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コロナ放電は、高電圧がかかっている導体の周囲の空気などの流体のイオン化によって引き起こされる放電です。これは、空気（またはその他の流体）が電気的に破壊されて導電性になり、電荷が導体から空気中に継続的に漏れるようになった局所領域を表します。コロナ放電は、導体の周囲の電界の強度（電位勾配）が空気の誘電強度を超える場所で発生します。高電圧がかかっている尖った金属導体の近くの空気中では、青みがかった輝きとして見られることが多く、ガス放電ランプと同じメカニズムである化学発光によって発光します。コロナ放電は、雷雨などの天候でも発生する可能性があり、船のマストや飛行機の翼などの物体が周囲の空気とは大幅に異なる電荷を帯びています（セントエルモの火）。
多くの高電圧アプリケーションにおいて、コロナは望ましくない副作用です。高電圧送電線からのコロナ放電は、公共事業体にとって経済的に重大なエネルギーの浪費となります。ブラウン管テレビ、無線送信機、X線装置、粒子加速器などの高電圧機器では、コロナによって引き起こされる電流漏れが回路に望ましくない負荷となる可能性があります。空気中では、コロナによってオゾン(O 3 ) や一酸化窒素(NO) などのガスが発生し、さらに二酸化窒素(NO 2 ) が発生し、水蒸気が存在する場合は硝酸(HNO 3 )が発生します。これらのガスは腐食性があり、近くの材料を劣化させたり脆くしたりする可能性があります。また、人体や環境に対しても有毒です。
コロナ放電は、絶縁材の改善、コロナリング、高電圧電極を滑らかな丸い形状にすることで抑制できることが多い。しかし、制御されたコロナ放電は、空気ろ過、コピー機、オゾン発生器など、さまざまなプロセスで使用されている。
導入
コロナ放電は、高電位の電極から中性流体（通常は空気）に電流が流れ、その流体をイオン化して電極の周囲にプラズマ領域を形成するプロセスです。生成されたイオンは最終的に、近くの低電位領域に電荷を渡すか、再結合して中性ガス分子を形成します。
流体のある点で電位勾配(電界) が十分に大きい場合、その点の流体はイオン化して導電性になります。帯電した物体に鋭い先端がある場合、その点の周囲の電界強度は他の場所よりもはるかに高くなります。電極付近の空気はイオン化 (部分的に導電性) しますが、それより離れた領域はイオン化しません。先端付近の空気が導電性になると、導体の見かけのサイズが大きくなる効果があります。新しい導電性領域はそれほど鋭くないため、イオン化はこの局所領域を超えて広がらない可能性があります。このイオン化および導電性の領域の外では、帯電粒子はゆっくりと反対の電荷を持つ物体へと移動し、中和されます。
類似のブラシ放電とともに、コロナは「2電極放電」、つまり電気アークとは対照的に「1電極放電」と呼ばれることが多い。[1] [2] [3]コロナは、導体が反対の電位にある導体から十分に離れており、アークがそれらの間を飛び越えられない場合にのみ形成される。形状と勾配により、イオン化された領域がより低い電位にある別の導体に達するまで成長し続ける場合、2つの間に低抵抗の導電経路が形成され、電界の発生源に応じて電気火花または電気アークが発生する。発生源が電流を供給し続けると、火花はアークと呼ばれる連続放電に発展する。
コロナ放電は、導体表面の電界（電位勾配）が臨界値、つまり流体の誘電強度または破壊的電位勾配を超えた場合にのみ発生します。海面気圧 101 kPa の空気中では、臨界値はおよそ 30 kV/cm ですが、 [1]この値は圧力とともに減少するため、コロナ放電は高高度でより問題になります。[4]コロナ放電は通常、鋭い角、突出点、金属表面の端、または小径ワイヤなど、電極上の大きく湾曲した領域で発生します。曲率が大きいため、これらの場所では電位勾配が高くなり、空気が最初に分解してプラズマを形成します。空気中の鋭い点では、2～6 kV の電位でコロナが発生する可能性があります。[2]コロナの形成を抑制するために、高電圧機器の端子は、ボールやトーラスのような滑らかな大径の丸みを帯びた形状で設計されることがよくあります。高電圧送電線の絶縁体には、コロナ リングが追加されることがよくあります。
コロナは正または負になります。これは、大きく湾曲した電極にかかる電圧の極性によって決まります。湾曲した電極が平らな電極に対して正であれば、コロナは正になります。負であれば、コロナは負になります。(詳細は下記を参照) 正コロナと負コロナの物理的性質は著しく異なります。この非対称性は、電子と正に帯電したイオンの質量に大きな差があるために生じ、一般的な温度と圧力では、電子だけがかなりの程度の電離非弾性衝突を起こす能力を持っています。
