Výboj streameru - Streamer discharge - Wikipedia

Streamer se vypouští do vzduchu z vysokonapěťové svorky velkého Teslova cívka. Proudy se tvoří na konci špičaté tyče vyčnívající z terminálu. Vysoké elektrické pole na špičatém konci způsobí, že se tam vzduch ionizuje.
Videoklip streamerů z cívky Tesla. Elektrostatické odpuzování iontů, iontová rekombinace a proudy proudění vzduchu v důsledku zahřívání mají tendenci rozbít ionizované oblasti, takže fáborky mají krátkou životnost.

A výboj streameru, také známý jako vláknitý výboj„je přechodný typ elektrický výboj který se tvoří na povrchu vodivého elektroda nesoucí vysoký Napětí v izolačním médiu, jako je vzduch. Streamery jsou světelné svíjející se větvící jiskry, plazma kanály složené z ionizovaný molekuly vzduchu, které opakovaně vystupují z elektrody do vzduchu.

Jako související koronové výboje a výboje kartáčů, výboj streameru představuje oblast kolem vodiče vysokého napětí, kde utrpěl vzduch elektrické poruchy a stát se vodivými (ionizovaný ), tak elektrický náboj uniká z elektrody do vzduchu. Nastává, když elektrické pole na povrchu vodiče přesahuje dielektrická pevnost vzduchu, asi 30 kilovoltů na centimetr. Když elektrické pole vytvořené aplikovaným napětím dosáhne této prahové hodnoty, zrychleně elektrony udeřit vzduch molekuly s dostatkem energie na to, aby z nich srazily další elektrony, ionizující a uvolněné elektrony pokračují v řetězové reakci na více molekul. Tyto elektronové laviny (Townsendovy výboje) vytvářejí ionizované, elektricky vodivé oblasti ve vzduchu poblíž elektrody. The vesmírný náboj vytvořené elektronovými lavinami vede k dalšímu elektrickému poli, což způsobuje růst ionizované oblasti na jejích koncích a vytváří prstovitý výboj nazývaný stuha.

Streamery jsou přechodné (existují pouze na krátkou dobu) a vláknové, což je odlišuje od koronové výboje. Používají se v aplikacích, jako je výroba ozonu, čištění vzduchu nebo plazmová medicína. Pokud streamer dosáhne vodiče s opačnou polaritou, vytvoří ionizovanou vodivou cestu, kterou může protékat velký proud, uvolňující velké množství tepla, což vede k elektrický oblouk; toto je proces, jehož prostřednictvím Blesk vůdci vytvořte cestu pro blesky. Streamery lze také pozorovat jako skřítci ve vyšších vrstvách atmosféry. Vzhledem k nízkému tlaku jsou skřítci mnohem větší než fáborky při tlaku na zem, viz zákony podobnosti níže.

Velká cívka Tesla produkující oblouky streameru 3,5 metru (10 stop), což naznačuje potenciál milionů voltů.
Simulace kladného výboje streameru. Zleva doprava jsou zobrazeny: elektrické pole, hustota elektronů, hustota náboje a emise světla.
Tentokrát expozice fáborek z Teslovy cívky ve skleněné krabici ukazuje jejich vláknitou povahu.

Dějiny

Teorii výbojů streameru předcházela John Sealy Townsend je teorie výboje[1]kolem roku 1900. Ukázalo se však, že tato teorie byla někdy v rozporu s pozorováním. To platilo zejména pro výboje, které byly delší nebo pod vyšším tlakem. v roce 1939 Loeb[2][3]a Raether[4]nezávisle popsal nový typ výboje na základě svých experimentálních pozorování. Krátce poté, v roce 1940, Meek představil teorie jiskrového výboje,[5]který kvantitativně vysvětlil vznik samovolně se šířícího streameru. Tato nová teorie výbojů streameru úspěšně vysvětlila experimentální pozorování.

Aplikace

Streamery se používají v aplikacích, jako je generování ozónu, čištění vzduchu a spalování podporované plazmou. Důležitou vlastností je, že plazma, kterou generují, je silně nerovnovážná: elektrony mají mnohem vyšší energie než ionty. Mohou proto být spuštěny chemické reakce v plynu bez jeho ohřevu. To je důležité pro plazmovou medicínu, kde jsou „plazmové kulky“ nebo řízené streamery[6], lze použít k ošetření ran[7], i když je to stále experimentální.

