Коронный разряд

Коронный разряд — это форма самостоятельного электрического разряда в газе, возникающая в резко неоднородных электрических полях. Характеризуется ионизацией газа в ограниченной области вблизи электродов с малым радиусом кривизны (острия, тонкие провода, кромки), при которой напряжённость поля локально превышает пробивное значение, но в остальном объёме остаётся недостаточной для пробоя. Визуально коронный разряд проявляется в виде слабого свечения (короны), часто сопровождающегося шипением.

Физическая природа и механизм возникновения

Коронный разряд возникает, когда один или оба электрода имеют малый радиус кривизны (например, остриё, тонкая проволока, лезвие). Вблизи такого электрода напряжённость электрического поля резко возрастает, превышая порог ионизации газа (для воздуха при нормальных условиях — около 3·10⁶ В/м). В этой зоне происходит ударная ионизация: свободные электроны, ускоренные полем, сталкиваются с нейтральными молекулами газа, выбивая из них дополнительные электроны. Образуется лавина электронов и положительных ионов.

Вне зоны короны напряжённость поля падает ниже порога ионизации, поэтому разряд не переходит в искровой или дуговой. Электроны, покидающие зону ионизации, присоединяются к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы (в электроотрицательных газах, таких как воздух). Положительные ионы, двигаясь к катоду, создают вторичную эмиссию электронов, поддерживая разряд.

Виды коронного разряда

Коронные разряды классифицируют по полярности электрода, на котором возникает корона, и по форме электродов.

По полярности

• Положительная корона возникает на аноде (положительном электроде). Характеризуется равномерным свечением и более низким напряжением зажигания по сравнению с отрицательной короной при прочих равных условиях. В положительной короне ионизация происходит вблизи электрода, а положительные ионы уходят в межэлектродное пространство.
• Отрицательная корона возникает на катоде (отрицательном электроде). Имеет вид отдельных светящихся точек или «кистей» на поверхности электрода. Для её поддержания требуется более высокое напряжение. В отрицательной короне электроны уходят от электрода, а положительные ионы бомбардируют катод, вызывая вторичную эмиссию.
• Переменная корона возникает при переменном напряжении. Её характеристики меняются в течение полупериода: на положительной полуволне формируется положительная корона, на отрицательной — отрицательная. При высоких частотах (сотни килогерц и выше) разряд может переходить в факельный или высокочастотный факел.

По геометрии электродов

• Остриё — плоскость: классическая конфигурация, где корона возникает на острие.
• Провод — цилиндр (коаксиальная система): используется в электрофильтрах и озонаторах. Внутренний провод малого диаметра является коронирующим электродом.
• Два провода: корона возникает на обоих проводах, если они имеют малый диаметр и расположены на достаточном расстоянии.

Условия возникновения и параметры

Для возникновения и поддержания коронного разряда необходимо выполнение нескольких условий:

1. Резкая неоднородность поля: наличие электрода с малым радиусом кривизны.
2. Напряжение выше порогового: напряжение между электродами должно превышать начальное напряжение короны (U₀). Для системы «остриё — плоскость» в воздухе при нормальных условиях U₀ составляет от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт в зависимости от радиуса острия и расстояния до плоскости.
3. Давление газа: коронный разряд возникает при давлениях от долей атмосферы до десятков атмосфер. При пониженном давлении область короны расширяется, при повышенном — сжимается.
4. Состав газа: в электроотрицательных газах (кислород, воздух, галогены) корона устойчива благодаря образованию отрицательных ионов. В инертных газах (гелий, аргон) корона возникает при более низких напряжениях, но менее стабильна.

Ток коронного разряда обычно мал — от микроампер до миллиампер. Мощность, рассеиваемая в разряде, невелика (доли ватта — единицы ватт). Вольт-амперная характеристика коронного разряда описывается приближённой формулой (для цилиндрической геометрии): \[ I = k \cdot U \cdot (U - U_0) \] где \( I \) — ток короны, \( U \) — приложенное напряжение, \( U_0 \) — начальное напряжение короны, \( k \) — коэффициент, зависящий от геометрии и подвижности ионов.

