Ионизация воздуха вокруг высоковольтного проводника.

Введение

Ионизация воздуха вокруг проводника высокого напряжения

Корона-разряд – это электрический разряд, вызванный ионизацией жидкости, такой как воздух, окружающего проводник, несущий высокое напряжение. Он представляет собой локальную область, где воздух (или другая жидкость) испытал электрический пробой и стал проводящим, позволяя заряду непрерывно утекать с проводника в воздух. Корона-разряд возникает в местах, где напряженность электрического поля (потенциальный градиент) вокруг проводника превышает диэлектрическую прочность воздуха. Он часто наблюдается как голубоватое свечение в воздухе вблизи заостренных металлических проводников, находящихся под высоким напряжением, и излучает свет по тому же механизму, что и газоразрядная лампа. Корона-разряды также могут возникать в природных условиях, например, во время гроз, когда объекты, такие как мачты кораблей или крылья самолетов, имеют заряд, значительно отличающийся от заряда окружающего воздуха (огонь святого Эльма). Во многих областях применения высокого напряжения корона является нежелательным побочным эффектом. Корона-разряд от высоковольтных линий электропередачи представляет собой экономически значимые потери энергии для энергоснабжающих организаций. В высоковольтном оборудовании, таком как телевизоры с электронно-лучевой трубкой, радиопередатчики, рентгеновские аппараты и ускорители частиц, утечка тока, вызванная короной, может создавать нежелательную нагрузку на цепь. В воздухе корона-разряды генерируют такие газы, как озон (O3) и оксид азота (NO), а затем диоксид азота (NO2) и, следовательно, азотную кислоту (HNO3), если присутствует водяной пар. Эти газы коррозионно-активны и могут разрушать и делать хрупкими близлежащие материалы, а также токсичны для человека и окружающей среды. Корона-разряды часто можно подавить путем улучшения изоляции, использования кольцевых отводов и изготовления высоковольтных электродов гладкой округлой формы. Однако контролируемые корона-разряды используются в различных процессах, таких как фильтрация воздуха, копировальные аппараты и генераторы озона.

Введение

Корона-разряд — это процесс, при котором ток течёт от электрода с высоким потенциалом в нейтральную среду, обычно воздух, ионизируя эту среду для создания области плазмы вокруг электрода. Образующиеся ионы в конечном итоге передают заряд в близлежащие области с более низким потенциалом или рекомбинируют, образуя нейтральные молекулы газа. Когда градиент потенциала (электрическое поле) в точке среды становится достаточно высоким, среда в этой точке ионизируется и становится проводящей. Если заряженный объект имеет острый конец, напряжённость электрического поля вокруг этого конца будет значительно выше, чем в других местах. Воздух вблизи электрода может ионизироваться (становиться частично проводящим), в то время как более удалённые области остаются неионизированными. Когда воздух вблизи конца 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 достигают объекта с противоположным зарядом и нейтрализуются. Наряду с подобным щеточным разрядом, корона часто называют «разрядом с одним электродом», в отличие от «разряда с двумя электродами» — электрической дуги. Корона формируется только тогда, когда проводник достаточно удалён от проводников с противоположным потенциалом, чтобы дуга не могла перескочить 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 электрической искре или электрической дуге, в зависимости от источника электрического поля. Если источник продолжает подавать ток, искра переходит в непрерывный разряд, называемый дугой. Корона-разряд формируется только тогда, когда электрическое поле (потенциальный градиент) на поверхности проводника превышает критическое значение, равное диэлектрической прочности или разрушающему потенциальному градиенту среды. В воздухе при давлении на уровне моря 101 кПа это критическое значение составляет примерно 30 кВ/см. Корона-разряд обычно формируется в сильно изогнутых областях на электродах, таких как острые углы, выступающие концы, кромки металлических поверхностей или провода малого диаметра. Высокая кривизна вызывает высокий потенциальный градиент в этих местах, из-за чего воздух пробивается и там первым образуется плазма. На острых концах в воздухе корона может начинаться при потенциалах 2–6 кВ. Короны можно использовать для создания заряженных поверхностей, что используется в электростатическом копировании (фотокопировании). Их также можно использовать для удаления твёрдых частиц из воздушных потоков, сначала заряжая воздух, а затем пропуская заряженный поток через гребень с чередующейся полярностью, чтобы осаждать заряженные частицы на пластины с противоположным зарядом. Свободные радикалы и ионы, образующиеся в реакциях короны, можно использовать для очистки воздуха от определённых вредных веществ посредством химических реакций, а также для производства озона.

