7392

Исследование коронного разряда

Лабораторная работа

Энергетика

Исследование коронного разряда Цель работы: Ознакомление с основными свойствами коронного разряда. Исследование работы стабилитронов напряжения коронного разряда. Введение Коронный разряд является самостоятельным разрядом в с...

Русский

2013-01-23

224 KB

56 чел.

Исследование коронного разряда

Цель работы:

  1.  Ознакомление с основными свойствами коронного   разряда.

  1.  Исследование работы стабилитронов напряжения 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 повышением  сила 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.

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 больших напряженностях 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 междуэлектродном воздушном промежутке находятся положительные ионы азота , , 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:

                      (1)

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

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

  1.  провод - плоскость

    (2)

где  - расстояние от провода до плоскости,  - радиус коронирующего провода,  - подвижность заряженных частиц,  - напряжение возникновения короны.

  1.  провод на равном расстоянии    между двумя плоскостями

  (3)

  1.  h” проводов радиуса , расположенных на равном расстоянии от плоскостей и на расстоянии   один от другого

 (4)

Константа  рассчитывается отдельно для каждого значения  и .

Для любой конфигурации электродов ток коронного разряда можно представить следующим выражением

                    (5)

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 временен накопления и рассасывания пространственного заряда.

Применение коронного разряда в технике

Вольт-амперная характеристика тока коронного разряда данного промежутка

            (6)

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 некоторое разделение их. Это явление используется в электросепараторах.

Коронный разряд также применяется для непрерывного и безынерционного 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 коронного разряда применяются для стабилизации напряжения в маломощных нагрузках.

Стабилитроны - газоразрядные неуправляемые приборы, предназначенные для поддержания неизменным выходного напряжения на нагрузке при изменении нагрузочного тока или напряжения в питающей сети.

Стабилитроны 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 входного напряжения увеличивается ток через стабилитрон и ограничительное сопротивление . За счет увеличения тока через  увеличивается падение напряжения на нем, а напряжение на стабилитроне остается практически неизменным. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и через резистор  уменьшается, падение напряжения на  уменьшается, а напряжение на стабилитроне остается неизменным. Так как нагрузка подключена параллельно стабилитрону 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 от 300 В до 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  должно быть такой величины, чтобы при известных изменениях  и токе нагрузки  ток через стабилитрон  не превышал значения максимального тока стабилизации, указанного в справочнике.

Электрические данные стабилитронов

Тип стабилитрона

Напряжение зажигания, В

Напряжение стабилизации, В

Ток стабилизации, мкА

СГ301С

430

390 ±10

3 ÷ 100

СГ302С

970

900 ±20

3 ÷ 100

СГ303С

1320

1250 ±30

10 ÷ 100

СГ304С

-

4000 ±200

50 ÷ 1000

СГ305К

-

10000 ±500

50 ÷ 1500

СГ306К

-

25000 ±1000

50 ÷ 1500

СГ307К

-

15000 ±750

50 ÷ 1500

СГ308К

-

20000 ±1000

50 ÷ 1000

СГ309К

-

30000 ±1500

50 ÷ 1500

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

Коэффициент стабилизации в зависимости от изменения входного напряжения при  определяется как:

Коэффициент стабилизации в зависимости от изменения тока нагрузки при , определяется как:

Если входное напряжение в "n" раз больше выходного, то есть

то сопротивление  можно определить из выражения

Отсюда:

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

Порядок выполнения работы

Ι. Исследование коронного разряда

  1.  Ознакомиться с руководством к лабораторной работе и схемой лабораторной установки.
  2.  Установить ручку регулятора напряжения в положение, соответствующее нулевому напряжению.
  3.  Включить питание схемы тумблером S1. Тумблер S2 поставить в положение 1.
  4.  Снять вольт-амперные характеристики промежутка игла-плоскость для трех фиксированных значений междуэлектродного расстояния: H1 = 5,5 мм; H2 = 6,5 мм; H3 = 8 мм;  (переключатель S в положениях S 3.1, S 3.2, S 3.3 соответственно) для отрицательной короны (переключатель S .4 в положении "-").
  5.   По указанию преподавателя для одного значения Н снять вольт-амперную характеристику промежутка игла-плоскость для положительной короны (переключатель   S .4 в положении "+").
  6.  Снять вольт-амперные характеристики отрицательного коронного разряда промежутка ряд игл-плоскость для двух значений расстояния между иглами в ряду b = 7,5 мм, b = 2,5 мм
    (переключатель   
    S 3 в положениях S 3.4 и S 3.5 соответственно). Для обоих случаев Н = 6,5 мм. Для каждого случая рассчитать ток с одного острия.
  7.  Включить осциллограф. 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 игл (переключатель S 3 в положениях S 3.1, S 3.2, S 3.3 соответственно).
  8.  Установить ручку регулятора напряжения (латр) в положение,    соответствующее нулевому напряжению.

Ι Ι.  Исследование работы стабилитрона коронного разряда  СГ302С-1

Тумблер S 2 включить в положение 2.

ВНИМАНИЕ! Ток через стабилитрон не должен превышать 100 мкА.

