Такие разные разряды. Исследование коронного разряда Коронное свечение

КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Высоковольтный самостоят. электрический разряд в газе при давлении p?1 атм, возникающий в резко неоднородном электрич. вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острия, провода). В этих зонах происходят и возбуждение нейтр. ч-ц газа при их соударениях с эл-нами, в результате вокруг электродов возникает святящийся - «корона». При пост. напряжении различают два вида короны: 1) униполярную (положительную или отрицательную), когда коронирует электрод только одного знака и во внеш. зоне движутся ионы этого же знака; если коронирует , во внеш. зоне в электроотрицат. газе движутся отрицат. ионы, в электроположительном - эл-ны; 2) биполярную, когда коронируют электроды обоих знаков и во внеш. зоне навстречу друг другу движутся ионы разных знаков.

Осн. процессами генерации эл-нов, обеспечивающими воспроизводство лавин и, следовательно, самостоятельность К. р., являются на поверхности электродов и объёмная собств. излучением разряда. Носители заряда, знак к-рых совпадает со знаком напряжения на коронирующем электроде, выносятся из зоны ионизации во внеш. зону, где условие самостоятельности разряда уже не выполняется. Объёмный внеш. зоны ослабляет напряжённость поля в зоне ионизации и ограничивает силу тока короны. С увеличением приложенного напряжения увеличивается, но напряжённость электрич. поля на поверхности коронирующего электрода сохраняется неизменной, равной или близкой к напряжённости возникновения короны. В воздухе при атм. давлении напряжённость поля, при к-рой начинается К. р. на проводе радиусом 1 см, равна 39 кВ/см.

Структура зоны ионизации различна в зависимости от давления и рода газа, полярности и типа приложенного напряжения, размеров и формы коронирующего электрода. Она может быть непрерывной (напр., положит. К. р. на тонких проволоках) и прерывистой (К. р. на толстых проводах). При К. р. перем. тока конвективный , обусловленный движением объёмного заряда во внеш. зоне, замыкается на противолежащий электрод токами смещения. При напряжении с частотой?105 Гц возникает т. н. высокочастотная корона, резко отличающаяся от перечисленных выше структурой области ионизации и величиной тока.

Корона на проводах возд. линий электропередачи высокого напряжения приводит к потерям энергии. Прерывистый характер короны создаёт также дополнит. радиопомехи и акустич. .

К. р. применяется в пром-сти, в электрофильтрах для очистки газов, а также в процессах т. н. электронно-ионной технологии при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Высоковольтный самостоятельный электрический разряд в газе достаточной плотности (1 атм), возникающий в резко неоднородном электрич. поле вблизи электродов с малым радиусом кривизны (остриё, тонкие проволоки и т. п.). Бледно-голубое или фиолетовое свечение разряда по аналогии с ореолом солнечной короны дало повод к названию. Помимо излучения в видимой, УФ (гл. обр.), а также в более коротковолновой частях спектра, К. р. сопровождается движением частиц газа от коронирующего электрода (т. н. электрич. ветром), шелестящим шумом, иногда радиоизлучением, хим. реакциями (напр., образованием озона и окислов азота в воздухе).

При пост. напряжении различают корону униполярную (положительную или отрицательную в зависимости от знака коронирующего электрода) и биполярную, когда коронируют оба электрода. Ионизация и возбуждение нейтральных частиц газа лавинами электронов локализованы в огранич. зоне - т. н. зоне ионизации (ЗИ). Из ЗИ во внеш. зону (ВЗ) движется поток носителей заряда, знак к-рых совпадает со знаком заряда коронирующего электрода. Образующийся тормозит дальнейшее развитие процессов ионизации, ослабляя в среднем поле вблизи коронирующего электрода, что локализует ЗИ вблизи коронирующего электрода. При любом напряжении на электродах (большем, чем появления короны, и меньшем, чем напряжение пробоя) объёмный заряд ВЗ имеет такую величину и , при к-рых градиент поля у поверхности коронирующего электрода остаётся практически неизменным и по величине близким к градиенту начала короны. Т. о., интенсивность К. р. регулируется собств. объёмным зарядом.

