Стримерный разряд

Стример разряжается в воздух от высоковольтной клеммы большой катушки Тесла . Стримеры формируются на конце заостренного стержня, выступающего из терминала. Сильное электрическое поле на заостренном конце вызывает ионизацию воздуха там.

Видеоклип стримеров с катушки Теслы. Электростатическое отталкивание ионов, ионная рекомбинация и конвекционные токи воздуха из-за нагрева имеют тенденцию разрушать ионизированные области, поэтому стримеры имеют короткий срок службы.

В электромагнетизме стримерный разряд , также известный как нитевой разряд , представляет собой тип переходного электрического разряда , который образуется на поверхности проводящего электрода, несущего высокое напряжение в изолирующей среде, такой как воздух. Стримеры — это светящиеся извивающиеся ветвящиеся искры, плазменные каналы, состоящие из ионизированных молекул воздуха, которые неоднократно выбрасываются из электрода в воздух.

Подобно родственным 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 диэлектрическую прочность воздуха около 30 киловольт на сантиметр. Когда электрическое поле, созданное приложенным напряжением, достигает этого порога, ускоренные электроны воздуха ударяют молекулы с достаточной энергией, чтобы отбить от них другие электроны, ионизируя их, а освобожденные электроны продолжают ударять больше молекул в цепной реакции. Эти электронные лавины ( разряды Таунсенда ) создают ионизированные электропроводящие области в воздухе возле электрода. создаваемый Объемный заряд, лавинами электронов, создает дополнительное электрическое поле, вызывающее рост ионизированной области на ее концах, образуя пальцеобразный разряд, называемый стримером . .

Стримеры бывают кратковременными (существуют лишь короткое 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 молний лидеры создают путь для молний. Стримеры также можно наблюдать в виде спрайтов в верхних слоях атмосферы. Из-за низкого давления спрайты намного больше стримеров при давлении на землю, см. законы подобия ниже.

Большая катушка Тесла, создающая стримерные дуги длиной 3,5 метра (10 футов), что указывает на потенциал в миллионы вольт.

Duration: 9 seconds.0:09

Моделирование положительного стримерного разряда. Слева направо показаны: электрическое поле, плотность электронов, плотность заряда и излучение света.

На этот раз экспозиция стримеров катушки Теслы в стеклянном ящике показывает их нитевидную природу.

История

Теории стримерных разрядов предшествовала Джона Сили Таунсенда . теория разряда примерно с 1900 г.Однако стало ясно, что эта теория иногда не согласовывалась с наблюдениями.Это особенно справедливо для разрядов, которые были более длительными или имели более высокое давление.В 1939 году Леб и Рэтер независимо описали новый тип разряда, основываясь на своих экспериментальных наблюдениях.Вскоре после этого, в 1940 году, Мик представил теорию искрового разряда . что количественно объяснило 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 генерируемая ими плазма сильно неравновесна: электроны имеют гораздо более высокие энергии, чем ионы.Следовательно, химические реакции можно запустить в газе, не нагревая его.Это важно для плазменной медицины, где «плазменные пули» или управляемые стримеры можно использовать для лечения ран, хотя это пока экспериментально.

Стримерная физика

Стримеры могут возникать, когда сильное электрическое поле прикладывается к изолирующему материалу, обычно к газу. Стримеры могут образовываться только в областях, где электрическое поле превышает диэлектрическую прочность (поле пробоя, разрушающее поле) среды. Для воздуха при атмосферном давлении это примерно 30 кВ на сантиметр. Электрическое поле ускоряет те немногие электроны и ионы , 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 , изменяющие направление движения электронов.
• Возбуждения , при которых нейтральная частица возбуждается, а электрон теряет соответствующую энергию.
• Ударная ионизация , при которой нейтральная частица ионизируется, при этом падающий электрон теряет энергию.
• Присоединение , при котором электрон присоединяется к нейтральному элементу, образуя отрицательный ион.

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

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

Позитивные и негативные стримеры

В цепях постоянного тока (DC) стримеры, образующиеся на электродах с положительным и отрицательным напряжением, различаются по внешнему виду и форме в силу разных 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 стримерный канал электрически нейтрален и экранирован тонким слоем пространственного заряда.Это приводит к усилению электрического поля в конце канала, «голове» стримера.И положительные, и отрицательные стримеры растут за счет ударной ионизации в этой области сильного поля, но источник электронов совсем другой.

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 канал стримера.Следовательно, отрицательные стримеры растут более диффузно, чем положительные стримеры.Поскольку диффузный стример имеет меньшее усиление поля, отрицательные стримеры требуют более высоких электрических полей, чем положительные стримеры.Поэтому в природе и приложениях положительные стримеры встречаются гораздо чаще.

Как отмечалось выше, важным отличием является также то, что положительным стримерам для своего распространения необходим источник свободных электронов. Считается, что во многих случаях фотоионизация . этим источником является В газообразных смесях азота и кислорода с высокой концентрацией кислорода возбужденный азот испускает УФ-фотоны, которые впоследствии ионизируют кислород. Однако в чистом азоте или в азоте с небольшими примесями кислорода преобладающим механизмом образования фотонов является процесс тормозного излучения .

Скорость стримера и другие параметры

Электрический стример, строго говоря, представляет собой фронт ионизации в форме растущей нити. Можно выделить, хотя бы приблизительно, набор параметров, характеризующих этот фронт особой формы, таких как скорость его роста, радиус головки и т. д., а также физические законы (уравнения), связывающие эти параметры друг с другом. В одной из теорий электрических стримеров в воздухе стример «выбирает» максимально доступную скорость (при этом другие параметры однозначно определяются указанными законами), аналогично тому, как линейная неустойчивость, например, в плазме, «выбирает» длину волны, которая дает наиболее быстрый рост. Этот подход дает хорошее согласие с экспериментальными данными о положительных скоростях стримеров и отрицательном пороге стримеров. а также с результатами моделирования путем прямого решения гидродинамических уравнений.

Законы подобия

Большинство процессов в стримерном разряде представляют собой двухчастичные процессы, когда электрон сталкивается с нейтральной молекулой.Важным примером является ударная ионизация , при которой электрон ионизирует нейтральную молекулу.Следовательно, длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа .Если электрическое поле изменяется линейно с плотностью газа, то между столкновениями электроны получают в среднем одинаковую энергию.Другими словами, если соотношение между электрическим полем $E$ и плотность чисел $N$ постоянна, мы ожидаем аналогичной динамики.Типичные длины масштабируются как $1/N$, поскольку они связаны со средней длиной свободного пробега.

Это также мотивирует подразделение Таунсенда , которое является физической единицей $E/N$ соотношение.

Эмиссия убегающих электронов и фотонов высоких энергий

В лабораторных экспериментах было замечено, что разряды испускают рентгеновские лучи. и что разряды молний испускают рентгеновские лучи и земные вспышки гамма-излучения , всплески фотонов с энергией до 40 МэВ. Эти фотоны производятся убегающими электронами , электронами, преодолевшими силу трения , в результате процесса тормозного излучения . Однако до конца не понятно, как электроны могут приобретать такие высокие энергии, поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха и теряют энергию. Возможное объяснение — ускорение электронов в усиленных электрических полях кончиков стримеров. Однако неясно, действительно ли этот процесс может объяснить достаточно высокую производительность. Недавно было высказано предположение, что в окрестностях стримерных разрядов окружающий воздух возмущается и что это возмущение способствует ускорению электронов в режим убегания.

Связь между волнами давления и образованием рентгеновских лучей в воздушных разрядах

Волны давления и ударные волны, возникающие при электрических разрядах, способны возмущать воздух вокруг себя до 80%. Однако это 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 самопроизвольное инициирование встречного разряда. увольнять. Недавнее моделирование показало, что такие возмущения способны даже способствовать образованию рентгеновских лучей (с энергией в несколько десятков кэВ) из таких стримерных разрядов, которые производятся убегающими электронами в процессе тормозного излучения .

См. также

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