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

Выброс короны происходит, когда электрическое поле достаточно сильно, чтобы создать цепную реакцию: электроны в воздухе сталкиваются с атомами с достаточной силой для их ионизации, создавая больше свободных электронов, которые ионизируют больше атомов. Диаграммы ниже иллюстрируют в микроскопическом масштабе процесс, создающий корону в воздухе рядом с заостренным электродом, несущим высокое отрицательное напряжение относительно земли. Процесс заключается в следующем: нейтральный атом или молекула в области сильного электрического поля (например, высокий градиент потенциала вблизи изогнутого электрода) ионизируется под воздействием естественного фактора окружающей среды (например, удара ультрафиолетовым фотоном или частицей космического излучения), образуя положительный ион и свободный электрон. Электрическое поле ускоряет эти разноименно заряженные частицы в противоположных направлениях, разделяя их, предотвращая их рекомбинацию и сообщая каждой из них кинетическую энергию. Электрон имеет гораздо более высокое отношение заряда к массе, поэтому ускоряется до более высокой скорости, чем положительный ион. Он получает достаточно энергии от поля, чтобы при столкновении с другим атомом ионизировать его, выбивая еще один электрон и создавая еще один положительный ион. Эти электроны ускоряются и сталкиваются с другими атомами, создавая дополнительные пары электрон/положительный ион, и эти электроны сталкиваются с еще большим количеством атомов в цепной реакции, называемой электронной лавиной. И положительные, и отрицательные короны основаны на электронных лавинах. В положительной короне все электроны притягиваются внутрь к близлежащему положительному электроду, а ионы отталкиваются наружу. В отрицательной короне ионы притягиваются внутрь, а электроны отталкиваются наружу. Свечение короны вызвано рекомбинацией электронов с положительными ионами с образованием нейтральных атомов. Когда электрон возвращается на свой первоначальный энергетический уровень, он излучает фотон света. Фотоны служат для ионизации других атомов, поддерживая создание электронных лавин. На определенном расстоянии от электрода электрическое поле становится достаточно слабым, чтобы больше не сообщать электронам достаточной энергии для ионизации атомов при столкновении. Это внешний край короны. За пределами этой границы ионы перемещаются в воздухе, не создавая новых ионов. Направляющиеся наружу ионы притягиваются к противоположному электроду и в конечном итоге достигают его, соединяясь с электронами с электрода, чтобы снова стать нейтральными атомами, завершая цепь. Термодинамически корона является сильно неравновесным процессом, создающим нетермическую 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 участвует в электронных лавинах и ионизируется, обладая энергиями, близкими к энергии ионизации 1–3 эВ, а остальная часть окружающего газа близка к температуре окружающей среды. Пороговое напряжение возникновения короны (CIV) можно определить с помощью закона Пика (1929), основанного на эмпирических наблюдениях. В более поздних работах были получены более точные формулы.

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.

Свойства

Положительная корона проявляется в виде равномерной плазмы вдоль всей длины проводника. Её часто можно увидеть светящейся синим/белым цветом, хотя значительная часть излучения приходится на ультрафиолетовый диапазон. Однородность плазмы обусловлена однородным источником вторичных лавинных электронов, описанным в разделе о механизме ниже. При одинаковой геометрии и напряжениях положительная корона выглядит немного меньше, чем соответствующая отрицательная, из-за отсутствия неионизирующей плазменной области между внутренней и внешней зонами. Плотность свободных электронов в положительной короне значительно ниже, чем в отрицательной – возможно, в тысячу раз меньше, а общее число электронов – в сто раз меньше. Однако электроны в положительной короне концентрируются вблизи поверхности изогнутого проводника, в области высокого градиента потенциала (и, следовательно, обладают высокой энергией), в то время как в отрицательной короне многие электроны находятся во внешних областях с более слабым полем. Поэтому, если электроны используются в применении, требующем высокой энергии активации, положительная корона может обеспечивать более высокую константу скорости реакции, чем соответствующая отрицательная; несмотря на меньшее общее количество электронов, число электронов с очень высокой энергией может быть выше. Короны эффективно производят озон в воздухе. Положительная корона генерирует значительно меньше озона, чем отрицательная, поскольку реакции, приводящие к образованию озона, протекают при относительно низкой энергии. Следовательно, большее количество электронов в отрицательной короне способствует увеличению производства озона. За пределами плазмы, в однополярной области, поток низкоэнергетических положительных ионов направлен к плоскому электроду.