コロナを考慮する重要な理由は、空気中でコロナ過程を経る導体の周囲にオゾンが生成されることです。負のコロナは、対応する正のコロナよりもはるかに多くのオゾンを生成します。
アプリケーション
コロナ放電には、さまざまな商業および産業用途があります。
- 飛行中の航空機の表面から不要な電荷を除去し、制御されていない放電パルスが航空電子システムの性能に及ぼす有害な影響を回避します。
- オゾンの製造
- プール水の消毒
- 電気集塵機では、廃ガス流から固体汚染物質を除去したり、空調システム内の空気から粒子を除去したりします。
- コピー
- 空気イオン化装置
- 写真フィルムを露光するためのキルリアン写真用の光子の生成
- EHDスラスタ、リフター、その他のイオン風力装置
- 窒素レーザー
- 質量分析計またはイオン移動度分光計での分析のための気体サンプルのイオン化
- イオン化バーなどの静電気防止装置による静電気中和
- 強制対流による電子機器の冷却[5]
コロナは帯電表面を生成するために使用することができ、これは静電複写（写真複写）で使用される効果です。また、最初に空気を帯電させ、次に帯電した流れを極性が交互に変わる櫛に通して、帯電粒子を反対に帯電したプレートに堆積させることにより、空気の流れから粒子状物質を除去するためにも使用できます。
コロナ反応で生成されるフリーラジカルとイオンは、化学反応を通じて空気中の特定の有害物質を除去したり、オゾンを生成するために使用したりできます。
問題
コロナは、特に電力送電線の近くで可聴ノイズや無線周波数ノイズを発生させる可能性があるため、電力送電装置はコロナ放電の発生を最小限に抑えるように設計されています。
コロナ放電は一般に次のような場合には望ましくありません。
- 電力伝送、それがもたらすもの：
- 電力損失
- 可聴ノイズ
- 電磁干渉
- 紫色の輝き
- オゾン生成[6]
- 絶縁材の損傷
- 紫外線に敏感な動物に苦痛を与える可能性がある[7]
- 変圧器、コンデンサ、電動モーター、発電機などの電気部品:
- コロナはこれらのデバイス内部の絶縁体を徐々に損傷し、機器の故障につながる可能性があります。
- O リングなどのエラストマー製品はオゾン割れを起こす可能性があります。
- 主電源電圧で動作するプラスチックフィルムコンデンサは、コロナ放電によって金属化部分の局所的な蒸発が起こり、徐々に静電容量が失われる可能性がある。[8]
多くの場合、コロナはコロナリングによって抑制されます。コロナリングは、電界をより広い領域に広げ、電界勾配をコロナ閾値以下に下げる役割を果たすトロイダルデバイスです。
機構
コロナ放電は、電界が連鎖反応を起こすほど強いときに発生します。空気中の電子が原子と衝突してイオン化し、より多くの自由電子が生成され、それがより多くの原子をイオン化します。下の図は、地面に対して高い負の電圧がかかった尖った電極の横で空気中にコロナが発生するプロセスを顕微鏡レベルで示しています。プロセスは次のとおりです。
- 強い電界の領域（湾曲した電極付近の高電位勾配など）にある中性原子または分子は、自然環境の出来事（紫外線光子や宇宙線粒子の衝突など）によってイオン化され、正イオンと自由電子が生成されます。
- 電界はこれらの反対に帯電した粒子を反対方向に加速し、それらを分離して再結合を防ぎ、それぞれに運動エネルギーを与えます。
- 電子は電荷/質量比がはるかに高いため、正イオンよりも高速に加速されます。電子は場から十分なエネルギーを得て、別の原子に衝突するとその原子をイオン化し、別の電子をたたき出して別の正イオンを生成します。これらの電子は加速されて他の原子と衝突し、さらに電子/正イオンのペアを生成します。これらの電子はさらに多くの原子と衝突し、電子なだれと呼ばれる連鎖反応プロセスが発生します。正コロナと負コロナの両方が電子なだれに依存しています。正コロナでは、すべての電子が近くの正電極に向かって内側に引き寄せられ、イオンは外側に反発します。負コロナでは、イオンは内側に引き寄せられ、電子は外側に反発します。
- コロナの輝きは、電子が陽イオンと再結合して中性原子を形成することによって生じます。電子が元のエネルギーレベルに戻ると、光子が放出されます。光子は他の原子をイオン化して、電子雪崩の発生を維持します。
- 電極から一定の距離を離れると、電界は十分に低くなり、電子が衝突しても原子をイオン化するのに十分なエネルギーを電子に与えなくなります。これがコロナの外縁です。この外側では、イオンは新しいイオンを生成せずに空気中を移動します。外側に移動するイオンは反対側の電極に引き寄せられ、最終的に反対側の電極に到達して電極からの電子と結合し、再び中性原子になり、回路が完成します。
熱力学的に、コロナは非常に非平衡なプロセスであり、非熱プラズマを生成します。アバランシェ機構は、電気アークや火花で発生するように、コロナ領域のガスを加熱してイオン化するのに十分なエネルギーを放出しません。電子アバランシェに参加してイオン化されるガス分子はごくわずかで、そのエネルギーは 1～3 ev のイオン化エネルギーに近いため、周囲のガスの残りは周囲温度に近くなります。
コロナの開始電圧またはコロナ開始電圧 (CIV) は、経験的観察から定式化されたピークの法則(1929)で求められます。その後の論文では、より正確な式が導き出されました。
陽性コロナ
プロパティ
正コロナは、導体の全長にわたって均一なプラズマとして現れます。青/白く光っているのがよく見られますが、放出の多くは紫外線です。プラズマの均一性は、以下のメカニズムのセクションで説明する二次アバランシェ電子の均一な発生源によって生じます。同じ形状と電圧では、内部領域と外部領域の間に非電離プラズマ領域がないため、対応する負コロナよりも少し小さく見えます。
正コロナの自由電子密度は、負コロナに比べてはるかに低く、電子密度はおそらく 1000 分の 1、電子総数は 100 分の 1 です。ただし、正コロナの電子は、湾曲した導体の表面近く、電位勾配の高い領域に集中しています (したがって、電子のエネルギーは高くなります)。一方、負コロナでは、電子の多くは外側の低電界領域にあります。したがって、高い活性化エネルギーを必要とする用途で電子を使用する場合、正コロナは対応する負コロナよりも大きな反応定数をサポートできます。電子の総数は少なくなるかもしれませんが、非常に高エネルギーの電子の数は多くなることがあります。
コロナは空気中のオゾンを効率的に生成します。オゾンを生成する反応は比較的低エネルギーであるため、正コロナは対応する負コロナよりもオゾンをはるかに少なく生成します。したがって、負コロナの電子の数が多いほど、生成量が増加します。
プラズマを超えた単極領域では、低エネルギーの正イオンが平らな電極に向かって流れます。
機構
負のコロナと同様に、正のコロナは、高電位勾配の領域での外因性イオン化イベントによって開始されます。イオン化によって生じた電子は湾曲した電極に引き寄せられ、正イオンはそこから反発されます。湾曲した電極に近づくにつれて非弾性衝突が発生するため、電子雪崩でさらに多くの分子がイオン化されます。
正のコロナでは、さらなる雪崩のための二次電子が、主にプラズマまたは雪崩領域の外側の流体自体で生成されます。これらは、電子衝突後にプラズマ内で発生するさまざまな脱励起プロセスでプラズマから放出された光子によって引き起こされるイオン化によって生成され、これらの衝突で解放された熱エネルギーによって光子が生成され、ガスに放射されます。中性ガス分子のイオン化によって生じた電子は、その後、湾曲した電極に向かって電気的に引き寄せられ、プラズマに引き寄せられ、プラズマ内でさらなる雪崩を作成するプロセスが開始されます。
負のコロナ
プロパティ
負コロナは、曲がった導体の表面の特徴や凹凸に応じて変化する不均一なコロナとして現れます。鋭いエッジではコロナの房として現れることが多く、房の数は電界の強さによって変わります。負コロナの形状は、二次的なアバランシェ電子の発生源によって決まります (下記参照)。電子は電離領域から漂い出て、プラズマはその先まで続くため、対応する正コロナよりも少し大きく見えます。電子の総数と電子密度は、対応する正コロナよりもはるかに多くなります。ただし、電位勾配が低い領域にあるため、エネルギーは主に低くなります。したがって、多くの反応では、電子密度が増加すると反応速度が速くなりますが、電子のエネルギーが低いということは、より高い電子エネルギーを必要とする反応はより低い速度で起こる可能性があることを意味します。
機構
負コロナは正コロナよりも構造が複雑です。正コロナと同様に、コロナの形成は外因性の電離イベントによって一次電子が生成され、その後に電子なだれが続くことで始まります。
