Зарядка частиц в электрических полях

Коронный разряд

Коронным разрядом, или сокращенно короной, называют вид электрического разряда в газе (воздухе), возникающий в резко неоднородном поле, когда радиус кривизны одного или обоих электродов намного, меньше межэлектродного расстояния.

Различают корону постоянного и переменного тока. Корона постоянного тока бывает биполярной и униполярной. При биполярной короне коронируют оба электрода. Униполярная корона существует в том случае, когда коронирует только один из двух электродов. Этот электрод, имеющий малый радиус кривизны, называется коронирующим, а второй - некоронирующим (или осадительным).

Униполярная корона может быть положительной и отрицательной. В первом случае на коронирующий электрод подается положительный потенциал, во втором случае - отрицательный.

Рассмотрим сущность отрицательной униполярной короны на примере системы электродов "провод - плоскость" (рис. 7.1,б). При подаче на электроды постоянного напряжения U в межэлектродном промежутке создается неоднородное электрическое поле, напряженность которого максимальна на поверхности провода и спадает по мере приближения к плоскости.

При относительно малом U сила тока I в цепи электродов практически равна нулю (рис. 7.1). Если повышать U, то при некотором его значении Uо напряженность электрического поля у поверхности провода достигает такого значения Eo, при котором у поверхности провода начинается ионизация воздуха. В остальной части межэлектродного промежутка напряженность электрического поля недостаточна для поддержания процесса ионизации. Электроны, движущиеся от отрицательно заряженного провода к плоскости, теряют скорость из-за резкого спада напряженности поля и "прилипают" к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы.

Рис. 7.1. Некоторые системы электродов для создания поля коронного разряда: а - провод по оси цилиндра; б - провод - плоскость; в - провод между двумя плоскостями; г - ряд проводов - плоскость; и-ряд проводов посредине между двумя плоскостями; е-ряд стержней с иглами-плоскость; 1- стержень; 2 - игла.

Эти ионы движутся к плоскости, создавая ток короткого разряда. При дальнейшем повышении напряжения сила тока короны I увеличивается до тех пор, пока при некотором напряжении Uпроб не наступит пробой промежутка с переходом в дуговой или искровой разряд.

Рис. 7.2. Вольт-амперная характеристика коронного разряда.

Таким образом, при униполярной короне практически все межэлектродное пространство заполнено ионами одного знака, совпадающего со знаком потенциала на коронирующем электроде.

Коронный разряд сопровождается образованием озона и оксидов азота, электромагнитным излучением в диапазоне от радиоволн до УФ-лучей и другими эффектами.

Некоторые типичные системы электродов для создания коронного разряда показаны на рисунке 7.1.

Рассмотрим расчет основных параметров униполярного коронного разряда для проволочных коронирующих электродов.

Начальную напряженность коронного разряда определяют по эмпирической формуле Пика:

,

(7.1)

где r₀ - радиус коронирующего провода, м; δ - относительная плотность воздуха;

δ=289∙10-5p/T,

(7.2)

Здесь р - атмосферное давление. Па; Т - температура воздуха, К;δ=1 при р=1,013∙10⁵ Па и Т=293 К.

Начальное напряжение, В, коронного разряда

U0=E0 r0 A

(7.3)

где А - функция геометрических параметров данной системы электродов (табл. 16.1).

Значения подвижности отрицательных ионов можно определять по кривым на рисунке 16.3. Подвижность положительных ионов в среднем на 20 % ниже подвижности отрицательных.

Рис. 7.3. Подвижность отрицательных ионов в зависимости от расстояния (h) между коронирующим и некоронирующим электродами: 1 - h=5 см; 2 - h =10 см; 3 - h=15 см; 4 - h=20 см.

При развитой униполярной короне напряженность поля, В/м, и объемную плотность, Кл/м³, электрического заряда ионов вблизи некоронирующего электрода можно рассчитать по формулам

,

(7.4)

и

,

(7.5)

где D и L - параметры, зависящие от системы электродов (табл. 16.1).

