Corona utslipp - Corona discharge

Lang eksponeringsfoto av koronautladning på en isolatorstreng på en 500 kV luftledning . Corona -utslipp representerer et betydelig strømtap for elektriske verktøy .
Koronautladningen rundt en høyspentspole
Coronautladning fra en skje festet til høyspenningsterminalen til en Tesla -spole .
Store koronautladninger (hvite) rundt ledere som drives av en 1,05 millioner volt transformator i et amerikansk NIST -laboratorium i 1941

I elektrisitet er en koronautladning en elektrisk utladning forårsaket av ionisering av et fluid som luft som omgir en leder som bærer en høyspenning. Det representerer en lokal region der luften (eller annen væske) har gjennomgått elektrisk sammenbrudd og blitt ledende, slik at ladning kontinuerlig kan lekke av lederen til luften. En korona forekommer på steder der styrken til det elektriske feltet ( potensiell gradient ) rundt en leder overstiger luftens dielektriske styrke . Det blir ofte sett på som en blåaktig glød i luften ved siden av spisse metallledere som bærer høye spenninger, og avgir lys av den samme mekanismen som en gassutladningslampe .

I mange høyspentapplikasjoner er korona en uønsket bivirkning. Coronautladning fra høyspent elektriske kraftoverføringslinjer utgjør et økonomisk betydelig sløsing med energi til verktøy. I høyspenningsutstyr som katodestrålerør- TV-apparater, radiosendere , røntgenmaskiner og partikkelakseleratorer , kan den aktuelle lekkasje på grunn av coronas utgjør en uønsket belastning på kretsen. I luften danner coronas gasser som ozon (O 3 ) og nitrogenoksid (NO), og igjen nitrogendioksid (NO 2 ), og dermed salpetersyre (HNO 3 ) hvis vanndamp er tilstede. Disse gassene er etsende og kan bryte ned og sprø materialer i nærheten, og er også giftige for mennesker og miljø.

Coronautladninger kan ofte undertrykkes av forbedret isolasjon, koronaringer og lage høyspentelektroder i glatte, avrundede former. Imidlertid brukes kontrollerte koronautslipp i en rekke prosesser som luftfiltrering, kopimaskiner og ozongeneratorer .

Introduksjon

En rekke former for koronautslipp, fra forskjellige metallgjenstander. Legg merke til, spesielt i de to siste bildene, hvordan utslippet er konsentrert på punktene på objektene.

En koronautladning er en prosess der en strøm strømmer fra en elektrode med et høyt potensial til en nøytral væske, vanligvis luft, ved å ionisere denne væsken for å skape et område av plasma rundt elektroden. De genererte ionene sender til slutt ladningen til nærliggende områder med lavere potensial, eller rekombinerer for å danne nøytrale gassmolekyler.

Når den potensielle gradienten (elektrisk felt) er stor nok på et punkt i væsken, ioniserer væsken på det tidspunktet og det blir ledende. Hvis et ladet objekt har et skarpt punkt, vil den elektriske feltstyrken rundt det punktet være mye høyere enn andre steder. Luft i nærheten av elektroden kan bli ionisert (delvis ledende), mens regioner som er fjernere ikke gjør det. Når luften nær punktet blir ledende, har den effekten av å øke lederens tilsynelatende størrelse. Siden den nye ledende regionen er mindre skarp, kan det hende at ioniseringen ikke strekker seg forbi denne lokale regionen. Utenfor denne regionen med ionisering og konduktivitet finner de ladede partiklene sakte veien til et motsatt ladet objekt og blir nøytralisert.

Sammen med lignende børsteutladning kalles korona ofte en "enkeltelektrodeutladning", i motsetning til en "to-elektrodeutladning"-en elektrisk lysbue . En korona dannes bare når lederen er vidt nok atskilt fra ledere med det motsatte potensialet til at en bue ikke kan hoppe mellom dem. Hvis geometrien og gradienten er slik at det ioniserte området fortsetter å vokse til det når en annen leder med et lavere potensial, dannes en ledende bane med lav motstand mellom de to, noe som resulterer i en elektrisk gnist eller lysbue , avhengig av kilden til det elektriske feltet. Hvis kilden fortsetter å levere strøm, vil en gnist utvikle seg til en kontinuerlig utladning kalt en bue.

