Corona-Entladung
Corona-Entladung - Dies ist ein Phänomen, das mit der Ionisierung von Luft in einem elektrischen Feld mit hoher Intensität verbunden ist (Glühen von Gasen in einem ungleichmäßigen elektrischen Feld mit hoher Intensität).
Aufgrund der Inhomogenität des elektrischen Feldes entstehen häufig Bereiche mit hoher Spannung, die auftreten:
1) Bei der Auswahl falscher Parameter während des Designprozesses;
2) Als Folge von Verunreinigungen während der Arbeit;
3) Infolge mechanischer Beschädigung und Verschleiß der Ausrüstung.
Ähnliche Felder bilden sich an Elektroden mit sehr großer Oberflächenkrümmung (Punkte, dünne Drähte). Wenn die Feldstärke den Grenzwert für Luft (ca. 30 kV/cm) erreicht, entsteht um die Elektrode herum ein Leuchten, das wie eine Muschel oder Krone aussieht (daher der Name). Die Koronaentladung wird verwendet, um Gase von Staub und anderen Verunreinigungen (Elektrofilter) zu reinigen und den Zustand von Strukturen zu diagnostizieren (ermöglicht die Erkennung von Rissen in Produkten). Das Auftreten einer Koronaentladung auf Stromleitungen ist unerwünscht, da sie zu erheblichen Verlusten an übertragener Energie führt. Um die relative Krümmung der Elektroden zu verringern, werden Mehrdrahtleitungen (3, 5 oder mehr Drähte, die in einer bestimmten Weise angeordnet sind) verwendet.
Arten von Kronen und ihre Identifizierung
Negative „flammenartige“ Krone. Diese Art von Korona entsteht meist an einem negativ geladenen Leiter, beispielsweise während der negativen Halbwelle der Netzspannung. Diese Art von Krone sieht aus wie eine Flamme, deren Form, Richtung und Größe sich ständig ändern. Diese Korona reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Umweltparameter. Sein Auftreten führt auch zum Auftreten eines Audiosignals mit etwa dem Doppelten der Industriefrequenz (z. B. 100 Hz) oder einem Vielfachen davon.
Ausbrüche
Störungen treten meist zwischen zwei isolierten, aber nahe beieinander liegenden Metallplatten auf. Der Leckstrom entlang des Trägers induziert bestimmte Spannungsniveaus zwischen den Platten und damit eine Entladung zwischen ihnen. Diese Entladungen sind meist schwer zu lokalisieren, da keine direkte Verbindung zur Hochspannungsleitung besteht. In der CoroCAM-Kamera erscheinen diese Funkenstrecken als kleine, dauerhafte und sehr helle Objekte. Der von diesen Entladungen erzeugte Ton hat eine höhere Tonhöhe als der von negativen Koronas und scheint nichts mit der Netzfrequenz zu tun zu haben. Funkenstrecken verursachen in der Regel große Funk- und Fernsehstörungen (z. B. hohe RI – Funkstörungen).
Positive Glimmkoronaentladung
An einem positiv geladenen Leiter entsteht eine positive Glimmkoronaentladung (z. B. während der positiven Halbwelle der Netzspannung). Es kommt normalerweise in Bereichen mit scharfen Ecken vor. Diese Art von Krone ist klein und erscheint als Glühen um eine bestimmte Stelle herum. Dies ist eine relativ schwache Koronaentladungsquelle und erzeugt nur ein sehr geringes hörbares Signal.
Wie schwerwiegend ist Corona/Ausfluss vom Auftreten her?Funkstörspannung (RIV)?
Allgemeine Bemerkungen:
Alle Funkenstrecken verursachen schwere Funkstörungen.
Wenn die Korona mit bloßem Auge (nachts) vollständig sichtbar ist, kommt es zu starken Funkstörungen. (Verwenden Sie die CoroCAM, um alle Koronaquellen schnell zu lokalisieren und versuchen Sie dann, sie mit bloßem Auge zu erkennen.)
Positive Glimmkorona verursacht keine nennenswerten Funkstörungen.
Anwendung der Koronaentladung
Elektrische Gasreinigung (Elektrofilter).
Ein mit Rauch gefülltes Gefäß wird plötzlich völlig transparent, wenn scharfe Metallelektroden, die an eine elektrische Maschine angeschlossen sind, hineingesteckt werden und sich alle festen und flüssigen Partikel an den Elektroden ablagern. Die Erklärung für das Experiment lautet wie folgt: Sobald die Korona im Draht gezündet wird, wird die Luft im Inneren der Röhre stark ionisiert. Gasionen haften an Staubpartikeln und laden diese auf. Da im Rohrinneren ein starkes elektrisches Feld herrscht, bewegen sich geladene Staubpartikel unter dem Einfluss des Feldes zu den Elektroden, wo sie sich absetzen.
Partikelzähler.
