Жоғары кернеулі өткіштер маңындағы ауаның иондануы

Кіріспе

Ауаның жоғары кернеулі өткізгіштің айналасындағы иондалуы.

Корона разряды – жоғары кернеулі өткізгішті қоршаған ауа сияқты сұйықтықтың иондалуынан туындайтын электр разряды. Ол ауаның (немесе басқа сұйықтықтың) электрлік түзілуіне ұшырап, өткізгіштікке ие болған жергілікті аймақты көрсетеді, бұл зарядтың өткізгіштен ауаға үздіріліссіз ағып кетуіне мүмкіндік береді. Корона разряды электр өрісінің күші (потенциалдық градиент) өткізгіштің айналасында ауаның диэлектрлік беріктігінен асып түскен жерлерде пайда болады. Ол көбінесе жоғары кернеулі өткізгіштерге жақын ауада көкшіл жарқырау түрінде көрінеді және газ разряды лампасындағыдай механизм арқылы жарық шығарады. Корона разряды ауа райында да болуы мүмкін, мысалы, дауыл кезінде кеме мачталары немесе ұшақ қанаттары сияқты заттардың заряды айналасындағы ауадан едәуір өзгеше болғанда (Сент-Эльмо оты). Көптеген жоғары кернеулі қолданыстарда корона немесе қажетсіз құбылыс болып табылады. Жоғары кернеулі электр энергиясын беру желілерінен туындайтын короналық ағын энергия берушілер үшін экономикалық тұрғыдан маңызды шығынға әкеледі. Катодты сәулелі теледидарлар, радио хабар таратушылар, рентген аппараттары және бөлшектерді үдеткіштер сияқты жоғары кернеулі жабдықтарда коронадан туындаған токтың ағыны тізбекте қажетсіз жүктеме құрауы мүмкін. Ауада короналар озон (O3) және азот оксиді (NO) сияқты газдарды жасайды, ал одан әрі азот диоксиді (NO2) және су буы болған жағдайда азот қышқылы (HNO3) пайда болады. Бұл газдар коррозиялық болып табылады және жақын жердегі материалдарды тозуына және әлсіретуіне мүмкіндік береді, сонымен қатар адамдар мен қоршаған орта үшін зиянды. Корона разрядын жақсартылған оқшаулау, корона сақиналары және жоғары кернеулі электродтарды тегіс, дөңгелек пішінде жасау арқылы жиі басуға болады. Дегенмен, бақыланатын корона разряды ауа сүзгілері, фотокөшіргіштер және озон генераторлары сияқты әртүрлі процестерде қолданылады.

Кіріспе

Короналық разряд – жоғары потенциалы бар электродтан бейтарап сұйықтыққа, әдетте ауаға, ток ағып кету процесі. Бұл сұйықтықты иондау арқылы электродтың айналасында плазма аймағын құруға әкеледі. Шығарылған иондар ақырында зарядты жақын маңдағы төмен потенциалды аймақтарға өткізеді немесе бейтарап газ молекулаларын қалыптастыру үшін қайта біріктіреді. Егер сұйықтықтағы потенциалдық градиент (электр өрісі) белгілі бір деңгейге жетсе, онда сұйықтық иондалып, өткізгіш бола бастайды. Зарядталған нысанның өткір ұшы болса, сол ұш маңындағы электр өрісінің күші басқа жерлерге қарағанда әлдеқайда жоғары болады. Электродқа жақын ауа иондануы мүмкін (ішінара өткізгіш), ал алыс аймақтарда иондану болмайды. Ауа өткізгіштікке ие болған кезде, ол өткізгіштің көрінетін мөлшерін ұлғайтады. Жаңа өткізгіш аймақ шектеулі болғандықтан, иондалу осы жергілікті аймақтың шегінен аспауы мүмкін. Иондану және өткізгіштіктің осы аймағынан тыс зарядталған бөлшектер бірте-бірте қарама-қарсы зарядталған нысанға қарай жылжып, бейтараптанады. Щетка тәрізді разрядқа ұқсас, корона көбінесе "бір электродтық разряд" деп аталады, электр доғасынан айырмашылығы – "екі электродтық разряд". Корона тек өткізгіш қарсы потенциалдағы басқа өткізгіштен жеткілікті қашықтықта болғанда ғана пайда болады, сондықтан олардың арасында доға секіруіне мүмкіндік болмайды. Егер геометрия және градиент иондалған аймақтың төмен потенциалды басқа өткізгішке дейін өсуіне мүмкіндік берсе, екеуінің арасында төмен кедергілі өткізгіш жол пайда болады, нәтижесінде электр ұшқыны немесе электр доғасы пайда болады, бұл электр өрісінің көзіне байланысты. Егер көз ток беруді жалғастырса, ұшқын үздіріссіз разрядқа, яғни доғаға айналады. Короналық разряд тек өткізгіш бетіндегі электр өрісі (потенциалдық градиент) белгілі бір шекті мәннен, сұйықтықтың диэлектрлік түзілу шегінен немесе бұзу потенциалдық градиентінен асқанда ғана пайда болады. Теңіз деңгейіндегі 101 кПа қысымдағы ауада бұл мән шамамен 30 кВ/см құрайды. Короналық разряд көбінесе электродтардың өте қисық бөліктерінде, мысалы, өткір бұрыштарда, иеленген ұштарда, металл беттерінің жиектерінде немесе кішкентай диаметрлі сымдарда пайда болады. Жоғары қисықтық осы жерлерде жоғары потенциалдық градиентке әкеледі, сондықтан ауа осында бірінші болып ыдырайды және плазма түзеді. Ауадағы өткір ұштарда корона 2-6 кВ потенциалдан басталуы мүмкін. Короналар зарядталған беттерді жасау үшін қолданылуы мүмкін, бұл электростатикалық көшіруде (фотокопияда) қолданылатын эффект. Олар сондай-ақ, ауа ағындарынан бөлшектерді алдымен ауаны зарядтау арқылы, содан кейін зарядталған ағынды кезектесіп полярлы тарақтан өткізіп, зарядталған бөлшектерді қарама-қарсы зарядталған пластиналарға жинау үшін пайдалануға болады. Короналық реакцияларда пайда болатын еркін радикалдар мен иондар химиялық реакциялар арқылы ауадағы зиянды заттарды тазалауға және озон өндіруге қолданылуы мүмкін.