Fyzika streamerů

Proudy se mohou objevit, když je na izolační materiál, obvykle plyn, aplikováno silné elektrické pole. Proudy se mohou tvořit pouze v oblastech, kde elektrické pole přesahuje dielektrická pevnost (poruchové pole, rušivé pole) média. Pro vzduch za atmosférického tlaku je to zhruba 30 kV na centimetr. Těch pár zrychluje elektrické pole elektrony a ionty které jsou vždy přítomny ve vzduchu v důsledku přírodních procesů, jako je kosmické paprsky, radioaktivní rozpad nebo fotoionizace. Iony jsou mnohem těžší, takže se ve srovnání s elektrony pohybují velmi pomalu. Jak se elektrony pohybují médiem, srážejí se s neutrálními molekulami nebo atomy. Důležité srážky jsou:

  • Pružné kolize, které mění směr pohybu elektronů.
  • Vzrušení, kde je excitována neutrální částice a elektron ztrácí odpovídající energii.
  • Rázová ionizace, kde se neutrální částice ionizuje, přičemž dopadající elektron ztrácí energii.
  • Příloha, kde se elektron váže na neutrál a vytváří záporný iont.

Když se elektrické pole přiblíží k poli rozpadu, elektrony získají mezi srážkami dostatek energie na ionizaci atomů plynu a sražení elektronu z atomu. V poli rozkladu existuje rovnováha mezi produkcí nových elektronů (v důsledku ionizace nárazem) a ztrátou elektronů (v důsledku připojení). Nad polem rozdělení začíná počet elektronů exponenciálně růst a elektronová lavina (Townsend lavina ) formuláře.

Elektronové laviny po sobě zanechávají kladné ionty, takže časem stále více vesmírný náboj (Samozřejmě se ionty vzdalují v čase, ale ve srovnání s generací laviny je to relativně pomalý proces.) Nakonec se elektrické pole ze všech vesmírných nábojů stane srovnatelným s elektrickým polem pozadí. jako „přechod laviny na streamer“. V některých regionech bude celkové elektrické pole menší než dříve, ale v jiných regionech bude větší, což se nazývá vylepšení elektrického pole. Nové laviny rostou převážně v oblastech s vysokým polem, takže se může objevit samovolně se množící struktura: streamer.

Pozitivní a negativní fáborky

Existují kladné a záporné streamery. Negativní streamery se šíří proti směru elektrického pole, tj. Ve stejném směru jako elektrony. rychlost driftu Pozitivní streamery se šíří opačným směrem. V obou případech je kanál streameru elektricky neutrální a je chráněn vrstvou tenkého náboje. To vede ke zvýšenému elektrickému poli na konci kanálu, „hlavě“ pozitivní i negativní streamery rostou nárazovou ionizací v této oblasti s vysokým polem, ale zdroj elektronů je velmi odlišný.

U negativních streamerů jsou volné elektrony zrychlovány z kanálu do oblasti hlavy. U pozitivních streamerů však tyto volné elektrony musí pocházet z dálky, protože zrychlují do streamerového kanálu. Negativní streamery proto rostou rozptýleněji Protože difuzní streamer má menší vylepšení pole, negativní streamery vyžadují vyšší elektrická pole než pozitivní streamery. V přírodě a v aplikacích jsou proto pozitivní streamery mnohem častější.

Jak již bylo uvedeno výše, důležitým rozdílem je také to, že pozitivní streamery potřebují pro své šíření zdroj volných elektronů. V mnoha případech fotoionizace je považován za tento zdroj.[8] Ve směsích dusíku a kyslíku s vysokými koncentracemi kyslíku vydává excitovaný dusík UV fotony, které následně ionizují kyslík.[9] V čistém dusíku nebo v dusíku s malými příměsemi kyslíku je však dominantním mechanismem produkce fotonů Bremsstrahlung proces.[10]

Zákony podobnosti

Většina procesů ve výboji streameru jsou procesy se dvěma těly, kde elektron koliduje s neutrální molekulou. Důležitým příkladem je nárazová ionizace, kde elektron ionizuje neutrální molekulu. Proto znamená volnou cestu je nepřímo úměrný plynu hustota čísel Pokud se elektrické pole mění lineárně s hustotou počtu plynů, pak elektrony získají v průměru stejnou energii mezi srážkami. Jinými slovy, pokud je poměr mezi elektrickým polem a hustota čísel je konstantní, očekáváme podobnou dynamiku. Typické měřítko délek jako , protože souvisí se střední volnou cestou.

To také motivuje Townsend jednotka, což je fyzická jednotka poměr.

