Исследование вольт-амперных характеристик отрицательного коронного разряда

Внедрение: 2016 г.

В статье [1] специалистов из Санкт-Петербургского государственного университета упомянуто применение модуля АЦП E‑502 в задаче снятия вольт-амперных характеристик отрицательного коронного разряда. В данной работе описывается униполярная (учитывающая носители заряда только одного знака) математическая модель, в которой граничное условие на коронирующем электроде описывает скорость изменения плотности потока электронов из чехла коронного разряда. Рассчитанные при помощи этой модели вольт-амперные характеристики сопоставляются с экспериментальными данными в диапазоне межэлектродных расстояний от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров для выявления области применимости модели.

Рисунок 1. Схема расчетной модели. Исследование проводилось в системе электродов "сфера – плоскость" при варьировании межэлектродного расстояния h. В качестве высоковольтного электрода использовалась стальная сфера радиуса 1,25 мм, закрепленная на тонком металлическом цилиндре диаметром 1 мм с помощью магнитных сил. Металлический цилиндр выполнял функции провода, подводящего высокий потенциал. Заземленный электрод представляет собой медный цилиндр высотой 12 мм и диаметром 9 мм.

Напряжения и токи регистрировались при помощи двух каналов АЦП E‑502. Измерение тока осуществлялось путем регистрации напряжения на сопротивлении 1 кОм, последовательно включенным в цепь "источник – разрядный промежуток". Подача высокого напряжения отрицательной полярности осуществлялась при помощи источника постоянного напряжения ИВН‑50.

Рисунок 2. Расчетные и экспериментальные вольт-амперные характеристики при разных межэлектродных расстояниях h; a – расчет, b – эксперимент. Расчетные вольт-амперные характеристики хорошо соотносятся с экспериментальными при межэлектродных расстояниях, превышающих сантиметр, а при меньших – расчет систематически занижает значение токов.

И расчетные, и экспериментальные вольт-амперные характеристики выше порога зажигания хорошо аппроксимируются квадратичной функцией вида I(U) = KU(U−U₀). Вольт-амперная характеристика в таком случае определяется двумя параметрами: порогом зажигания U₀ и коэффициентом K. 

На рисунке 3 приведены расчетные и экспериментальные зависимости U₀ и K от межэлектродного расстояния. Расчетные значения U₀ находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментом во всем диапазоне межэлектродных расстояний, отклонение не превышает 7 %. Расчетные значения K находятся в хорошем согласии с экспериментом для межэлектродных расстояний, превышающих 1 см (отклонение не превышает 7 %). 

Рисунок 3. Зависимость порога возникновения коронного разряда U₀ от межэлектродного расстояния h. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений; a – расчет, b — эксперимент (слева). Зависимость коэффициента K от межэлектродного расстояния h. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений; a – расчет, b – эксперимент (справа).

Выводы:

• Рассматриваемая униполярная модель отрицательной короны с граничным условием в виде скорости выхода потока электронов с коронирующего электрода в качестве входных параметров включает известные физические величины, поддающиеся независимому измерению: коэффициент ионизации, подвижности отрицательных ионов и электронов, коэффициенты диффузии, коэффициент вторичной ион-электронной эмиссии. Такая модель не требует дополнительных подгоночных параметров при изменении взаимного расположения электродов.
• Сопоставление экспериментальных и расчетных вольт-амперных характеристик для системы электродов "сфера – плоскость" показало, что эта модель может применяться для расчетов при межэлектродных расстояниях больше 1 см. Для межэлектродных расстояний порядка единиц миллиметров модель систематически завышает величину тока короны.

Источник:
Мельникова Н.В., Самусенко А.В., Сафронова Ю.Ф. Униполярная модель отрицательного коронного разряда: сравнение рассчитанных и экспериментальных вольт-амперных характеристик в системе электродов сфера – плоскость // Журнал технической физики. – 2017. – Т. 87, вып. 8. – С. 1123‑1126.

Разработчик: Мельникова Н.В., Самусенко А.В., Сафронова Ю.Ф. (Санкт-Петербургский государственный университет)