Механизм

Как и в случае отрицательной короны, положительная корона инициируется экзогенным ионизационным событием в области высокого градиента потенциала. Электроны, образующиеся в результате ионизации, притягиваются к искривлённому электроду, а положительные ионы отталкиваются от него. В результате неэластичных столкновений, происходящих всё ближе и ближе к искривлённому электроду, ионизируются дополнительные молекулы, формируя электронную лавину. В положительной короне вторичные электроны для последующих лавин генерируются преимущественно в самой среде, в области, расположенной вне зоны плазмы или лавины. Они образуются в результате ионизации, вызванной фотонами, испускаемыми плазмой в различных процессах дезактивации, происходящих внутри плазмы после столкновений электронов. Тепловая энергия, высвобождаемая при этих столкновениях, создаёт фотоны, излучаемые в газ. Электроны, образующиеся при ионизации нейтральных молекул газа, затем электрически притягиваются обратно к искривлённому электроду, попадают в плазму, и таким образом начинается процесс создания новых лавин внутри плазмы.

Свойства

Отрицательная корона проявляется в неоднородной короне, изменяющейся в зависимости от особенностей поверхности и неровностей изогнутого проводника. Она часто выглядит как пучки коронного разряда на острых краях, при этом количество пучков меняется в зависимости от напряженности поля. Форма отрицательной короны обусловлена источником вторичных лавинных электронов (см. ниже). Она кажется немного больше соответствующей положительной короны, поскольку электроны могут рассеиваться из области ионизации, и, следовательно, плазма распространяется на некоторое расстояние за её пределы. Общее число электронов и их плотность значительно выше, чем в соответствующей положительной короне. Однако, они преимущественно обладают более низкой энергией из-за нахождения в области с меньшим градиентом потенциала. Поэтому, хотя для многих реакций увеличение плотности электронов повысит скорость реакции, более низкая энергия электронов может привести к замедлению реакций, требующих более высокой энергии электронов.

Механизм

Негативные короны более сложны по конструкции, чем положительные. Как и в случае с положительными коронами, возникновение короны начинается с экзогенного ионизирующего события, генерирующего первичный электрон, за которым следует электронная лавина. Электроны, ионизированные из нейтрального газа, не способствуют поддержанию отрицательного коронного разряда, генерируя вторичные электроны для дальнейших лавин, поскольку общее движение электронов в отрицательной короне направлено наружу от искривленного электрода. Вместо этого, для отрицательной короны доминирующим процессом генерации вторичных электронов является фотоэффект с поверхности самого электрода. Работа выхода электронов (энергия, необходимая для освобождения электронов с поверхности) значительно ниже энергии ионизации воздуха при стандартных температуре и давлении, что делает его более эффективным источником вторичных электронов в этих условиях. Источником энергии для освобождения электронов снова является высокоэнергетичный фотон от атома в теле плазмы, расслабляющийся после возбуждения в результате предыдущего столкновения. Использование ионизированного нейтрального газа в качестве источника ионизации еще больше ограничено в отрицательной короне из-за высокой концентрации положительных ионов, скапливающихся вокруг искривленного электрода. При других условиях столкновение положительных ионов с искривленным электродом также может вызывать освобождение электронов. Таким образом, различие между положительными и отрицательными коронами в отношении генерации лавин вторичных электронов заключается в том, что в положительной короне они генерируются газом, окружающим область плазмы, при этом новые вторичные электроны движутся внутрь, а в отрицательной короне – самим искривленным электродом, при этом новые вторичные электроны движутся наружу. Дополнительной особенностью структуры отрицательных корон является то, что по мере дрейфа электронов наружу, они сталкиваются с нейтральными молекулами и, с электроотрицательными молекулами (такими как кислород и водяной пар), соединяются, образуя отрицательные ионы. Эти отрицательные ионы затем притягиваются к положительному плоскому электроду, замыкая "цепь".

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'.

Электрический ветер

Ионизированные газы, образующиеся в коронном разряде, ускоряются электрическим полем, создавая движение газа или электрический ветер. Движение воздуха, вызванное током разряда в несколько сотен микроампер, может сдуть небольшое пламя свечи на расстоянии около 1 см от точки разряда. Ветряная мельница с радиальными металлическими спицами и заострёнными концами, согнутыми по окружности, может приводиться во вращение коронным разрядом; вращение обусловлено разницей в электрическом притяжении между металлическими спицами и областью экранирования космического заряда, окружающей концы спиц.