научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 6, с. 563-570

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9.02

ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ © 2014 г. В. В. Андреев, Ю. П. Пичугин

ФГБОУВПО "Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова", Россия

e-mail: andreev_vsevolod@mail.ru Поступила в редакцию 16.05.2013 г.

Окончательный вариант получен 07.11.2013 г.

Экспериментально исследованы электрофизические и пространственно-временные характеристики барьерного электрического разряда, возникающего в воздухе при атмосферном давлении в разрядной ячейке, в которой диэлектрик (барьер) в виде диска вращается. В разрядной ячейке один из электродов неподвижно расположен на некотором удалении от поверхности диэлектрика, а второй электрод исполнен в двух конфигурациях: 1) электрод в виде диска прикреплен к поверхности вращающегося диэлектрика, а с противоположной поверхностью электрод в форме прямоугольной полосы, находящийся под тем же потенциалом, имеет скользящий контакт; 2) металлический электрод в виде диска отключен от высоковольтного источника питания, а подключен только электрод со скользящим контактом. Вследствие того, что барьер в установке вращается, разряды имеют импульсный характер, хотя разрядная ячейка питается от высоковольтного источника постоянного напряжения. В работе получены и проанализированы вольт-амперные характеристики диэлектрического барьерного разряда. Исследованы зависимости количества каналов микроразряда вдоль неподвижного электрода и геометрических характеристик канала микроразряда, а также разрядного тока от величины питающего напряжения и величины газоразрядного промежутка между неподвижным электродом и поверхностью диэлектрика. Исследовано влияние скорости вращения диска-барьера на количество каналов микроразряда вдоль неподвижного электрода и на величину разрядного тока.

DOI: 10.7868/S0367292114050011

1. ВВЕДЕНИЕ

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование барьерных электрических разрядов между подвижными (вращающимися) электродами в воздухе при атмосферном давлении. Одно из перспективных приложений результатов подобных исследований связано с использованием неравновесной плазмы для управления высокоскоростными потоками воздуха вблизи поверхности летательных аппаратов путем модификации пограничного слоя [1-7].

В исследованиях, проводимых в этом направлении на аэродинамических и ударных трубах, совмещенных с газоразрядной секцией, воздушно-плазменный поток набегает на поверхность неподвижной модели исследуемого объекта. Однако на практике, как правило, сам объект движется в атмосфере. Преимуществом предложенного нами способа создания плазмы в пограничном слое подвижных электродов для воздействия на воздушный поток является разнообразие форм и способов зажигания газовых разрядов, достаточная простота конструкции газоразрядных установок и высокая эффективность воздействия на потоки [8].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперименты проведены на установке для возбуждения барьерного электрического разряда в воздухе при атмосферном давлении, представленной на рис. 1. Эта установка аналогична описанной в работе [8]. В ней высокое постоянное напряжение от источника питания 4 прикладывается к электродам, один из которых выполнен в виде диска 1 из диэлектрического материала и совершает вращательное движение относительно неподвижного электрода 2. К диску-диэлектрику прикреплен металлический диск-электрод 8, который с помощью переключателя 9 может подключаться к той же клемме высоковольтного источника питания 4, что и скользящий по поверхности вращающегося диэлектрика электрод 3 (см. рис. 1). Электродвигатель 5 предназначен для вращения дисков 1 и 8.

При подаче на электроды 2 и 3, а также 8 в случае замкнутого положения переключателя 9, постоянного напряжения достаточной величины в зазоре между вращающимся диском-диэлектриком 1 и передней кромкой неподвижного электрода 2 возникает барьерный электрический разряд. Он состоит из тонкого канала микроразряда 6 и расширенного прибарьерного пятна 7.

1 3

2 13

Рис. 1. Схематическое изображение установки с вращающимся диэлектриком для получения неравновесной плазмы: 1 — диэлектрик в форме диска; 2 — неподвижный электрод; 3 — скользящий по поверхности вращающегося диэлектрика электрод; 4 — источник высокого постоянного напряжения; 5 — электродвигатель; 6 — тонкий канал микроразряда; 7 — расширенное прибарьерное пятно канала микроразряда; 8 — металлический диск-электрод, прикрепленный к диэлектрику; 9 — переключатель.

Следует отметить, если между электродами в разрядной ячейке находится диэлектрик как в устройстве, представленном на рис. 1, то между ними возникает барьерный электрический разряд, являющийся широко используемым источником неравновесной плазмы. При этом электрический ток между металлическими электродами ограничивается диэлектриком, и разряд не переходит в дуговой режим, оставаясь тлеющим. Важная особенность барьерного разряда, создаваемого в разработанной нами установке, состоит в том, что он имеет импульсный характер (микроразряды), хотя разряд возникает при постоянном напряжении между электродами. В то же время известно, что в случае неподвижных электродов барьерный электрический разряд горит только при переменных напряжениях. Это связано с тем, что поляризация диэлектрика мешает дальнейшему развитию электрических разрядов в газовом промежутке разрядной ячейки.

В экспериментах длина неподвижного электрода 2 составляла 37 мм при толщине 1 мм. Радиус барьера-диска 1 равнялся 15 см.

Эквивалентная электрическая схема установки, представленной на рис. 1, в случае замкнутого ключа 9 приведена в работе [8]. В эквивалентной электрической схеме на рис. 2 ключ К соответствует ключу 9 на рис. 1. Если ключ 9 (соответственно ключ К на рис. 2) разомкнут, то емкости Су и С2 включены последовательно, в то время, как в эквивалентной схеме установки с замкнутым ключом К к источнику питания и подключены последовательно только иё, Д и Су (см. также работу [8]). В результате в установке с разомкнутым ключом 9 барьерный разряд в газовом промежутке между неподвижным электродом 2 и вра-

е

\

а

/

'хг*

к

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема установки при горящем разряде. Ключ К соответствует ключу 9 на рис. 1. Разрядный промежуток формально заменен идеальным источником ЭДС иё и сопротивлением Яу. Вращающийся с угловой скоростью Q диэлектрик-диск 1 формально поделен на две части с

емкостями Су и С2. Область диэлектрика, находящегося в области действия неподвижного электрода 2,

имеет емкость С1. В результате вращения барьера эта область уходит из области действия электрода 2, неся на своей поверхности некоторый электрический заряд, севший на поверхность поляризованного диэлектрика. Этот заряд "снимается" через скользящий по поверхности диэлектрика-диска 1 электрод 3.

щающимся диэлектриком-диском 1 возникает при большем постоянном напряжении источника питания, чем в установке с замкнутым ключом 9. Причиной этого является то, что в случае эквивалентной схемы на рис. 2 с разомкнутым ключом К часть напряжения падает на емкости С2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Экспериментальные результаты, представленные на рис. 3—7, получены при использовании в качестве вращающегося барьера-диска 1 (см. рис. 1) стеклотекстолита толщиной А = 1 мм. Скорость вращения диска-диэлектрика 1 (соответственно и прикрепленного к нему металлического электрода 8) равнялась 3000 об/мин. На графиках знаками "*" отмечены экспериментальные точки. Максимальная погрешность экспериментальных данных не превышает значения 3%.

Вольт-амперные характеристики представлены на рис. 3. Кривые 1 и 2 соответствуют случаю, когда неподвижный электрод 2 подключен к отрицательному полюсу источника питания, т.е. указанный электрод является катодом. Кривые 3 и 4 получены для случая, когда неподвижный электрод 2 подключен к положительному полюсу источника питания, т.е. указанный электрод является анодом. Здесь следует отметить, что все остальные кривые на рис. 4—7 получены для случая, когда верхний неподвижный электрод 2 яв-

I, мА 0.9

I, мА 0.6

0 1* I I ...........

'7 9 11 13 15 17 19 и, кВ

7 8 9 и, кВ

Рис. 3. Вольтамперные характеристики: а) — ключ 9 разомкнут (см. рис. 1); б) — ключ 9 замкнут. Кривые 1 и 2 получены в случае подключения неподвижного электрода 2 к отрицательному полюсу источника питания 4, а кривые 3 и 4 — к положительному полюсу при 5 = 2 мм (кривые 1 и 3) и 5 = 4 мм (кривые 2 и 4).

ляется катодом. Длина газоразрядного промежутка (промежуток между неподвижным электродом 2 и вращающимся диском-барьером 1 (см. рис. 1)) для кривых 1 и 3 на рис. 3 равна 5 = 2 мм, а для кривых 2 и 4 — 5 = 4 мм.

Так как вольтамперные характеристики на рис. 3а получены в установке с разомкнутым ключом 9, поэтому барьерный разряд (или пробой газового промежутка) возникает при более высоких напряжениях, чем в случае вольтампер-ных характеристик на рис. 3б. В последнем случае в установке ключ 9 был замкнут. Отметим, что результаты, представленные на рис. 4—7, получены в экспериментальной установке с разомкнутым ключом 9.

п 17

15 13 11

9

(а)

/1

2

-НН-1-1-ь

.............

7 9 11 13 15 17 19

и, кВ

Ь, мм

3.8 3.4 3.0 2.6 2.2

Н—I-1-

(б) 2

1

......Г'ЧЧЕ-!...!.-^ I I

7 9 11 13 15 17 19

и, кВ

Рис. 4. Зависимость количества каналов разряда п (а) и расстояния Ь между центрами каналов разряда (б) от величины питающего постоянного напряжения и при 5 = 2 мм (кривая 1) и 5 = 4 мм (кривая 2).

Вследствие того, что катод является эмиттером электронов в газоразрядный промежуток, на рис. 3а кривые 1 и 2 (электрод 2 (см. рис. 1) является катодом) проходят выше кривых 3 и 4 (электрод 2 (см. является анодом) соответственно. В случае кривых на рис. 3б при длине газового промежутка 5 = 2 мм вольтамперная характеристика для случаев, когда неподвижный электрод 2 является катодом или анодом, практически одинакова (кривые 1 и 3). Описанная для случаев на рис. 3а закономерность в этом случае проявляется только с дальнейшим увеличением д

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»