코로나 방전
Corona discharge |
코로나 방전이란 고전압을 전달하는 도체를 둘러싼 공기 등의 유체가 이온화되면서 발생하는 방전이다.이는 공기(또는 다른 유체)가 전기적 고장을 일으켜 전도성이 되어 전하가 도체에서 공기로 지속적으로 누출되는 국소 영역을 나타냅니다.코로나 방전은 도체 주위의 전계 강도(전위 경사)가 공기의 유전 강도를 초과하는 위치에서 발생합니다.고전압을 전달하는 뾰족한 금속 도체에 인접한 공기 중에 푸른 빛이 도는 것으로 자주 나타나며 가스 방전 램프와 동일한 메커니즘으로 빛을 방출합니다.
많은 고전압 어플리케이션에서 코로나는 불필요한 부작용입니다.고전압 송전선로부터의 코로나 방전은 전력회사에 있어서 경제적으로 중요한 에너지 낭비가 됩니다.브라운관 텔레비전, 라디오 송신기, X선 기계 및 입자 가속기와 같은 고전압 장비에서는 코로나에 의한 전류 누출이 회로에 불필요한 부하를 구성할 수 있습니다.공기 중에 코로나는 오존(O3)과 일산화질소(NO) 등의 가스를 발생시키고, 수증기가 있으면 이산화질소2(NO)와 질산3(HNO)을 발생시킨다.이러한 가스는 부식성이 있으며 인근 물질을 분해하고 부서뜨릴 수 있으며 사람과 환경에 유해합니다.
코로나 방전은 종종 개선된 절연, 코로나 링 및 부드럽고 둥근 모양의 고전압 전극을 만들어 억제할 수 있습니다.그러나 제어된 코로나 방전은 공기 여과, 복사기, 오존 발생기와 같은 다양한 공정에서 사용됩니다.
서론
코로나 방전은 전극 주위에 플라즈마 영역을 형성하기 위해 고전위 전극에서 중성유체(통상 공기)로 전류가 흐르는 과정이다.생성된 이온은 결국 전위가 낮은 인근 지역으로 전하를 전달하거나 재결합하여 중성 가스 분자를 형성합니다.
유체의 한 지점에서 전위 구배(전계)가 충분히 크면 그 지점에서 유체가 이온화되어 전도성이 됩니다.충전된 물체에 날카로운 점이 있으면 그 지점 주변의 전계 강도가 다른 곳보다 훨씬 높아집니다.전극 근처의 공기는 이온화(부분 전도성)될 수 있지만, 거리가 먼 영역은 이온화되지 않습니다.점 근처의 공기가 전도성이 되면 도체의 외관 크기를 늘리는 효과가 있습니다.새로운 도전 영역은 덜 날카롭기 때문에 이온화는 이 국소 영역을 지나 확장되지 않을 수 있습니다.이 이온화 및 전도성 영역 밖에서 대전된 입자는 반대 방향으로 천천히 이동하며 중화됩니다.
유사한 브러시 방전(bush discovery)과 함께 코로나를 종종 "단일 전극 방전(single-electrode discharge)"이라고 부르는데,[1][2][3] 이는 전기 아크인 "2 전극 방전(two-electrode discharge)"이 아닙니다.코로나는 도체와 반대 전위의 도체 사이에 아크가 점프할 수 없을 정도로 충분히 멀리 떨어져 있을 때만 형성됩니다.더 낮은 전위의 다른 도체에 도달할 때까지 이온화 영역이 계속 성장하도록 형상 및 구배가 형성되면 둘 사이에 저저항 전도 경로가 형성되어 전계의 소스에 따라 전기 스파크 또는 전기 아크가 발생한다.전원이 계속 전류를 공급하면 스파크는 아크라고 불리는 연속 방전 상태로 진화합니다.
코로나 방전은 도체 표면의 전계(전위 경사)가 임계치, 유전 강도 또는 유체의 파괴 전위 경사도를 초과할 때만 발생합니다.해수면 압력 101 kPa의 공기에서는 임계값이 약 30 kV/[1]cm이지만 압력에 따라 감소하므로 높은 [4]고도에서 코로나 방전이 더 문제가 된다.코로나 방전은 보통 날카로운 모서리, 돌출점, 금속 표면의 가장자리 또는 작은 직경의 와이어와 같은 전극의 매우 구부러진 영역에서 발생합니다.높은 곡률은 이러한 위치에서 높은 잠재적 구배를 유발하여 공기가 분해되어 먼저 플라즈마를 형성합니다.공기의 날카로운 지점에서는 코로나 전위가 2-6kV일 [2]수 있습니다.코로나 형성을 억제하기 위해 고전압 기기의 단자는 볼이나 토러스처럼 매끄러운 대경 원형으로 설계되는 경우가 많다.코로나 링은 종종 고전압 전송선의 절연체에 추가됩니다.
코로나는 양수일 수도 있고 음수일 수도 있습니다.이는 고곡선 전극의 전압 극성에 의해 결정됩니다.곡면전극이 평탄전극에 대해 양이면 양 코로나, 음이면 음 코로나이다.(자세한 것은, 이하를 참조해 주세요).양의 코로나와 음의 코로나의 물리학은 확연히 다르다.이러한 비대칭성은 전자와 양전하를 띤 이온 사이의 질량의 큰 차이로 인해 발생하며, 오직 전자만이 공통 온도와 압력에서 상당한 수준의 이온화 비탄성 충돌을 겪을 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
코로나를 고려하는 중요한 이유는 공기 중에 코로나 과정을 거치는 도체 주변의 오존 생성이다.음의 코로나가 대응하는 양의 코로나보다 훨씬 더 많은 오존을 발생시킵니다.
적용들
코로나 방전에는 다음과 같은 여러 가지 상용 및 산업 용도가 있습니다.
- 비행 중인 항공기 표면에서 불필요한 전하를 제거하여 항공전자 시스템의 성능에 대한 제어되지 않은 방전 펄스의 유해한 영향을 방지합니다.
- 오존의 제조
- 수영장 물 정화
- 정전기 집진기에서 배기가스 흐름에서 고체 오염물질을 제거하거나 에어컨 시스템에서 공기 중의 입자를 문지르는 것
- 복사
- 공기 이온화 장치
- 사진필름을 노출시키기 위한 Kirlian 사진용 광자 생산
- EHD 스러스터, 리프터 및 기타 이온 풍력 장치
- 질소 레이저
- 질량분석계 또는 이온이동도분석계에서의 후속분석을 위한 가스시료의 이온화
- 이온화 바 등의 정전기 방지 장치를 통해 적용되는 정전하 중화
- 강제대류에[5] 의한 전자기기 냉동
코로나를 사용하여 대전된 표면을 생성할 수 있습니다. 이는 정전 복사(사진 복사)에 사용되는 효과입니다.또한 먼저 공기를 충전한 다음 대전된 입자를 서로 다른 극성의 조합을 통해 통과시킴으로써 공기 흐름에서 입자 물질을 제거하는 데 사용할 수 있습니다.
코로나 반응에서 발생하는 유리기와 이온은 화학 반응을 통해 특정 유해 제품의 공기를 문지르는 데 사용될 수 있으며 오존을 생성하는 데 사용될 수 있습니다.
문제
코로나에서는 특히 송전선 근처에서 가청 및 무선 주파수 노이즈가 발생할 수 있습니다.따라서 송전장치는 코로나 방전의 발생을 최소화하도록 설계되어 있습니다.
코로나 방전은 일반적으로 다음과 같은 경우에 바람직하지 않습니다.
많은 경우 코로나 링, 즉 전계를 더 넓은 영역에 걸쳐 확산시키고 코로나 역치 이하로 전계 구배를 감소시키는 역할을 하는 트로이덜 소자에 의해 코로나를 억제할 수 있다.
메커니즘
 | 이 섹션은 어떠한 출처도 인용하지 않습니다.(2020년 9월 (이 및 ) |
코로나 방전은 전기장이 연쇄 반응을 일으킬 정도로 강할 때 발생합니다; 공기 중의 전자는 이온화할 정도로 충분히 단단한 원자와 충돌하여 더 많은 원자를 이온화하는 더 많은 자유 전자를 만듭니다.아래 다이어그램은 접지에 대해 높은 음전압을 전달하는 뾰족한 전극 옆에 공기 중에 코로나를 생성하는 프로세스를 현미경으로 보여 줍니다.프로세스는 다음과 같습니다.
- 강한 전장의 영역(예를 들어 곡선전극 부근의 고전위 구배)에서 중성원자 또는 분자는 자연환경적 사건(예를 들어 자외선 광자 또는 우주선 입자에 의해 타격됨)에 의해 이온화되어 양이온과 자유전자를 생성한다.
- 전장은 반대방향으로 대전된 입자를 가속시켜 분리시키고, 재결합을 방지하며, 운동 에너지를 각 입자에게 전달합니다.
- 전자는 전하/질량비가 훨씬 높기 때문에 양이온보다 더 빠른 속도로 가속됩니다.그것은 전기장으로부터 충분한 에너지를 얻어서 다른 원자와 충돌할 때 이온화하여 다른 전자를 녹아웃시키고 또 다른 양의 이온을 생성한다.이러한 전자는 가속되어 다른 원자와 충돌하며 더 많은 전자/양성 이온 쌍을 만들고, 이러한 전자는 전자 눈사태라고 불리는 연쇄 반응 과정에서 더 많은 원자와 충돌합니다.양성 및 음성 코로나 모두 전자 눈사태에 의존합니다.정코로나에서는 모든 전자가 근방의 정극을 향해 안쪽으로 흡인되어 이온이 바깥쪽으로 역류한다.음의 코로나에서는 이온을 안쪽으로 끌어당기고 전자를 바깥쪽으로 밀어낸다.
- 코로나 광채는 전자가 양이온과 재결합하여 중성 원자를 형성함으로써 발생합니다.전자가 원래의 에너지 수준으로 떨어지면, 그것은 빛의 광자를 방출한다.광자는 전자 눈사태의 생성을 유지하며 다른 원자들을 이온화하는 역할을 한다.
- 전극으로부터 일정 거리에서는 전계가 충분히 낮아져 전자와 충돌할 때 원자를 이온화하기에 충분한 에너지를 더 이상 주지 않습니다.이것은 코로나 바깥쪽 가장자리입니다.이 밖에서 이온은 새로운 이온을 생성하지 않고 공기를 통해 이동한다.바깥쪽으로 움직이는 이온은 반대쪽 전극에 이끌려 최종적으로 전극에 도달하고 전극의 전자와 결합하여 다시 중성 원자가 되어 회로를 완성합니다.
열역학적으로, 코로나란 매우 평형되지 않은 과정으로, 비열 플라스마를 생성합니다.눈사태 메커니즘은 전기 아크나 스파크에서 발생하는 것처럼 코로나 영역의 가스를 일반적으로 가열하고 이온화하기에 충분한 에너지를 방출하지 않습니다.소수의 가스 분자들만이 전자 눈사태에 참여하고 이온화되며, 1-3 ev의 이온화 에너지에 가까운 에너지를 가지며, 나머지 주변 가스는 주변 온도에 가깝다.
코로나 또는 코로나 인셉션 전압(CIV)의 개시 전압은 경험적 관찰에서 공식화된 Peek의 법칙(1929)으로 확인할 수 있다.이후의 논문은 보다 정확한 공식을 도출했다.
양성 코로나
특성.
양의 코로나를 도체 길이에 걸쳐 균일한 플라즈마로 나타낸다.파란색/흰색으로 빛나는 것을 종종 볼 수 있지만, 대부분의 방출은 자외선에서 발생합니다.플라즈마의 균일성은 아래 메커니즘 섹션에 설명된 2차 눈사태 전자의 균일한 공급원에 의해 발생합니다.동일한 지오메트리 및 전압에서는 내부 영역과 외부 영역 사이에 비이온화 플라즈마 영역이 없기 때문에 대응하는 음의 코로나보다 약간 작아 보입니다.
양의 코로나는 음의 코로나에 비해 자유 전자의 밀도가 훨씬 낮습니다. 아마도 전자 밀도의 1000분의 1, 그리고 총 전자 수의 100분의 1입니다.그러나 양의 코로나에서 전자는 높은 전위 구배(따라서 전자는 높은 에너지를 갖는) 영역에서 곡면 도체의 표면 가까이에 집중되는 반면, 음의 코로나에서 많은 전자는 바깥쪽의 낮은 필드 영역에 있습니다.따라서 높은 활성화 에너지를 필요로 하는 응용 분야에서 전자를 사용할 경우, 양의 코로나는 대응하는 음의 코로나보다 더 큰 반응 상수를 지원할 수 있다. 총 전자 수는 낮을 수 있지만, 매우 높은 에너지 전자의 수는 더 많을 수 있다.
코로나는 공기 중의 오존을 효율적으로 생산하는 물질이다.오존을 생성하는 반응이 상대적으로 낮은 에너지이기 때문에 양의 코로나에서는 대응하는 음의 코로나보다 훨씬 적은 오존을 생성한다.따라서 음의 코로나 전자의 수가 많을수록 생산량이 증가합니다.
플라즈마를 넘어 단극 영역에서는 저에너지 양이온이 평탄한 전극을 향해 흐릅니다.
메커니즘
음의 코로나와 마찬가지로 고전위 구배 영역에서의 외인성 이온화 이벤트에 의해 양의 코로나를 개시한다.이온화에 의해 발생하는 전자는 곡선의 전극으로 끌어당겨지고, 양이온은 곡선의 전극에서 반발합니다.곡면전극에 가까워지는 비탄성충돌을 함으로써 전자아발란체 내에서 한층 더 분자를 이온화한다.
양의 코로나에서는 추가적인 눈사태를 위한 2차 전자는 주로 유체 자체, 플라즈마 또는 눈사태 영역 밖의 영역에서 발생한다.그것들은 전자 충돌 후 플라즈마 내에서 발생하는 다양한 디 들뜸 과정에서 플라즈마에서 방출되는 광자에 의해 이온화에 의해 생성되며, 이러한 충돌에서 방출되는 열에너지는 기체로 방사되는 광자를 생성한다.중성 가스 분자의 이온화에 의해 발생하는 전자는 전기적으로 곡선 전극으로 다시 끌어당겨 플라즈마로 끌어당겨 플라즈마 내부에서 더 많은 눈사태를 일으키는 과정을 시작합니다.
음의 코로나
특성.
부코로나는 곡면 도체의 표면 특징 및 요철에 따라 달라지는 불균일한 코로나로 나타난다.종종 날카로운 모서리에 코로나 송곳으로 나타나며, 송곳 수는 필드의 세기에 따라 달라집니다.음의 코로나 형태는 2차 눈사태 전자의 근원으로 인해 발생한다(아래 참조).전자가 이온화 영역 밖으로 표류하도록 허용되어 플라즈마가 그 너머로 어느 정도 거리를 지속하기 때문에 대응하는 양의 코로나보다 약간 더 큰 것으로 보입니다.총 전자 수와 전자 밀도는 해당하는 양의 코로나보다 훨씬 큽니다.그러나, 그것들은 낮은 잠재적 구배 영역에 있기 때문에 에너지가 더 낮다.따라서, 많은 반응에서, 증가된 전자 밀도는 반응 속도를 증가시키지만, 전자의 낮은 에너지는 더 높은 전자 에너지를 필요로 하는 반응이 더 낮은 속도로 일어날 수 있다는 것을 의미합니다.
메커니즘
음의 관상동맥은 건설에서 양의 관상동맥보다 더 복잡하다.양성 코로나와 마찬가지로 코로나 확립은 1차 전자를 생성하는 외인성 이온화 이벤트에서 시작하여 전자 눈사태로 이어집니다.
중성가스에서 이온화된 전자는 부코로나 내 전자의 일반적인 이동이 곡면전극에서 바깥쪽으로 이동하기 때문에 더 이상의 눈사태를 위한 2차 전자를 발생시킴으로써 부코로나 과정을 유지하는데 유용하지 않다.부극의 경우, 대신 2차 전자를 생성하는 지배적인 과정은 전극 자체의 표면으로부터의 광전 효과이다.전자의 기능(표면으로부터 전자를 해방시키는 데 필요한 에너지)은 표준 온도 및 압력에서 공기의 이온화 에너지보다 상당히 낮기 때문에 이러한 조건에서는 2차 전자의 보다 자유로운 공급원이 됩니다.다시 전자해방의 에너지원은 플라즈마 본체 내의 원자로부터의 고에너지 광자로, 이전의 충돌로 인한 들뜸 후에 완화된다.음의 코로나에서는 곡면 전극 주위에 고농도의 양이온이 집적되어 이온화원으로서 이온화 중성가스의 사용이 더욱 감소한다.
다른 조건에서는 양극과 곡선의 전극의 충돌도 전자 방해를 일으킬 수 있습니다.
그렇다면, 2차 전자 눈사태의 발생의 문제에서, 양의 코로나와 음의 코로나 사이의 차이는 그것들이 플라즈마 영역, 새로운 2차 전자가 안쪽으로 이동하는 가스에 의해 생성되는 반면, 음의 코로나에서는 그것들이 곡선의 전극 자체에 의해 생성되고, ne외부로 이동하는 2차 전자.
음의 코로나 구조의 또 다른 특징은 전자가 바깥쪽으로 표류하면서 중성 분자를 만나 전기음성 분자(산소와 수증기 등)와 결합하여 음이온을 발생시킨다는 것입니다.그런 다음 이러한 음이온이 구부러지지 않은 양극으로 흡입되어 '회로'를 완성합니다.
전기풍
코로나 방전 시에 발생하는 이온화 가스는 전계에 의해 가속되어 가스 또는 전풍의 움직임을 일으킨다.수백 마이크로암페어의 방전 전류와 관련된 공기 이동은 방전 지점에서 약 1cm 이내의 작은 촛불 불꽃을 내뿜을 수 있습니다.코로나 방전에 의해 통전되면 방사상의 금속 스포크와 원의 원주를 따라 구부러지도록 구부러진 뾰족한 선단을 가진 바람개비는 회전할 수 있다.회전하는 것은 [9]금속 스포크와 선단을 둘러싼 공간 전하 실드 영역 간의 차동 전기 흡인력에 기인한다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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추가 정보
- Chen, Junhong (August 2002). "Direct-Current Corona Enhanced Chemical Reactions". University of Minnesota.
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