Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Streamer разряжается в воздух через высоковольтный вывод большой катушки Тесла . Стримеры образуются на конце заостренного стержня, выступающего из терминала. Высокое электрическое поле на остром конце вызывает ионизацию воздуха.
Видеоклип стримеров с катушки Тесла. Электростатическое отталкивание ионов, ионная рекомбинация и токи конвекции воздуха из-за нагрева имеют тенденцию разрушать ионизированные области, поэтому стримеры имеют короткий срок службы.

Стримерный разряд , также известный как нитевидный разряд , представляет собой тип переходного электрического разряда , который образует на поверхности проводящего электрода , несущий высокое напряжение в изоляционной среде , такие как воздух. Стримеры представляют собой светящиеся извивающиеся разветвляющиеся искры, плазменные каналы, состоящие из молекул ионизированного воздуха, которые многократно выбрасываются из электрода в воздух.

Подобно связанным с ними коронным разрядам и щеточным разрядам , стримерный разряд представляет собой область вокруг проводника высокого напряжения, где воздух претерпел электрический пробой и стал проводящим ( ионизированным ), поэтому электрический заряд утекает с электрода в воздух. Это происходит, когда электрическое поле на поверхности проводника превышает электрическую прочность воздуха, около 30 киловольт на сантиметр. Когда электрическое поле, создаваемое приложенным напряжением, достигает этого порога, ускоренные электроны сталкиваются с молекулами воздуха с достаточной энергией, чтобы сбить с них другие электроны, ионизируя их.их, и освобожденные электроны продолжают сталкиваться с другими молекулами в цепной реакции. Эти электронные лавины (разряды Таунсенда) создают ионизированные, электропроводящие области в воздухе около электрода. Пространственный заряд , создаваемый электрон лавина приводит к дополнительному электрическому полю, в результате чего ионизированный область расти на своих концах, образуя палец , как разряд называется серпантином .

Стримеры бывают кратковременными (существуют непродолжительное время) и нитевидными, что отличает их от коронных разрядов . Они используются в таких областях, как производство озона, очистка воздуха или плазменная медицина. Если стример достигает проводника противоположной полярности, он создает ионизированный проводящий путь, по которому может течь большой ток, выделяя большое количество тепла, что приводит к возникновению 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, чем стримеры при давлении на грунт, см. Законы подобия ниже.

Большая катушка Тесла, образующая стримерные дуги 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 световое излучение.
На этот раз экспонирование стримеров от катушки Тесла в стеклянной коробке показывает их нитевидную природу.

История [ править ]

Теорию кос разрядов предшествовали Джон Сили Townsend «s теории разряда [1] от около 1900. Тем не менее, стало ясно , что эта теория иногда не согласуется с наблюдениями. Это особенно верно для разрядов, которые были более длинными или с более высоким давлением. В 1939 году Леб [2] [3] и Рэтер [4] независимо друг от друга описали новый тип разряда, основываясь на своих экспериментальных наблюдениях. Вскоре после этого, в 1940 году, Кроткий представил теорию искрового разряда , [5] , который количественно объясняющую образование самораспространяющегося серпантина. Эта новая теория стримерных разрядов успешно объяснила экспериментальные наблюдения.

Приложения [ править ]

Стримеры используются в таких областях, как генерация озона, очистка воздуха и плазменное сжигание. Важным свойством является то, что генерируемая ими плазма сильно неравновесна: электроны имеют гораздо более высокие энергии, чем ионы. Следовательно, химические реакции могут запускаться 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 стримеров [ править ]

Стримеры могут появиться при приложении сильного электрического поля к изоляционному материалу, обычно к газу. Стримеры могут образовываться только в тех областях, где электрическое поле превышает электрическую прочность (поле пробоя, разрушающее поле) 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 коллизиями являются:

  • Упругие столкновения , меняющие направление движения электронов.
  • Возбуждения , при которых нейтральная частица возбуждается, и электрон теряет соответствующую энергию.
  • Ударная ионизация , при которой нейтральная частица ионизируется, а падающий электрон теряет энергию.
  • Прикрепление , когда электрон присоединяется к нейтрали, образуя отрицательный ион.

Когда электрическое поле приближается к полю пробоя, электроны между столкновениями набирают достаточно энергии, чтобы ионизировать атомы газа, сбивая электрон с атома. В поле пробоя существует баланс между образованием новых электронов (из-за ударной ионизации) и потерей электронов (из-за прилипания). Выше поля пробоя количество электронов начинает экспоненциально расти, и образуется электронная лавина ( лавины Таунсенда ).

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

Положительные и отрицательные стримеры [ править ]

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

Для отрицательных стримеров свободные электроны ускоряются из канала в головную область. Однако для положительных стримеров эти свободные электроны должны приходить издалека, поскольку они ускоряются в канале стримера. Следовательно, отрицательные стримеры растут более рассеянно, чем положительные. Поскольку диффузный стример имеет меньшее усиление поля, отрицательные стримеры требуют более высоких электрических полей, чем положительные стримеры. Поэтому в природе и в приложениях положительные стримеры встречаются гораздо чаще.

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

Законы подобия [ править ]

Большинство процессов в стримерном разряде - это двухчастичные процессы, когда электрон сталкивается с нейтральной молекулой. Важным примером является ударная ионизация , когда электрон ионизирует нейтральную молекулу. Следовательно, длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа . Если электрическое поле изменяется линейно с плотностью газа, то электроны между столкновениями приобретают в среднем одинаковую энергию. Другими словами, если соотношение между электрическим полем и плотностью числа постоянно, мы ожидаем аналогичной динамики. Типичные длины масштабируются пропорционально длине свободного пробега.