  1.  Снять вольт-амперную характеристику стабилитрона

= 10 м

= 5,1 м

= 1,8 м

= 750 k

= 510 k

= 300 k

= 1,3 м

2.       Снять нагрузочную характеристику стабилитрона

= 1,8 м

= 5,1 м

= 10 м

= 10 м

= 10 м

= 20 м

= 10 м

  1.  Снять стабилизационную характеристику  для указанного режима стабилизации.

Отчет должен содержать:

  1.  Схему лабораторной установки.
  2.  Таблицы с экспериментальными данными.
  3.  Графики полученных зависимостей.
  4.  Для полученных вольт-амперных характеристик коронного разряда промежутка острие-плоскость рассчитать по формуле (5) значение коэффициента А. =1,8*10-4 м2/B*сек, =1,6*10-4 м2/B*сек.
  5.  Для стабилитрона рассчитать его динамическое сопротивление и коэффициент стабилизации напряжения.
  6.  Выводы

Литература

  1.  Капцов Н.М. Коронный разряд и его применение в электрофильтрах. ОГИЗ, Гостехиздат, М.-Л., 1947.
  2.  Бахтаев Ш.А., Гринман И.Г. Коронноразрядные приборы. Наука, Алма-Ата, 1975.
  3.  Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа,  1979.


Схема лабораторной установки

PAGE  6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34107. Порядок установления и взимания земельного налога 32 KB
  Существует две формы платы за землю: земельный налог; арендная плата. Земельный налог. Земельный налог относится к категории местных налогов. Земельный налог устанавливается исключительно нормативноправовыми актами органов местного самоуправления либо законами представительных органов Москвы и СанктПетербурга.
34108. Арендная плата и нормативная цена земли 40.5 KB
  Оценка земли виды стоимости. Существует 4 вида стоимости цены: нормативная цена; кадастровая стоимость; рыночная стоимость; выкупная цена. В любом случае нормативная цена земельного участка не должна быть более 75 от рыночной стоимости аналогичных земельных участков. были внесены изменения в Закон “Об оценке и оценочной стоимости в РФ†и впервые кадастровая стоимость получила закрепление на законодательном уровне.
34109. Пять базовых техник психотерапии:суггестия, абреакция, манипуляция, разъяснение, интерпретация 95 KB
  Абреакция – как основа эмоционального состояния и способности пациента справляться с ним. кратко говоря различных ментальных процессов терапевтом индивидуум в авторитетном положении у пациента индивидуума в зависимом положении независимо от или с исключением рационального или критического реалистического мышления последнего. Техническое использование суггестии может быть главным образом формальным к примеру чтобы в общем индуцировать пациента к фантазии или сну какой бы не была эта фантазия или сон или главным образом...
34110. Понятие регрессии. Роль регрессии в развитии психоаналитической терапии 48 KB
  Понятие регрессии. Роль регрессии в развитии психоаналитической терапии. Процесс регрессии – как временный постоянный защитный топический ситуационный. Патологическая и нормальная регрессии их формирование в процессе развития и их значение в функционировании психического аппарата и формировании различных уровней психопатологии.
34111. Принцип психоаналитической нейтральности. Реакции аналитика на пациента: рациональные аффективные, комплиментарные, эмпатические, контрпереносные 48 KB
  Принцип психоаналитической нейтральности. В данной теме особое внимание следует уделить пониманию центрального базового значения психоаналитического понимания нейтральности. Слово НЕЙТРАЛЬНОСТЬ neutrlity и концепция ПСИХОАНАЛИТИЧЕСКОЙ НЕЙТРАЛЬНОСТИ были амбивалентными с самого момента рождения психоанализа. Приветствуемая одно время как настолько фундаментальная что принимается как данность к нейтральности тут же стали тихо относиться как мифу.
34112. Психоаналитическое понятие тревоги и ее типы 85.5 KB
  Тревога и процесс регрессии в психоаналитической ситуации. Тревога рассматривается как архаичный аффект оторвавшийся от первоначального смыслового контекста. Объективная тревога это тревога вызванная известной опасностью. Невротическая тревога вызвана неизвестной опасностью.
34113. Неспецифические аспекты психоаналитической терапии 77 KB
  В данной теме необходимо сформировать четкое представление о неспецифических формах взаимодействия аналитика и пациента. Данный раздел дает четкое представление о вспомогательных формах и методах во взаимодействии аналитика и пациента в рамках психоаналитической терапии. Если он будет это делать с неохотой аналитик может сказать что его интересуют факты. Пациента увязнувшего в неискренней похвале своих родителей можно спросить: Ваши родители действительно замечательные люди Расспрашивание для прояснения очевидности: Вместо того чтобы...
34114. Роль сновидений в психоаналитической терапии и техника работы с ними 73 KB
  Работа сновидения. Роль сновидения в работе психического аппарата. Развитие понимание сновидения и его роли в терапевтическом процессе от З. Классические подходы к пониманию сновидения его роль в общей структуре психики.
34115. Психоанализ и психоаналитическая терапия, основные принципы 67.5 KB
  Основные принципы классического психоанализа разработанного в наследие З. Основные отличия внешние – организационные и методологические основы клинического психоанализа психоаналитической терапии. Обратить особое внимание на основные принципы классического психоанализа разработанного З. Предлагаю обсудить вопрос который постоянно в той или иной форме возникает в ходе как профессиональных так и студенческих обсуждений отголоски этой дискуссии звучат и в раздающихся все чаще и чаще утверждениях о том что под брендом психоанализа скрывается...