Ein Geiger-Müller-Partikelzähler besteht aus einem kleinen Metallzylinder, der mit einem mit Folie bedeckten Fenster und einem dünnen Metalldraht ausgestattet ist, der entlang der Zylinderachse gespannt und von diesem isoliert ist. Das Messgerät ist an einen Stromkreis angeschlossen, der eine Stromquelle enthält, deren Spannung mehrere tausend Volt beträgt. Die Spannung wird so gewählt, dass im Messgerät eine Koronaentladung auftritt.
Wenn ein sich schnell bewegendes Elektron in den Zähler eintritt, ionisiert dieses die Gasmoleküle im Inneren des Zählers, wodurch die zum Zünden der Korona erforderliche Spannung leicht abnimmt. Im Messgerät kommt es zu einer Entladung und im Stromkreis entsteht ein schwacher Kurzzeitstrom. Um es zu erkennen, wird ein sehr hoher Widerstand (mehrere Megaohm) in den Stromkreis eingeführt und ein empfindliches Elektrometer parallel dazu geschaltet. Jedes Mal, wenn ein schnelles Elektron auf den Zähler trifft, biegt sich die Elektrometerplatte nach außen.
Solche Zähler ermöglichen die Registrierung nicht nur schneller Elektronen, sondern generell aller geladenen, sich schnell bewegenden Teilchen, die durch Stöße eine Ionisation erzeugen können. Moderne Zähler erkennen problemlos den Eintritt auch nur eines Teilchens in sie und ermöglichen so den absolut zuverlässigen und klaren Nachweis, dass geladene Elementarteilchen tatsächlich in der Natur existieren.
Blitzableiter
Schätzungen zufolge ereignen sich in der Atmosphäre des gesamten Globus gleichzeitig etwa 1.800 Gewitter, die durchschnittlich etwa 100 Blitzeinschläge pro Sekunde verursachen. Und obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass jemand vom Blitz getroffen wird, vernachlässigbar gering ist, verursachen Blitze dennoch großen Schaden. Es genügt der Hinweis, dass heute etwa die Hälfte aller Unfälle in großen Stromleitungen durch Blitze verursacht werden. Daher ist der Blitzschutz eine wichtige Aufgabe.
Lomonosov und Franklin erklärten nicht nur die elektrische Natur von Blitzen, sondern zeigten auch, wie ein Blitzableiter zum Schutz vor Blitzeinschlägen gebaut werden könnte. Ein Blitzableiter ist ein langer Draht, dessen oberes Ende über dem höchsten Punkt des geschützten Gebäudes zugespitzt und verstärkt ist. Das untere Ende des Drahtes ist mit einem Metallblech verbunden und das Blech wird auf Höhe des Bodenwassers in der Erde vergraben. Während eines Gewitters entstehen auf der Erde große induzierte Ladungen und an der Erdoberfläche entsteht ein großes elektrisches Feld. Seine Spannung ist in der Nähe scharfkantiger Leiter sehr hoch, weshalb am Ende des Blitzableiters eine Koronaentladung gezündet wird. Dadurch können sich induzierte Ladungen nicht am Gebäude ansammeln und es kommt nicht zu Blitzschlägen. In den Fällen, in denen es zu einem Blitz kommt (und solche Fälle sind sehr selten), trifft er auf den Blitzableiter und die Ladungen gelangen in die Erde, ohne das Gebäude zu beschädigen.
In manchen Fällen ist die Koronaentladung eines Blitzableiters so stark, dass an der Spitze ein deutlich sichtbares Leuchten entsteht. Dieses Leuchten erscheint manchmal in der Nähe anderer spitzer Gegenstände, beispielsweise an den Enden von Schiffsmasten, spitzen Baumkronen usw. Dieses Phänomen wurde vor mehreren Jahrhunderten bemerkt und löste bei Seeleuten, die sein wahres Wesen nicht verstanden, abergläubischen Schrecken aus.
Unter dem Einfluss einer Koronaentladung
Elektrofilter sind die effektivsten Gasreinigungsgeräte, weil... Die Betriebskosten für ihre Wartung sind im Vergleich zu anderen Staub- und Ascheabscheidern viel niedriger. Gleichzeitig erfüllen Elektrofilter die Anforderungen an ein absolutes Staubsammelgerät am besten.
Die Anlage zur elektrischen Gasreinigung umfasst einen Elektrofilter und ein Aggregat. Das zu reinigende Gas gelangt in einen Elektrofilter, dessen Elektroden mit Hochspannung versorgt werden; zwischen den Elektroden kommt es zu einer Koronaentladung, wodurch der Zwischenelektrodenraum mit negativ geladenen Gasionen gefüllt wird, die unter dem Einfluss von Ein elektrisches Feld bewegt sich von den Koronaelektroden zu den Niederschlagselektroden.