Воспроизводство лавин электронных в ЗИ и стационарность К. р. при положит. короне обеспечиваются фотоионизацией собственными излучениями возбуждённых атомов и молекул газа: новый образуется в результате поглощения кванта излучения в газе вблизи условной внеш. границы ЗИ, а дальше лавина развивается по направлению к коронирующему электроду. При отрицат. короне ( электронных лавин от коронирующего электрода) новый электрон освобождается в результате фотоэмиссии с поверхности катода (см. Фотоэффект). В разреженном воздухе, в нек-рых др. газах и при весьма большой кривизне электродов возможны иные . Особенности в механизме воспроизводства лавин и связанная с ними разница в распределении ионов и электронов в ЗИ определяют нек-рые внеш. различия в К. р. разной полярности. Для отрицат. короны характерны: локализация ЗИ в виде отдельных, более или менее однородно распределённых по поверхности электрода светящихся очагов; большая, чем при положит. короне, зависимость напряжения возникновения короны от поверхности электрода; разрывность во времени процессов ионизации и ВЧ-колебания тока (радиоизлучение с почти однородным частотным спектром до неск. МГц). Для положит. короны на электродах весьма малого радиуса кривизны характерны однородный светящийся чехол, тесно прилегающий к поверхности электрода, отсутствие ВЧ-колебаний в токе и отсутствие радиоизлучения.

При уменьшении степени неоднородности поля (радиус кривизны электрода свыше неск. мм), а также с повышением напряжения К. р. приобретает не однородную, а стримерную (иногда факельную или кустовую) форму. В этом случае активные процессы выносятся на значит. расстояния от поверхности электрода (десятки см). Вместо однородного чехла положит. корона имеет вид отдельных отшнурованных ярко светящихся каналов ( стримеров), размывающихся по концам в диффузное свечение. Возникают ВЧ-колебания тока и радиоизлучение, часто более мощные, чем при отрицат. полярности.

Распределение напряжённости поля в пределах 311 мало отличается (в среднем) от такового в неионизов. газе (эл.-статич. ). Поэтому нет оснований считать чехол короны хорошо проводящим слоем.

Пороговая напряжённость поля на поверхности электрода, по достижении к-рой возникает К. р., зависит от радиуса кривизны электрода, рода и плотности газа и практически не зависит от материала электрода.

Потери энергии при К. р. происходят гл. обр. во ВЗ и лишь в малой степени в ЗИ. При пост. напряжении и одном коронирующем электроде это - тепловые потери униполярного потока ионов, рассеивающих энергию при столкновении с частицами нейтрального газа. При двух коронирующих электродах (биполярный К. р.) встречные потоки ионов разных знаков частично рекомбинируют, ослабляя экранирующий эффект заряда ВЗ и усиливая интенсивность процессов в ЗИ. К. р. применяется в промышленных устройствах для зарядки ионами потоков диспергированных материалов для их осаждения силами электрич. поля (электрофильтры и электросепараторы, устройства "эл.-статич. окраски", нанесения защитных или декоративных покрытий и т. п.). На высоковольтных линиях передачи энергии корона на проводах вызывает потери, особо значительные при атм. осадках (до сотен кВт/км). К. р. является также источником значит. радиопомех.

Лит.: Капцов Н. А., Коронный разряд, М.-Л., 1947; Loeb Leonard В., Electrical coronas. Their basic physical mechanisms, Berk.-Los Angeles, 1965; Попков В. И., Электропередачи сверхвысокого напряжения [раздел Проблемы короны], в кн.: Наука и человечество, 1967. Международный ежегодник, М., 1967. В. И. Попков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "КОРОННЫЙ РАЗРЯД" в других словарях:

Электрический разряд в газе, возникающий обычно при давлении не ниже атмосферного, если электрическое поле между электродами (в виде острий, тонких проводов) неоднородно. Ионизация и свечение газа в коронном разряде происходят только в… … Большой Энциклопедический словарь

