电晕放电原理
电晕,有时称为单极放电,发生在处于电击穿点之前的电气上受压状态的气体在尖端、边缘或丝附近的高电场区,是汤森暗放电的一个特征现象。在电极周围产生暗辉光,称为电晕放电。
电晕放电电压降比辉光放电大(千伏数量级),但是放电电流较小(微安数量级),往往发生在电极间电场分布不均匀的条件下(若电场分布均匀,放电电流又大,则发生辉光放电)。电晕放电中,电极的几何形状起重要作用。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近,特别是发生在曲率半径很小的电极附近,气体的发光也只发生在这个区域,称为电离区,或叫电晕层或起晕层。形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小,电极形状,极间距离、气体性质和密度等。电晕放电的电压降不取决于外电路中的电阻,而是取决于放电迁移区(电离区之外的区域)的电导。电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极的极性,如果小曲率半径电极带正电位,发生电晕称为正电晕,反之为负电晕。按所加电压类型可将电晕放电分为直流电晕,交流电晕和高频电晕。
电晕放电原理分析
电晕放电有很多重要的工业应用,但也有许多有害效应,因此我们需要从理论上对其产生的条件,原理进行了解。产生电晕放电的条件:气体压强高(一般在一个大气压以上),电场分布很不均匀,并有几千伏以上的电压加到电极上。一个电极或两个电极的曲率半径很小,就会形成不均匀的电场。因此,细的尖端与平面、点与点、金属丝与同轴圆筒两条平行电导线之间以及同轴电缆内部都会形成不均匀电场,在这些电极之间都有可能形成电晕。电晕放电是一种自持放电,在具有强电场的电极表面附近有强烈的激发和电离,并伴有明显的亮光，此处称为电晕层。在电晕层外,由于电场强度低,不足以引起电离,故呈现暗区，称为电晕外区。产生电晕的电压称为起晕电压。电晕放电有以下几种不同形式,它主要依赖于电场的极性与电极的几何形状,对于针一板电极产生的正电晕经历这三个过程,如图所示。电晕初始阶段,在平板电极对应的针状电极上加有正电压,这时的放电是空气中的大气压电晕放电。电极间距为数厘米加上约2000V的电压后,针尖便被薄薄的发光的膜所覆盖,电极间仅有数微安的微电流,这种放电叫辉光电晕(膜伏电晕)。增大电压,发光部分向平均板电极方向伸展,形成刷状电晕,这种电晕放电是处于肉眼无法判断的不稳定的闪烁状态。再进一步增大电压,从针尖伸展出来的发光部分便会触及平极电极,并分成许多线状的发光部分,它们均处于不停的闪烁状态。称为流注电晕。继续增大电压,放电会呈现出各种形态,最终达到大电流稳定流动的火花放电(sparkdis-charge)状态。而对于同样几何形状的负电晕,起火形式为特里切尔(Trichel)脉冲电晕,然后在同样的条件下可转化为无脉冲电晕和火花放电。
电晕放电的不同方式图
( a）爆发式脉冲电晕;(b)流光电晕;(c)辉光电晕;(d)火花放电;(e）特里切尔(Trichel)脉冲电晕;(f）无脉冲电晕;(g）火花放电。
交流电晕则有不同放电形式和发展方向,交流放电是指在交变电压条件下，曲率半径大的电极附近交替出现正电晕和负电晕。它会产生无线电频率的电磁波和显著噪声。
不同的电晕放电类型对等离子体的产生有很大影响,有必要探讨电晕放电机理和特点。
正、负电晕在本质上有很大区别,从其形貌就明显表现出来。一般用汤森放电理论可以说明负电晕的形成机理,认为在针状阴极电晕发光区内存在较强的电离与激发,电流密度大,而负电晕的外围只存在单一的带负电的粒子。而正电晕通常用流柱理论解释其物理过程,主要由于电晕层内强电场中激发粒子的光辐射产生电子即光致电离,所形成的电子在电晕层中引起雪崩放电,产生大量激发和电离,最后电子被阳极收集,正离子经过电晕层,进入电晕外围向阴极迁移。
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