Таблица 7.2

Сравнение силы, вызванной действием электрического поля на заряд частицы, с силой тяжести

Тип материала	а, м	Fк, Н	Fq, Н	Fк/ Fq
Материал 1	3∙10-5	12,6∙10-9	0,139∙10-9
3∙10-3	12,6∙10-5	13,9∙10-5	0,91
Материал 2	3∙10-5	18,8∙10-9	1,11∙10-9
3∙10-3	18,8∙10-5	111∙10-5	0,17

Примечание. Данные таблицы получены расчетом при следующих условиях: частицы имеют предельный заряд Q_max1; E=5∙10⁵ В/м

Из таблицы следует, что при достаточно малых размерах частиц сила Fк соизмерима с силой F_q и может даже значительно превосходить последнюю.

Сила F_з, вызванная взаимодействием заряда частицы с электродом (сила зеркального отображения). Пусть в воздухе на расстоянии h от проводящей плоскости помещен точечный заряд Q. Этот заряд наводит (индуцирует) на плоскости противоположный по знаку заряд -Q. Между индуцированным зарядом -Q и точечным зарядом Q возникает сила притяжения F_з, которую называют силой зеркального отображения. Силу F_зможно определить по закону Кулона как силу взаимодействия двух точечных разноименных зарядов Q и -Q, расположенных на расстоянии 2h один от другого:

,

(7.14)

Знак "минус" означает, что сила F_з направлена в сторону электрода.

Сила F_П, вызванная неоднородностью электрического поля.Возникновение этой силы связанно с тем, что частица в электрическом поле поляризуется (рис. 7.4). На ее концах скапливаются разноименные поляризационные заряды +q и -q, на которые со стороны электрического поля действуют силы, направленные в противоположные стороны. В неоднородном поле указанные силы не равны одна другой, так как не равны напряженности внешнего поля E₁ и E₂ в местах расположения зарядов +q и -q. Поэтому на частицу действует результатирующая сила F_п, отличная от нуля. Если частица находится в воздушной среде, эта сила направлена в сторону возрастания напряженности поля.

Рис. 7.4. Поляризационная частица в неоднородном электрическом поле в воздушной среде.

Рис. 7.5. Ориентация вытянутой частицы в электрическом поле в воздушной среде: а - частица в произвольном положении; б - частица в устойчивом положении равновесия.

Сила, Н, действующая на диэлектрическую сферическую частицу диаметром а в воздушной среде в неоднородном электрическом поле:

(7.15)

Ориентирующий момент.Если большая ось вытянутой частицы, расположенной в электрическом поле, составляет некоторый угол с направлением вектора напряженности Е (рис. 7.5, а), то силы F_э, действующие со стороны поля на разноименные поляризационные заряды частицы, создают вращающий момент. Под действием этого момента частица стремится сориентироваться большой осью вдоль направления поля. В этом положении вращающий момент равен нулю (рис. 7.5,6).

Рассмотрев основные физические явления в аппаратах электронно-ионной технологии, перейдем к изучению конкретных процессов сельскохозяйственной ЭИТ.

Таблица 16.3.

Режимы искусственной ионизации воздуха в птицеводческих и животноводческих помещениях

Вид и возраст объекта, подвергаемого действию аэроионизации	пл, 108 1/см2	tk, сут	tп, сут	tс, час	Особенности режима
Инкубационные яйца (куриные)			-
Цыплята яичных пород:
3…20 сут.				1…2	После 1 ч ионизации перерыв 1 ч
21…40 сут.
41…60 сут.
Бройлеры:
3…10 сут.	60…70			0,5	Один раз в сутки. Доза делится на два сеанса: утром и вечером
11…40 сут.
41…65 сут.
Ремонтный молодняк кур:
60…80 сут.	20…50			0,5…4
81…100 сут.	20…50			5…10
101…120 сут.	60…100			4…5
121…140 сут.	110…160			6…12
141…150 сут.				13…16
Куры-несушки
1…5 мес.	100…150			4…8
6…10 мес.	150…250		-	9…12
Телята до 30 сут.	150…250		-	6…8
Коровы			10…20
Поросята-сосуны	300…350	28…30	21…28	0,5
Поросята-отъемыши	350…400	28…30	21…28	0,5
Взрослые свиньи	400…500	28…30	21…28	0,5

В таблице 7.3 приведены рекомендуемые режимы аэроионизации, включающие в себя следующие параметры: п_л - концентрация легких отрицательных ионов в зоне дыхания животного (птицы), 1/см³; t_к - продолжительность курса сеансов АИ, сут; t_п - продолжительность паузы между курсами сеансов АИ, сут; t_с - суточная продолжительность сеансов АИ, ч.

