разлика от искровия разряд, при коронния разряд има непълно разрушаване на газовата междина, тъй като в него електронните лавини не проникват през целия газов слой E = .

Вътре в короните има както положителни, така и отрицателни йони. Извън короната ще има йони само с един знак: отрицателни с отрицателна корона; положителни йони с положителна корона.

Коронен разряд може да възникне не само на жицата, но и на върха и изобщо на всички електроди, близо до които се образува много силно нехомогенно поле. Коронният разряд е придружен от съскащ звук и леко пращене. Коронният разряд възниква при електропроводи с високо напрежение и причинява изтичане на електронни заряди, т.е. електричество.

Приложение на коронен разряд.

1. Електропречистване на газ (електрофилтри). Има добре известен експеримент - съд, пълен с дим, моментално става напълно прозрачен, ако в него се вкарат остри метални електроди под високо напрежение.

Този ефект се използва за пречистване на газовете. Съдържа твърди вещества и течни частицив газ в коронен разряд те взаимодействат с йони и се превръщат в заредени частици (йоните се „залепват“ за прахови частици) и след това се насочват към електродите и се отлагат. В допълнение, такива електрофилтри позволяват извличането на много тонове газове ценни продуктив производството на сярна киселина и цветни метали в линейно производство.

2.Броячи на електронни частици.

Напрежението U се избира така, че да е малко по-малко от „критичното“, т.е. необходимо за запалване на коронния разряд вътре в измервателния уред. Когато бързо движещ се електрон влезе в брояча, той йонизира газовите молекули вътре в обема, което води до намаляване на напрежението на запалване на короната. В измервателния уред възниква разряд и във веригата се появява слаб краткотраен токов импулс. За запис на сигнала се използва чувствителен електрометър Е; всеки път, когато частица (дори един електрон) навлезе в обема на брояча, листата на електрометъра се изхвърлят назад.

§7. Класификация на електрическите разряди.

Електрическите разряди в газовете протичат по различни начини, т.е. в разряда се осъществяват някои основни (елементарни) процеси, които са специфични за даден вид разряд и определят неговата форма; неговите характерни черти.

Както вече знаем, има ограничен брой елементарни процеси, които могат да се реализират в обема на газовия разряд, нека изброим отново тези процеси:

1) Резултатът от сблъсъци на газови частици: обмен на енергия, импулс, възбуждане на атоми, йонизация.

2) Добавянето на електрони води до: появява се отрицателен йон, концентрацията на електрони намалява.

3) Резултат от рекомбинация: ражда се радиация (фотон).

4) Приемане и излъчване на радиация в изпускателния обем.

5) Дифузия на заредени частици.

6) Електродни ефекти: термоемисия; външен фотоелектричен ефект, емисия поради електронен удар, емисия поради удар на положителни йони: емисия поради удар на неутрални атоми; авто-електронни емисии.

В същото време всички тези елементарни - фундаментални процеси в изхвърлянията не се реализират. В зависимост от условията се реализират само някои процеси и тази съвкупност от елементарни процеси определя основните свойства на разряда, т.е. Този тип изхвърляне се различава от други по набор от елементарни процеси. Този набор или вид на самия разряд се определя от следните параметри на системата: големината на тока и напрежението между електродите; налягане на газа, геометрия на разрядната камера, материал на електродите и състояние на повърхността им, температура на електродите и др.

Видът на разряда се определя главно от напрежението на електродите, големината на разрядния ток и налягането в разрядната камера. В този случай напрежението и токът са независими параметри на системата.

Така зависимостта на напрежението от тока става най-важната интегрална характеристика електрически разряд U = f(I) се нарича още ток-напрежение на разряда. Образува се в зависимост от вътрешни процеси, следователно може да се използва за определяне на вида на изхвърлянето.

Така че, нека разгледаме как един тип разряд се трансформира в друг тип, използвайки характеристиката ток-напрежение.

Секцията OB е несамостоятелен тъмен разряд, образуването на токови носители възниква само поради външен йонизатор, рекомбинацията се извършва в секцията OA, а в AB всички заряди достигат до електродите, рекомбинацията на заряда може да бъде пренебрегната.

Отвъд точка B започва йонизацията на неутралните частици чрез електронен удар и се появяват лавини от електрони и йони. Ако обаче премахнете външния йонизатор, разрядът спира. Това е несамостоятелно освобождаване от Таунсенд - това е част от въоръжените сили.