Niederschlagselektroden werden in Platten-, Rohr-, Kasten-, Stab-, Taschen-, gerillte, C-förmige, tulpenförmige usw. unterteilt.
Basierend auf der Methode der Staubentfernung werden Elektrofilter in Nass- und Trockenfilter unterteilt. Bei trockenen Elektrofiltern erfolgt das Schütteln der Elektroden durch Hammerschlag-, Stoßimpuls-, Vibrationsmethoden usw. Bei nassen Elektrofiltern erfolgt ein periodisches oder kontinuierliches Waschen der Elektroden. Basierend auf der Bewegungsrichtung des gereinigten Gases werden Elektrofilter in vertikale und horizontale unterteilt. Darüber hinaus können elektrostatische Abscheider Einzonenfilter sein, bei denen die Aufladung und Sedimentation der Partikel in einer Zone erfolgt, und Zweizonenfilter, bei denen die Aufladung und Sedimentation in verschiedenen Zonen erfolgt: dem Ionisator und dem Abscheider.
Rohrförmiger Elektrofilter Sturtevant
Nach dem Prinzip der Erzeugung einer Koronaentladung gibt es Elektrofilter mit festen Koronaentladungsstellen und nicht festen Koronaentladungsstellen.
Anhand der Art der Koronaelektrodensysteme lassen sich Elektrofilter in zwei Hauptgruppen einteilen: mit Rahmenkoronaelektroden und mit freihängenden Koronaelektroden. Das Schütteln der Sammel- und Koronaelektroden erfolgt durch Schlagen, Hammerschütteln, Stoßimpulssystem, Vibrationsmechanismen, periodisches und kontinuierliches Waschen.
Die Physik der Koronaentladung wird ausführlich in N.A. Kaptsovs 1947 erschienenem Buch „Corona-Entladung und ihre Anwendung in Elektrofiltern“ erörtert. Das Phänomen der elektrischen Entladung in Gasen wird durch mehrere Entladungstheorien erklärt. Der Grundstein für die erste Theorie – die Lawinentheorie – wurde 1900 von Townsend gelegt. 30 Jahre später wurde sie in den Werken von Rogowski weiterentwickelt und, wie N.A. Kaptsov schreibt, „bis jetzt als Erklärungsgrundlage gedient.“ die Phänomene der Koronaentladung.“ Die zweite Theorie – die Theorie des Gasentladungsplasmas – wurde seit 1924 von Langrum und seiner Schule entwickelt, steht aber laut N.A. Kaptsov nicht in direktem Zusammenhang mit der Erklärung der Physik der Koronaentladung. Die dritte Theorie – die Theorie des isothermen Plasmas – wurde in den Vorkriegsjahren von Elenbas und anderen niederländischen Physikern entwickelt.
Elektrofilter RION-S
Die vierte Theorie, die Streamer-Theorie, taucht in Loebs Werk auf und wurde durch „zahlreiche Versuche, die in den frühen Stadien von Blitzen und Funkenentladungen im Allgemeinen beobachteten Phänomene zu erklären“ angeregt.
Im selben Jahr 1947 erschien ein weiteres Buch von N.A. Kaptsov – „Elektrische Phänomene in Gasen und Vakuum“, in dem er die Natur der Koronaentladung wie folgt erklärte:
„Eine Koronaentladung tritt bei relativ hohen Drücken überall dort auf, wo das Feld im Entladungsspalt aufgrund des kleinen Krümmungsradius der Oberfläche einer oder beider Elektroden sehr ungleichmäßig ist. Bei einer Koronaentladung kommt es zu einem unvollständigen Durchschlag der Gasentladungsstrecke, der mit einem anschließenden Funkendurchschlag abgeschlossen wird.“
Jeder weiß, dass es verschiedene Arten elektrischer Entladungen gibt. Aber nicht jeder erinnert sich daran, wie sie sind und wie sie sich voneinander unterscheiden. Versuchen wir es herauszufinden.
Beginnen wir mit der Tatsache, dass es 4 Arten von Entladungen gibt: Glimm-, Funken-, Korona- und Bogenentladungen.
Glimmentladung
Betrachten Sie zwei Elektroden, die in ein Glasrohr eingelötet sind. Lassen Sie uns etwas Spannung zwischen den Elektroden anlegen. Damit wir einen Funken sehen können, muss es zu einem Luftdurchschlag kommen. Bei Atmosphärendruck reicht diese Spannung jedoch nicht aus. Reduzieren wir den Druck im Schlauch! Zuerst sehen wir eine unabhängige Entladung (die auch nach dem Abschalten der Spannung brennt) in Form eines dünnen Kabels. Wenn der Druck weiter reduziert wird, wird die Schnur heller und stärker, bis sie die gesamte Röhre ausfüllt. Aber das Leuchten wird die Röhre ungleichmäßig füllen. Wir nennen diese Entladung Schwelen.