Это также мотивирует таунсендскую единицу , которая является физической единицей отношения.

Эмиссия убегающих электронов и фотонов высоких энергий [ править ]

Было замечено, что разряды в лабораторных экспериментах испускают рентгеновское излучение [11], а грозовые разряды испускают рентгеновское излучение и земные гамма-вспышки , всплески фотонов с энергией до 40 МэВ. [12] Эти фотоны производятся убегающими электронами , электронами, преодолевшими силу трения , в процессе тормозного излучения . [13] Однако до сих пор не до конца понятно, как электроны могут получить такую ​​высокую энергию в первую очередь, поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха и теряют энергию. Возможное объяснение - ускорение электронов в усиленных электрических полях наконечников стримеров. [14]Однако неясно, действительно ли этот процесс может объяснить достаточно высокую производительность. [15] Недавно было высказано предположение, что окружающий воздух возмущается вблизи стримерных разрядов и что это возмущение способствует ускорению электронов в режим убегания [16] [17]

См. Также [ править ]

  • электрический разряд
  • спрайт (молния)
  • коронный разряд
  • Выписка из Таунсенда
  • сход лавины

Ссылки [ править ]

  1. ^ Таунсенд, JS (1900). «Проводимость, создаваемая в газах движением отрицательно заряженных ионов» . Природа . 62 (1606): 340–341. Bibcode : 1900Natur..62..340T . DOI : 10.1038 / 062340b0 . ISSN  0028-0836 .
  2. ^ Леонард Бенедикт Леб (1939). Основные процессы электрического разряда в газах . J. Wiley & Sons, inc . Проверено 22 августа 2012 года .
  3. ^ Леб, Леонард Б .; Кип, Артур Ф. (1939). «Электрические разряды в воздухе при атмосферном давлении. Природа положительных и отрицательных двухточечных корон и механизм распространения искры». 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 в den Funkenkanal". Zeitschrift für Physik . 112 (7–8): 464–489. Bibcode : 1939ZPhy..112..464R . DOI : 10.1007 / BF01340229 . ISSN 1434-6001 . 
  5. Перейти ↑ Meek, J. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор . 57 (8): 722–728. Полномочный код : 1940PhRv ... 57..722M . DOI : 10.1103 / PhysRev.57.722 . ISSN 0031-899X . 
  6. ^ Лу, X., Найдис, Г., Ларуси, М., и Остриков, К. (2014) Управляемые волны ионизации: теория и эксперименты. Physics Reports, Vol. 540, 123166.
  7. ^ Ларусси, М. (2009) Низкотемпературная плазма для медицины. IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 37, 714.
  8. ^ Nijdam, S; ван де Ветеринг, FMJH; Blanc, R; van Veldhuizen, EM; Эберт, У (2010). «Зондирование фотоионизации: эксперименты на положительных стримерах в чистых газах и смесях». Журнал физики D: Прикладная физика . 43 (14): 145204. arXiv : 0912.0894 . Bibcode : 2010JPhD ... 43n5204N . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 43/14/145204 . ISSN 0022-3727 . 
  9. ^ Wormeester, G; Панчешный, С; Луке, А; Nijdam, S; Эберт, У (2010). «Зондирование фотоионизации: моделирование положительных стримеров в различных смесях N 2 : O 2 ». J. Phys. D: Прил. Phys . 43 (50): 505201. arXiv : 1008.3309 . Bibcode : 2010JPhD ... 43X5201W . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 43/50/505201 .
  10. ^ Köhn, C; Чанрион, О; Нойберт, Т. (2017). «Влияние тормозного излучения на стримеры электрического разряда в газовых смесях N 2 , O 2 » . Источники плазмы Sci. Technol . 26 (1): 015006. Bibcode : 2017PSST ... 26a5006K . DOI : 10.1088 / 0963-0252 / 26/1/015006 .
  11. ^ Выбросы Кочкин, P., Kohn, C., Эберт, U., ван Deursen, L. Анализ рентгеновских лучей от масштаба метра отрицательных разрядов в окружающем воздухе. Plasma Sour. Sci. Technol. (2016), т. 25, 044002
  12. ^ Кона, К., Эберт, У. Расчет пучков позитронов, нейтронов и протоновассоциированных с наземной гаммаизлучения вспышек. J. Geophys. Res. Атмос. (2015), т. 120, стр. 1620-1635.
  13. ^ Köhn, C., Ebert, U. Угловое распределение тормозных фотонов и позитронов для расчетов земных вспышек гамма-излучения и пучков позитронов. Атмос. Res. (2014), т. 135–136, с. 432–465.
  14. ^ Корай, В., Аревало, Л., Рахман, М., Dwyer J., Расул, Х. О возможном происхождении рентгеновских лучей в длинных лабораторных искр. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. (2009), т. 71, стр. 1890-1898.
  15. ^ Ускорение Кона, К., Chanrion, О., Нойберт, Т. электронов при кос столкновений в воздухе. Geophys. Res. Lett. (2017), т. 44, стр. 2604-2613.
  16. ^ Кон, К., Chanrion, О., Бабич, Л. П., Нойберт, Т. Streamer свойство и связанные рентгеновские лучи в возмущенном воздухе. Plasma Sour. Sci. Technol. (2018), т. 27, 015017
  17. ^ Выбросы Кона, С., Chanrion, О., Нойберт, Т. высоких энергийиндуцированные флуктуаций плотности воздуха СБРОСОВ. Geophys. Res. Lett. (2018), т. 45, https://doi.org/10.1029/2018GL077788