Emise unikajících elektronů a vysokoenergetických fotonů

Bylo pozorováno, že výboje v laboratorních experimentech emitují rentgenové paprsky [11] a že bleskové výboje vydávají rentgenové paprsky a pozemské záblesky gama záření, výbuchy fotonů s energiemi až 40 MeV.[12] Tyto fotony produkuje uprchlé elektrony elektrony, které překonaly tření síla, skrz Bremsstrahlung proces.[13] Nebylo však zcela pochopeno, jak mohou elektrony získat takové vysoké energie, protože neustále narážejí na molekuly vzduchu a ztrácejí energii. Možným vysvětlením je zrychlení elektronů ve vylepšených elektrických polích špiček streameru.[14] Není však jisté, zda tento proces může skutečně vysvětlit dostatečně vysokou rychlost výroby.[15] Nedávno bylo navrženo, že okolní vzduch je narušen v blízkosti výbojů streameru a že toto narušení usnadňuje zrychlení elektronů do režimu odtoku [16][17]

Viz také

Reference

  1. ^ Townsend, J. S. (1900). „Vodivost produkovaná v plynech pohybem záporně nabitých iontů“. Příroda. 62 (1606): 340–341. Bibcode:1900 Natur..62..340T. doi:10.1038 / 062340b0. ISSN  0028-0836.
  2. ^ Leonard Benedict Loeb (1939). Základní procesy elektrického výboje v plynech. J. Wiley & Sons, Inc.. Citováno 22. srpna 2012.
  3. ^ Loeb, Leonard B .; Kip, Arthur F. (1939). „Elektrické výboje ve vzduchu při atmosférickém tlaku Povaha pozitivních a negativních koronů z bodu do roviny a mechanismus šíření jisker“. Journal of Applied Physics. 10 (3): 142. Bibcode:1939JAP .... 10..142L. doi:10.1063/1.1707290. ISSN  0021-8979.
  4. ^ Raether, H. (1939). „Die Entwicklung der Elektronenlawine in den Funkenkanal“. Zeitschrift für Physik. 112 (7–8): 464–489. Bibcode:1939ZPhy..112..464R. doi:10.1007 / BF01340229. ISSN  1434-6001.
  5. ^ Meek, J. (1940). "Teorie výboje jisker". Fyzický přehled. 57 (8): 722–728. Bibcode:1940PhRv ... 57..722M. doi:10.1103 / PhysRev.57.722. ISSN  0031-899X.
  6. ^ Lu, X., Naidis, G., Laroussi, M. a Ostrikov, K. (2014) Guided Ionization Waves: Theory and Experiments. Physics Reports, sv. 540, 123166.
  7. ^ Laroussi, M. (2009) Nízkoteplotní plazma pro medicínu. IEEE Trans. Plasma Sci., Sv. 37, 714.
  8. ^ Nijdam, S; van de Wetering, F M J H; Blanc, R; van Veldhuizen, EM; Ebert, U (2010). "Sondování fotoionizace: experimenty na pozitivních fáborcích v čistých plynech a směsích". 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.
  9. ^ Wormeester, G; Pancheshnyi, S; Luque, A; Nijdam, S; Ebert, U (2010). „Sondování fotoionizace: simulace pozitivních streamerů v různých N2:Ó2- směsi ". J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (50): 505201. arXiv:1008.3309. Bibcode:2010JPhD ... 43X5201W. doi:10.1088/0022-3727/43/50/505201.
  10. ^ Köhn, C; Chanrion, O; Neubert, T (2017). "Vliv bremsstrahlung na elektrické výbojky v N2, O2 plynové směsi ". Zdroje plazmy Sci. Technol. 26 (1): 015006. Bibcode:2017PSST ... 26a5006K. doi:10.1088/0963-0252/26/1/015006.
  11. ^ Kochkin, P., Köhn, C., Ebert, U., van Deursen, L. Analýza rentgenových emisí z negativních výbojů v metrickém měřítku v okolním vzduchu. Plasma Sour. Sci. Technol. (2016), sv. 25, 044002
  12. ^ Köhn, C., Ebert, U. Výpočet paprsků pozitronů, neutronů a protonů spojených s pozemskými záblesky gama záření. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), sv. 120, str. 1620-1635
  13. ^ Köhn, C., Ebert, U. Úhlová distribuce Bremsstrahlungových fotonů a pozitronů pro výpočet pozemských záblesků gama záření a pozitronových paprsků. Atmos. Res. (2014), sv. 135-136, str. 432-465
  14. ^ Cooray, V., Arevalo, L., Rahman, M., Dwyer, J., Rassoul, H. O možném původu rentgenových paprsků v dlouhých laboratorních jiskrách. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. (2009), sv. 71, str. 1890-1898
  15. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Neubert, T. Zrychlení elektronů během srážek streamerů ve vzduchu. Geophys. Res. Lett. (2017), sv. 44, str. 2604-2613
  16. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Babich, L.P., Neubert, T. Streamer vlastnosti a související rentgenové paprsky v narušeném vzduchu. Plasma Sour. Sci. Technol. (2018), sv. 27, 015017
  17. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Neubert, T. Vysokoenergetické emise vyvolané kolísáním hustoty vzduchu ve výbojích. Geophys. Res. Lett. (2018), sv. 45, https://doi.org/10.1029/2018GL077788