Файл: КОРОНА.doc

Лабораторная работа № 6 "исследование коронного разряда"

Введение

Коронный разряд является самостоятельным разрядом в сравнительно плотном газе.

Если к двум электродам, между которыми находится газо­вый промежуток, приложить электрическое поле, то при опреде­ленной разности потенциалов между электродами, которую назо­вем критической и обозначим через , возникает коронный разряд. Его появление существенным образом зависит от конфи­гурации электродов. Легче всего коронный разряд возникает между остриями, тонкими проволочками, шарами малого диаметра и т.п. Внешне коронный разряд проявляется в том, что в не­большом объеме газа (воздуха) около одного или обоих электро­дов возникает слабое свечение (в воздухе - сине-зеленого цве­та). При прочих равных условиях вероятность появления свече­ния вокруг электрода, а, следовательно, короны, тем больше, чем меньше радиус кривизны электродов. Электрод, вокруг кото­рого наблюдается свечение, часто называют коронирующим элект­родом. Свечение, возникающее при коронном разряде около электрода, связано с элементарными процессами, происходящими на границе электрод - воздух или в объеме воздуха вблизи электрода. В результате элементарных процессов в небольшом объеме воздуха вблизи электрода протекают ионизация, возбуж­дение, диссоциация молекул азота и кислорода. Естественно, что в этом объеме воздуха должны развиваться и обратные про­цессы: рекомбинация ионов и электронов, образование электро­отрицательных ионов, переход возбужденных молекул (атомов) из возбужденных состояний в нормальные с излучением квантов света и т.д. По своему спектральному составу свечение, наблюдаемое при коронном разряде в воздухе, состоит преимуществен­но из молекулярных полос испускания, принадлежащих второй по­ложительной системе полос молекулярного азота и первой отри­цательной системе полос ионизованного молекулярного кислоро­да, благодаря чему свечение концентрируется в сине-зеленой и ультрафиолетовой областях спектра.

Если коронирующий электрод присоединить к положительному полюсу источника питания, то коронный разряд называется поло­жительной короной. При присоединении коронирующего электрода к отрицательному полюсу - отрицательной короной. Практически различия между спектральным составом свечения, возникающего при положительной и отрицательной коронах не существует, хотя есть некоторая разница в самом характере свечения. В слу­чае положительной короны свечение вокруг коронирующего элект­рода распределяется равномернее, чем при отрицательной коро­не. В последнем случае свечение сосредоточено у отдельных то­чек коронирующего электрода. Кроме того, критические потенциалы коронного разряда и искрового пробоя при положительной и отрицательной коронах неодинаковы.

Возникновение коронного разряда в воздухе или в других газах можно объяснить тем, что вблизи коронирующего электро­да появляется резкая неоднородность электрического поля. Нап­ряженность электрического поля около электрода значительно превосходит напряженность электрического поля в других участ­ках воздушного промежутка между электродами. Для возникнове­ния коронного разряда напряженность поля у электрода должна превосходить электрическую прочность воздуха. В результате большой напряженности электрического поля слой воздуха вблизи коронирующего электрода будет пробит и станет проводящим. При этом около электрода возникает корона. Радиус проводящего слоя возрастает до тех пор, пока на его границе напряженность электрического поля не станет равной электрической прочности воздуха. Таким образом, при коронном разряде пробой газа распространяется не на весь воздушный междуэлектродный промежу­ток. Если приложенную к электродам разность потенциалов увеличивать сверх критического потенциала , то с повыше­ниемсила разрядного тока быстро увеличивается, а толщина коронирующего слоя около электрода возрастает. Когда разность потенциалов между электродами достигает нового значения, наступает искровой пробой всего газового промежутка.

Рассмотрим два случая коронного разряда: случай с отри­цательной и случай с положительной коронами на воздухе.

Отрицательный коронный разряд

Если к электродам приложить электрическое поле, необхо­димое для возникновения коронного разряда, то из катода в воздушный промежуток может попасть некоторое количество элект­ронов, которые благодаря энергии электрического поля станут на своем пути движения к аноду порождать не только ударную ионизацию, но и возбуждение, и диссоциацию молекул воздуха. В итоге каждый свободный электрон на своем пути к аноду соз­даст ряд новых электронов, образующих движущуюся от катода к аноду лавину. Наряду с образованием такой лавины в зоне ионизации появляются и положительные ионы, которые под дейст­вием электрического поля станут двигаться к катоду, а также значительное число возбужденных молекул и атомов. При этом, например, молекулы воздуха под действием электронного удара в коронном разряде могут возбуждаться до высоких энергий. Такие возбужденные молекулы (атомы) при переходе в нормаль­ное состояние станут испускать кванты с большой энергией, преимущественно в области вакуумного ультрафиолета, для кото­рых характерен весьма большой показатель поглощения. Погло­щаясь в воздушном промежутке, кванты будут ионизовать новые молекулы. Появление новых центров ионизации приводит к возникновению новых электронных лавин.

По мере удаления от катода напряженность электрического поля убывает, что в свою очередь приводит к уменьшению ско­рости движения (энергии) свободных электронов в лавине. На некотором расстоянии от катода электрическое поле ос­лаблено настолько, что свободные электроны, движущиеся в ла­вине, практически перестанут производить дальнейшую иониза­цию молекул (атомов) воздуха, из-за чего коэффициент объем­ной ионизации станет приблизительно равным нулю. Оставшиеся в воздушном промежутке свободные электронные с малыми энер­гиями либо рекомбинируют с положительными ионами, либо же, взаимодействуя с атомами и молекулами кислорода, образуют отрицательные ионы. Вероятность образования отрицательных ио­нов в воздухе при нормальной плотности весьма велика из-за большого электронного сродства атомарного и молекулярного кис­лорода.

Следовательно, на расстоянии от катода свыше , то есть за пределами области отрицательного коронного разряда, образу­ется внешняя униполярная область, носителями тока в которой являются отрицательные ионы кислорода (,). Под действием электрического поля такие ионы медленно перемещаются к аноду. Из-за малой подвижности отрицательных ионов кислорода за пределами области коронного разряда в воздушном про­межутке образуется отрицательный пространственный заряд, кото­рый будет препятствовать продвижению к аноду отрицательных ио­нов, что приведет к ограничению силы тока коронного разряда.

Несколько иная картина создается при образовании отрица­тельной короны в электроположительных газах, например, в чис­том азоте. В этом случае за пределами области коронного раз­ряда также находятся отрицательные заряды, однако носителями тока являются свободные электроны. Поскольку подвижность сво­бодных электронов во много раз больше подвижности отрицатель­ных ионов, при одной и той же силе тока плотность объемного заряда, образуемая свободными электронами, значительно мень­ше плотности объемного заряда, создаваемого отрицательными ионами кислорода. Поэтому в чистых электроположительных газах отрицательный объемный пространственный заряд ограничивает ток коронного разряда гораздо слабее, чем в газах, способных образовывать отрицательные ионы.