научная статья по теме ВЗРЫВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДОМ И ОБУСЛОВЛЕННЫЙ РОСТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ И СВОБОДНЫХ ЗАРЯДОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЗРЫВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДОМ И ОБУСЛОВЛЕННЫЙ РОСТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ И СВОБОДНЫХ ЗАРЯДОВ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 3, с. 40-44

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, КАТАЛИЗ

УДК 541.13.661.669

ВЗРЫВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДОМ И ОБУСЛОВЛЕННЫЙ РОСТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ И СВОБОДНЫХ ЗАРЯДОВ

© 2015 г. В. Г. Федотов*, Е. Я. Федотова

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

*Е-таП: vgfedotov47@inbox.ru Поступила в редакцию 09.01.2014

В плазме разряда в воздухе при определенных условиях наблюдаются лавинообразное нарастание тока и излучения молекул N0 (В2П). Кинетика излучения характеризуется двумя стадиями. На первой из них ("стадия предвзрыва") газ в разрядном промежутке испускает фиолетовое и УФ-излуче-ния. Через 0.03—0.04 с наступает "стадия взрыва". Теперь большая часть излучения принадлежит сине-зеленой области спектра, а яркость его существенно выше, чем на предыдущей стадии. Предложен механизм развития взрыва — он предполагает образование атомов ^2Р) в цепной реакции окисления атмосферного азота. Эти атомы способствуют увеличению проводимости плазмы, вступая в реакцию ассоциативной ионизации ^2Р) + О ^ N0+ + е-. Рост концентрации электронов в свою очередь способствует увеличению скорости образования метастабилей азота N^4 3Х+), инициирующих цепную реакцию окисления.

Ключевые слова: электронно-возбужденные молекулы, N0(5^), спектр, взрыв, воздух, окисление атмосферного азота.

DOI: 10.7868/S0207401X15030048

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена исследованию излучения, возникающего при инициировании разряда в атмосферном воздухе либо (особым образом) при низких значениях Е/N, либо в импульсно-пе-риодическом режиме. В обоих случаях наблюдается взрывообразное нарастание тока и интенсивности свечения из зоны электрического разряда. Этот феномен, исходя из предполагаемого механизма, мы назвали для краткости "электронно-энергетическим взрывом" (ЭЭВ), чтобы отличить его от собственно электрического разряда и от так называемого "электрического взрыва", известного из описаний очевидцев. Что касается последнего явления, то проводя поиск в интернете по ключевым словам "electrical explosion", можно получить несколько десятков тысяч ссылок, включая фото и видеозаписи, в которых сообщается о случаях взрывов на промышленных энергетических объектах, произошедших вследствие короткого замыкания между проводниками, находящимися под напряжением. В качестве причины этих взрывов предполагается испарение металлических электродов и горение изоляции из-за высокой температуры в дуговом разряде, который, таким образом, всегда должен предшествовать

"электрическим взрывам". В случае ЭЭВ не приходится говорить о высокой температуре до взрыва, и это дает основания утверждать, что механизм развития ЭЭВ в ходе электроразряда существенно отличается от механизма упомянутых выше "электрических взрывов".

Большое количество публикаций посвящено спектрам излучения электрического разряда в воздухе, включая обзоры [1, 2] и работу [3]. В этих спектрах наиболее интенсивны полосы молекулярного азота в УФ-области (2-я положительная система азота), а также в красной области видимого диапазона длин волн (1-я положительная система азота). В сине-зеленой части спектра излучение активного азота отсутствует, здесь отмечены лишь линии иона № [4] и линия атома О(1^) 557 нм, к которой со стороны коротких волн примыкает континуум, связанный с излучением комплексов [0(15)^М], где М — молекула азота или атом инертного газа [5] (если инертный газ присутствует в газовой смеси). В послесвечении разряда наблюдали рекомбинационное излучение вслед-свие реакции О + N0 + М ^ N02 + М + hv: континуум, простирающийся от 400 нм в ИК-об-ласть, интенсивность излучения в котором максимальна в области 600 нм [6]. В диапазоне длин

волн от 450 до 550 нм в разряде наблюдали также полосы димеров синглетного кислорода [7]. Упомянем обзор [8], в котором есть ссылки на работы, касающиеся инициирования электроразряда в воздухе вблизи поверхности ферромагнитных диэлектриков: этот способ инициирования ЭЭВ использован и в данной работе (подробнее он будет описан ниже).

Цель данной публикации состоит в сообщении о новом явлении — ЭЭВ и описании его свойств, что могло бы приблизить установление его химико-кинетического механизма.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для регистрации излучения разряда применяли видеосъемку с частотой около 30 кадр/c фотокамерами Sony DSC-650 и Nikon Coolpix L25. Для получения спектров излучения осуществляли видеосъемку последнего из разрядного промежутка, отраженного в первом порядке дифракции репликой дифракционной решетки, имеющей 1200 штрих/мм. Все опыты проводили с атмосферным воздухом, который не подвергался очистке или осушению.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ЭЭВ при инициировании однократным разрядом

Электронно-энергетический взрыв получали в режиме однократных импульсов с источником постоянного напряжения в 440 В. Для этого к выходу выпрямителя сетевого напряжения, выполненного по схеме удвоения напряжения, содержащей два конденсатора емкостью 1000 мкф, включенных последовательно, подсоединяли два длинных провода (щупа). Концами этих щупов прикасались к поверхности ферромагнитного материала марки 3000НМС. При расположении концов щупов на поверхности феррита не далее 6 мм друг от друга между ними возникает пробой, характеризующийся громким хлопком и появлением в воздухе ярко светящегося сине-зеленого облака, размеры которого составляют несколько сантиметров. На поверхности феррита не остается никаких следов после проведения такого разряда, т.е. испарение феррита исключается. Видеозапись содержит два последовательных изображения: 1) кадр взрыва с изображением очень яркого светящегося облака вокруг разрядного промежутка; 2) кадр предвзрыва, на котором зафиксировано фиолетовое и УФ-свечение из той же области. "Кадр взрыва" всегда следует сразу за "кадром предвзрыва", и, таким образом, они разделены временным интервалом порядка 0.03 с.

ЭЭВ при инициировании искровым разрядом, периодически повторяющимся с частотой 1000 Гц

Для осуществления данного способа инициирования ЭЭВ применяли импульсно-периодиче-ский источник высокого напряжения. Мощность источника питания составляла около 5 Вт, что соответствовало энергии в 5 мДж, вкладываемой в разряд при воздействии каждого из импульсов, повторяющихся с частотой 1000 Гц. Амплитуда напряжения в импульсах составляла 5 кВ, ток оценивается величиной в 1 мА.

Воздействуя импульсно-периодическим напряжением на воздушный промежуток 2—3 мм между двумя заостренными электродами, мы наблюдали повторяющийся искровой разряд, диаметр искрового канала в котором составлял 0.1—0.2 мм. Спектр излучения этих искр содержал слабые полосы в сине-фиолетовой области, принадлежащие 2-й положительной системе азота. Однако время от времени вместо тонких искр возникали яркие вспышки: с помощью видеозаписи установлено появление светящегося облака диаметром около 1 см, а интенсивность излучения вспышки на 2 порядка величины превышала интенсивность излучения искрового разряда. Спектр излучения вспышек содержит более 10 полос с неразрешенной вращательной структурой в области от 400 до 630 нм; эти полосы принадлежат Р-системе молекулы N0.

Осциллограммы излучения ЭЭВ при однократных разрядах

Для наблюдения осциллограмм излучения ЭЭВ в качестве фотодетектора использовали фоточувствительную панель солнечной батареи. Сигнал фотодетектора подавали на вход электронного осциллографа. Электронный осциллограф работал в режиме автоматической развертки со скоростью 50 мкс/см, при этом осуществляли видеосъемку экрана осциллографа. На рис. 1 помещен один кадр видеозаписи, на который попали 6 осциллограмм и "нулевая линия" — результат наложения множества осциллограмм, записанных до появления сигнала. "Нулевая линия" расположена выше прочих осциллограмм на рис. 1. После приведения концов щупов в соприкосновение с поверхностью феррита начинается разряд (появляется излучение, о чем свидетельствует смещение луча осциллографа вниз относительно "нулевой линии"). Эта стадия процесса соответствует осциллограммам 1—5, причем интенсивность излучения нарастала во времени (осциллограммы все более смещались вниз от "нулевой линии"). Наконец, примерно в середине осциллограммы 6 наблюдается начало почти вертикального движения луча осциллографа вниз, что соответствует развитию ЭЭВ. На следующих кадрах видеозаписи зафиксировано плавное возвращение луча ос-

Рис. 1. Осциллограммы хемилюминесценции ЭЭВ. "Нулевая линия" — результат наложения многих осциллограмм в отсутствие фотосигнала — яркая линия, расположенная вверху. По мере роста фотосигнала луч осциллографа смещался книзу (осциллограммы 1—5). На осциллограмме 6 виден момент времени, когда луч осциллографа почти вертикально отклонился вниз. Этот момент соответствует ЭЭВ. Применяли непрерывную автоматическую развертку со скоростью 50 мкс/см. То есть время одного прохода луча по экрану составляет примерно 500 мкс, а время записи шести осциллограмм — 3—6 мс.

присоединяли к входу осциллографа. Трансформатор был намотан на ферритовом кольце диаметром 30 мм, первичная обмотка содержала 20 витков монтажного провода, вторичная — десять витков такого же провода. Осциллограф работал в режиме автоматического запуска со скоростью развертки 5 мс/см, при этом осуществляли видеосъемку экрана осциллографа. Таким способом была получена осциллограмма на рис. 2. На этой осциллограмме можно выделить период индукции (участок, начало и конец которого отмечены белыми стрелками): разрядный ток в этот период довольно мал, о его протекании позволяет судить смещение луча осциллографа приблизительно на половину ширины луча от "нулевой линии". Затем следует резкое увеличение тока до максимального значения, вслед за которым наблюдается плавный спад до нулевого уровня. Длительность периода индукции составляет около 5 мс, время уменьшения тока от максимального значения до половины — примерно 2 мс. Таким образом, временные характеристики периода индукции и периода взрывного протекания процесса, полученные из динамики излучения и динамики тока, хорошо со

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 «Химия»