коронный разряд - коронный разряд; корона Разряд, при котором сильно неоднородное электрическое поле дополнительно заметно искажено объемными зарядами ионов вблизи электродов, где происходит ионизация и возбуждение (свечение) газа или жидкости … Политехнический терминологический толковый словарь

коронный разряд - Более или менее постоянный светящийся электрический разряд в атмосфере, исходящий от возвышающихся над землей предметов или от летящих воздушных судов, иногда сопровождается треском. Syn.: огни святого Эльма … Словарь по географии

коронный разряд - корона — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы корона EN coronacorona discharge … Справочник технического переводчика

У этого термина существуют и другие значения, см. Разряд … Википедия

Электрический разряд в газе, возникающий обычно при давлении не ниже атмосферного, если электрическое поле между электродами (в виде острых, тонких проводов) неоднородно. Ионизация и свечение газа в коронном разряде происходят только в… … Энциклопедический словарь

Корона, электрический разряд в газе, возникающий обычно при давлении не ниже атмосферного, если электрическое поле вблизи одного или обоих электродов резко неоднородно. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности… … Энциклопедия техники

Электрическая корона, разновидность тлеющего разряда (См. Тлеющий разряд); возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой… … Большая советская энциклопедия

Коронный разряд , или корона – это самостоятельный разряд, возникающий в резко неоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи.

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле:

которая справедлива при отрицательной полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влияние полярности невелико.

При малых радиусах проводов (г 0 < 1 см ) можно использовать формулу
Ф. Пика

. (2)

В формулах (1) и (2) Е н выражается в киловольтах на сантиметр (кВ/см );
r 0 – в сантиметрах (см ); т – коэффициент гладкости провода. На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности (рис. 1), поэтому при одинаковых с гладкими проводниками напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряженности коэффициент гладкости т учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов различных марок коэффициент гладкости т = 0,82…0,94.

Рис. 1. Электрическое поле у поверхности многожильного провода

При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе (рис. 2).

Рис. 2. Распределение объемного заряда при униполярной короне на проводе

Напряженность поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Е н. Увеличение напряжения па проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объемного заряда и снижению напряженности до Е н .

Вследствие увеличения объемного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение короныr:

, (3)

где Н – высота одиночного провода над землей.

Так как объемный заряд при любой полярности провода перемещается от провода к земле, напряженность поля у поверхности провода стремится увеличиться. Однако из-за усиления при этом ионизации воздуха объемный заряд вблизи провода пополняется и напряженность поля в итоге сохраняется равной Е н. Таким образом, вследствие непрерывного удаления объемного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго.

Движение ионов под действием сил электрического поля образует ток в промежутке между коронирующим проводом и землей. Для передвижения ионов необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха меньше.

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации – «чехол» короны – имеет большие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы.

На проводах малых диаметров (до 1 см ) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле. Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают и корона из лавинной переходит в стримерную.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом (длительность фронта – порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создает помехи радио- и телевизионному приему. При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.

При коронировании двух разноименно заряженных проводов (рис. 3) ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. В области пониженной напряженности поля – посередине между проводами – происходит частичная рекомбинация ионов. Значительная же их часть проникает в зону короны противоположной полярности, усиливая там поле. В результате этого интенсивность ионизации возрастает, ток короны, а следовательно, и потери энергии увеличиваются. Такой режим коронирования называется биполярной короной в отличие от униполярной короны показанной на рис. 2.