Somit ist eine Glimmentladung eine unabhängige (das ist wichtig) Entladung, die in einem Gas bei reduziertem Druck auftritt, bei der eine der Elektroden (Kathode) aufgrund des Beschusses durch positive Ionen im Gas Elektronen emittiert. Es ist auch erwähnenswert, dass die Dicke des Kabels vom Druck * dem Abstand zwischen den Elektroden abhängt.
Wir laden Sie ein, sich ein wunderbares Video anzusehen, das Ihr Verständnis der Natur dieses Phänomens deutlich ergänzt und ein hervorragendes Experiment demonstriert!
Funkenentladung
Schauen wir uns nun eine Funkenentladung an. Hier ist alles einfacher: Es hat die Form eines Blitzes – also die Form gestrichelter Linien, die Funkenkanäle genannt werden. Ein Blitz ist eine Funkenentladung und die Elektroden sind Boden-Wolken-Paare oder zwei Wolken.
Es kann sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstromquellen bezogen werden. Außerdem tritt sie im Gegensatz zu einer Glimmentladung bei Drücken in der Größenordnung des Atmosphärendrucks auf. Der Strom bei dieser Art der Entladung ist normalerweise schwächer als bei einer Glimmentladung.
Und der Mechanismus für die Entstehung solcher Entladungen ist ganz einfach: Die elektrische Feldstärke ist ausreichend hoch, sodass das Elektron in diesem Feld zwischen benachbarten Kollisionen etwas Energie gewinnen kann. Und diese Energie reicht aus, um Luftmoleküle – zum Beispiel Stickstoff und Sauerstoff – zu ionisieren. Danach kommt es zu einem lawinenartigen Anstieg der Elektronenzahl – es entsteht ein Funke. Aber warum können wir es sehen? Elektronen ionisieren Moleküle nicht nur, sondern regen sie auch an (sog. Rekombination). Diese Anregungsenergie wird in Strahlung umgewandelt, die wir beobachten können.
Ein weiteres interessantes Phänomen ist eine Gleitfunkenentladung. Es entsteht auf der Oberfläche eines festen Dielektrikums an der Grenze zu einem Gas, wenn die Feldstärke zwischen den Elektroden höher ist als die Durchschlagsstärke des Gases (Luft). Diese Entladung hinterlässt wunderschöne Muster auf der Oberfläche, sogenannte Lichtenberg-Figuren.
Lichtenberg-Figuren auf der Oberfläche einer Plexiglasplatte
Corona-Entladung
Frühere Entladungen fanden in einem gleichmäßigen elektrischen Feld statt. Und wenn es sehr inhomogen ist, kann darin eine Koronaentladung auftreten. Was ist es?
Am häufigsten tritt eine Inhomogenität auf, wenn die Oberfläche einer der Elektroden eine starke Krümmung aufweist (dünner Draht, Spitze). Und um diese Elektrode herum entsteht ein charakteristisches Leuchten, das wie eine Muschel oder Krone aussieht – daher der Name.
Eine interessante Tatsache ist, dass in diesem Fall das Vorhandensein einer zweiten Elektrode nicht erforderlich ist: Sie können als umgebende geerdete Objekte dienen. Übrigens ist das St. Elmo-Feuer, das sich manchmal an den Enden des Matcha bildet, eine Kronenentladung.
Der Entstehungsprozess dieser Art von Entladung ist bei positiv und negativ geladenen Elektroden unterschiedlich. Bei einer negativen Elektrode entsteht das Glühen wie eine Funkenentladung: Dank des elektrischen Feldes gewinnen Elektronen entlang ihrer freien Wegstrecke (dem Abstand zwischen benachbarten Kollisionen) ausreichend Energie, um Luftatome zu ionisieren. In diesem Fall entsteht jedoch kein Funke, da mit zunehmendem Abstand von der Elektrode die Feldstärke aufgrund der Inhomogenität stärker abnimmt. Aber wenn wir die Spannung erhöhen könnten, dann würden wir ja eine Funkenentladung bekommen.
Bei einer positiven Elektrode kann sich eine Korona nur an einer Elektrode mit großem Krümmungsradius bilden. Das elektrische Feld an der Elektrode selbst ist dagegen recht schwach, sodass Elektronen aufgrund der Feldstärke nicht beschleunigt werden können. Daher findet hier eine Volumenionisation statt, die durch Elektronen in der Nähe der positiven Elektrode erzeugt wird. Aber genau wie bei einer negativen Elektrode kommt es mit zunehmender Feldstärke zu einer Funkenentladung.
Bogenentladung
Lassen Sie uns eine Funkenentladung reproduzieren. Wenn wir nun den Abstand zwischen den Elektroden verringern, hört die Entladung irgendwann auf, intermittierend zu sein, und wird kontinuierlich. Eine solche Entladung wird als Bogenentladung bezeichnet.