Coronautladning dannes bare når det elektriske feltet (potensiell gradient) på lederens overflate overstiger en kritisk verdi, dielektrisk styrke eller forstyrrende potensialgradient for væsken. I luft ved atmosfærisk trykk er det omtrent 30 kilovolt per centimeter, men dette avtar med trykk, så korona er mer et problem i store høyder. Coronautladning dannes vanligvis ved sterkt buede områder på elektroder, for eksempel skarpe hjørner, fremspringende punkter, kanter på metalloverflater eller ledninger med liten diameter. Den høye krumningen forårsaker en høy potensiell gradient på disse stedene, slik at luften brytes ned og danner plasma der først. På skarpe punkter i luften kan korona starte med potensialer på 2–6 kV. For å undertrykke koronadannelse, er terminalene på høyspenningsutstyr ofte utformet med glatte stor diameter avrundede former som kuler eller toruses, og koronaringer blir ofte tilsatt til isolatorer av høyspentlinjer.

Coronas kan være positive eller negative . Dette bestemmes av polariteten til spenningen på den sterkt buede elektroden. Hvis den buede elektroden er positiv i forhold til den flate elektroden, har den en positiv korona ; hvis den er negativ, har den en negativ korona . (Se nedenfor for flere detaljer.) Fysikken til positive og negative coronas er påfallende forskjellig. Denne asymmetrien er et resultat av den store forskjellen i masse mellom elektroner og positivt ladede ioner , med bare elektronet som har evnen til å gjennomgå en betydelig grad av ioniserende uelastisk kollisjon ved vanlige temperaturer og trykk.

En viktig grunn til å vurdere coronas er produksjon av ozon rundt ledere som gjennomgår korona -prosesser i luften. En negativ korona genererer mye mer ozon enn den tilsvarende positive koronaen.

applikasjoner

Corona utslipp har en rekke kommersielle og industrielle applikasjoner:

Coronas kan brukes til å generere ladede overflater, noe som er en effekt som brukes ved elektrostatisk kopiering ( fotokopiering ). De kan også brukes til å fjerne partikler fra luftstrømmer ved først å lade luften, og deretter føre den ladede strømmen gjennom en kam med vekslende polaritet, for å avsette de ladede partiklene på motsatt ladede plater.

Frie radikaler og ioner som genereres i koronareaksjoner kan brukes til å skrubbe luften fra visse skadelige produkter, gjennom kjemiske reaksjoner, og kan brukes til å produsere ozon .

Problemer

Coronas kan generere hørbar og radiofrekvent støy, spesielt i nærheten av elektriske kraftoverføringslinjer . Derfor er kraftoverføringsutstyr designet for å minimere dannelsen av koronautslipp.

Corona utslipp er generelt uønsket i:

I mange tilfeller kan coronas undertrykkes av koronaringer , toroidale enheter som tjener til å spre det elektriske feltet over et større område og redusere feltgradienten under koronaterskelen.

Mekanisme

Coronautladning oppstår når det elektriske feltet er sterkt nok til å skape en kjedereaksjon; elektroner i luften kolliderer med atomer som er hardt nok til å ionisere dem, og skaper flere frie elektroner som ioniserer flere atomer. Diagrammene nedenfor illustrerer i mikroskopisk skala prosessen som skaper en korona i luften ved siden av en spiss elektrode som bærer en høy negativ spenning i forhold til bakken. Prosessen er:

  1. Et nøytralt atom eller molekyl, i et område av det sterke elektriske feltet (for eksempel høy potensialgradient nær den buede elektroden), ioniseres av en naturlig miljøhendelse (for eksempel å bli truffet av et ultrafiolett foton eller kosmisk strålepartikkel ), for å skape et positivt ion og et fritt elektron .
    Corona Discharge initiation.svg
  2. Det elektriske feltet akselererer disse motsatt ladede partiklene i motsatte retninger, skiller dem, forhindrer rekombinasjon og gir kinetisk energi til hver av dem.
  3. Elektronet har et mye høyere ladning/masseforhold og akselereres derfor til en høyere hastighet enn det positive ionet. Det får nok energi fra feltet til at når det rammer et annet atom, ioniserer det det, slår ut et annet elektron og skaper et annet positivt ion. Disse elektronene akselereres og kolliderer med andre atomer, og skaper ytterligere elektron/positiv-ion-par, og disse elektronene kolliderer med flere atomer, i en kjedereaksjonsprosess som kalles et elektronskred . Både positive og negative coronas er avhengige av elektronskred. I en positiv korona trekkes alle elektronene innover mot den nærliggende positive elektroden, og ionene blir frastøtt utover. I en negativ korona tiltrekkes ionene innover og elektronene blir frastøtt utover.
    Corona elektrisk sammenbrudd.svg
  4. Glansen av koronaen er forårsaket av elektroner som rekombinerer med positive ioner for å danne nøytrale atomer. Når elektronet faller tilbake til sitt opprinnelige energinivå, frigjør det et foton av lys. Fotonene tjener til å ionisere andre atomer, og opprettholde opprettelsen av elektronskred.
    Vedlikehold av koronautslipp.svg
  5. I en viss avstand fra elektroden blir det elektriske feltet lavt nok til at det ikke lenger gir nok energi til elektronene til å ionisere atomer når de kolliderer. Dette er den ytre kanten av koronaen. Utenfor dette beveger ionene seg gjennom luften uten å skape nye ioner. De ytre bevegelige ionene tiltrekkes av den motsatte elektroden og når den til slutt og kombineres med elektroner fra elektroden for å bli nøytrale atomer igjen, og fullfører kretsen.

Termodynamisk er en korona en prosess uten likevekt som skaper et ikke-termisk plasma. Skredmekanismen frigjør ikke nok energi til å varme gassen i corona -regionen generelt og ionisere den, som forekommer i en lysbue eller gnist. Bare et lite antall gassmolekyler deltar i elektronskredene og er ioniserte, med energier nær ioniseringsenergien på 1-3 ev, resten av den omkringliggende gassen er nær omgivelsestemperaturen.

Startspenningen for corona eller corona inception voltage (CIV) kan bli funnet med Peek's law (1929), formulert fra empiriske observasjoner. Senere artikler avledet mer nøyaktige formler.

Positive koronas

Egenskaper

En positiv korona manifesteres som et jevnt plasma over lengden på en leder. Det kan ofte sees glødende blått/hvitt, selv om mange av utslippene er i ultrafiolett. Plasmaets ensartethet skyldes den homogene kilden til sekundære skredelektroner beskrevet i mekanismedelen nedenfor. Med samme geometri og spenninger ser den ut til å være litt mindre enn den tilsvarende negative koronaen, på grunn av mangelen på et ikke-ioniserende plasmaområde mellom de indre og ytre områdene.

En positiv korona har en mye lavere tetthet av frie elektroner sammenlignet med en negativ korona; kanskje en tusendel av elektrontettheten, og en hundredel av det totale antallet elektroner. Imidlertid er elektronene i en positiv korona konsentrert nær overflaten av den buede lederen, i et område med høy potensialgradient (og derfor har elektronene høy energi), mens i en negativ korona er mange av elektronene i den ytre , områder med lavere felt. Derfor, hvis elektroner skal brukes i en applikasjon som krever høy aktiveringsenergi, kan positive coronas støtte en større reaksjonskonstant enn tilsvarende negative coronas; Selv om det totale antallet elektroner kan være lavere, kan antallet elektroner med svært høy energi være høyere.

Coronas er effektive produsenter av ozon i luften. En positiv korona genererer mye mindre ozon enn den tilsvarende negative koronaen, ettersom reaksjonene som produserer ozon er relativt lavenergi. Derfor fører det større antallet elektroner til en negativ korona til økt produksjon.

Utover plasmaet, i den unipolare regionen , er strømmen av lave energien positive ioner mot den flate elektroden.

Mekanisme

Som med en negativ korona, initieres en positiv korona av en eksogen ioniseringshendelse i et område med en høy potensiell gradient. Elektronene som følge av ioniseringen tiltrekkes mot den buede elektroden, og de positive ionene frastøtes fra den. Ved å gjennomgå uelastiske kollisjoner nærmere og nærmere den buede elektroden, ioniseres ytterligere molekyler i et elektronskred.