A corona discharge is a process by which a current flows from an electrode with a high potential into a neutral fluid, usually air, by ionizing that fluid so as to create a region of plasma around the electrode. The ions generated eventually pass the charge to nearby areas of lower potential, or recombine to form neutral gas molecules. When the potential gradient (electric field) is large enough at a point in the fluid, the fluid at that point ionizes and it becomes conductive. If a charged object has a sharp point, the electric field strength around that point will be much higher than elsewhere. Air near the electrode can become ionized (partially conductive), while regions more distant do not. When the air near the point becomes conductive, it has the effect of increasing the apparent size of the conductor. Since the new conductive region is less sharp, the ionization may not extend past this local region. Outside this region of ionization and conductivity, the charged particles slowly find their way to an oppositely charged object and are neutralized. Along with the similar brush discharge, the corona is often called a "single electrode discharge", as opposed to a "two electrode discharge"—an electric arc. A corona forms only when the conductor is widely enough separated from conductors at the opposite potential that an arc cannot jump between them. If the geometry and gradient are such that the ionized region continues to grow until it reaches another conductor at a lower potential, a low resistance conductive path between the two will be formed, resulting in an electric spark or electric arc, depending upon the source of the electric field. If the source continues to supply current, a spark will evolve into a continuous discharge called an arc. Corona discharge forms only when the electric field (potential gradient) at the surface of the conductor exceeds a critical value, the dielectric strength or disruptive potential gradient of the fluid. In air at sea level pressure of 101 kPa, the critical value is roughly 30 kV/cm, Corona discharge usually forms at highly curved regions on electrodes, such as sharp corners, projecting points, edges of metal surfaces, or small diameter wires. The high curvature causes a high potential gradient at these locations so that the air breaks down and forms plasma there first. On sharp points in the air, corona can start at potentials of 2–6 kV. Coronas can be used to generate charged surfaces, which is an effect used in electrostatic copying (photocopying). They can also be used to remove particulate matter from air streams by first charging the air, and then passing the charged stream through a comb of alternating polarity, to deposit the charged particles onto oppositely charged plates. The free radicals and ions generated in corona reactions can be used to scrub the air of certain noxious products, through chemical reactions, and can be used to produce ozone.