Применение коронного разряда

Коронный разряд нашёл широкое применение в технике, промышленности и научных исследованиях благодаря способности генерировать ионы и активные частицы без нагрева газа.

Электрофильтры

Основное промышленное применение — очистка газов от взвешенных частиц (пыли, тумана). В электрофильтрах газ пропускается между коронирующими (обычно отрицательными) и осадительными (заземлёнными) электродами. Ионы, образующиеся в короне, заряжают частицы пыли, которые затем под действием электрического поля осаждаются на осадительных электродах. Эффективность очистки достигает 99,9 %. Электрофильтры используются на тепловых электростанциях, в цементной, металлургической, химической промышленности.

Озонаторы

Коронный разряд в воздухе или кислороде является эффективным способом получения озона (O₃). В промышленных озонаторах используется коаксиальная система электродов (провод внутри стеклянной трубки или металлического цилиндра). Разряд в зазоре между проводом и диэлектриком (барьерный разряд, часто называемый тихим разрядом, является разновидностью коронного) генерирует озон. Озон применяется для обеззараживания воды и воздуха, отбеливания бумаги, в химическом синтезе.

Копировальные аппараты и лазерные принтеры

В электрофотографии (ксерографии) коронный разряд используется для зарядки фотобарабана и переноса тонера на бумагу. Коронирующий провод (коротрон) создаёт однородный поток ионов, заряжающий поверхность барабана до высокого потенциала (сотни вольт).

Ионизаторы воздуха

Бытовые и промышленные ионизаторы используют коронный разряд для генерации отрицательных ионов, которые, по некоторым данным, улучшают качество воздуха и оказывают благоприятное воздействие на здоровье. Также ионизаторы применяются для нейтрализации статического электричества.

Детекторы и счётчики

• Счётчик Гейгера-Мюллера: в основе работы лежит коронный разряд. Ионизирующая частица, попадая в газонаполненный объём, создаёт первичные ионы, которые запускают лавину, формируя импульс тока.
• Детекторы утечки газа: коронный разряд чувствителен к составу газа. Изменение тока короны при попадании примесей используется в газоанализаторах.

Высоковольтная техника

Коронный разряд является нежелательным явлением на линиях электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения. Он приводит к потерям энергии (мощность потерь на корону может составлять десятки киловатт на километр для ЛЭП 500-750 кВ), создаёт радиопомехи и слышимый шум. Для борьбы с короной провода ЛЭП изготавливают расщеплёнными (несколько проводов в фазе), увеличивая эквивалентный радиус.

Коронный разряд в природе

В природе коронный разряд наблюдается в виде огней святого Эльма — свечения на острых предметах (мачтах кораблей, шпилях зданий, вершинах гор) во время грозы или при сильной электризации атмосферы. Это свечение возникает из-за высокой напряжённости электрического поля вблизи заземлённых объектов.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, коронный разряд имеет ряд недостатков:

• Низкая энергетическая эффективность: большая часть энергии расходуется на нагрев газа, а не на ионизацию.
• Образование вредных побочных продуктов: в воздухе коронный разряд генерирует озон (O₃) и оксиды азота (NOₓ), которые при высоких концентрациях токсичны. Это накладывает ограничения на использование ионизаторов в жилых помещениях без контроля концентрации озона.
• Нестабильность: при превышении определённого напряжения коронный разряд переходит в искровой или дуговой, что может привести к повреждению оборудования.
• Зависимость от внешних условий: характеристики короны сильно зависят от влажности, температуры, давления и состава газа.

Источники

• Райзер Ю. П. «Физика газового разряда». — М.: Наука, 1987.
• Капцов Н. А. «Коронный разряд и его применение в электрофильтрах». — М.: Госэнергоиздат, 1947.
• Лёб Л. Б. «Основные процессы электрических разрядов в газах». — М.: Гостехиздат, 1950.
• «Энциклопедия низкотемпературной плазмы» / Под ред. В. Е. Фортова. — М.: Наука, 2000.
• Самойлович В. Г., Гибалов В. И., Козлов К. В. «Физическая химия барьерного разряда». — М.: МГУ, 1989.