Коронный разряд

Тлеющий разряд

Для его существования необходимо создать низкие давления газа (в сотни и тысячи раз меньше атмосферного). Тлеющий разряд наблюдается в катодных трубках, которые заполняются каким-либо газом (например, Ne, Ar, Kr и другие). Приложение напряжения к электродам трубки приводит к активации следующего процесса: имеющиеся в газе катионы начинают ускоренно двигаться, достигнув катода, они ударяют по нему, передавая импульс и выбивая электроны. Последние при наличии достаточной кинетической энергии могут приводить к ионизации нейтральных молекул газа. Описанный процесс будет самоподдерживающимся только в случае достаточной энергии катионов, бомбардирующих катод, и их определенного количества, что зависит от разности потенциалов на электродах и давления газа в трубке.

Тлеющий разряд светится. Излучение электромагнитных волн обусловлено двумя идущими параллельно процессами:

• рекомбинация пар электрон-катион, сопровождаемая выделением энергии;
• переход нейтральных молекул (атомов) газа из возбужденного состояния в основное.

Типичными характеристиками этого вида разряда являются небольшие токи (несколько миллиампер) и небольшие стационарные напряжения (100–400 В), однако пороговое напряжение равно нескольким тысячам вольт, что зависит от давления газа.

Примерами тлеющего разряда являются люминесцентные и неоновые лампы. В природе к этому типу можно отнести северное сияние (движение потоков ионов в магнитном поле Земли).

Механизмы ионизации

Коронный разряд образуется на геометрических изломах вследствие повышенной напряжённости поля в этой области. На указанном принципе работают нейтрализаторы и стекатели. Явления, наблюдаемые при газовом разряде, количественно описываются двумя коэффициентами Таунсенда:

• Альфа: коэффициент объёмной ионизации. Численно это количество ионизаций, производимых электроном на дистанции 1 см.
• Гамма: описывает процесс ионизации на границе катод-газ. Здесь электроны покидают поверхность и начинают шествие вдоль силовых линий поля. Равен отношению покидающих катод электронов к числу падающих сюда ионов за единицу времени.

Оба коэффициента растут вместе с разницей потенциалов. После несамостоятельного разряда отмечается лавинообразная ионизация с образованием меж электродами облака положительного заряда. Этот момент соотносится с возникновением короны. Дальнейшее повышение напряжения приводит к нарушению стационарности положительного облака, и ток начинает колебаться в районе конкретного значения.

Изложенное называется теорией Роговского и поясняет, где возникает корона, как образуется искрение. Все определяется полётом электронов и пространственным распределением заряда. Главный признак – не происходит короткого замыкания цепи при коронном разряде, как происходит при искрении (кратковременно) или дуге (постоянно).

Коэффициент альфа определяет удалённость свечения от электрода. Гамма скорее характеризует геометрическую форму поверхности и разницу потенциалов, приведшую к появлению разряда.

Механизм коронного разряда

Электрон, возникший при случайной ионизации нейтральной молекулы, ускоряется в электрическом поле и приобретает энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении со следующей молекулой ионизовать её. В результате происходит лавинное увеличение числа заряженных частиц.

Если коронирующее остриё является катодом, такую корону называют отрицательной. В отрицательной короне ионизационные лавины направлены от острия. Воспроизведение свободных электронов обеспечивается здесь за счёт термоэмиссии из коронирующего электрода. На некотором удалении от острия, там где электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию, электроны рекомбинируют с нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые и являются носителями тока во внешней области.

Если коронирующее остриё является анодом, такую корону называют положительной. В положительной короне электроны притягиваются к острию, а ионы отталкиваются от него. Воспроизведение электронов, запускающих ионизационную лавину, обеспечивают вторичные фотопроцессы в газе вблизи от острия. Вдали от коронирующего электрода электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию. Носителями тока в этой области являются положительные ионы, движущиеся от острия к отрицательному электроду. В отличие от ровного свечения отрицательной короны, в положительной короне иногда наблюдаются разбегающиеся от острия стримеры, которые при увеличении напряжения превращаются в искровые каналы.

Применение

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).

Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.

Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа — это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

Теория ионизации воздуха

Ионизацию воздуха заметили давно, но не сумели правильно истолковать. С появлением в середине XVIII века первых электростатических генераторов разряд стал обычным явлением. Даже успели попробовать на себе жестокое действие лейденской банки. Истинные опыты с электричеством начались после изобретения Вольтой гальванического источника энергии.