Механизм

Корона разряды электр өрісі тізбекті реакцияны тудыруға жеткілікті күшті болғанда пайда болады; ауадағы электрондар атомдармен соқтығысып, оларды иондайды, осылайша одан да көп атомдарды иондайтын қосымша еркін электрондар пайда болады. Төмендегі суреттерде жерге қатысты жоғары теріс кернеуді тасымалдайтын ұштыр электродтың жанындағы ауада коронаның қалай пайда болатыны микроскопиялық деңгейде көрсетілген. Процесс былай жүреді: бейтарап атом немесе молекула күшті электр өрісінің аймағында (мысалы, қисық электродқа жақын жердегі жоғары потенциал градиенті) табиғи қоршаған ортаның әсерінен (мысалы, ультракүлгін фотонға түскенде немесе ғарыштық сәуле бөлшегімен соқтығысқанда) иондалып, оң ион мен еркін электронды құрайды. Электр өрісі осы қарама-қарсы зарядталған бөлшектерді қарама-қарсы бағытта үдетіп, оларды бөліп, қайта бірігуіне кедері келтіреді және олардың әрқайсысына кинетикалық энергия береді. Электронның заряд/масса қатынасы жоғары болғандықтан, ол оң ионға қарағанда жоғары жылдамдыққа дейін үдетіледі. Ол өрістен жеткілікті энергия алып, басқа атомға соқтығысқанда оны иондайды, тағы бір электронды шығарып, тағы бір оң ионды жасайды. Бұл электрондар үдетіліп, басқа атомдармен соқтығысады, одан әрі электрон/оң ион жұптары пайда болады, ал бұл электрондар тізбекті реакция процесінде одан да көп атомдармен соқтығысады, бұл процесс электрондық лавина деп аталады. Оң және теріс короналардың екеуі де электрондық лавиналарға негізделген. Оң коронада барлық электрондар жақын жердегі оң электродқа тартылады, ал иондар сыртқа қарай тебіледі. Теріс коронада иондар ішке тартылады, ал электрондар сыртқа қарай тебіледі. Коронаның жарқырауы электрондардың оң иондармен бірігіп, бейтарап атомдарды құрауынан туындайды. Электрон бастапқы энергия деңгейіне оралғанда, ол жарық фотонын шығарады. Фотондар басқа атомдарды иондауға қатысады, электрондық лавиналардың пайда болуын қамтамасыз етеді. Электродтан белгілі бір қашықтықта электр өрісі иондану үшін электрондарға жеткілікті энергия бере алмайтындай төмендейді. Бұл коронаның сыртқы жиегі. Бұдан тыс иондар жаңа иондарды құрамай ауа арқылы қозғалады. Сыртқа қарай қозғалған иондар қарама-қарсы электродқа тартылып, соңында оған жетеді және электродтан электрондармен бірігіп, қайтадан бейтарап атомдарға айналады, осылайша тізбек аяқталады. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, корона – бұл тепе-теңдіксіз процесс, ол жылу плазмасын жасамайды. Лавина механизмі электр дулығасы немесе ұшқын сияқты корона аймағындағы газды қыздыруға және иондауға жеткілікті энергия бөлмейді. Газ молекулаларының аз ғана бөлігі электрондық лавиналарға қатысады және иондалады, олардың энергиясы 1–3 эВ иондалу энергиясына жуық, ал қоршаған газдың қалған бөлігі бөлме температурасына жуық болады. Коронаның басталу кернеуі немесе коронаның басталу кернеуі (CIV) эмпирикалық байқаулар негізінде құрастырылған Пик заңымен (1929) анықталады. Кейінгі зерттеулер одан да дәл формулаларды ұсынды.

Corona discharge occurs when the electric field is strong enough to create a chain reaction; electrons in the air collide with atoms hard enough to ionize them, creating more free electrons that ionize more atoms. The diagrams below illustrate at a microscopic scale the process which creates a corona in the air next to a pointed electrode carrying a high negative voltage with respect to ground. The process is:
A neutral atom or molecule, in a region of the strong electric field (such as the high potential gradient near the curved electrode), is ionized by a natural environmental event (for example, being struck by an ultraviolet photon or cosmic ray particle), to create a positive ion and a free electron. The electric field accelerates these oppositely charged particles in opposite directions, separating them, preventing their recombination, and imparting kinetic energy to each of them. The electron has a much higher charge/mass ratio and so is accelerated to a higher velocity than the positive ion. It gains enough energy from the field that when it strikes another atom it ionizes it, knocking out another electron, and creating another positive ion. These electrons are accelerated and collide with other atoms, creating further electron/positive ion pairs, and these electrons collide with more atoms, in a chain reaction process called an electron avalanche. Both positive and negative coronas rely on electron avalanches. In a positive corona, all the electrons are attracted inward toward the nearby positive electrode and the ions are repelled outwards. In a negative corona, the ions are attracted inward and the electrons are repelled outwards. The glow of the corona is caused by electrons recombining with positive ions to form neutral atoms. When the electron falls back to its original energy level, it releases a photon of light. The photons serve to ionize other atoms, maintaining the creation of electron avalanches. At a certain distance from the electrode, the electric field becomes low enough that it no longer imparts enough energy to the electrons to ionize atoms when they collide. This is the outer edge of the corona. Outside this, the ions move through the air without creating new ions. The outward moving ions are attracted to the opposite electrode and eventually reach it and combine with electrons from the electrode to become neutral atoms again, completing the circuit. Thermodynamically, a corona is a very nonequilibrium process, creating a non thermal plasma. The avalanche mechanism does not release enough energy to heat the gas in the corona region generally and ionize it, as occurs in an electric arc or spark. Only a small number of gas molecules take part in the electron avalanches and are ionized, having energies close to the ionization energy of 1–3 ev, the rest of the surrounding gas is close to ambient temperature. The onset voltage of corona or corona inception voltage (CIV) can be found with Peek's law (1929), formulated from empirical observations. Later papers derived more accurate formulas.

