Содержание
Коронный разряд – это процесс ионизации воздуха вдоль провода под действием сильных электромагнитных полей.
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.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
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.
Известно, что сварщик стучит электродом по детали, чтобы начать ударную ионизацию. Потом электрод удаляется, а дуга остаётся, не гаснет. Напряжение тоже низкое. В этом заключается особенность дуги. Это объясняет, почему открытые линии ЛЭП не несут вольтаж выше 2 МВ. А дальше начинается коронный разряд, возникает дуга, чтобы потушить, приходится приложить немало усилий.
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.
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.
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:
- В начале возникает несамостоятельный разряд. Это происходит за счёт случайного действия: капли дождя, порыв ветра и пр.
- Если разница потенциалов продолжит расти, образуется слабое свечение в районе провода, сопровождаемое еле слышным потрескиванием. Вызывающее напряжение называется критическим, либо начальным.
- При дальнейшем росте разницы потенциалов (напряжение искрового пробоя) ток растёт по квадратичному закону, свечение становится сильнее. Начинают проскакивать искры со всевозрастающей частотой.
- Тотальное увеличение разницы потенциалов вызывает дуговой разряд, проявляющийся как короткое замыкание цепи. Его горение сложно остановить.
Важно! Критическое и искровое напряжение отличаются для положительной и отрицательной короны.
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.