Согласно экспериментальным данным, при реализации режимов аэроионизации, приведенных в таблице 16.3, хозяйственные показатели повышаются в следующих пределах: выводимость цыплят при инкубации - на 2...6 %, их сохранность в период выращивания - на 2...10, яйценоскость кур-несушек - на 2...10, прирост живой массы телят - на 10...20, удои коров - на 8, прирост живой массы поросят - на 10...15, молочность свиноматок - на 18%.

Ведутся исследования по применению аэроионизации в картофеле-, овоще- и фруктохранилищах для повышения качества и сроков хранения сельскохозяйственной продукции.

Искусственную ионизацию воздуха осуществляют при помощи устройств, называемых аэроионизаторами. Для сельскохозяйственных помещений наиболее приемлемы коронные аэроионизаторы, в которых используется униполярный коронный разряд.

Применяют разнообразные конструкции коронных аэроионизаторов, различающиеся типом коронирующих электродов (проволочные, игольчатые и др.) и местом их размещения (в приточных воздуховодах либо непосредственно внутри помещения).

Аэроионизатор с коронирующими электродами, расположенными внутри помещения, можно проектировать в такой последовательности.

1. Оценить среднее значение концентрации легких отрицательных ионов внутри помещения п_л, 1/см³, с учетом рекомендаций таблицы 7.3.

2. Найти необходимое значение удельной (на единицу внутреннего объема помещения) силы тока коронного разряда I_v, мкА/м³, по приближенной формуле Н. М. Багирова:

Iv = 0,44×10-12nл2,

(7.24)

3. Определить общую силу тока всех коронирующих электродов в данном помещении, А:

I=IvVп106,

(7.25)

где V_п - внутренний объем помещения, м³.

4. Рассчитать удельную (на единицу длины коронирующего электрода) силу тока короны, А/м:

Il=I/l,

(7.26)

где l-общая длина коронирующих электродов аэроионизатора, м.

5. Решением уравнения (16.3) либо экспериментально определить напряжение U, которое необходимо подавать на коронирующие электроды, чтобы получить требуемое значение I_l.

Коронирующие электроды при открытом размещении необходимо устанавливать на безопасном расстоянии от людей, животных и технологического оборудования.

Перспективным подходом к технической реализации АИ в животноводческих и птицеводческих помещениях является создание установок комплексного действия, осуществляющих АИ в сочетании с ИК-обогревом, видимым и УФ-излучением.

Для измерения концентрации ионов наиболее широко используют приборы (счетчики ионов) аспирационного типа: САИ ТГУ-70,UТ-6914, АСИ-1 и др. В этих приборах воздух, концентрацию ионов в котором надо измерить, прогоняется вентилятором через конденсатор. К обкладкам конденсатора приложено постоянное напряжение. Ионы, пролетающие через конденсатор, притягиваются к собирающей обкладке, знак которой противоположен знаку ионов. Сила тока в цепи собирающей обкладки конденсатора оказывается пропорциональной концентрации ионов.

Коронный разряд

Коронным разрядом, или сокращенно короной, называют вид электрического разряда в газе (воздухе), возникающий в резко неоднородном поле, когда радиус кривизны одного или обоих электродов намного, меньше межэлектродного расстояния.

Различают корону постоянного и переменного тока. Корона постоянного тока бывает биполярной и униполярной. При биполярной короне коронируют оба электрода. Униполярная корона существует в том случае, когда коронирует только один из двух электродов. Этот электрод, имеющий малый радиус кривизны, называется коронирующим, а второй - некоронирующим (или осадительным).

Униполярная корона может быть положительной и отрицательной. В первом случае на коронирующий электрод подается положительный потенциал, во втором случае - отрицательный.

Рассмотрим сущность отрицательной униполярной короны на примере системы электродов "провод - плоскость" (рис. 7.1,б). При подаче на электроды постоянного напряжения U в межэлектродном промежутке создается неоднородное электрическое поле, напряженность которого максимальна на поверхности провода и спадает по мере приближения к плоскости.

При относительно малом U сила тока I в цепи электродов практически равна нулю (рис. 7.1). Если повышать U, то при некотором его значении Uо напряженность электрического поля у поверхности провода достигает такого значения Eo, при котором у поверхности провода начинается ионизация воздуха. В остальной части межэлектродного промежутка напряженность электрического поля недостаточна для поддержания процесса ионизации. Электроны, движущиеся от отрицательно заряженного провода к плоскости, теряют скорость из-за резкого спада напряженности поля и "прилипают" к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы.

Рис. 7.1. Некоторые системы электродов для создания поля коронного разряда: а - провод по оси цилиндра; б - провод - плоскость; в - провод между двумя плоскостями; г - ряд проводов - плоскость; и-ряд проводов посредине между двумя плоскостями; е-ряд стержней с иглами-плоскость; 1- стержень; 2 - игла.

Эти ионы движутся к плоскости, создавая ток короткого разряда. При дальнейшем повышении напряжения сила тока короны I увеличивается до тех пор, пока при некотором напряжении Uпроб не наступит пробой промежутка с переходом в дуговой или искровой разряд.

Рис. 7.2. Вольт-амперная характеристика коронного разряда.

Таким образом, при униполярной короне практически все межэлектродное пространство заполнено ионами одного знака, совпадающего со знаком потенциала на коронирующем электроде.

Коронный разряд сопровождается образованием озона и оксидов азота, электромагнитным излучением в диапазоне от радиоволн до УФ-лучей и другими эффектами.

Некоторые типичные системы электродов для создания коронного разряда показаны на рисунке 7.1.

Рассмотрим расчет основных параметров униполярного коронного разряда для проволочных коронирующих электродов.

Начальную напряженность коронного разряда определяют по эмпирической формуле Пика:

,

(7.1)

где r₀ - радиус коронирующего провода, м; δ - относительная плотность воздуха;

δ=289∙10-5p/T,

(7.2)

Здесь р - атмосферное давление. Па; Т - температура воздуха, К;δ=1 при р=1,013∙10⁵ Па и Т=293 К.

Начальное напряжение, В, коронного разряда

U0=E0 r0 A

(7.3)

где А - функция геометрических параметров данной системы электродов (табл. 16.1).

Значения подвижности отрицательных ионов можно определять по кривым на рисунке 16.3. Подвижность положительных ионов в среднем на 20 % ниже подвижности отрицательных.

Рис. 7.3. Подвижность отрицательных ионов в зависимости от расстояния (h) между коронирующим и некоронирующим электродами: 1 - h=5 см; 2 - h =10 см; 3 - h=15 см; 4 - h=20 см.

При развитой униполярной короне напряженность поля, В/м, и объемную плотность, Кл/м³, электрического заряда ионов вблизи некоронирующего электрода можно рассчитать по формулам

,

(7.4)

и

,

(7.5)

где D и L - параметры, зависящие от системы электродов (табл. 16.1).

Зарядка частиц в электрических полях

Зарядкой частиц называют сообщение им избыточного свободного электрического заряда. Основные способы зарядки частиц в электрических полях: ионная, зарядка на электроде в электростатическом поле, совмещение ионной зарядки с зарядкой на электроде.

Ионная зарядка осуществляется за счет осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего ее. Как правило, для ионной зарядки используют униполярный коронный разряд, поскольку он позволяет наиболее просто получать высокие концентрации ионов одинаковой полярности. Ионная зарядка в чистом виде происходит, если нет контакта частицы с электродами. Если частица материала оказывается в поле униполярного коронного разряда, то часть силовых линии поля пересекает поверхность частицы.