Первую в мире дугу получил в 1802 году русский учёный с запоминающейся фамилией Петров. Он предсказал возможность использования сего для целей освещения

Сильную досаду вызывает факт, что весь учёный мир обратил внимание на явление. И оказывалось ясно, куда в действительности течёт электрический ток

Ведь отрицательный угольный электрод заострялся под действием дуги, а на аноде образовывалась небольшая ямка. Учёный мир увидел в этом правоту Бенджамина Франклина: заряды наращивают отрицательный угольный стержень, будучи положительны. И лишь к началу XX века, когда опыты с катодными лучами дали первые результаты, стало понятно, что 100 лет назад совершена большая ошибка.

При горении дуги пять шестых светового потока даёт анод. Его температура в стандартных физических опытах составляет 4000 градусов Цельсия. Это на 1000 больше, нежели у катода, дающего 10% светового потока. Прочее берётся от дуги непосредственно, за счёт мерцания ионизированного газа. При столь высоких температурах начинают плавиться даже керамика и вольфрам. Сварку изобрели гораздо позже, с 80-х годов (XIX века) электрод угольный, позже Н.Г. Славянов предложить использовать металлический.

Опыт Павлова повторил Дэви, прочие дугой пока не занимались. С его подачи началось исследование разряда в среде газа. Обнаружены первые линейчатые спектры. Фарадей и Уитстон в 30-х годах изучали разряд в разреженных газах. Видя усердие англичан, иностранный инженер, принявший российское подданство, Якоби попробовал применить угольный стрежень для освещения улиц Санкт-Петербурга (1846 год). Но анод быстро выгорал, увеличивая искровой промежуток, и лампа гасла. Ситуацию решил Яблочков, это уже случилось через 30 лет, когда век угольных разрядников подходил к концу. Они находили применение в узких областях долгое время, к примеру, при освещении неба в период Второй мировой войны и отражения вражеских налётов.

Катушка Румкорфа (ориентировочно 1846 год) окончательно убедила людей, что высокое напряжение способно создать искру, а Никола Тесла показал, что при помощи экрана Фарадея даже простой смертный сумеет направлять молнии в нужном направлении. Языки пламени в ночном небе над башней Ворденклиф называют самым невероятным коронным разрядом в истории человечества, если не считать устроенного позднее великим изобретателем на крышах Нью-Йорка.

Что представляет собой разряд и какие условия необходимы для его существования?

Разряд электрического тока – это физический процесс, который характеризуется наличием потока заряженных частиц между двумя пространственными областями, имеющими разный потенциал в газовой среде. Разберем это определение.

Во-первых, когда говорят о разряде, то всегда имеют в виду газ. Разряды в жидкостях и твердых телах тоже могут возникать (пробой твердого конденсатора), однако процесс изучения этого явления проще рассмотреть в менее плотной среде. Более того, именно разряды в газах часто наблюдаются и имеют большое значение для жизнедеятельности человека.

Во-вторых, как сказано в определении электрического разряда, он возникает только при соблюдении двух важных условий:

• при существования разности потенциалов (напряженности электрического поля);
• наличии носителей заряда (свободных ионов и электронов).

Разность потенциалов обеспечивает направленное движение заряда. Если она превышает некоторое пороговое значение, то несамостоятельный разряд переходит в самоподдерживающийся или самостоятельный.

Что касается свободных носителей заряда, то в любом газе они всегда присутствуют. Их концентрация, естественно, зависит от ряда внешних факторов и свойств самого газа, но сам факт их наличия является бесспорным. Связано это с существованием таких источников ионизации нейтральных атомов и молекул, как ультрафиолетовые лучи от Солнца, космическое излучение и естественная радиация нашей планеты.

Соотношение между разностью потенциалов и концентрацией носителей определяет характер разряда.

Электрическая дуга

Сказанное выше не позволяет точно понять электрическую дугу. При определённом значении напряжения начинается ударная ионизация воздуха. Если разница потенциалов падает, ток не меняется либо растёт (см. газоразрядные лампы и люминесцентные лампы). Это так называемый участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Процесс, идущий между электродами, именуется дугой. Разряд разжигается высоким напряжением и сближением стержней, а затем идёт самостоятельно.

Тесла строил башню Ворденклиф, чтобы добиться передачи энергии посредством коронного разряда. Созданной дуге предписывалось лететь на приёмник, а оттуда излучаться дальше, вокруг всего Земного шара. По замыслу Теслы требовалось построить передатчики, ловившие языки молний. Безопасность обеспечивалась высокой частотой напряжения (радиодиапазон).

Суммируя, нужно заметить, что электрическая дуга по-иному называется самостоятельным разрядом, процесс может поддерживаться.

Краткая история изучения электричества

Когда человек познакомился с электричеством? Ответить на этот вопрос сложно, поскольку поставлен он некорректным образом, ведь наиболее яркое природное явление – молния, известная с незапамятных времен.