Вторичните електрони, избити от катода от положителни йони, светлинни кванти и възбудени молекули, играят значителна роля в CD региона. Няма нужда да се поддържа йонизация поради енергията на външни източници - разрядът става независим, нарича се още независим разряд на Таунсенд (това е секцията SE).

В участъка EF разрядът на Townsend се трансформира в нормален тлеещ разряд, който съответства на участъка FH. Напрежението на NK секцията се увеличава с увеличаване на напрежението. Разрядът, съответстващ на секцията NK, се нарича аномален тлеещ разряд.

Освен това, с увеличаване на тока, температурата на катода се повишава, ролята на термоелектронната емисия се увеличава, разрядът се свива и се образува дъгов разряд. Дъговият разряд се поддържа от термоелектронна емисия от катода.

Стационарен тлеещ разряд при ниско налягане.

Тъй като токът се увеличава, независимо изхвърляне на Townsell (CEF секция) може да се развие по различни начини и да има няколко форми. Ако при налягане около 1 мм. rt. Изкуство. разрядът възниква между електродите, свързани към източник на постоянен ток, тогава се осъществява нормален разряд.

Разделът FH на характеристиката на тока и напрежението съответства на тлеещ разряд. Отличителна черта на тлеещия разряд е специфичното разпределение на потенциала по дължината на междуелектродната междина. Разпределението на потенциала води до факта, че тлеещият разряд има характерен неравномерен външен вид и следователно нееднородна структура; изхвърлянето изглежда разделено на части. Тлеещият разряд се състои от катодна област и положителен стълб.

Нека да разгледаме различните части на изхвърлянето. Започвайки от катода към анода.

Катодна област на разряда.

Електроните, необходими за поддържане на разряда, се излъчват главно, когато катодът е бомбардиран с положителни йони. Вторичните електрони напускат катода с ниски скорости, в резултат на което те (близо до повърхността те образуват отрицателен пространствен заряд) все още нямат достатъчно енергия, за да възбудят газовите молекули, така че молекулите не излъчват и се образува тъмно пространство, изпълнено с бавните електрони се образуват директно на повърхността на катода. Този много тънък, несветещ слой газ се нарича тъмното пространство на Астън. Токът в този регион се генерира главно от положителни йони.

След това електроните се ускоряват от полето, кинетичната енергия на електроните става достатъчна, за да възбуди газовите молекули и това причинява появата на тънък светещ слой газ, наречен първо катодно сияние. В тази област електроните частично или напълно губят скорост по време на сблъсъци. Следователно след първото светене на катода се образува последващо тъмно катодно пространство. В тази област има слаба рекомбинация на електрони с положителни йони, така че тук се получава много малко излъчване. В тъмното катодно пространство електроните се ускоряват силно до скорости, при които интензивно йонизират газовите молекули и следователно се размножават.

В края на второто тъмно катодно пространство броят на електроните вече е толкова голям, че токът почти изцяло се пренася от електрони и те значително намаляват положителния пространствен заряд, дори образувайки област с отрицателен пространствен заряд. В тази област по-нататъшното ускоряване на електроните спира и енергията, натрупана в областта на тъмното пространство на втория катод, се изразходва главно за интензивно възбуждане и йонизация на молекулите. Това се случва в областта на второто сияние на катода (отрицателно сияние на катода). В резултат на това енергията на електроните намалява, постепенно интензивността на възбуждане и йонизация също намалява, следователно броят на електроните намалява (и поради рекомбинация и дифузия), толкова много, че отрицателният пространствен заряд става нула. Съответно, напрегнатостта на електрическото поле се променя и в точката на изчезване на отрицателния заряд E приема постоянна стойност (около 1 V/cm) и не се променя до зоната на анодния заряд. В този момент започва положителният стълб на тлеещия разряд.

Пространството, заето от тъмното пространство на Aston на първото светене на катода и второто тъмно пространство, се нарича област на падане на катодния потенциал. Както се вижда от фигурата, спадът на потенциала между електродите се реализира почти напълно в малка зона близо до катода. Дължината на този участък варира обратно пропорционално на налягането на газа. При P = 1 mm Hg. dc е около 10 мм, а U=100-250 V.

