ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2011, том 49, № 3, с. 365-372
УДК 533.9;551.594
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД, РАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ВОДЫ
© 2011 г. Д. Н. Ваулин, А. П. Ершов|, С. А. Каменщиков, В. А. Черников
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Поступила в редакцию 02.12.2009 г.
Приводятся результаты экспериментальных исследований электрического разряда, возникающего в атмосфере вдоль свободной поверхности воды между острием над поверхностью и удаленным от него электродом, погруженным в воду, при подаче на них квазипрямоугольных высоковольтных импульсов. Выделены три стадии развития такого разряда и исследована стадия скользящего вдоль поверхности воды разряда.
ВВЕДЕНИЕ
Разряды, возникающие вдоль границы раздела газ—твердое тело, газ—жидкость, образующие класс так называемых поверхностных разрядов, отличаются многообразием форм, физических механизмов распространения и поддержания разряда, а также разнообразием практических приложений. Хорошо известны скользящие по поверхности диэлектрика разряды, где протекающий ток имеет емкостной характер [1]. Так, одной из разновидностей таких разрядов является барьерный разряд, активно исследуемый в последнее время [2]. Однако существует и принципиально другой тип скользящего разряда в атмосфере — вдоль поверхности полупроводящего материала, движение и свойства которого обусловлены значением проводимости этого материала. В качестве такого материала могут выступать полимеры [3], полупроводники, например германий [4], или имеющий относительно невысокую проводимость углеграфит [5]. В последнем случае скользящий электродуговой разряд изучается с точки зрения перспектив управления траекторией полета летательного аппарата, т.е. в дозвуковом и сверхзвуковом потоках воздуха.
Однако скользящий разряд может существовать и вдоль поверхности умеренно проводящих жидкостей. Одним из примеров является импульсный высоковольтный электрический разряд, создаваемый в атмосфере между двумя электродами, один из которых размещен над поверхностью слабопроводящей жидкости, а второй контактирует с ней. Данные разряды могут быть эффективны для целого ряда технологических применений, таких, как электроразрядная очистка воды [6, 7], или инициирование реакций в жидкости с использованием активных частиц, образующихся в газовой фазе [8], обработка материала твердого электрода [9]. С физической точки зрения исследование таких разрядов важно для моделирования процессов, сопровождающих развитие молний в естественных условиях, в частно-
сти бьющих в воду или влажную землю [10—12], или определения средств молниезащиты [13]. Все эти факторы обеспечили в течение последнего десятилетия устойчивый интерес к исследованию физики такого типа разрядов.
При этом можно выделить два направления исследований. В одних работах контактирующий с водой электрод находится на глубине непосредственно под воздушным электродом и упор делается на разряд, протекающий в воде [14, 15]. В других — находящийся в воде электрод удален от электрода над поверхностью воды и изучается протяженный скользящий разряд как одноканального, так и многоканального типов [16—19], или пробой длинных воздушных промежутков [4].
Общим недостатком работ последнего направления [4, 16—19] является использование емкостного накопителя в качестве источника питания разряда, что приводит к нестационарной картине разряда, усложняя физическую сторону явления. Акцент на исследование длинных промежутков делает процесс еще более нестационарным.
В настоящей работе исследован разряд, возникающий в атмосфере вдоль свободной поверхности воды между острием над поверхностью и удаленным от него электродом, погруженным в воду, создаваемый импульсным модулятором квазипрямоугольных высоковольтных импульсов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема эксперимента приведена на рис. 1. Техническая вода 2 наливалась в кювету 1 размером 30 х 12 см, над которой располагался высоковольтный отрицательный электрод (катод) 5 в виде заостренного стержня. Плоский заземленный электрод (анод) 3 размещался непосредственно в жидкости у противоположной стенки кюветы. Источником питания служил импульсный модулятор 7, выдающий регулируемый квазипрямоугольный импульс напряжения амплиту-
1
6
Ri *2
8
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — кювета из оргстекла, 2 — жидкость, 3 — анод, 4 — стойка, 5 — катод, 6 — делитель напряжения, 7 — источник питания, 8 — сопротивление балласта, 9 — к осциллографу.
дой от 5 до 28 кВ и длительностью от 5 до 1000 мкс. Ограничение разрядного тока осуществлялось балластным сопротивлением 8. Падение напряжения на разряде определялось при помощи омического делителя напряжения (R1 = 2 МОм и R2 = 1 кОм), а разрядный ток — при помощи шунта (Rm = 0.5 Ом). Сигналы с делителя напряжения и шунта подавались на два входа цифрового запоминающего осциллографа Tek-tronics TDS-2004B (максимальная частота пропускания - 60 МГц).
Для регистрации внешнего вида разряда использовалась съемка цифровым фотоаппаратом с открытым затвором (с экспозицией 5-8 с), при этом анализ динамики развития разряда осуществлялся изменением длительности импульса. Этим же фотоаппаратом проводилась киносъемка разряда.
Эксперименты были проведены в следующих диапазонах начальных условий: расстояние между электродами по горизонтали L = 20-200 мм, высота подъема катода над жидкостью H = 1-10 мм, балластное сопротивление Rb = 1-10 кОм, начальное
напряжение источника и0 = 10—28 кВ и длительность импульса разряда т = 10 мкс — 1 мс.
СТАДИИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА
Типичная интегральная (за время импульса) фотография разряда, распространяющегося над поверхностью воды, представлена на рис. 2а. Разрядный канал имеет характерную Г-образную форму, основная часть которой параллельна поверхности воды, но отстоит от нее на небольшое (доли миллиметра) расстояние. Исследование динамики разряда на основании временных зависимостей тока и падения напряжения позволяет выделить явно выраженные стадии его развития во времени [20]. Проанализируем процесс развития разряда на примере типичных осциллограмм тока и напряжения разряда, приведенных на рис. 2б.
Первая стадия соответствует первичному искровому пробою воздуха между верхним электродом и водой. С момента подачи напряжения на электроды ^ и до момента ^ разряд не происходит — этот интервал времени соответствует обычному статическому запаздыванию пробоя разрядного промежутка. В момент времени ^ происходит пробой, который приводит к формированию линейного плазменного канала, перпендикулярного поверхности жидкости. Процесс возникновения искрового разряда в выбранном масштабе времени сопровождается практически мгновенным падением напряжения между электродами и появлением разрядного тока. При этом цепь тока составляют сформировавшийся искровой канал длиной Н и водный промежуток протяженностью Ь. Величина тока в условиях рис. 2б на этой стадии порядка 5 А, падение напряжения ир « 8 кВ и сопротивление
5
9
R
2
3
ш
1
(а)
(б)
1 1 \ r 1 1 1 1 1
t0 t1 t2 - t3
Lr'
Рис. 2. Разряд над поверхностью воды, Ь = 34 мм, Н = 7 мм, и0 = 14 кВ, Яб = 1 кОм; (а) — фотография разряда; (б) — осциллограммы тока (1) и падения напряжения на разряде (2); развертка — 25 мкс/см, чувствительность по току и напряжению — 5 В/дел., длительность импульса разряда — 100 мкс.
1
2
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД
367
разряда Ер ~ 1.5 кОм. Поскольку проводимость воздушной плазмы линейного разряда при таких токах, несомненно, выше проводимости воды, это сопротивление в основном определяется сопротивлением водного промежутка от катода до анода. Последнее для случая относительно короткого промежутка, которому соответствуют осциллограммы рис. 2б, порядка балластного сопротивления Е и вместе с ним и внутренним сопротивлением источника питания ограничивает величину разрядного тока в цепи.
Начиная с момента ^, в течение интервала времени Т = ?2 — наблюдаются медленное нарастание разрядного тока и соответствующее уменьшение напряжения на разряде, т.е. реализуется вторая стадия. Фотографии разряда с длительностью импульса напряжения, лежащей в этом интервале времен, показывают, что от канала искрового разряда к аноду распространяется волна ионизации — лидер, которая формирует плазменный канал над поверхностью воды. При этом разрядный ток замыкается через головку лидера на воду, создавая разряд, скользящий вдоль ее поверхности. Естественно, что параллельно току в плазменном канале течет ток по находящемуся под ним слою жидкости (ток смещения), т.е. в скользящей части разряда ток имеет две составляющие. Заметим, что, если резко снизить сопротивление воды добавкой соли, разряд вдоль поверхности не возникает.
Суммарное сопротивление разряда зависит также от сопротивления остающегося водного промежутка между фронтом ионизации и анодом. Поскольку это сопротивление непрерывно уменьшается из-за сокращения длины при не слишком больших значениях Еб, наблюдается рост разрядного тока при соответствующем падении напряжения на разряде. Таким образом, вольт-амперная характеристика разряда на этой стадии является падающей, что согласно [10] является необходимым условием распространения разряда над поверхностью жидкости.
В момент времени ?2 волна ионизации достигает анода и пространство между катодом и анодом замыкается интенсивным воздушным плазменным каналом. Сопротивление разрядного промежутка резко падает (для случая рис. 2б до значения ~200 Ом), что приводит к резкому возрастанию тока и падению напряжения на разряде. С этого момента начинается третья стадия развития разряда над поверхностью воды. Для нее значения разрядного тока и напряжения на разряде остаются практически постоянными до конца импульса напряжения, поскольку ток в цепи теперь ограничен только балластным сопротивлением. Действительно, при начальном напряжении и0 ~ 14 кВ и Е = 1 кОм ток должен составлять I ~ 14 А, а согласно рис. 2б ток разряда достигает значения ~10 А. Отличие этих двух значений связано с тем, что при оценочных расчетах на учитываются собственно сопротивле-
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.