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'收稿日期:2014 10 14
作者简介:缪劲松(1967—),男,博士,副教授,E-mail:
jinsong.miao@bit.edu.cn.
第卷第期
2017年1月
北 京 理 工 大 学 学 报
TransactionsofBeijingInstituteofTechnology
Jan.2017
针-板电极正负电晕放电离子风的对比研究
缪劲松, 陈阳, 张宇, 靳振刚
(北京理工大学 物理学院,北京 100081)
摘 要:为研究电晕放电离子风的特性,本文采用针 板放电装置,实验测量了不同放电条件下的电晕离子风速和
风压,研究了电压极性、放电电压、电极间距、针尖曲率等因素对电晕离子风的影响.结果表明,离子风的速度随工
作电压线性增大.在相同电极结构下,正电晕的起晕电压高于负电晕;正电晕离子风的风速大于负电晕离子风.此
极性效应来源于正、负电晕风发展机制的差异.
关键词:电晕放电;离子风;风速
中图分类号:O461 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2017)01-0061-06
DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2017.01.013
ComparisonofPositiveandNegativeIonicWindin
Needle-to-PlateCoronaDischarge
MIAOJin-song, CHEN Yang, ZHANG Yu, JINZhen-gang
(SchoolofPhysics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)
Abstract:The needle-to-plate configuration was employedin this papertoinvestigatethe
characteristicsofionic windincoronadischarge.The windvelocityand windpressure were
measuredexperimentallyunderdifferentconditionsincludingthevoltagepolarity,theapplied
voltage,theelectrodespacingandtheradiusofneedletipandsoon,toanalyzetheeffectofthese
factorsonionicwind.Theresultsshowthatthevelocityincreaseslinearlywiththeover-voltage.
Underthesameconditionstheinception voltageofthe positivecoronais higherthanthe
negative.The windvelocityofpositivecoronaishigherthanthenegativeatthesameover-
voltageandelectrodespacing.Andthepolarityeffectcomesfromthedifferenceofdeveloping
mechanismbetweenthepositiveandnegativecorona.
Keywords:coronadischarge;ionicwind;windvelocity
电晕离子风,即“电诱导二次流”,指在不均匀电
场 中 发 生 电 晕 放 电 时,大 量 粒 子 定 向 运 动 的 现
象[12],也称为电晕风.常见的电晕放电与电晕风产
生装置有针 板电极,线 板电极,线 线电极等非对
称结构.在电晕放电中,电离过程发生在曲率较大
电极附近的一个较小的区域(电晕区)内.在此区域
内电场强度很大,气体分子被电离产生大量带电粒
子.与高压电电性相同的带电粒子将在电场的作用
下向地电极迁移.距高压电极一定距离以外,电场
较弱,不足以维持电离过程,即迁移区.电晕区的带
电粒子迁移到外区,将与外区的中性粒子发生碰撞,
通过动量传递使大量中性分子定向运动,从而形成
电晕离子风.离子风的应用一直受到国内外研究者
的关注[34],在气动流控制[58]、除尘[910]、干燥[1112]、
电推进[13]及减阻[1415]、散热[3,16]等多个方面具有广
泛的应用价值.
在实际应用中,能否高效利用离子风取决于人
们对离子风及其影响因素的理解和控制.离子风的
极性取决于电晕放电的极性.在空气中,由于存在
电负性分子(如 O2 等),使得正、负电晕风的机制有
所不同,实际应用离子风时必须进行选择,这依赖于
对正负电晕离子风机制和物理特性的系统研究.过
去研究者利用液 面凹陷法[1819]及烟流[7]法研究了
电晕放电中的离子风的风压分布[1819].本文将以针
板电极为基础,实验研究正负电晕离子风在不同条
件下的特性,考察操作参数(包括电压、电极间距、针
尖曲率等)对正负电晕风的不同影响,并从理论上探
索其控制方法.
1 实验装置
实验采用针 板电极结构,装置如图1所示.针
板电极间距为d=1~3cm 可调;针尖曲率半径可
变;针电极与正或负极性高压直流电源连接.平板
电极为 直 径 5cm 的 铜 质 圆 板,中 心 有 一 直 径 为
6mm 的 小 孔,通 过 限 流 电 阻 R=2kΩ 和 微 安 表
接地.
放 电 电 压 由 数 字 示 波 器 (TektronixTDS-
3054B,带宽500MHz,采样频率 5GHz/s)通过高
压探头(TektronixP6015A)检测,放电电流则由微
安表测量.风速计(YC-100PA)放置在放电部分下
游,可以测量空间位置的电晕风速度与风压.
图1 实验装置
Fig.1 Experimentalset-up
2 实验结果
2.1 伏安特性
当针 板电极间的电压达到放电击穿电压Ubr
(亦称起晕电压)时,电晕放电发 生,回路 中产生电
流.随着电压继续升高,电晕放电逐渐增强,电流也
逐渐增大.正负电晕的击穿电压不同,表1给出同
一电极结构下,正、负电晕的击穿电压.一般地,相
同电极结构和电极间距下,正电晕的击穿电压明显
高于负电晕.同时,击穿电压随放电间距的增大而
升高,如放电间距从1cm 增加到3cm 时,正电晕起
晕电压 从 5.5kV 迅 速 增 高 到 9.5kV,负 电 晕 从
4.0kV 升高到6.5kV.
在大气压条件下,正、负电晕放电的伏安曲线如
图2所示,其中针尖曲率半径σ=100μm.
表1 电晕放电的击穿电压Ubr
Tab.1 Onsetvoltageofcoronadischarge
d/cm
Ubr
正
负
1.0
5.5
4.0
1.5
6.0
4.8
2.0
8.0
5.0
2.5
9.0
5.5
3.0
9.5
6.5
图2 电晕放电的伏安特性曲线,
Fig.2 Current-voltagecharacteristic
由图2可以看出,在放电击穿电压到火花击穿
电压(即电晕放电过渡到火花放电的电压)之间,空
气正、负电晕放电的电流与电压的关系是正相关的,
但并非线性关系,而是接近二次关系.
为了更清楚地描述电晕放电的电流 电压特性,
引入放电通道等效电导(即放电电流与电压的比值
I/U)和过电压(即工作电压U 与击穿电压Ubr的差
值 ΔU=U-Ubr).图3给出了等效电导I/U 随过
电压 ΔU 的变化曲线.可以看到,电导随电压线性
增大,即I/U=k(U-Ubr)(其中k是比例常数).这
表明电晕放电的伏安特性曲线满足经典的汤森关
2
6
北 京 理 工 大 学 学 报
第 37 卷
系,即I=kU(U-Ubr).比例常数k(即等效电导 电
压的斜 率)由 电 极 间 距 决 定.电 极 间 距 越 小,k 越
大,等效电导随过电压增加得越快.
图3 电晕放电的等效电导随过电压的变化曲线
Fig.3 Equivalentconductancechangingwithover-voltage
2.2 电晕离子风的速度
在电晕放电阶段,电晕针尖外存在明显的离子
风.离子风的大小与过电压相关.图4给出针尖曲
率半径σ=100μm 时大气压下正、负电晕离子风的
图4 电晕离子风与过电压的关系
Fig.4 Relationshipbetweenionicwindvelocityandover-voltage
风速与过电压的关系.可以看出,离子风风速与过
电压成线性关系.实验表明,在一定过电压下,风速
随放电间隙的增大而明显减小.在本实验条件下,
在d=1.5cm 时,风速达到最大此间隙下负电晕风
速为5.5m/s,而正电晕风速可达7m/s.
电极极性对电晕风风速的影响十分明显.在相
同过电压下,正电晕风速总是比负电晕风速大,如表
2所示.此外,正电晕离子风的风速随过电压的升
高速度也比负电晕快.
表2 正、负电晕离子风速的比较
Tab.2 Comparisonofpositiveandnegativecoronawind
ΔU/kV
v/(m·s-1)
正
负
2.0
3.40
1.82
3.0
4.08
2.23
4.0
4.50
2.50
5.0
5.00
2.65
6.0
5.50
3.20
2.3 风压与过电压的关系
由于电晕放电可以产生较大的离子风,特别是
在较大过电压情况下,因而可以产生较大的冲击力.
这一效果可以由风压来描述.图5(a)和5(b)为不
图5 离子风风压与过电压的关系
Fig.5 Relationshipbetweenwindpressureandover-voltage
同电压极性下离子风风压与过电压的关系曲线.可
以看出,在给定放电间距时,离子风压随过电压的增
大而增大.而在电压一定时,风压随着放电间隙的
增大 迅 速 下 降.在 本 实 验 条 件 下,正 电 晕 在 间 隙
3
6
第1期
缪劲松:针 板电极正负电晕放电离子风的对比研究
d=1.5cm 时的风压最大,可达到30Pa,而负电晕
在d=1.0cm 时的风压最大较正电晕压略低,约为
23Pa.
2.4 电极曲率对风速的影响
在电晕放电中,针电极的曲率半径影响空间电
场的分布有,因而对电晕风的 产生也有重要影响.
实验对比了曲率半径σ=100μm 和500μm 两种针
电极下所产生的离子风,如图6所示.实验中保持
其他物理量(如工作电压、电极间距)不变.
图6 不同曲率半径的电晕离子风速与过电压关系
Fig.6 Ionicwindvelocityatdifferentradiusofneedletip
可以看出,相同过电压下,电极曲率半径越大,
离子风风速越小.在 本实验条件下,曲率半径σ=
100μm 的针尖电极产生的离子风速平均比曲率半
径σ=500μm 的针尖高出10%左右.正、负电晕离
子风遵循同样的规律.
3 讨 论
在电晕放电过程中,迁移区大量带电粒子在电
场作用下迁移并与中性气体分子发生碰撞,将动量
传递给中性分子,进而形成整体的粒子流现象,即电
晕离子风.
假定离子风通道是面积为S 的均匀圆柱.离子
风压p 与离子流受到的电场力F 相关(即 p=F/
S),后者在稳定状态下可表示为
FE,q =∑NiEqi=nqE.
(1)
式中:n为单位体积内的离子数;E 为电场强度;q为
单个离子带电量.离子流形成的电流密度为
J=∑
i
Niqv.
(2)
式中v是带电粒子的迁移速率,v=μE(μ 为带电粒
子的迁移率).所以
J=μnqE.
(3)
结合式(1)和(3),可以得到
p=F/S=J/μS.
(4)
近似认为电晕离子流均匀,则有J=I/S,其中
S 为有效面积.式(4)可写成p=I/(μS
2),即风压随
平均电流线性增大.由于电晕放电的伏安曲线满足
经典汤森关系I=kUΔU=kΔU(ΔU+Ubr),因此,
p=kΔU(ΔU +Ubr)
S
2μ
.
(5)
可见离子风压p 与过电压是二次关系.
离子风的风速也可由伯努利方程[21]给出,
v=
2p
ρ =
2J
μSρ =
2kΔU ΔU +U
(
)
br
μSρ
.
(6)
这表明,离子风速v 将随过电压 ΔU 线性增加.这
与实验结果是一致的.
上述讨论中并未涉及电压的极性,说明正、负电
晕风的风压、风速都遵循此规律,即风压与过电压成
二次关系,风速随过电压线性增加.但是由于正、负
电晕的击穿电压不同,即在式(5)、(6)两式中Ubr不
同,导致相同条件下正负电晕的风速、风压随放电电
压或过电压的变化并不完全相同.由于正电晕的击
穿电压高于负电晕,在相同过电压下,正电晕的放电
电压会高于负电压,因此正电晕的风速、风压也将高
于负电晕.
针尖的曲率半径对风速也有一定影响.电极曲
率影响空间电场的分布,电晕针附近的静态强度可
表示为[20]
E=
2U
(
σ+2x)ln(2d/σ+1).
(7)
式中x 是场 点到电极的距离.式(7)表明,在电压
下,电极曲率半径σ 增大,会使电场减弱,进而使电
子和离子的运动减慢,导致电流减小.由前边论述
知电流减小会使风速、风压随之减小,所以针尖曲率
半径越大电晕风风速越低.这与结果与电压的极性
无关,针尖曲率对正、负电晕风的影响基本相同,曲
率半径从100m 增大到500m,正、负电晕风风速
4
6
北 京 理 工 大 学 学 报
第 37 卷
都下降约10%.
在不同极性电压的驱动下,电晕风的发展过程
有着较大差别,这与空气放电过程中电子和离子的
运动有关.在正电晕中,电晕区电离产生的正离子
向接地极(阴极)运动,驱动中性气体分子形成正电
晕风.而在负电晕中,电晕区内产生的电子向地极
板运动过程中,一般先与电负性气体分子(如氧分
子)结合,形成负离子;再通过负离子与中性分子间
的动量传递形成负电晕风.与正电晕风相比,负电
晕风形成过程中,电负性分子俘获电子的过程将造
成额外的动量损耗,使粒子的速度降低,从而导致在
相同过电压下风速降低.另一方面,由于负电晕中
离子强烈轰击负极性的电晕针,导致针尖在放电过
程中的烧蚀和钝化,影响离子风的稳定性和针尖寿
命.因此,在实际应用中,正电晕离子风比负电晕更
为有效.
4 结 论
利用针 板电极结构研究了电压极性、电极间
距、电极曲率等对电晕放电及离子风的影响.结果
表明:相同电极条件下,正电晕的起晕电压和火花电
压均高于负电晕.电晕放电等离子体的等效电导与
过电压成正比,斜率与电极间距有关,电极间距越大
斜率越小.电晕离子风速与过电压成正比,比例系
数随电极间隙增大而减小,在本实验条件下,最高风
速可达8m/s.相同过电压下,正电晕离子风速高于
负电晕,电极间距对正电晕的 影响比负电晕更大.
而针尖的曲率半径对风速也有影响,随曲率半径的
增大风速降低.
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北 京 理 工 大 学 学 报
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