При нормален тлеещ разряд плътността на тока остава постоянна, когато разрядният ток се увеличава или намалява. Но зависи от налягането P и се променя според закона P 2. Например при P = 1 mm Hg. средна плътност й= 0,1 mA/cm2 = 1·104 A/cm2. Но йзависи и от природата на газа и материала на катода. от I=jSследва, че при слаб ток част от площта участва в разряда.

При тези условия падът на катодния потенциал Uk също остава постоянен. За диапазон на налягането от 1-10 mm Hg. стойността на U k не зависи от налягането и се определя еднозначно от природата на газа и материала на катода. Примери

С увеличаването на разрядния ток идва момент, в който цялата площ на катода участва в разряда, от този момент нататък по-нататъшен растежток, катодният потенциален спад започва да се увеличава. Силата на полето E се увеличава, докато се постигне необходимата йонизация, за да се поддържа нарастването на тока. При тези условия нормалният тлеещ разряд се превръща в аномален тлеещ разряд.

където k е константа в зависимост от вида газ и катодния материал.

Положителен стълб.

Положителната колона се състои от плазма, а плазмата е неутрална електропроводима среда. Следователно колоната с положително сияние играе ролята на обикновен проводник, свързващ прикатодната област с прианодната част на разряда. За разлика от други части на тлеещия разряд, които имат специфични размери и структура в зависимост от вида на газа, неговото налягане и плътността на разрядния ток, дължината на положителния стълб се определя от размерите на разрядната камера и структурата на колоната е йонизиран газ ( n e ≈ n i), т.е. може да бъде с всякаква дължина. Силата на полето е около 1 V/cm и има тенденция да се увеличава с увеличаване на налягането. Интензитетът се променя и при промяна на радиуса на камерата (тръбата) - компресията на разряда увеличава полето: E винаги приема стойност, достатъчна да поддържа в колоната степента на йонизация, която е необходима за стационарно изгаряне на разряда. Енергията в колоната е достатъчна за йонизация. И процесът на йонизация компенсира загубата на електрони и йони поради рекомбинация и дифузия, последвана от неутрализация на електродите и на стените на камерата, блясъкът на положителния стълб е свързан с всички тези процеси. За разлика от други части, в положителния стълб на тлеещ разряд хаотичното движение на заредените частици преобладава над насоченото.

Анодна област.

Анодът привлича електрони от положителната колона и в близост до мястото на свързване се образува отрицателен пространствен заряд и се увеличава напрегнатостта на полето, в резултат на което разрядният ток се прехвърля към повърхността на анода. Областта на падане на анода е пасивната част на разряда. Анодът не излъчва заряди. Тлеещият разряд може да съществува без анодна област, както и без положителен стълб. Положителният разряден стълб не зависи от процесите в близост до електродите. Разликата между катодните части е предимно насоченото движение на електрони и йони.

Приложение на тлеещ разряд.

Тлеещият разряд в изхвърлените газове намира различни приложения в пълни с газ токоизправители, преобразуватели, индикатори, стабилизатори на напрежение и флуоресцентни лампи с газова светлина. Например в неоновите лампи (за целите на сигнализацията) се използва тлеещ разряд в неона, електродите са покрити със слой барий и имат катоден потенциален спад от около 70 V и се запалват при свързване към осветителната мрежа.

При флуоресцентните лампи тлеещият разряд възниква в живачни пари. Лъчението от живачните пари се абсорбира от слой фосфор, който покрива вътрешната повърхност на тръбата за газова светлина.

Тлеещият разряд се използва и за катодно разпрашване на метали. По време на тлеещ разряд повърхността на катода, поради бомбардиране с положителни газови йони, става много гореща в отделни малки области и следователно постепенно преминава в състояние на пара. Чрез поставяне на предмети близо до разрядния катод, те могат да бъдат покрити с равномерен слой метал.

IN последните годиниСветещият разряд намира приложение в плазмохимията и лазерната технология. При тях се използва тлеещ разряд в аномален режим при повишено налягане.

1. p = 6,7 kPa ≈ 50 mm. rt. Изкуство.

v= 15,7 m/s

2. p = 8 kPa ≈ 60 mm. rt. Изкуство.

v= 21m/s

Типични волта - амператлеещ разряд в напречен въздушен поток.

1 мм. rt. Изкуство. = 133 Pa. 1kPa=1000/133 = 8mmHg.