Daher haben wir uns 4 verschiedene Arten von Entladungen angesehen. Wie Sie wahrscheinlich bemerkt haben, sind einige von ihnen eng mit anderen Typen verwandt und wir können einen Typ von einem anderen ableiten. Dies beweist einmal mehr, dass die Natur eins ist und unterschiedliche Phänomene oft einfach unterschiedliche Facetten desselben physikalischen Phänomens sind.
Eine große Abteilung Krieger des antiken Roms befand sich auf einem Nachtfeldzug. Ein Gewitter nahte. Und plötzlich erschienen Hunderte bläulicher Lichter über der Truppe. Die Spitzen der Speere der Krieger leuchteten auf. Es schien, als würden die eisernen Speere der Soldaten brennen, ohne zu brennen!
Damals kannte niemand die Natur dieses erstaunlichen Phänomens, und die Soldaten entschieden, dass ein solcher Glanz auf den Speeren ihren Sieg ankündigte. Dann wurde dieses Phänomen die Feuer von Castor und Pollux genannt – nach den mythologischen Zwillingshelden. Und später wurden sie in Elmos Lichter umbenannt – nach dem Namen der Kirche St. Elmo in Italien, wo sie auftauchten.
Besonders häufig wurden solche Lichter an den Masten von Schiffen beobachtet. Der römische Philosoph und Schriftsteller Lucius Seneca sagte, dass während eines Gewitters „die Sterne scheinbar vom Himmel herabsteigen und auf den Masten von Schiffen sitzen“. Unter den zahlreichen Geschichten dazu ist die Aussage des Kapitäns eines englischen Segelschiffs interessant.
Dies geschah im Jahr 1695 im Mittelmeer, in der Nähe der Balearen, während eines Gewitters. Aus Angst vor einem Sturm befahl der Kapitän, die Segel zu holen. Und dann sahen die Matrosen mehr als dreißig Elmo-Lichter an verschiedenen Stellen des Schiffes. An der Wetterfahne des großen Mastes erreichte das Feuer eine Höhe von mehr als einem halben Meter. Der Kapitän schickte einen Matrosen mit dem Befehl, es zu entfernen. Als er die Treppe hinaufstieg, schrie er, dass das Feuer zischte wie eine Rakete aus rohem Schießpulver. Ihm wurde befohlen, es zusammen mit der Wetterfahne abzunehmen und herunterzubringen. Doch sobald der Seemann die Wetterfahne entfernte, sprang das Feuer auf das Ende des Mastes über, von wo aus es unmöglich war, es zu entfernen.
Ein noch eindrucksvolleres Bild sahen 1902 die Matrosen des Schiffes Moravia. Während er vor den Kapverdischen Inseln war, schrieb Kapitän Simpson in das Schiffstagebuch: „Eine ganze Stunde lang zuckten Blitze im Meer. Die Stahlseile, die Mastspitzen, die Nocken, die Enden der Ladebäume – alles glühte. Es schien, als ob alle vier Fuß beleuchtete Lampen auf den Achterdecks hingen und helle Lichter an den Enden der Masten und Docks leuchteten.“ Das Leuchten wurde von einem ungewöhnlichen Geräusch begleitet:
„Es war, als hätten sich unzählige Zikaden in den Geräten niedergelassen, oder als würden totes Holz und trockenes Gras mit knisterndem Geräusch brennen …“
St. Elmo's Fire ist vielfältig. Sie kommen in Form eines gleichmäßigen Leuchtens vor, in Form einzelner flackernder Lichter, Fackeln. Manchmal sehen sie so sehr wie Flammen aus, dass sie sich beeilen, sie zu löschen.
Der amerikanische Meteorologe Humphrey, der die Elmo-Lichter auf seiner Ranch beobachtete, bezeugt: Dieses Naturphänomen, „das jeden Bullen in ein Monster mit feurigen Hörnern verwandelt, erweckt den Eindruck von etwas Übernatürlichem.“ Dies wird von einer Person gesagt, die aufgrund ihrer Position nicht in der Lage ist, scheinbar von solchen Dingen überrascht zu werden, sondern sie ohne unnötige Emotionen akzeptieren und sich nur auf ihren gesunden Menschenverstand verlassen muss.
Wir können mit Sicherheit sagen, dass es trotz der – wenn auch alles andere als universellen – Dominanz der naturwissenschaftlichen Weltanschauung auch heute noch Menschen geben wird, die, wenn sie an Humphreys Stelle wären, in den feurigen Stierhörnern etwas sehen würden, das sich der Kontrolle der Vernunft entzieht . Zum Mittelalter gibt es nichts zu sagen: Dann würden dieselben Hörner höchstwahrscheinlich als Machenschaften Satans angesehen werden.