Осмысленное изучение электрических процессов началось лишь с конца первой половины XVIII века. Здесь следует отметить серьезный вклад в представления человека об электричестве Чарльза Кулона, исследовавшего силу взаимодействия заряженных частиц, Георга Ома, математически описавшего параметры тока в замкнутой цепи, и Бенджамина Франклина, который провел множество экспериментов, изучая природу вышеназванной молнии. Помимо них, большую роль в развитии физики электричества сыграли такие ученые, как Луиджи Гальвани (изучение нервных импульсов, изобретение первой «батарейки») и Майкл Фарадей (исследование тока в электролитах).

Достижения всех названных ученых создали прочный фундамент для изучения и понимания сложных электрических процессов, одним из которых является электрический разряд.

Схема возникновения коронного разряда

Точного определения коронного разряда в литературе не встречается. По простой причине нежелания авторов разбираться с темой и обилием дублирующейся информации, упускающей смысл из содержания. Определение коронного разряда, данное в начале, тоже нельзя назвать физически точным. Корректная трактовка большинством читателей не воспримется из-за наличия специфических особенностей. В физике принято прохождение тока через воздух делить на три участка, видных на графике:

1. Первый подчиняется закону Ома для участка цепи и прямой. Здесь протекание тока возможно за счёт внешней ионизации: пламенем, ультрафиолетом, радиоактивным или высокочастотным излучением. Первые два фактора уже были известны Вольте (до открытия «животного электричества» Гальвани), предлагавшему снимать статический заряд с резины электрофоруса лучами Солнца или свечой.
2. Второй участок находится в области насыщения. Учёные говорят, что ток остаётся сравнительно постоянным, заряды при движении между электродами активно рекомбинируют. И при растущей разнице потенциалов ничего не меняется. Пока напряжение не достигнет третьего участка.
3. При высокой разнице потенциалов начинается лавинообразный процесс ударной ионизации. Электроны обретают столь высокую скорость, что выбивают электроны из молекул газа. На этом участке ток быстро растёт с повышением разницы потенциалов, возможно возникновение электрической дуги.

Разряд, наблюдаемый визуально, называется искровым и возникает после начала второго роста кривой. Вначале присутствует тихий разряд, глазу не заметный. Его часто называют несамостоятельным, нужен внешний ионизирующий фактор, чтобы поддержать движение носителей. Понижение напряжения вызывает немедленную рекомбинацию всех носителей.

Искровой разряд отмечается при напряжениях, где возможна лавинообразная ионизация. Искры проскакивают с частотой от 400 Гц и выше, что сопровождается различимым шумом. Напряжение после каждого разряда падает, чем обусловлено наличие свободного интервала. Визуально искры сливаются в одну. Подвидами указанного типа ионизации считаются родственные разряды:

• Кистевой разряд похож на ладонь сказочного скелета. Образуется между острием и заряженной поверхностью. Заметно на нейтрализаторах электрофорной машины, изоляторах ЛЭП. Ионизация начинается со стороны острия, в этом месте напряжённость поля увеличена, заряды стекают в пространство, чем порождается лавинообразный процесс.
• Коронный разряд вспыхивает между несколькими участками одного провода. Вызван ударной ионизацией воздуха. Своеобразные изломанные зубцы подобны молниям. Их причудливую траекторию учёные объясняют тем, что процесс ионизации распространяется по пути наименьшего сопротивления, в силу изотропности газа невозможно предсказать точный путь. Корона порой плавная и бывает положительной или отрицательной.

Коронный разряд ведёт к потере энергии на линии ЛЭП и происходит непрерывно, что различимо на слух как низкочастотный гул и треск. В дождливую погоду сопротивление провода падает, возможно появление языков ионизированного воздуха в виде маленьких молний, идущих вдоль провода или шаров. Коронный разряд используется в фильтрах очистки воздуха (ионизаторах, люстрах Чижевского), улавливая частицы дыма, пыли, заставляя их оседать.

Формы коронного разряда

Коронный разряд — это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону.

Основными формами коронного разряда являются лавинная и стримерная. Названия этих форм обусловлены основными характерными процессами, имеющими место в зоне ионизации соответствующих коронных разрядов. Визуально лавинная корона наблюдается в виде относительно тонкого светящегося слоя на гладких электродах и в виде дискретных светящихся пятен на негладких (шероховатых) электродах. Стримерная корона наблюдается в виде слабо светящихся нитевидных каналов, длина которых в зависимости от конкретных условий может изменяться в широких пределах (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров).

Часть промежутка, где происходят ионизационные процессы, называется чехлом коронного разряда, а оставшаяся часть промежутка, где происходит дрейф заряженных частиц, является зоной дрейфа. Если в зоне дрейфа существуют заряды только одного знака, то корону называют униполярной, а если заряды обоих знаков, то биполярной. Биполярная корона постоянного тока возникает тогда, когда имеется промежуток с двумя коронирующими электродами (например, промежуток провод-провод или игла-игла), к которому приложено постоянное напряжение. Униполярная корона существует там, где имеется промежуток только с одним коронирующим электродом или с несколькими коронирующими электродами с одинаковой полярностью питающего напряжения.