Қасиеттері

Оң корона өткізгіштің ұзындығы бойымен біркелкі плазма түрінде көрінеді. Оны көбінесе көк/ақ түсті жарқыраған күйде көруге болады, бірақ көптеген шығарылымдар ультракүлгін сәулелерде болады. Плазманың біркелкілігі төмендегі механизм бөлімінде сипатталған екіншілік лавиналық электрондардың біртекті көзіне байланысты. Сол геометрия мен кернеулерде, ішкі және сыртқы аймақтар арасында иондамайтын плазма аймағының болмауына байланысты, ол сәйкес теріс коронадан сәл кішірек көрінеді. Оң коронаның теріс коронаға қарағанда еркін электрондардың тығыздығы әлдеқайда төмен – электрон тығыздығының мыңнан бір бөлігі, ал электрондардың жалпы санының жүзден бір бөлігі. Дегенмен, оң коронадағы электрондар жоғары потенциал градиенті бар қисық өткізгіш бетіне жақын шоғырланған (сондықтан электрондардың энергиясы жоғары), ал теріс коронадағы электрондардың көп бөлігі сыртқы, төменгі өріс аймақтарында орналасқан. Сондықтан, егер электрондар жоғары белсендіру энергиясын қажет ететін қолданыста қолданылса, оң короналар тиісті теріс короналарға қарағанда жоғары реакция тұрақтылығын қамтамасыз ете алады; электрондардың жалпы саны аз болғанымен, өте жоғары энергиялы электрондардың саны көп болуы мүмкін. Короналар ауадағы озонды тиімді өндіреді. Оң корона сәйкес теріс коронаға қарағанда аз озон өндіреді, себебі озонды өндіретін реакциялар салыстырмалы түрде төмен энергиялы. Сондықтан, теріс коронаның электрондарының саны артуымен озон өндірісі де артады. Плазмадан тыс, бірполярлы аймақта, төмен энергиялы оң иондардың ағыны жазық электродқа қарай бағытталған.

Механизм

Жоғары потенциалдық градиенті бар аймақта экзогенді иондану оқиғасымен оң корона да, теріс корона сияқты басталады. Иондану нәтижесінде пайда болған электрондар қисық электродқа тартылады, ал оң иондар одан тебіледі. Электрондар қисық электродқа жақындаған сайын серпімсіз соқтығысуларға түсіп, электрондық лавинада одан әрі молекулалар иондалады. Оң коронада келесі лавиналар үшін қосымша электрондар негізінен плазмадан немесе лавина аймағынан тыс, сұйықтықтың өзінде пайда болады. Олар плазмада электрондық соқтығысулардан кейін болатын түрлі деэкцитация процестерінде бөлінетін фотондардың иондалуынан пайда болады, соқтығысуларда босатылған жылу энергиясы газға сәулеленетін фотондарды жасайды. Бейтарап газ молекуласының иондануынан пайда болған электрондар электрлік күшпен қисық электродқа тартылып, плазмаға еніп, плазма ішінде одан әрі лавиналар жасау процесі басталады.

Қасиеттері

Теріс корона біркелкі емес корона түрінде көрінеді, қисық өткізгіштің беттік ерекшеліктері мен тегіссіздіктеріне байланысты өзгереді. Ол көбінесе өткір жиектердегі корона шоғырлары ретінде пайда болады, шоғырлардың саны өріс күшіне қарай өзгереді. Теріс коронаның пішіні оның екіншілік лавиналық электрондар көзімен анықталады (төменде қараңыз). Электрондар иондау аймағынан еркін шығуына мүмкіндік болғандықтан, ол оң коронадан сәл ірірек көрінеді, сондықтан плазма одан әрі созылады. Электрондардың жалпы саны мен электрондық тығыздығы оң коронаға қарағанда әлдеқайда жоғары. Дегенмен, олар негізінен төмен энергиялы, себебі төмен потенциал градиенті аймағында орналасқан. Сондықтан, көптеген реакциялар үшін электрондық тығыздықтың артуы реакция жылдамдығын арттырса, электрондардың төмен энергиясы жоғары электрондық энергия талап ететін реакциялардың баяу жүруіне себеп болады.

