Efect Corona

Efectul corona sau descărcarea coronei este un fenomen în care un curent electric curge între un conductor cu un potențial electric ridicat și un fluid neutru înconjurător, în general aer .

Apare atunci când gradientul potențial depășește o anumită valoare suficientă pentru a provoca ionizarea fluidului izolant, dar insuficientă pentru declanșarea unui arc electric . Odată ionizat, fluidul devine plasmă și conduce electricitatea. Circuitul electric se închide atunci când încărcătura electrică transportată de ioni ajunge încet la punctul potențial de referință al generatorului, de obicei la pământ .

Dacă obiectul cu potențial ridicat are o parte ascuțită, densitatea sarcinii tinde să fie mai mare în această zonă, astfel încât câmpul electric în corespondență este mai mare și aerul înconjurător este adus la un potențial mai mare decât în alte zone, pentru un fenomen cunoscut sub numele de vârf dispersie , sau „efect de vârf”. Din acest motiv, efectul corona poate apărea într-o măsură limitată în apropierea vârfurilor, dar nu și în alte părți ale conductorului. De aici, ionizarea se poate extinde sau nu, în funcție de claritatea vârfului. Dacă ionizarea continuă să crească mai degrabă decât să se stabilizeze, o cale de plasmă poate fi deschisă până la punctul de potențial neutru până când se aprinde o scânteie sau un arc.

Producerea efectului corona implică, în general, utilizarea a doi electrozi , unul îndreptat pentru a crește ionizarea (vârful unui ac sau un fir subțire) și unul cu curbură scăzută (o placă sau pământul însuși).

Asociat cu efectul corona pot exista emisii de lumină, producerea de ozon și zgomot caracteristic.

Tipuri

Coroana poate fi pozitivă sau negativă, corespunzătoare polarității potențialului electrodului ascuțit.

Fizica coroanelor pozitive și negative este semnificativ diferită. Această diferență se datorează masei diferite a particulelor care transportă sarcina în cele două cazuri, electroni sau ioni pozitivi, în care numai primii sunt capabili să inducă ionizarea prin coliziune inelastică în condiții de temperatură și presiune ambiantă.

Elementele comune sunt:

Atomii neutri ai mediului izolator într-o regiune de câmp electric intens (gradient ridicat de potențial în apropierea vârfului) sunt ionizați de un eveniment extern (exogen), de exemplu interacțiunea cu fotoni , și se împart în electroni și ioni pozitivi.
Câmpul electric acționează asupra încărcăturilor produse prin separarea acestora (prevenirea recombinării lor) și accelerarea acestora, mărind energia lor cinetică
Electronii accelerați (care având un raport mai mare de sarcină / masă sunt accelerați mai mult) se ciocnesc cu alți atomi neutri, împărțindu-i și producând astfel alte perechi de ioni / electroni. Acest lucru poate duce la un efect de ghiocel.
Cu diferite modalități între coroana pozitivă și cea negativă, energia eliberată de procesele care au loc în plasmă produce eliberarea de noi electroni care alimentează procesul de avalanșă.
O specie ionică creată în procesul avalanșei (diferită între cele două tipuri de coroană) este atrasă de electrodul ascuțit, închizând circuitul și menținând fluxul de curent.

Formarea coroanei începe cu un proces spontan și relativ rar de ionizare a unei molecule de aer, de exemplu datorită fotoexcitării sau radiației de fond. În acest caz, se creează un ion pozitiv și un electron. Dacă acest lucru are loc într-o regiune cu gradient ridicat de potențial, ionii pozitivi sunt atrași sau respinși de electrodul ascuțit, în funcție de polaritatea coroanei, în timp ce electronii sunt atrași sau respinși în direcția opusă, ceea ce împiedică recombinarea particule.

Electronii, accelerați de câmpul în care călătoresc, se ciocnesc adesea inelastic cu atomii neutri și îi pot ioniza. Câmpul electric separă și accelerează electronii eliberați de atomul ionizat, care la rândul său poate ioniza alți atomi. Acest proces de lanț numit „efect de avalanșă” sau defalcare a avalanșei determină formarea unui nor dens de electroni dintr-un singur eveniment inițial.

Mai multe mecanisme pot sprijini acest proces, creând avalanșă după avalanșă, până când se menține o coroană constantă. Cu toate acestea, este întotdeauna necesară o sursă secundară de electroni, deoarece electronii sunt accelerați de câmp într-o singură direcție; adică avalanșa se desfășoară liniar către sau de la electrod. Mecanismul predominant al producției electronice secundare depinde de polaritatea coroanei, dar în ambele cazuri energia emisă ca fotoni de avalanșa inițială este utilizată pentru ionizarea moleculelor și generarea altor electroni care urmează să fie accelerați. Diferența constă în sursa electronilor.

Coroana pozitivă

Proprietate

Coroana pozitivă se manifestă ca plasmă uniformă de-a lungul și în jurul conductorului. Adesea prezintă o fluorescență albă / albastră cu multă emisie ultravioletă . Uniformitatea se datorează mecanismului de descărcare a avalanșei descris mai jos.

Cu aceeași geometrie și potențial a electrodului, coroana pozitivă este puțin mai mică decât cea negativă, din cauza lipsei unei regiuni de non-ionizare între zonele interioare și exterioare. În coroana pozitivă există un număr mult mai mic de electroni liberi, cu excepția zonei imediat lângă electrodul ascuțit: aproximativ o miime din densitatea electronilor și o sutime din numărul total de particule.

Cu toate acestea, cea mai mică cantitate de particule se află într-o regiune cu potențial ridicat, în timp ce în coroana negativă mulți electroni sunt dispersați într-o zonă exterioară cu potențial scăzut.

Rezultă că în aplicațiile în care sunt necesari electroni cu energie mare, utilizarea efectului corona pozitiv este mai potrivită. Numărul de electroni este mai mic, dar numărul particulelor cu energie ridicată este mai mare.

Dinamica

Formarea coroanei pozitive începe cu un eveniment de ionizare exogen într-o regiune cu gradient ridicat de potențial. Electronii produși prin ionizare sunt atrași de electrodul ascuțit și ionii pozitivi respinși din acesta. Ca urmare a coliziunilor inelastice din ce în ce mai aproape de electrodul ascuțit, tot mai multe molecule sunt ionizate într-un efect de avalanșă.

În coroana pozitivă, electronii secundari, care provoacă un efect de avalanșă suplimentar, sunt produși în fluidul însuși, într-o regiune din afara plasmei. Producția lor este cauzată de ionizarea produsă de fotoni emiși de plasmă în timpul proceselor continue de excitație. Electronii eliberați de gazul neutru sunt atrași spre electrodul pozitiv și intră în regiunea plasmei alimentând în continuare efectul avalanșei.

Din mecanismul descris se înțelege că coroana este împărțită în două regiuni, concentrice în jurul vârfului. Regiunea interioară conține electroni ionizanți și ioni care sunt pozitivi pentru a forma plasma și este locul efectului de bulgări de zăpadă. Zona externă constă în esență din ioni pozitivi care se îndreaptă încet spre electrodul plat împreună, în zona de interfață, cu electroni eliberați de fotoni și în mișcare accelerată către plasmă. Partea interioară se numește „regiunea plasmei”, partea exterioară se numește „regiunea unipolară”.

Coroana negativă

Proprietate

Coroana negativă nu este uniformă, variabilă în raport cu caracteristicile suprafeței conductorului și cu neregulile din curbură. Apare adesea ca „wads” pe vârfuri, unde numărul de wads depinde de puterea câmpului. Forma unei coroane negative este rezultatul procesului de emisie secundară de electroni în procesul avalanșei, descris în paragraful următor.

Coroana negativă pare mai mare decât cea pozitivă, deoarece electronii se pot îndepărta mai departe de zona de ionizare și astfel plasma se poate extinde și mai mult.