Koronaentladung, elektrische Korona, eine Art Glimmentladung, die auftritt, wenn in der Nähe einer oder beider Elektroden eine ausgeprägte Inhomogenität des elektrischen Feldes vorliegt. Ähnliche Felder bilden sich an Elektroden mit sehr großer Oberflächenkrümmung (Punkte, dünne Drähte). Bei einer Koronaentladung sind diese Elektroden von einem charakteristischen Glanz umgeben, der auch Korona oder Koronaschicht genannt wird.
Der nicht leuchtende („dunkle“) Bereich des Zwischenelektrodenraums neben der Korona wird als äußere Zone bezeichnet. Korona tritt häufig an hohen, spitzen Gegenständen (Elmos-Lichtern), in der Nähe von Stromleitungen usw. auf. Eine Koronaentladung kann bei verschiedenen Gasdrücken in der Entladungsstrecke auftreten, sie macht sich jedoch am deutlichsten bei Drücken nicht unter dem Atmosphärendruck bemerkbar.
Das Auftreten einer Koronaentladung wird durch eine Ionenlawine erklärt. In einem Gas gibt es immer eine bestimmte Anzahl von Ionen und Elektronen, die aus zufälligen Gründen entstehen. Allerdings ist ihre Zahl so gering, dass das Gas praktisch keinen Strom leitet.
Bei einer ausreichend hohen Feldstärke kann die kinetische Energie, die das Ion in der Zeit zwischen zwei Kollisionen akkumuliert, ausreichen, um bei der Kollision ein neutrales Molekül zu ionisieren. Dadurch entstehen ein neues negatives Elektron und ein positiv geladener Rest – ein Ion.
Wenn ein freies Elektron mit einem neutralen Molekül kollidiert, spaltet es dieses in ein Elektron und ein freies positives Ion. Elektronen spalten bei weiterer Kollision mit neutralen Molekülen diese wieder in Elektronen und freie positive Ionen usw. auf.
Dieser Ionisationsprozess wird Stoßionisation genannt, und die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen, wird Ionisationsarbeit genannt. Die Ionisationsarbeit hängt von der Struktur des Atoms ab und ist daher für verschiedene Gase unterschiedlich.
Unter dem Einfluss der Stoßionisation gebildete Elektronen und Ionen erhöhen die Ladungszahl im Gas, geraten wiederum unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Bewegung und können eine Stoßionisation neuer Atome bewirken. Dadurch verstärkt sich der Prozess und die Ionisierung im Gas erreicht schnell einen sehr großen Wert. Das Phänomen ähnelt einer Schneelawine, daher wurde dieser Vorgang als Ionenlawine bezeichnet.
Spannen wir einen Metalldraht mit einem Durchmesser von mehreren Zehntel Millimetern auf zwei hohe Isolierträger und schließen ihn an den Minuspol eines Generators an, der eine Spannung von mehreren tausend Volt erzeugt. Wir werden den zweiten Pol des Generators zur Erde bringen. Das Ergebnis ist eine Art Kondensator, dessen Platten der Draht und die Wände des Raumes sind, die natürlich mit der Erde kommunizieren.
Das Feld in diesem Kondensator ist sehr inhomogen und seine Intensität in der Nähe eines dünnen Drahtes ist sehr hoch. Wenn Sie die Spannung schrittweise erhöhen und den Draht im Dunkeln beobachten, können Sie feststellen, dass bei einer bestimmten Spannung in der Nähe des Drahtes ein schwaches Leuchten (Corona) auftritt, das den Draht von allen Seiten bedeckt. es wird von einem Zischen und einem leichten Knistern begleitet.
Wenn zwischen dem Draht und der Quelle ein empfindliches Galvanometer angeschlossen ist, zeigt das Galvanometer beim Auftreten eines Glühens einen spürbaren Strom an, der vom Generator durch die Drähte zum Draht und von diesem durch die Raumluft zu den Wänden fließt; Zwischen dem Draht und den Wänden wird es durch Ionen übertragen, die durch Stoßionisation im Raum entstehen.
Das Leuchten der Luft und das Auftreten von Strom weisen somit auf eine starke Ionisierung der Luft unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes hin. Eine Koronaentladung kann nicht nur in der Nähe des Drahtes auftreten, sondern auch an der Spitze und allgemein in der Nähe von Elektroden, in deren Nähe sich ein sehr starkes inhomogenes Feld bildet.
Anwendung der Koronaentladung
Elektrische Gasreinigung (Elektrofilter). Ein mit Rauch gefülltes Gefäß wird plötzlich völlig transparent, wenn scharfe Metallelektroden, die an eine elektrische Maschine angeschlossen sind, hineingesteckt werden und sich alle festen und flüssigen Partikel an den Elektroden ablagern. Die Erklärung für das Experiment lautet wie folgt: Sobald die Korona im Draht gezündet wird, wird die Luft im Inneren der Röhre stark ionisiert. Gasionen haften an Staubpartikeln und laden diese auf. Da im Rohrinneren ein starkes elektrisches Feld herrscht, bewegen sich geladene Staubpartikel unter dem Einfluss des Feldes zu den Elektroden, wo sie sich absetzen.
Partikelzähler
Ein Geiger-Müller-Partikelzähler besteht aus einem kleinen Metallzylinder, der mit einem mit Folie bedeckten Fenster und einem dünnen Metalldraht ausgestattet ist, der entlang der Zylinderachse gespannt und von diesem isoliert ist. Das Messgerät ist an einen Stromkreis angeschlossen, der eine Stromquelle enthält, deren Spannung mehrere tausend Volt beträgt. Die Spannung wird so gewählt, dass im Messgerät eine Koronaentladung auftritt.
Wenn ein sich schnell bewegendes Elektron in den Zähler eintritt, ionisiert dieses die Gasmoleküle im Inneren des Zählers, wodurch die zum Zünden der Korona erforderliche Spannung leicht abnimmt. Im Messgerät kommt es zu einer Entladung und im Stromkreis entsteht ein schwacher Kurzzeitstrom. Um es zu erkennen, wird ein sehr hoher Widerstand (mehrere Megaohm) in den Stromkreis eingeführt und ein empfindliches Elektrometer parallel dazu geschaltet. Jedes Mal, wenn ein schnelles Elektron auf den Zähler trifft, biegt sich die Elektrometerplatte nach außen.
Solche Zähler ermöglichen die Registrierung nicht nur schneller Elektronen, sondern generell aller geladenen, sich schnell bewegenden Teilchen, die durch Stöße eine Ionisation erzeugen können. Moderne Zähler erkennen problemlos den Eintritt auch nur eines Teilchens in sie und ermöglichen so den absolut zuverlässigen und klaren Nachweis, dass geladene Elementarteilchen tatsächlich in der Natur existieren.
Blitzableiter
Schätzungen zufolge ereignen sich in der Atmosphäre des gesamten Globus gleichzeitig etwa 1.800 Gewitter, die durchschnittlich etwa 100 Blitzeinschläge pro Sekunde verursachen. Und obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass jemand vom Blitz getroffen wird, vernachlässigbar gering ist, verursachen Blitze dennoch großen Schaden. Es genügt der Hinweis, dass derzeit etwa die Hälfte aller Unfälle in großen Stromleitungen durch Blitze verursacht werden. Daher ist der Blitzschutz eine wichtige Aufgabe.
Lomonosov und Franklin erklärten nicht nur die elektrische Natur von Blitzen, sondern zeigten auch, wie ein Blitzableiter zum Schutz vor Blitzeinschlägen gebaut werden könnte. Ein Blitzableiter ist ein langer Draht, dessen oberes Ende über dem höchsten Punkt des geschützten Gebäudes zugespitzt und verstärkt ist. Das untere Ende des Drahtes ist mit einem Metallblech verbunden und das Blech wird auf Höhe des Bodenwassers in der Erde vergraben.
Während eines Gewitters entstehen auf der Erde große induzierte Ladungen und an der Erdoberfläche entsteht ein großes elektrisches Feld. Seine Spannung ist in der Nähe scharfkantiger Leiter sehr hoch, weshalb am Ende des Blitzableiters eine Koronaentladung gezündet wird. Dadurch können sich induzierte Ladungen nicht am Gebäude ansammeln und es kommt nicht zu Blitzschlägen. In den Fällen, in denen es zu einem Blitz kommt (und solche Fälle sind sehr selten), trifft er auf den Blitzableiter und die Ladungen gelangen in die Erde, ohne das Gebäude zu beschädigen.
In manchen Fällen ist die Koronaentladung eines Blitzableiters so stark, dass an der Spitze ein deutlich sichtbares Leuchten entsteht. Dieses Leuchten erscheint manchmal in der Nähe anderer spitzer Gegenstände, beispielsweise an den Enden von Schiffsmasten, spitzen Baumkronen usw. Dieses Phänomen wurde vor mehreren Jahrhunderten bemerkt und löste bei Seeleuten, die sein wahres Wesen nicht verstanden, abergläubischen Schrecken aus.
Unter Bedingungen stark inhomogener elektromagnetischer Felder kann an Elektroden mit starker Krümmung der Außenflächen in manchen Situationen eine Koronaentladung beginnen – eine unabhängige elektrische Entladung in einem Gas. Eine für ein bestimmtes Formphänomen geeignete Spitze kann sein: eine Spitze, ein Draht, ein Winkel, ein Zahn usw.
Die Hauptbedingung für den Beginn einer Entladung besteht darin, dass in der Nähe der scharfen Kante der Elektrode eine relativ höhere elektrische Feldstärke vorhanden sein muss als entlang des restlichen Weges zwischen den Elektroden, wodurch eine Potentialdifferenz entsteht. Für Luft unter normalen Bedingungen (bei atmosphärischem Druck) liegt der Grenzwert der elektrischen Intensität bei 30 kV/cm; bei dieser Intensität erscheint an der Spitze der Elektrode ein schwaches Leuchten, das in seiner Form einer Krone ähnelt. Aus diesem Grund wird die Entladung Koronaentladung genannt.
Eine solche Entladung ist dadurch gekennzeichnet, dass Ionisationsprozesse nur in der Nähe der Koronaelektrode ablaufen, während die zweite Elektrode ganz normal aussehen kann, also ohne Bildung einer Korona. Koronaentladungen können manchmal unter natürlichen Bedingungen beobachtet werden, beispielsweise auf Baumkronen, wenn dies durch das Verteilungsmuster des natürlichen elektrischen Feldes (vor einem Gewitter oder während eines Schneesturms) begünstigt wird.
Der Prozess der Koronaentladungsbildung läuft wie folgt ab. Ein Luftmolekül ionisiert zufällig und setzt dabei ein Elektron frei. Das Elektron erfährt im elektrischen Feld nahe der Spitze eine Beschleunigung und erreicht eine ausreichende Energie, so dass es, sobald es auf seinem Weg auf das nächste Molekül trifft, dieses ebenfalls ionisiert und das Elektron wieder herausfliegt. Die Zahl der geladenen Teilchen, die sich im elektrischen Feld nahe der Spitze bewegen, nimmt lawinenartig zu.
Wenn die scharfe Koronaelektrode eine negative Elektrode (Kathode) ist, wird die Korona in diesem Fall als negativ bezeichnet und eine Lawine von Ionisierungselektronen bewegt sich von der Koronaspitze in Richtung der positiven Elektrode. Die Bildung freier Elektronen wird durch thermionische Emission an der Kathode gefördert.
Wenn eine von der Spitze ausgehende Elektronenlawine den Bereich erreicht, in dem die elektrische Feldstärke für eine weitere Lawinenionisierung nicht mehr ausreicht, rekombinieren die Elektronen mit neutralen Luftmolekülen und bilden negative Ionen, die dann im Bereich außerhalb der Korona zu Stromträgern werden. Die negative Korona hat ein charakteristisches gleichmäßiges Leuchten.
Wenn die Koronaquelle die positive Elektrode (Anode) ist, ist die Bewegung der Elektronenlawinen zur Spitze gerichtet und die Bewegung der Ionen ist von der Spitze nach außen gerichtet. Sekundäre Photoprozesse in der Nähe der positiv geladenen Spitze tragen zur Reproduktion der Elektronen bei, die die Lawine auslösen. Weit entfernt von der Spitze, wo die elektrische Feldstärke nicht ausreicht, um eine Lawinenionisation sicherzustellen, bleiben die Stromträger positive Ionen, die sich in Richtung der negativen Elektrode bewegen. Eine positive Korona zeichnet sich durch Streifen aus, die sich von der Spitze in verschiedene Richtungen ausbreiten, und bei höheren Spannungen sehen die Streifen wie Funkenkanäle aus.
Auch an den Leitungen von Hochspannungsleitungen ist Korona möglich, und hier führt dieses Phänomen zu Stromverlusten. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, werden Stromleitungsdrähte je nach Spannung auf der Leitung in mehrere Teile geteilt, um lokale Spannungen in der Nähe der Drähte zu reduzieren und die Bildung von Korona grundsätzlich zu verhindern.
Wenn das Wetter (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) zu Koronaverlusten beiträgt, empfiehlt es sich, die Netzspannung auf einen bestimmten Wert zu reduzieren. Um Korona auf Leitungen mit einer Spannung von 110 kV zu vermeiden, beträgt der Drahtquerschnitt mindestens 95 mm², bei 150 kV - 120 mm², bei 220 kV - 240 mm².
Darüber hinaus werden in Hochspannungsleitungen Anti-Corona-Ringe verwendet, bei denen es sich um Ringkerne aus leitfähigem Material, meist Metall, handelt, die an einer Klemme oder einem anderen Hardwareteil von Hochspannungsgeräten befestigt werden. Die Aufgabe des Koronarings besteht darin, den elektrischen Feldgradienten zu verteilen und seine Maximalwerte unter die Koronaschwelle zu senken und so die Koronaentladung vollständig zu verhindern oder die zerstörerischen Auswirkungen der Entladung zumindest von wertvollen Geräten auf den Ring zu übertragen.
Praktische Anwendung findet die Koronaentladung in elektrostatischen Gasreinigern sowie zur Erkennung von Rissen in Produkten. In der Kopiertechnik – zum Laden und Entladen von Fototrommeln und zum Übertragen von Tintenpulver auf Papier. Darüber hinaus können Sie mithilfe einer Koronaentladung den Druck im Inneren einer Glühlampe bestimmen (anhand der Größe der Korona bei identischen Lampen).