Механизм

Теріс короналар құрылысы жағынан оң короналардан күрделірек. Оң короналар сияқты, коронаның пайда болуы экзогендік иондану оқиғасымен басталады, ол бастапқы электронды тудырады, одан кейін электрондық лавина пайда болады. Нейтралды газбен иондалған электрондар теріс корона процесін жалғастыру үшін пайдалы емес, себебі теріс коронада электрондардың жалпы қозғалысы қисық электродтан сыртқа қарай бағытталған. Теріс корона үшін екінші электрондарды тудыратын басты процесс – электрод бетінен фотоэлектрлік эффект. Электрондардың жұмыс функциясы (электрондарды беттен босатуға қажетті энергия) стандартты температура мен қысымдағы ауаның иондану энергиясынан едәуір төмен, бұл оны осы жағдайларда екінші электрондардың мол көзіне айналдырады. Электрондардың босатылуына энергия көзі – плазма денесіндегі атомнан шығатын жоғары энергиялы фотон, ол бұрынғы соқтығысудан кейін қозған күйден демалады. Иондау көзі ретінде иондалған бейтарап газды пайдалану теріс коронада қисық электродтың маңындағы оң иондардың жоғары концентрациясымен одан әрі төмендейді. Басқа жағдайларда, оң иондардың қисық электродпен соқтығысуы да электрондардың босатылуына себеп болуы мүмкін. Осылайша, оң және теріс короналардың арасындағы айырмашылық, екінші электрондық лавиналарды тудыру тұрғысынан, оң коронада олар плазма аймағын қоршап тұрған газбен туындайды, жаңа екінші электрондар ішке қарай қозғалады, ал теріс коронада олар қисық электродтың өзімен туындайды, жаңа екінші электрондар сыртқа қарай қозғалады. Теріс корона құрылымының тағы бір ерекшелігі – электрондар сыртқа қарай жылжығанда бейтарап молекулалармен кездеседі және электронегативті молекулалармен (мысалы, оттегі және су буы) бірігіп, теріс иондарды құрайды. Бұл теріс иондар оң, иілмеген электродқа тартылып, "тізбекті" аяқтайды.

Negative coronas are more complex than positive coronas in construction. As with positive coronas, the establishing of a corona begins with an exogenous ionization event generating a primary electron, followed by an electron avalanche. Electrons ionized from the neutral gas are not useful in sustaining the negative corona process by generating secondary electrons for further avalanches, as the general movement of electrons in a negative corona is outward from the curved electrode. For negative corona, instead, the dominant process generating secondary electrons is the photoelectric effect, from the surface of the electrode itself. The work function of the electrons (the energy required to liberate the electrons from the surface) is considerably lower than the ionization energy of air at standard temperatures and pressures, making it a more liberal source of secondary electrons under these conditions. Again, the source of energy for the electron liberation is a high energy photon from an atom within the plasma body relaxing after excitation from an earlier collision. The use of ionized neutral gas as a source of ionization is further diminished in a negative corona by the high concentration of positive ions clustering around the curved electrode. Under other conditions, the collision of the positive species with the curved electrode can also cause electron liberation. The difference, then, between positive and negative coronas, in the matter of the generation of secondary electron avalanches, is that in a positive corona they are generated by the gas surrounding the plasma region, the new secondary electrons travelling inward, whereas in a negative corona they are generated by the curved electrode itself, the new secondary electrons travelling outward. A further feature of the structure of negative coronas is that as the electrons drift outwards, they encounter neutral molecules and, with electronegative molecules (such as oxygen and water vapor), combine to produce negative ions. These negative ions are then attracted to the positive uncurved electrode, completing the 'circuit'.

Электр желінің күші

Короналық разрядта пайда болған иондалған газдар электр өрісімен үдетіледі, нәтижесінде газ қозғалысы немесе электр жел пайда болады. Бірнеше жүз микроамперлік разряд тогымен байланысты ауа қозғалысы, разряд нүктесінен шамамен 1 см қашықтықтағы кішкентай шамның жалынын сөндіре алады. Радиалды металл спицалары және шеңбер бойымен бағытталған ұштары бар желперіш, короналық разрядпен қуаттандырылса, айнала бастайды; бұл айналу металл спицалар мен ұштарын қоршаған кеңістіктік зарядтық қалқан аймағы арасындағы электрлік тартымдылықтың айырмашылығына байланысты.