I en positiv korona genereres sekundære elektroner, for ytterligere skred, hovedsakelig i væsken selv, i regionen utenfor plasma- eller skredområdet. De dannes ved ionisering forårsaket av fotoner som slippes ut fra plasmaet i de forskjellige eksitasjonsprosessene som skjer i plasmaet etter elektronkollisjoner, den termiske energien frigjøres i de kollisjonene og skaper fotoner som stråles ut i gassen. Elektronene som resulterer fra ioniseringen av et nøytralt gassmolekyl blir deretter elektrisk tiltrukket tilbake mot den buede elektroden, tiltrukket inn i plasmaet, og så begynner prosessen med å lage ytterligere skred inne i plasmaet.

Negative coronas

Egenskaper

En negativ korona manifesteres i en ujevn korona, som varierer i henhold til overflatetrekkene og uregelmessighetene til den buede lederen. Det fremstår ofte som tuber av koronaen ved skarpe kanter, hvor antall tufter endres med feltets styrke. Formen av negative coronas er et resultat av kilden til sekundære skredelektroner (se nedenfor). Det ser ut til å være litt større enn den tilsvarende positive koronaen, ettersom elektroner får lov til å drive ut av det ioniserende området, og plasmaet fortsetter et stykke utenfor det. Det totale antallet elektroner og elektrontetthet er mye større enn i den tilsvarende positive koronaen. Imidlertid har de hovedsakelig lavere energi på grunn av at de befinner seg i et område med lavere potensiell gradient. Selv om den økte elektrontettheten for mange reaksjoner vil øke reaksjonshastigheten, vil den lavere energien til elektronene bety at reaksjoner som krever høyere elektronenergi kan skje med en lavere hastighet.

Mekanisme

Negative coronas er mer komplekse enn positive coronas i konstruksjonen. Som med positive coronas begynner etableringen av en korona med en eksogen ioniseringshendelse som genererer et primærelektron, etterfulgt av et elektronskred.

Elektroner ionisert fra den nøytrale gassen er ikke nyttige for å opprettholde den negative koronaprosessen ved å generere sekundære elektroner for ytterligere skred, ettersom den generelle bevegelsen av elektroner i en negativ korona er utad fra den buede elektroden. For negativ korona er den dominerende prosessen som genererer sekundære elektroner i stedet den fotoelektriske effekten , fra overflaten av selve elektroden. Den arbeidsfunksjon for de elektriske (den energi som kreves for å frigjøre elektroner fra overflaten), er vesentlig lavere enn ioniseringsenergien for luft ved standard temperatur og trykk, slik at det er en friere kilde av sekundærelektroner under disse betingelser. Igjen er energikilden for elektronfrigjøringen et højenergifoton fra et atom i plasmakroppen som slapper av etter eksitasjon fra en tidligere kollisjon. Bruken av ionisert nøytral gass som ioniseringskilde reduseres ytterligere i en negativ korona ved høy konsentrasjon av positive ioner som klynger seg rundt den buede elektroden.

Under andre forhold kan kollisjonen av den positive arten med den buede elektroden også forårsake elektronfrigjøring.

Forskjellen mellom positive og negative koronas, når det gjelder generering av sekundære elektronskred, er at de i en positiv korona genereres av gassen som omgir plasmaområdet, og de nye sekundære elektronene beveger seg innover, mens i en negativ corona de genereres av selve den buede elektroden, de nye sekundære elektronene som beveger seg utover.

Et annet trekk ved strukturen til negative coronas er at når elektronene driver utover, møter de nøytrale molekyler og, med elektronegative molekyler (som oksygen og vanndamp ), kombineres de for å produsere negative ioner. Disse negative ionene tiltrekkes deretter av den positive, ubuede elektroden og fullfører kretsen.

Elektrisk vind

Coronautladning på et Wartenberg -hjul

Ioniserte gasser produsert i en koronautladning akselereres av det elektriske feltet og produserer en bevegelse av gass eller elektrisk vind . Luftbevegelsen forbundet med en utladningsstrøm på noen få hundre mikroampere kan blåse ut en liten stearinflamme innen omtrent 1 cm fra et utslippspunkt. Et pinwheel, med radialmetall eiker og spisse spisser bøyd for å peke langs omkretsen av en sirkel, kan få den til å rotere hvis den aktiveres av en koronautladning; rotasjonen er på grunn av differensial elektrisk tiltrekning mellom metall eikene og romladningen skjoldet region som omgir tuppen.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker