Стримерный разряд
Тип переходного электрического разряда
Стример разряжается в воздух с высоковольтного терминала большой катушки Теслы . Стримеры формируются на конце заостренного стержня, выступающего из терминала. Высокое электрическое поле на заостренном конце вызывает ионизацию воздуха там.
Видеоклип стримеров из катушки Тесла. Электростатическое отталкивание ионов, ионная рекомбинация и воздушные конвекционные токи из-за нагревания имеют тенденцию разрушать ионизированные области, поэтому стримеры имеют короткий срок жизни.

В электромагнетизме стримерный разряд , также известный как нитевидный разряд , представляет собой тип кратковременного электрического разряда , который образуется на поверхности проводящего электрода, несущего высокое напряжение в изолирующей среде , такой как воздух. Стримеры представляют собой светящиеся извивающиеся ветвящиеся искры, плазменные каналы, состоящие из ионизированных молекул воздуха, которые многократно вырываются из электрода в воздух.

Подобно связанным коронным разрядам и кистевым разрядам , стримерный разряд представляет собой область вокруг высоковольтного проводника , где воздух претерпел электрический пробой и стал проводящим ( ионизированным ), поэтому электрический заряд утекает с электрода в воздух, но противоположный полярный электрод не находится достаточно близко, чтобы создать электрическую дугу между двумя электродами. Это происходит, когда электрическое поле на поверхности проводника превышает диэлектрическую прочность воздуха, около 30 киловольт на сантиметр. Когда электрическое поле, созданное приложенным напряжением, достигает этого порога, ускоренные электроны ударяют по молекулам воздуха с достаточной энергией, чтобы выбить из них другие электроны, ионизируя их, а освобожденные электроны продолжают ударять по большему количеству молекул в цепной реакции. Эти электронные лавины ( таунсендовские разряды ) создают ионизированные, электропроводящие области в воздухе вблизи электрода. Пространственный заряд , созданный электронными лавинами, приводит к возникновению дополнительного электрического поля, заставляя ионизированную область расти на ее концах, образуя пальцеобразный разряд, называемый стримером .

Стримеры являются кратковременными (существуют только в течение короткого времени) и нитевидными, что отличает их от коронных разрядов . Они используются в таких приложениях, как производство озона, очистка воздуха или плазменная медицина. [ требуется ссылка ] Если стример достигает проводника противоположной полярности, он создает ионизированный проводящий путь, по которому может протекать большой ток, выделяя большое количество тепла, что приводит к образованию электрической дуги ; это процесс, посредством которого лидеры молний создают путь для молний. Стримеры также можно наблюдать как спрайты в верхних слоях атмосферы. Из-за низкого давления спрайты намного больше стримеров при давлении на землю, см. законы подобия ниже.

Большая катушка Теслы, создающая дуговые разряды длиной 3,5 метра (10 футов), что указывает на потенциал в миллионы вольт.
Моделирование положительного стримерного разряда. Слева направо показаны: электрическое поле, плотность электронов, плотность заряда и излучение света.
На этот раз экспозиция стримеров из катушки Теслы в стеклянном ящике демонстрирует их нитевидную природу.

История

Теории стримерных разрядов предшествовала теория разряда Джона Сили Таунсенда [ 1], появившаяся примерно в 1900 году. Однако стало ясно, что эта теория иногда не согласуется с наблюдениями. Это было особенно верно для разрядов, которые были длиннее или имели более высокое давление. В 1939 году Леб [2] [3] и Ретер [4] независимо друг от друга описали новый тип разряда, основанный на их экспериментальных наблюдениях. Вскоре после этого, в 1940 году, Мик представил теорию искрового разряда [5] , которая количественно объяснила образование самораспространяющегося стримера. Эта новая теория стримерных разрядов успешно объяснила экспериментальные наблюдения.

Приложения

Стримеры используются в таких приложениях, как генерация озона, очистка воздуха и плазменное сжигание. Важным свойством является то, что плазма, которую они генерируют, является сильно неравновесной: электроны имеют гораздо более высокую энергию, чем ионы. Поэтому химические реакции могут быть вызваны в газе без его нагревания. Это важно для плазменной медицины, где «плазменные пули», или управляемые стримеры, [6] могут использоваться для лечения ран, [7] хотя это все еще экспериментально.

Физика стримера

Стримеры могут возникать, когда сильное электрическое поле прикладывается к изолирующему материалу, обычно газу. Стримеры могут образовываться только в областях, где электрическое поле превышает диэлектрическую прочность (поле пробоя, поле пробоя) среды. Для воздуха при атмосферном давлении это примерно 30 кВ на сантиметр. Электрическое поле ускоряет несколько электронов и ионов , которые всегда присутствуют в воздухе, из-за естественных процессов, таких как космические лучи , радиоактивный распад или фотоионизация . Ионы намного тяжелее, поэтому они движутся очень медленно по сравнению с электронами. Когда электроны движутся через среду, они сталкиваются с нейтральными молекулами или атомами. Важными столкновениями являются:

  • Упругие столкновения , которые изменяют направление движения электронов.
  • Возбуждения , при которых нейтральная частица возбуждается, а электрон теряет соответствующую энергию.
  • Ударная ионизация , при которой нейтральная частица ионизируется, а падающий электрон теряет энергию.
  • Присоединение , при котором электрон присоединяется к нейтрали, образуя отрицательный ион.

Когда электрическое поле приближается к полю пробоя, электроны получают достаточно энергии между столкновениями, чтобы ионизировать атомы газа, выбивая электрон из атома. В поле пробоя существует баланс между производством новых электронов (из-за ударной ионизации) и потерей электронов (из-за присоединения). Выше поля пробоя число электронов начинает экспоненциально расти, и образуется электронная лавина ( лавина Таунсенда ).

Электронные лавины оставляют после себя положительные ионы, поэтому со временем накапливается все больше и больше пространственного заряда . (Конечно, ионы со временем уходят, но это относительно медленный процесс по сравнению с генерацией лавины, поскольку ионы намного тяжелее электронов). В конце концов, электрическое поле от всего пространственного заряда становится сопоставимым с фоновым электрическим полем. Иногда это называют «переходом от лавины к стримеру». В некоторых областях общее электрическое поле будет меньше, чем раньше, но в других областях оно станет больше, что называется усилением электрического поля. Новые лавины преимущественно растут в областях с высоким полем, поэтому может возникнуть самораспространяющаяся структура: стример.

Положительные и отрицательные стримеры

В цепях постоянного тока стримеры, которые образуются на электродах с положительным и отрицательным напряжением, различаются по внешнему виду и форме из-за различных физических механизмов.

Отрицательные стримеры распространяются против направления электрического поля, то есть в том же направлении, что и скорость дрейфа электронов . Положительные стримеры распространяются в противоположном направлении. В обоих случаях канал стримера электрически нейтрален и экранирован тонким слоем пространственного заряда. Это приводит к усилению электрического поля в конце канала, «голове» стримера. Как положительные, так и отрицательные стримеры растут за счет ударной ионизации в этой области сильного поля, но источник электронов сильно отличается.

Для отрицательных стримеров свободные электроны ускоряются от канала к головной части. Однако для положительных стримеров эти свободные электроны должны приходить из более дальнего места, поскольку они ускоряются в канале стримера. Поэтому отрицательные стримеры растут более диффузно, чем положительные стримеры. Поскольку диффузный стример имеет меньшее усиление поля, отрицательные стримеры требуют более сильных электрических полей, чем положительные стримеры. Поэтому в природе и в приложениях положительные стримеры встречаются гораздо чаще.

Как отмечено выше, важным отличием является также то, что положительным стримерам для их распространения необходим источник свободных электронов. Во многих случаях считается, что таким источником является фотоионизация . [8] В смесях азота и кислорода с высокой концентрацией кислорода возбужденный азот испускает ультрафиолетовые фотоны, которые впоследствии ионизируют кислород. [9] Однако в чистом азоте или в азоте с небольшими примесями кислорода доминирующим механизмом производства фотонов является процесс тормозного излучения . [10]

Скорость стримера и другие параметры

Электрический стример, строго говоря, является фронтом ионизации в форме растущей нити. Можно определить, по крайней мере приблизительно, набор параметров, характеризующих этот фронт особой формы, таких как скорость его роста, радиус головки и т. д., а также физические законы (уравнения), которые связывают эти параметры друг с другом. В одной теории электрических стримеров в воздухе [11] стример «выбирает» максимально доступную скорость (при этом другие параметры однозначно определяются указанными законами), подобно тому, как линейная неустойчивость, например, в плазме, «выбирала» бы длину волны, которая дает самый быстрый рост. Такой подход дает хорошее согласие с экспериментальными данными по положительным скоростям стримера и по отрицательному порогу стримера [12] , а также с результатами моделирования путем прямого решения гидродинамических уравнений. [11]

Законы подобия

Большинство процессов в стримерном разряде являются двухчастичными процессами, где электрон сталкивается с нейтральной молекулой. Важным примером является ударная ионизация , когда электрон ионизирует нейтральную молекулу. Следовательно, длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности числа газа. Если электрическое поле изменяется линейно с плотностью числа газа, то электроны получают в среднем одинаковую энергию между столкновениями. Другими словами, если соотношение между электрическим полем и плотностью числа постоянно, мы ожидаем схожей динамики. Типичные длины масштабируются как , поскольку они связаны со средней длиной свободного пробега. Э {\displaystyle E} Н {\displaystyle N} 1 / Н {\displaystyle 1/N}

Это также мотивирует единицу Таунсенда , которая является физической единицей отношения . Э / Н {\displaystyle Э/Н}

Эмиссия убегающих электронов и высокоэнергетических фотонов

Было замечено, что разряды в лабораторных экспериментах испускают рентгеновские лучи [13] , а разряды молний испускают рентгеновские лучи и земные вспышки гамма-излучения , всплески фотонов с энергией до 40 МэВ. [14] Эти фотоны производятся убегающими электронами , электронами, которые преодолели силу трения , посредством процесса тормозного излучения . [15] Однако не было полностью понято, как электроны могут изначально приобретать такие высокие энергии, поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха и теряют энергию. Возможным объяснением является ускорение электронов в усиленных электрических полях кончиков стримеров. [16] Однако неясно, может ли этот процесс действительно объяснить достаточно высокую скорость производства. [17] Недавно было высказано предположение, что окружающий воздух возмущен вблизи разрядов стримеров и что это возмущение способствует ускорению электронов в режиме убегания [18] [19]

Связь между волнами давления и образованием рентгеновских лучей при воздушных разрядах

Давление и ударные волны, высвобождаемые электрическими разрядами, способны возмущать воздух в их окрестности до 80%. [20] [21] Это, однако, имеет непосредственные последствия для движения и свойств вторичных стримерных разрядов в возмущенном воздухе: в зависимости от направления (относительно окружающего электрического поля) возмущения воздуха изменяют скорости разряда, способствуют разветвлению или вызывают спонтанное инициирование встречного разряда. [22] Недавние моделирования показали, что такие возмущения даже способны способствовать образованию рентгеновских лучей (с энергией в несколько десятков кэВ) из таких стримерных разрядов, которые производятся убегающими электронами в процессе тормозного излучения . [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Таунсенд, Дж. С. (1900). «Проводимость, создаваемая в газах движением отрицательно заряженных ионов». Nature . 62 (1606): 340– 341. Bibcode :1900Natur..62..340T. doi :10.1038/062340b0. ISSN  0028-0836. S2CID  4007488.
  2. ^ Леонард Бенедикт Лёб (1939). Фундаментальные процессы электрического разряда в газах. J. Wiley & Sons, inc . Получено 22 августа 2012 г.
  3. ^ Лёб, Леонард Б.; Кип, Артур Ф. (1939). «Электрические разряды в воздухе при атмосферном давлении. Природа положительных и отрицательных коронных разрядов между остриём и плоскостью и механизм распространения искр». Журнал прикладной физики . 10 (3): 142. Bibcode : 1939JAP....10..142L. doi : 10.1063/1.1707290. ISSN  0021-8979.
  4. ^ Рэтер, Х. (1939). «Die Entwicklung der Elektronenlawine in den Funkenkanal». Zeitschrift für Physik . 112 ( 7–8 ): 464–489 . Бибкод : 1939ZPhy..112..464R. дои : 10.1007/BF01340229. ISSN  1434-6001. S2CID  124856050.
  5. ^ Мик, Дж. (1940). «Теория искрового разряда». Physical Review . 57 (8): 722– 728. Bibcode : 1940PhRv...57..722M. doi : 10.1103/PhysRev.57.722. ISSN  0031-899X.
  6. ^ Лу, X., Наидис, Г., Ларусси, М. и Остриков, К. (2014) Направляемые волны ионизации: теория и эксперименты. Physics Reports, т. 540, 123-166.
  7. ^ Laroussi, M. (2009) Низкотемпературная плазма для медицины. IEEE Trans. Plasma Sci., т. 37, 714.
  8. ^ Nijdam, S; van de Wetering, FMJH; Blanc, R; van Veldhuizen, EM; Ebert, U (2010). «Зондирование фотоионизации: эксперименты с положительными стримерами в чистых газах и смесях». Journal of Physics D: Applied Physics . 43 (14): 145204. arXiv : 0912.0894 . Bibcode :2010JPhD...43n5204N. doi :10.1088/0022-3727/43/14/145204. ISSN  0022-3727. S2CID  44203888.
  9. ^ Wormeester, G; Pancheshnyi, S; Luque, A; Nijdam, S; Ebert, U (2010). "Зондирование фотоионизации: моделирование положительных стримеров в различных смесях N 2 :O 2 ". J. Phys. D: Appl. Phys . 43 (50): 505201. arXiv : 1008.3309 . Bibcode :2010JPhD...43X5201W. doi :10.1088/0022-3727/43/50/505201. S2CID  56165202.
  10. ^ Кён, К; Чанрион, О; Нойберт, Т (2017). «Влияние тормозного излучения на стримеры электрических разрядов в газовых смесях N2, O2». Источники плазмы Науч. Технол . 26 (1): 015006. Бибкод : 2017PSST...26a5006K. дои : 10.1088/0963-0252/26/1/015006 .
  11. ^ ab Лехтинен, Николай; Марскар, Роберт (2021). «Что определяет параметры распространяющегося стримера: сравнение выходных данных модели параметров стримера и гидродинамического моделирования». Атмосфера . 12 (12): 1664. doi : 10.3390/atmos12121664 . hdl : 11250/2977612 .
  12. ^ Лехтинен, Николай (2021). «Физика и математика электрических стримеров». Radiophys Quantum El . 64 : 11– 25. doi :10.1007/s11141-021-10108-5.
  13. ^ Кочкин, П., Кён, К., Эберт, У. , ван Дёрсен, Л. Анализ рентгеновского излучения от отрицательных разрядов метрового масштаба в окружающем воздухе. Plasma Sour. Sci. Technol. (2016), т. 25, 044002
  14. ^ Кён, К., Эберт, У. Расчет пучков позитронов, нейтронов и протонов, связанных с земными вспышками гамма-излучения. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), т. 120, стр. 1620-1635
  15. ^ Кён, К., Эберт, У. Угловое распределение тормозных фотонов и позитронов для расчетов земных гамма-вспышек и позитронных пучков. Atmos. Res. (2014), т. 135-136, стр. 432-465
  16. ^ Cooray, V., Arevalo, L., Rahman, M., Dwyer, J., Rassoul, H. О возможном происхождении рентгеновских лучей в длинных лабораторных искрах. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. (2009), т. 71, стр. 1890-1898
  17. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Neubert, T. Ускорение электронов во время столкновений стримеров в воздухе. Geophys. Res. Lett. (2017), т. 44, стр. 2604-2613
  18. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Babich, LP, Neubert, T. Свойства стримера и связанное с ним рентгеновское излучение в возмущенном воздухе. Plasma Sour. Sci. Technol. (2018), т. 27, 015017
  19. ^ Кён, К., Чанрион, О., Нойберт, Т. Высокоэнергетические выбросы, вызванные колебаниями плотности воздуха при разрядах. Geophys. Res. Lett. (2018), т. 45, https://doi.org/10.1029/2018GL077788
  20. ^ Marode, E.; Bastien, F.; Bakker, M. (1979). «Модель стримера включала искрообразование на основе нейтральной динамики». J. Appl. Phys . 50 (1): 140– 146. Bibcode : 1979JAP....50..140M. doi : 10.1063/1.325697.
  21. ^ Касем, С.; и др. (2013). «Моделирование расширения теплового удара и волн давления, вызванных динамикой стримера в положительных коронных разрядах постоянного тока». Труды IEEE по плазме . 41 (4): 942–947 . Bibcode : 2013ITPS...41..942K. doi : 10.1109/tps.2013.2249118. S2CID  25145347.
  22. ^ Köhn, C.; Chanrion, O.; Babich, LP; Neubert, T. (2018). «Свойства стримера и связанные с ним рентгеновские лучи в возмущенном воздухе». Plasma Sources Science and Technology . 27 (1): 015017. Bibcode : 2018PSST...27a5017K. doi : 10.1088/1361-6595/aaa5d8 .
  23. ^ Köhn, C.; Chanrion, O.; Neubert, T. (2018). «Выбросы высокой энергии, вызванные колебаниями плотности воздуха при разрядах». Geophys. Res. Lett . 45 (10): 5194– 5203. Bibcode : 2018GeoRL..45.5194K. doi : 10.1029/2018GL077788. PMC 6049893. PMID  30034044. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Streamer_discharge&oldid=1253795403"