Рис.3. Распределение объемных зарядов при биполярной короне на проводах

При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряженность поля у провода достигает значения Е н , и горит, пока напряжение не достигает максимума. После этого напряженность поля у провода становится ниже Е н и корона потухает. Поскольку ионы имеют малую подвижность и напряженность поля у провода в каждый последующий полупериод усиливается объемным зарядом, оставшимся от предшествующего полупериода, мгновенное значение напряжения, при котором корона зажигается в каждый полупериод (напряжение зажигания), меньше начального напряжения. Зависимость напряжения зажигания от амплитуды напряжения на проводе называется характеристикой зажигания короны. Чем выше напряжение на проводе, тем больше напряжение зажигания отличается от начального. При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивно, чем при постоянном напряжении, и при равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда (начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи) значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность электрического поля у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается. Коэффициент гладкости провода должен учитывать изменение состояния провода при атмосферных осадках. Для оценки начальной напряженности по (1) можно принять коэффициент гладкости провода при инее, гололеде и изморози m = 0,6. В условиях дождя или снега коэффициент гладкости зависит от интенсивности осадков и принимается в пределах
m = 0,57…0,73.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

тлеющий разряд;
искровой разряд;
дуговой разряд;
коронный разряд.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .

Т газа = 10 000 К

~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).

3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).


~ 10 3 А
Рис. 8.8

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Разряд, получивший такое название, наблюдается при сравнительно высоких давлениях газов (например, при атмосферном давлении) в сильно неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь очень неодинаковую поверхность, то есть один электрод - очень большую поверхность, а другой - очень малую. Так, например, коронный разряд легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки (рис. 3.3.1); следует отметить, что наличие внешнего цилиндра не обязательно и его роль могут играть окружающие заземленные предметы.

Силовые линии электрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, а следовательно, напряженность поля возле проволоки имеет наибольшее значение. Когда она достигает приблизительно 3*10 6 В/м (при атмосферном давлении и нормальной температуре), между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда. Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона), так и при положительном (положительная корона), а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром. При увеличении напряжения между проволокой и цилиндром растет и ток в коронном разряде. При этом увеличивается толщина светящегося слоя короны.

Процессы внутри короны сводятся к следующему. Если проволока заряжена отрицательно, то по достижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронные лавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру. Так как напряженность поля уменьшается по мере удаления от проволоки, то на некотором расстоянии от проволоки электронные лавины обрываются. Расстояние, на которое распространяются электронные лавины, и есть толщина короны. Следовательно, в коронно разряде электронные лавины не пронизывают целиком слой газа, т. е. мы имеем неполный пробой газового промежутка. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счёт эмиссии их из катода под действием положительных ионов. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхности короны и движутся по направлению к проволоке. В случае положительной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит вследствие ионизации газа вблизи анода.

Таким образом, внутри короны мы имеем и положительные и отрицательные ионы. Отрицательные ионы (при отрицательной короне) движутся к аноду и выходят за пределы короны. Положительные ионы движутся к проволоке. Электроны, вышедшие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам газа, отчего возникают отрицательные ионы. За пределами короны мы имеем только ионы одного знака (отрицательные при отрицательной короне и положительные при положительной короне). В этой области разряд имеет несамостоятельный характер.

Коронный разряд может возникнуть не только возле проволок, но и возле любых проводников с малой поверхностью, каковыми являются всякого рода заострения. Свойства острий объясняются зажиганием возле них микроскопической короны. Корона возникает также в природе под влиянием атмосферного электрического поля и появляется на верхушках деревьев, корабельных мачт (см. приложение 1.4) и т.п.

С возможностью возникновения коронного разряда приходится всегда считаться в технике высоких напряжений. При зажигании короны возле проводов высоковольтных линий электропередачи окружающий воздух сильно ионизуется и появляются вредные токи утечки. Чтобы коронный разряд не мог возникнуть, провода высоковольтных линий должны иметь достаточно большой диаметр, тем больший, чем выше напряжение линий. По этой же причине и в лабораторной практике все подводки высокого напряжения (к рентгеновским установкам и другим высоковольтным устройствам) осуществляются обычно с помощью труб достаточно большого диаметра. Применение коронного разряда:

Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера - Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него (рис. 3.3.2).

Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют, поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

- Громоотвод. Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды, и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

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 . 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 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 , 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. и ). 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.