Numărul total de electroni și densitatea lor este mult mai mare decât în coroana pozitivă, dar sunt în principal particule cu energie scăzută, produse într-o regiune cu gradient de potențial scăzut și, prin urmare, nu foarte accelerate. Cu toate acestea, pentru multe reacții, densitatea mai mare a electronilor crește frecvența reacțiilor, în timp ce reacțiile care necesită energie ridicată apar la o viteză mai mică.

Efectul coroanei este un generator eficient de ozon , iar o coroană negativă generează mult mai mult decât una pozitivă, deoarece reacțiile care produc acest gaz au loc la energii relativ mai mici, dar cu o rată mult mai rapidă.

Dinamica

Formarea unei coroane negative este mai complexă decât formarea unei coroane pozitive. La fel ca în acest din urmă, formarea începe cu un eveniment de ionizare exogen care produce electroni primari, urmat de un proces de avalanșă.

Electronii emiși de gazul neutru nu pot susține procesul într-o coroană negativă și alimentează procesul avalanșei, deoarece mișcarea generală a particulelor are loc departe de electrodul ascuțit. În coroana negativă, procesul predominant în generarea de electroni secundari este cel fotoelectric de pe suprafața electrodului în sine.

Lucrarea de extragere a electronilor (energia necesară pentru a rupe particula de pe suprafață) este considerabil mai mică decât energia de ionizare în condiții obișnuite de temperatură și presiune, făcând acest proces o sursă nelimitată de electroni secundari în aceste condiții. De asemenea, în acest caz, energia de extracție este asigurată de fotonii produși de deionizarea atomilor din plasmă.

Implicarea gazului ionizat ca sursă de electroni, care apare în coroana pozitivă, este, de asemenea, împiedicată în coroana negativă de prezența unui nor de sarcini pozitive în jurul electrodului ascuțit.

Pe scurt, în coroana pozitivă electronii sunt generați în gazul care înconjoară zona plasmei și avalanșa electronică se desfășoară din exterior către interior. În coroana negativă, electronii sunt produși de electrod și electronii secundari se deplasează spre exterior.

Ca o caracteristică suplimentară a coroanei negative, electronii proiectați spre exterior întâlnesc molecule neutre și se combină cu molecule electronegative (cum ar fi oxigenul și vaporii de apă ) pentru a produce ioni negativi. Acești ioni sunt apoi atrași de electrodul plat care închide circuitul electric.

Coroana negativă poate fi împărțită în trei zone stratificate în jurul vârfului. În zona interioară, electronii cu energie cinetică ridicată se ciocnesc inelastic cu atomii neutri și produc efectul ghiocei, în timp ce în zona exterioară electronii (în principal cu energie scăzută) se combină cu atomi neutri pentru a crea ioni negativi. În zona intermediară, electronii se combină pentru a forma ioni, dar în mod normal au o energie insuficientă pentru a iniția procesul de avalanșă și rămân în plasmă, contribuind la amestecul de sarcini opuse prezente și la reacțiile particulare care au loc acolo.

În regiunea exterioară există doar un flux de ioni negativi și, la distanță descrescătoare, electroni liberi, direcționați către electrodul pozitiv. Cele două regiuni interioare împreună sunt regiunea plasmei. Cea interioară este plasma ionizantă, cea din mijloc este plasma neionizantă. Regiunea exterioară este cunoscută sub numele de regiune unipolară.

Coroana negativă poate rămâne într-un fluid care cuprinde molecule electronegative, capabile să capteze electroni liberi. În absența moleculelor de acest tip, un flux simplu de electroni ar fi produs între cei doi electrozi prin gazul ionizat, cu formarea unui arc sau a unei scântei.

Aplicații ale efectului corona

Efectul corona are mai multe aplicații comerciale și industriale, inclusiv:

Producția de ozon ( generator de ozon );
Eliminarea particulelor de praf din aer în centralele electrice pe cărbune, sistemele de climatizare, fabricile de ciment (fluxul de aer este mai întâi încărcat electric, apoi este trecut printr-o serie de plăci încărcate alternativ cu polaritate opusă);
Degresarea suprafețelor din plastic, a țesăturilor, a polimerilor în general.
Eliminarea elementelor organice volatile nedorite, precum pesticide, solvenți, substanțe chimice agresive datorate reacțiilor cu ioni și radicalilor liberi produși prin ionizare;
Fotocopiere cu proces xerografic pentru încărcarea electrică a tamburului fotoconductor;
Aplicații futuriste, cum ar fi electro-fluid dinamic (EHD) și propulsie de vânt ionic , lift spațial etc.
Ventilatoare de răcire pentru computer fără piese mecanice în mișcare;
Ionizare chimică la presiune atmosferică , tehnică de ionizare în spectrometrie de masă ;
Fotografie Kirlian .

Probleme cauzate de efectul corona

Efectul corona duce la o pierdere de energie în liniile de transmisie electrică de înaltă tensiune și poate fi un semn al degradării plantelor. De asemenea, poate genera zgomot și poate produce producția de ozon și oxizi de azot . Acest lucru prezintă riscuri pentru sănătate dacă liniile electrice sunt amplasate în zone locuite.

Cu toate acestea, liniile electrice sunt proiectate pentru a minimiza coroana, ceea ce nu este de dorit în:

Linii electrice de transport, unde reprezintă o pierdere de energie;
La mașini precum transformatoare , condensatoare , motoare electrice și generatoare , unde poate provoca uzura materialelor izolante ;
În general, în situațiile în care este prezentă tensiune înaltă și trebuie evitată producția de ozon.

Caracteristici electrice

Intensitatea curentului transportat de coroană este determinată de integrarea densității de curent pe suprafața conductorului. Pierderea de putere este calculată prin înmulțirea curentului cu tensiunea prezentă între electrozi.

Tensiunea de aprindere a unei coroane vizibile între două fire sau tensiunea inițială a coroanei poate fi calculată cu legea empirică a lui Peek, formulată în 1929 :

e_{v}=m_{v}g_{v}\delta r\ln \left({S \over r}\right)

{\ displaystyle e_ {v} = m_ {v} g_ {v} \ delta r \ ln \ left ({S \ over r} \ right)}

{\ displaystyle e_ {v} = m_ {v} g_ {v} \ delta r \ ln \ left ({S \ over r} \ right)}

și _v este „tensiunea de coroană critică vizuală” sau „tensiunea de inițiere a coroanei” (CIV) exprimată în kilovolți ;

m _v este un factor care depinde de caracteristicile firelor; pentru fire curate și strălucitoare m _v = 1, pentru fire aspre, murdare sau oxidate 0,98-0,93, pentru cabluri 0,87-0,83.

r este raza firelor;

S este distanța dintre fire;

δ este factorul de densitate a aerului, calculat cu ecuația:

\delta ={3.92b \over 273+t}

{\ displaystyle \ delta = {3.92b \ peste 273 + t}}

{\ displaystyle \ delta = {3.92b \ peste 273 + t}}

unde este

b = presiunea în centimetri de mercur
t = temperatura în grade celsius

În condiții standard (25 ° C și 76 cmHg):

\delta ={3.92\cdot 76 \over 273+25}=1

{\ displaystyle \ delta = {3.92 \ cdot 76 \ over 273 + 25} = 1}

{\ displaystyle \ delta = {3.92 \ cdot 76 \ over 273 + 25} = 1}

g _v exprimă gradientul potențial și este dat de:

g_{v}=g_{0}\delta \left(1+{0.301 \over {\sqrt {\delta r}}}\right)

{\ displaystyle g_ {v} = g_ {0} \ delta \ left (1+ {0.301 \ over {\ sqrt {\ delta r}}} \ right)}

{\ displaystyle g_ {v} = g_ {0} \ delta \ left (1+ {0.301 \ over {\ sqrt {\ delta r}}} \ right)}

unde g ₀ este puterea dielectrică, egală cu aproximativ 30 kV / cm pentru aer

Bibliografie

( EN ) Fenomene dielectrice în ingineria de înaltă tensiune de FW Peek, 1929.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre efectul Corona

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85032863 · GND (DE) 4165325-7

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica