CC BY
51
УДК 533.931
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ПАРАХ ВОДЫ
Г. П. Кузьмин, И. М. Минаев, А. А. Рухадзс, О. В. Тихонович
Приводятся результаты экспериментальных ■исследований характеристик пробоя, разрядного промежутка, в котором присутствуют пары, воды,. Полученные результаты, показывают, что напряжение пробоя, между металлическими электродами, расположенными над водой, и в случае, когда один из электродов (катод) погружен в воду, существенно возрастает при температуре насыщенных паров 90 °С и выше. Этот эффект может служить объяснением, особенности развития, электрического разряда над поверхностью воды.
Ключевые слова: электрический разряд, напряжение пробоя, жидкий электрод.
В работе [1] обнаружено, что электрический разряд по поверхности воды обладает свойством распространяться на некотором расстоянии от границы раздела жидкость
К настоящему времени опубликовано достаточное для понимания процесса количество работ, посвященных исследованию характеристик электрических разрядов в условиях. когда один из электродов или оба представляют собой водный раствор электролита [2 5]. Для стационарных и квазистационарных разрядов на твердых электродах эмиссия электронов из катода единственный путь переноса отрицательного заряда в разрядную плазму. В условиях электролитного катода не исключены другие возможные механизмы переноса отрицательного заряда в плазму, которые при твердотельных электродах не осуществляются. Это обусловлено специфическими свойствами ВОДНЫХ растворов электролита, такими как легкая испаряемость, ионная проводимость и т.д. [2]. В условиях, когда один из электродов является водным раствором электролита, в разрядном промежутке всегда присутствуют пары воды. Температура раствора определяется режимом работы разрядного устройства, и если в режиме одиночных импульсов
Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38, Россия.
плотность пара определяется внешней температурой, то в частотном или непрерывном режиме происходит интенсивный нагрев и испарение за счет нагрева раствора током самого разряда.
В работе представлены результаты исследований влияния водного пара на пробойные характеристики разряда с металлическими электродами, схема которого приведена на рис. 1, и разряда с катодом, покрытым слоем воды, схема которого приведена на рис. 3. В экспериментах использовалась водопроводная вода (а = 5 • 10-4 (Ом-см)-1), которую можно считать слабым раствором электролита.
Рис. 1: Схема измерений пробойных характеристик разряда с металлическими электродами. 1 - источник питания; 2 - электроды; 3 - вода; 4 - пар; 5 — кювета; 6 -нагревательный элемент; 7 - крышка.
На рис. 2 приведены результаты измерений напряжения пробоя в зависимости от температуры воды для двух значений расстояния между электродами 2.5 мм (верхняя кривая) и 1.8 мм (нижняя).
Верхняя крышка в конструкции разрядников позволяла получать условия, при которых пар можно считать насыщенным (при атмосферном давлении и заданной температуре нагревателя). Электроды располагались на расстонии Н, равном 1-2 см от поверхности воды. В качестве источника питания электрической схемы использовался импульсный модулятор (1), позволяющий получать импульсы длительностью от 1 до 10 мкс. Величина накопительной емкости - 2700 пф. Выходное напряжение источника питания в импульсе изменялось до 15 кВ. Напряжение разряда определялось при помощи киловольтметра С-196.
40 60 80 100
Т,° С
Рис. 2: Зависимость напряжения пробоя в разрядной камере (рис. 1) от температуры воды. 1 - величина разрядного промежутка 2.5 мм, 2 — 1.8 мм.
Как видно из рис. 2, напряжение пробоя снижается с увеличением температуры воды до значений температуры ^70 °С, а в дальнейшем медленно растет с увеличением температуры. В области значений температуры ~90 °С наблюдается резкий рост напряжения пробоя.
На рис. 3 представлена схема разрядной камеры для исследования температурной зависимости напряжения пробоя для разрядного промежутка, когда одним из электродов является водный раствор электролита.
Рис. 3: Схема экспериментальной установки с катодом, покрытым слоем воды. 1 - источник питания; 2 - анод; 3 - вода; 4 - пар; 5 - кювета; 6 - нагревательный элемент; 7 - крышка; 8 - катод; 9 - пояс Роговского; 10 - осциллограф.
Вода наливалась в полость (3). Непосредственно над жидкостью располагался положительный электрод - анод (2), выполненный в виде медного стержня диаметром 4 мм. Расстояние Н между ним и жидкостью можно было изменять в пределах 1-5 мм. Непосредственно в жидкости размещается плоский отрицательный электрод -катод (8), который соединяется с источником питания (1). При начальном пробое вода являлась вторым электродом.
Рис. 4: Зависимость напряжения пробоя между твердым электродом (анод) и водой от температуры воды.
На рис. 4 приведены результаты измерений напряжения пробоя в разрядной камере (рис. 3) в зависимости от температуры воды. Анод расположен над поверхностью воды на расстоянии 2 мм.
Картина разряда внешне похожа на классический скользящий разряд по поверхности диэлектрика. Разряд распространялся от места начального пробоя на водный слой, покрывающий металлический катод, и замыкался на конец электрода, выступающий из воды. Характерной особенностью такого разряда явлется то, что разряд распространяется над поверхностью воды с зазором менее 1 мм. Возможные механизмы такого типа разряда будут рассмотрены в дальнейших работах.
Температурная зависимость напряжения пробоя, представленная на рис. 4, похожа на зависимость, представленную на рис. 2. Отличие заключается в том, что резкое возрастание пробойного напряжения начинается с температуры нагреваемой жидкости около 40 °С. Этот факт скорее всего объяснется дополнительным разогревом верхнего слоя воды током самого разряда.
Таким образом, в работе обнаружено, что при электрическом разряде в присутствии паров водного раствора электролита существует зависимость напряжения пробоя от плотности паров в разрядном промежутке, и экспериментально измерена эта зависимость.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности".
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. Ф. Александров. Д. Н. Ваулин. А. П. Ертттов, В. А. Черников. Вестник Московского Университета. сер.З. Физика. Астрономия. X 1. 1 (2009).
[2] О. В. Поляков. А. М. Б Л. Ф. Б ахтурова, Анионныи перенос отрицательного заряда из электролитного катода в газоразрядную плазму. Электронный журнал "Исследовано в России" М1р//х1шта1.аре.ге1ат.ги/аг11с1ез/2()()4/222.рс1Г.
[3] А. М. Анпилов. Э. М. Бархударов. В. А. Копьев. И. А. Коссьтй. В. П. Силаков. Одноканальный завершенный и незавершенный разряды на поверхности воды в: Трудах Электрические и спектральные характеристики. XXXIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 2006 г. (М.. ИОФАН. 2006), стр. 245.
[4] А. И. Григорьев, ЖТФ 74(5), 38 (2004).
[5] К). А. Баритов, С. М. Школьник, ЖТФ 72(3), 31 (2002).
Поступила в редакцию 27 октября 2009 г.
