39116

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА. Отрицательный коронный разряд

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Кроме того критические потенциалы коронного разряда и искрового пробоя Uп неодинаковы. Возникновение коронного разряда объясняется появлением вблизи коронирующего электрода резкой неоднородности электрического поля значительно превосходящей напряженность электрического поля на других участках воздушного промежутка между электродами. Для возникновения коронного разряда напряженность поля у электрода должна превосходить электрическую прочность воздуха.

Русский

2013-10-01

85 KB

24 чел.

Лабораторная работа   № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА

Целью работы: является ознакомление с основными свойствами коронного разряда и исследование работы стабилитронов на их основе.

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 U0, 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, 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 отрицательных ионов, переход возбужденных молекул (атомов) из возбужденных состояний в нормальные с излучением квантов света и так далее.  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 короне, 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 Uп неодинаковы.

Возникновение коронного разряда объясняется, появлением вблизи коронирующего электрода резкой неоднородности электрического поля, значительно превосходящей напряженность электрического поля на 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 U0, то с повышением U - сила разрядного тока быстро увеличивается, а толщина коронирующего слоя около электрода возрастает. Когда разность потенциалов между электродами достигает нового значения Uп, наступает искровой пробой всего газового промежутка.

Отрицательный коронный разряд

В разрядном промежутке коронного разряда электроны осуществляют ударную ионизацию, возбуждение и диссоциацию молекул воздуха. В итоге каждый свободный электрон способен на своем пути к аноду создать 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 начинают 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 испускают 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 L 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 L, то есть за пределами области отрицательного коронного разряда, образуется внешняя униполярная область, носителями тока в которой являются отрицательные ионы кислорода (O2, О-). 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.

Положительный коронный разряд

В этом случае коронирующий электрод является анодом, а катодом служит электрод с большим радиусом кривизны (например, плоскость). При положительной короне основная роль отводится электронам, возникающим в процессе объемной фотоионизации молекул воздуха между электродами. При достаточно большой напряженности электрического поля свободный электрон приобретает значительную энергию на своем пути движения к аноду. Электроны, движущиеся в сильном электрическом поле, на своем пути к аноду станут ионизовать молекулы воздуха, что приведет к образованию электронной лавины, которая в конечном итоге попадает на анод. У анода, то есть в области положительного коронного разряда, протекают не только процессы ионизации электронным ударом, но и процессы возбуждения молекул воздуха и их продуктов диссоциации. Кванты света, испущенные такими молекулами (атомами), будут ионизовать в объеме газа новые молекулы. Образовавшиеся таким образом фотоэлектроны пополняют убыль электронов в области коронного разряда.

За пределами области положительного коронного разряда в межэлектродном воздушном промежутке находятся положительные ионы азота N2+, N+, которые под действием электрического поля медленно перемещаются к катоду. Эти положительные ионы создают положительный пространственный заряд, ограничивающий силу тока коронного разряда. Как и в случае отрицательной короны, при увеличении разности потенциалов между электродами толщина коронирующего слоя в положительной короне возрастает и при некоторой критической разности потенциалов наступает искровой пробой.

Сила тока коронного разряда определяется величиной сопротивления внешней области короны. Поэтому для нахождения вольтамперной характеристики надо решать уравнение Пуассона для внешней области короны. Полная система уравнений, описывающих распределение поля во внешней области коронного разряда, имеет вид:

, , ,

Обычно на практике пользуются простыми приближенными формулами, либо найденные эмпирически, либо выведенными на основе теоретических расчетов при значительном упрощении задачи.

Дейтш, решая задачу приближенно, вывел формулы характеристики короны для следующих случаев:

- провод – плоскость

,

где h - расстояние от провода до плоскости; r0 - радиус коронирующего провода; k - подвижность заряженных частиц (положительная k+= 1.8 1О-4 м2 /В сек, отрицательная
k-=1.6*10-4 м2 /В сек); U0 - напряжение возникновения короны;

- провод на равном расстоянии h между двумя плоскостями

,

- проводов радиуса r0, расположенных на равном расстоянии от плоскостей и на расстоянии d один от другого;

,

Константа А рассчитывается отдельно для каждого значения h и d. Для любой конфигурации электродов ток коронного разряда можно представить следующим выражением

.

Прерывистые явления в коронном разряде

И положительная, и отрицательная корона сопровождается в воздухе характерным звуковым явлением - шипением. Это шипение носит несколько различный характер в случае положительной и отрицательной короны и при каждой из них изменяется с изменением силы коронного тока. Таким образом, уже непосредственное визуальное наблюдение коронного разряда указывает на ряд прерывистых явлений в короне. Прерывистый характер коронного разряда был обнаружен Тричелем. Коронный ток, как показал Тричель, слагается из периодических и правильно чередующихся импульсов. При повышении напряжения сила тока в каждом импульсе остается неизменной, а общая сила тока коронного разряда увеличивается за счет увеличения частоты чередования импульсов.

Каждый регулярный импульс представляет собой обычным образом развивающийся ряд лавин, сопровождаемой фотоионизацией в окружающем объеме газа. Как показали исследования, прерывистые явления тока коронного разряда наблюдались только в электроотрицательных газах и при наличии последних в смеси газов хотя бы в небольшом количестве.

Частота чередования импульсов Тричеля обуславливается, временем накопления и рассасывания пространственного заряда.

Применение коронного разряда в технике

Вольт-амперная характеристика тока коронного разряда данного промежутка I=AkU(U-U0) зависит от геометрии промежутка, наполняющего его газа и состояния электродов. В некоторых газоразрядных приборах используется зависимость "критического потенциала" от одного из параметров разрядного промежутка (приборы для определения  температуры, давления, влажности газа).

Отрицательный коронный разряд применяется для зарядки и последующего осаждения электрическим полем взвешенных в газе посторонних мелких частиц: пылинок, частиц дыма (аэрозолей) мелко распыленных продуктов и т. д. Такая аппаратура носит название электрофильтра.

Если через область с коронным разрядом проходят неодинаковые по размерам и физической природе частицы, то происходит их частичное разделение. Это явление используется в электросепараторах.

Коронный разряд также применяется для непрерывного и безинерционного анализа газовых смесей. В этом случае при изменении состава газа в разрядном промежутке изменяется напряжение коронного разряда.

Большое различие в подвижности положительных ионов и электронов в разрядном промежутке позволяет использовать коронный разряд также для выпрямления и стабилизации высокого напряжения.

В последнее время коронный разряд нашел применение в экспериментальной ядерной физике.  Счетчики медленных нейтронов (типа СНМ-9, СНМ-13) работают в режиме коронного разряда. Широкое применение коронный разряд находит в электрографии, в электроокраске, медицине, сельском хозяйстве, в промышленности для нанесения порошковых покрытий, в текстильной промышленности и т. д.

Стабилитроны коронного разряда

Стабилитроны - это газоразрядные неуправляемые приборы, предназначенные для поддержания неизменным выходного напряжения на нагрузке при изменении нагрузочного тока или напряжения в сети. Стабилитроны коронного разряда применяются для стабилизации напряжения в маломощных нагрузках. Приборы выполняются в стеклянных или керамических оболочках - баллонах, наполненных смесью инертных газов.

Последовательно в цепь со стабилитроном включается сопротивление для ограничения разрядного тока и обеспечения работы схемы стабилизации. Нагрузка включается параллельно стабилитрону.

При увеличении напряжения на входе увеличивается ток через стабилитрон и ограничительное сопротивление Rб. За счет увеличения тока через Rб на нем увеличивается падение напряжения, а напряжение на стабилитроне остается практически неизменным. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и через резистор Rб уменьшается, падение напряжения на Rб уменьшается, а напряжение на стабилитроне остается неизменным. Так как, нагрузка подключена параллельно стабилитрону, то на ней поддерживается постоянное напряжение, не зависящее от колебаний входного напряжения.

Стабилитроны коронного разряда предназначены как для непосредственной стабилизации напряжения, так и в качестве опорных элементов в высоковольтных электронных стабилизаторах при токах не более 1.5 мА и напряжениях 0.3...30 кВ. Применяются в цепях питания фотоумножителей, электронно-оптических преобразователей изображения, в цепях отражательных электродов клистронов, в цепях электрографических установок и т. д. Баллоны наполняются смесью водорода и азота. Эти стабилитроны относительно стабилитронов тлеющего разряда имеют более пологие вольт-амперные характеристики и увеличенную проводимость до возникновения разряда (утечка до 2 мкА). Для возникновения разряда необходимо время до 30 сек.

Сопротивление нагрузки RH должно быть такой величины, чтобы при известных изменениях UBX и токе нагрузки Iн ток через стабилитрон Iст не превышал значения максимального тока стабилизации, указанного в справочнике.

Стабилизирующие свойства стабилитронов коронного разряда определяются их динамическим сопротивлением Rд, которое находится из вольт-амперной характеристики.

.

Коэффициент стабилизации в зависимости от изменения входного напряжения при постоянном токе через нагрузку IН определяется как:

Коэффициент стабилизации в зависимости от изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении определяется как:

Если входное напряжение в п раз больше выходного, то есть UBX = nUCT то сопротивление Rб можно определить из выражения

Отсюда:

,

В предлагаемой работе схема лабораторной установки позволяет проводить исследование стабилитрона коронного разряда СГ302С. Балластное сопротивление Rб и сопротивление нагрузки RH выполнены так, что можно установить требуемое значение тока нагрузки и необходимую по расчету величину балластного сопротивления.

Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки. Установить ручку регулятора напряжения в положение, соответствующее нулевому напряжению.
  2.  Снять ВАХ отрицательного коронного разряда промежутка игла -
    плоскость для трех фиксированных расстояний между электродами:
    Н1 = 5.5
    мм;
    H2 = 6.5 мм;H3 = 8 мм.
  3.  Снять ВАХ отрицательного коронного разряда промежутка ряд игл -
    плоскость для двух значений расстояния между иглами в ряду
    b = 7.5 мм и b
    =
    2.5 мм. В обоих случаях расстояние между электродами Н = 6.5 мм. Для
    каждого случая рассчитать ток с одного острия.
  4.  По указанию преподавателя для одного значения Н снять ВАХ промежутка игла - плоскость для положительной короны.
  5.  С помощью осциллографа исследовать прерывистые явления коронного разряда с острия для отрицательной короны. Снять зависимость частоты
    и амплитуды колебаний тока коронного разряда от среднего значения тока
    для трех одиночных игл.

Исследование работы стабилитрона коронного разряда СГ302С-1 проводится по указанию преподавателя. ВНИМАНИЕ! Ток через стабилитрон не должен превышать 100 мкА.

Содержание отчета

  1.  Цель работы. Схему лабораторной установки.
  2.  Таблицы с экспериментальными данными и графики полученных зависимостей.
  3.  Для   полученных   ВАХ   коронного   разряда   промежутка   острие-
    плоскость произвести расчет значений коэффициента
    A.
  4.  Для коронного стабилитрона рассчитать величину динамического со
    противления и коэффициент стабилизации напряжения.
  5.  Выводы по результатам исследований.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81861. Воздушный транспорт 29.54 KB
  Возду́шное су́дноэто летательный аппарат поддерживаемый в атмосфере за счёт взаимодействия с воздухом Аэропо́рт комплекс сооружений предназначенный для приёма отправки базирования воздушных судов и обслуживания воздушных перевозок имеющий для этих целейаэродром аэровокзал в крупных аэропортах нередко несколько аэровокзалов один или несколько грузовых терминалов и другие наземные сооружения и необходимое оборудование.трта следует отнести высокую с с перевозок.
81862. Взаимодействие развития науки и транспорта 22.31 KB
  Современное состояние и тенденции развития транспорта и транспортной науки. Рассматриваются вопросы разработки и внедрения новых технических средств и технологических процессов на всех видах транспорта. Уделяется особое внимание инновациям на транспорте повышению уровня развития и управления транспортных отраслей а также транспортного машиностроения применению математических методов для оптимизации транспортных систем совершенствованию систем автоматизации функционирования сложных технических устройств методов и средств передачи и...
81863. Эксплуатационная надежность транспортного узла 20.61 KB
  Определение эксплуатационной надежности транспортного узла или его элемента подсистемы базируется на совокупности следующих понятий: отказ частичная или полная утрата работоспособности среднее время безотказной работы среднее время восстановления вероятность безотказной работы и др. Причем эти понятия имеют смысл только для элементов узла по отношению к которым применимо понятие отказ.
81864. Трубопроводный транспорт 25.29 KB
  Трубопроводный транспорт – узкоспециализированный вид. В последние годы создан и универсальный трубопроводный транспорт. Развитие нефтепроводного транспорта тесно связано с ростом добычи и переработки нефти.
81865. Комплексное развитие различных видов транспорта 24.1 KB
  Выбор вида транспорта или варианта перевозок сочетание двух или более видов транспорта в осуществлении транспортировки определённого рода груза по единому транспортному документу базируется с учётом тех условий при которых каждый из видов оказывается наиболее целесообразным.
81866. Промышленный транспорт 27.13 KB
  Промышленный транспорт выполняет технологические перевозки т. перемещение топлива и сырья в локальных границах предприятий внутренние технологические перевозки и ввоз вывоз грузов на другие виды транспорта внешние перевозки. Ведущую роль промышленный транспорт играет в работе предприятий черной металлургии угольной химической строительной лесной дерево и нефтеперерабатывающей и других отраслей.
81867. Основные показатели перевозочной работы транспорта 24.32 KB
  В качестве основного установлен показатель р объем перевозок грузовт обычно за год утверждаемый для сети железных дорог правительством. К основным экономическим показателям работы транспорта относятся производительность труда себестоимость перевозок а также прибыль. Производительность труда определяется объемом выполненной продукции в приведенных тоннокилометрах пассажирокилометрах или тоннокилометрах приходящимся на одного работника эксплуатационного штата а себестоимость перевозок отношением эксплуатационных расходов по...
81868. Новые виды транспорта 27.99 KB
  В общем чтобы питать двигатель мощностью в 20 киловатт в течение часа требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Беспилотные летательные аппараты массой до 5 кг класс микро могут взлетать с любой самой маленькой площадки и даже с руки поднимаются на высоту 12 километра и находятся в воздухе не более часа. Беспилотники класса микро массой всего 300500 граммов образно говоря могут заглянуть в окно поэтому их удобно использовать в городских условиях. За микро идут беспилотные летательные аппараты класса мини массой до 150 кг.