Ионы, движущиеся по этим силовым линиям, сталкиваются с частицей и остаются на ее поверхности, сообщая ей избыточный заряд того же знака, что и потенциал коронирующего электрода.

Ионы, оседающие на частицу, создают свое собственное поле, которое отталкивает приближающиеся к ней очередные ионы. Поэтому с течением времени зарядка прекращается, и частица получает предельный заряд Q_max1. Для достижения заряда, практически близкого к предельному, обычно требуется время порядка 0,1 с.

Частицы, обрабатываемые в аппаратах ЭИТ, во многих случаях имеют форму, близкую к двухосному эллипсойду (например, семена с/х культур и их засорителей). Для таких частиц Q_max1 Кл, можно рассчитать по формулам:

при ориентации большой осью вдоль поля

,

(7.6)

а при ориентации большой осью поперек поля

,

(7.7)

где а и b - соответственно большая и малая оси эллипсоида, м; ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость материала частицы; Е - напряженность электрического поля в месте нахождения частицы, В/м; d_a и d_b-коэффициенты деполяризации эллипсоида, характеризующие степень искажения им внешнего поля в направлении соответственно большой и малой его осей. Значения d_a и d_b зависят от коэффициента сферичности k_c=b/a. Графики этих зависимостей приведены в литературе.

Выражение для предельного заряда диэлектрической сферической частицы может быть получено из формулы (7.6) или (7.7), если учесть, что в данном случае a=b и d_a = d_b = 1/3

,

(7.8)

где а - диаметрсферы, м.

Заряд проводящих частиц может быть рассчитан по формулам (7.6), (7.7), (7.8).

Преимущества ионной зарядки заключаются в универсальности (можно заряжать частицы любых материалов: как проводящих, так и изоляционных) и в возможности заряжать частицы, взвешенные в потоке воздуха или газа.

Зарядка на электроде в электростатическом поле(контактная зарядка) осуществляется за счет перехода свободного заряда под действием поля с электрода на частицу или, наоборот, с частицы на электрод. При этом знак заряда частицы совпадает со знаком потенциала того электрода, на котором находится частица. Если этот электрод заземлен, зарядку иногда называют индукционной.

Для проводящей сферической частицы диаметром а, м, при условии, что переходное сопротивление в месте контакта частицы с электродом равно нулю, предельный заряд, Кл, при рассматриваемом способе зарядки

,

(7.9)

Непроводящие частицы на электроде в электростатическом поле практически не заряжаются.

Преимущества зарядки на электроде в электростатическом поле заключаются в относительно малом потреблении энергии и отсутствии побочных газообразных продуктов (озона и оксидов азота), свойственных коронному разряду.

Совмещение зарядки на электроде с ионной (этот способ будем называть для краткости комбинированной зарядкой) происходит при нахождении частицы на некоронирующем электроде в поле коронного разряда. В данном случае частица заряжается одновременно ионами, движущимися от коронирующего электрода, и контактным способом - от некоронирующего электрода. В результате частица получает предельный заряд О_max3знак которого зависит в основном от удельной электрической проводимости частицы, переходного сопротивления контакта "частица-электрод" и удельной электрической проводимости коронного разряда ρ_эk вблизи частицы. Знак заряда частиц с низкой проводимостью совпадает со знаком потенциала коронирующего электрода, а знак заряда проводящих частиц при хорошем их контакте с металлическим некоронирующим электродом может совпадать со знаком потенциала некоронируюшего электрода.

Предельный заряд частицы при комбинированной зарядке

Qmax3=Qmax1 μk,

(7.10)

где μ_k - коэффициент, определяемый по выражению:

,

(7.11)

Здесь β=ρ_эk/4ε₀; τ-постоянная времени зарядки частицы на электроде, с. Для полуэллипсоида, ориентированного большой полуосы вдоль поля:

τ=ε0(daεr+1 - da)/(daγ),

(7.12)

где γ - удельная электрическая проводимость частицы, См/м.

Отрицательный либо положительный знак μ_k свидетельствует о совпадении знака предельного заряда Q_max3 со знаком потенциала соответственно некоронирующего либо коронирующего электрода.