Процессы в чехле и в зоне дрейфа биполярной короны намного более сложны, чем в униполярной короне, т.к. появляется дополнительный механизм ионной рекомбинации в объеме промежутка и дополнительные механизмы вторичных процессов на электродах, что существенно усложняет математическое описание и моделирование этого вида разряда.

Лавинная форма коронного разряда может реализовываться в виде непрерывной и вспышечной короны. Вспышечный характер короны связан с тем, что подвижность электронов и ионов различается на три порядка. В результате при положительной полярности коронирующего электрода электроны быстро уходят на анод, а положительные ионы, дрейфуя от анода, оказываются в области слабого поля и не могут из-за низкой подвижности быстро уйти от анода. Поэтому напряженность поля у анода снижается и ионизация практически прекращается. Следующая лавинная вспышка может возникнуть только после того, как положительные ионы покинут зону ионизации. При положительной полярности коронирующего электрода вспышечная корона возникает как в электроотрицательных, так и в электроположительных газах.

При отрицательной полярности питающего напряжения вспышечный характер разряда возникает только в электроотрицательных газах, где электроны попадая в область слабого поля, прилипают к молекулам образуя мало подвижные ионы, а те в свою очередь снижают напряженность поля в зоне ионизации. Эти вспышечные импульсы получили название импульсов Тричела.

Коронный разряд на проводах ЛЭП

Коронный разряд на проводах линий электропередачи вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью сокращения потерь на общую корону применяется расщепление проводов ЛЭП на несколько составляющих, в зависимости от номинального напряжения линии.

«Системный» способ уменьшения потерь мощности на корону заключается в том, что в зависимости от влажности и температуры воздуха диспетчер уменьшает напряжение в линии до определенной величины. В связи с этим задаются наименьшие допустимые сечения по короне:

• 110 кВ — 70 мм² (сейчас рекомендуется использовать сечение 95 мм²).
• 150 кВ — 120 мм².
• 220 кВ — 240 мм².

Дуговой разряд

Так же как и искровой, он возникает при наличии достаточного давления в газе. Его характеристики практически полностью аналогичны искровому, но имеются и отличия:

• во-первых, токи достигают десяти тысяч ампер, но напряжение при этом составляет несколько сотен вольт, что связано с высокой проводимостью среды;
• во-вторых, дуговой разряд существует стабильно во времени, в отличие от искрового.

Переход в этот вид разряда осуществляется постепенным повышением напряжения. Поддерживается разряд за счет термоэлектронной эмиссии с катода. Ярким его примером является сварочная дуга.

Особенности коронного разряда

Коронный разряд обычно возникает в месте с наименьшим радиусом кривизны. Если это линия, максимальная вероятность образования проявляется на механическом дефекте. Область наиболее частого возникновения заряда называется коронирующей, либо коронирующим электродом. Проводник – под положительным или отрицательным потенциалом. Соответственно, различают и короны аналогичного рода (см. выше).

Положительный и отрицательный разряд отличаются внешним видом. В первом случае свечение равномерное, во втором имеются эпицентры по поверхности провода. Механизм процесса меж электродами:

1. В начале возникает несамостоятельный разряд. Это происходит за счёт случайного действия: капли дождя, порыв ветра и пр.
2. Если разница потенциалов продолжит расти, образуется слабое свечение в районе провода, сопровождаемое еле слышным потрескиванием. Вызывающее напряжение называется критическим, либо начальным.
3. При дальнейшем росте разницы потенциалов (напряжение искрового пробоя) ток растёт по квадратичному закону, свечение становится сильнее. Начинают проскакивать искры со всевозрастающей частотой.
4. Тотальное увеличение разницы потенциалов вызывает дуговой разряд, проявляющийся как короткое замыкание цепи. Его горение сложно остановить.

Итак, коронный разряд в лабораторной установке является предшественником искрового, а искровой – дугового. На практике при номинальном напряжении сети электрики не слишком беспокоятся о защите. Возможно повысить вольтаж на 10% без особого ущерба, если в указанной местности не бывает частой непогоды, преимущественно песчаных бурь.

Если расстояние между электродами слишком мало, коронный разряд не образуется: после несамостоятельного немедленно идёт искровой. Провода в ЛЭП стараются разнести на дистанцию, применяют керамические изоляторы. Коронный разряд часто заменяется кистевым, если присутствует ярко выраженное острие. Оба лишь формальное обозначение идентичного явления.