中性ガスからイオン化された電子は、負コロナ中の電子の一般的な動きが湾曲した電極から外側に向かうため、さらなる雪崩のための二次電子を生成することによって負コロナ過程を維持するのに役立たない。代わりに、負コロナの場合、二次電子を生成する支配的な過程は、電極自体の表面からの光電効果である。電子の仕事関数（表面から電子を解放するために必要なエネルギー）は、標準温度および圧力での空気のイオン化エネルギーよりもかなり低いため、これらの条件下では空気は二次電子のより自由な発生源となる。この場合も、電子解放のエネルギー源は、以前の衝突による励起後に緩和するプラズマ体内の原子からの高エネルギー光子である。イオン化された中性ガスをイオン化源として使用することは、湾曲した電極の周りに密集する高濃度の正イオンによって、負コロナではさらに減少する。
他の条件下では、正の種と湾曲した電極との衝突によっても電子の解放が引き起こされる可能性があります。
二次電子雪崩の発生に関して、正コロナと負コロナの違いは、正コロナではプラズマ領域を取り囲むガスによって二次電子雪崩が生成され、新しい二次電子が内側に移動するのに対し、負コロナでは曲がった電極自体によって二次電子雪崩が生成され、新しい二次電子が外側に移動する点です。
負のコロナ構造のさらなる特徴は、電子が外側に漂う際に中性分子に遭遇し、電気陰性 分子（酸素や水蒸気など）と結合して負イオンを生成することです。これらの負イオンはその後、正の湾曲していない電極に引き寄せられ、「回路」が完成します。
電気風
コロナ放電で生成されたイオン化ガスは電界によって加速され、ガスまたは電気の風の動きが生じる。数百マイクロアンペアの放電電流に伴う空気の動きは、放電点から約1cm以内にある小さなろうそくの炎を吹き消すことができる。放射状の金属スポークと円周に沿って曲がった尖った先端を持つ風車は、コロナ放電によって通電されると回転させることができる。回転は、金属スポークと先端を囲む空間電荷シールド領域との間の差動電気引力によるものである。 [9]
参照
参考文献
- ^ ab カイザー、ケネス L. (2005)。静電放電。CRCプレス。pp . 2.73–2.75。ISBN 978-0849371882。
- ^ ab Hurley, Morgan J.; Gottuk, Daniel T.; Hall, John R. Jr. (2015). SFPE 防火工学ハンドブック. Springer. p. 683. ISBN 978-1493925650。
- ^ リュッテンス、ギュンター; リュッテンス、シルヴィア; シューベルト、ヴォルフガング (2017)。静電気：理解、制御、応用。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p. 94。ISBN 978-3527341283。
- ^ フリッドマン、アレクサンダー、ケネディ、ローレンス A. (2004)。プラズマ物理と工学。CRC プレス。p. 560。ISBN 978-1560328483。
- ^ M. Cogollo; PM Balsalobre; A. Díaz - Lantada; H. Puago (2020). 「大気コロナ放電冷却装置のための革新的なワイヤ対平面フィン構成の設計と実験的評価」。応用科学。10 ( 3): 1010。doi : 10.3390/app10031010。
- ^ Chen, Junhong; Davidson, Jane H. (2002). 「正の直流コロナ放電におけるオゾン生成: モデルと実験との比較」.プラズマ化学とプラズマ処理. 22 (4): 495–522. doi :10.1023/A:1021315412208. S2CID 97140023.
- ^ 「動物は電力線を光る点滅する帯として見ている、研究で判明」TheGuardian.com 2014年3月12日。
- ^ 「Vishay、X2コンデンサでC安定性を提供」CapacitorIndustry.com 2012年6月14日。2016年2月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年11月22日閲覧。
- ^ ロエブ、レナード・ベネディクト（1965年）。『電気コロナ』カリフォルニア大学出版局。pp.406-409。
さらに読む
- Chen, Junhong (2002 年 8 月)。「直流コロナ増強化学反応」(文書)。ミネソタ大学。
- ピーク、FW（1929）。高電圧工学における誘電現象。McGraw - Hill。ISBN 0-9726596-6-8。
- ロエブ、レナード (1965)。『電気コロナ：その基本的な物理的メカニズム』カリフォルニア大学出版局。ASIN B0006BM4LG 。
- Cobine, James D. (1941)。気体導体; 理論と工学的応用。McGraw-Hill または Dover の再版。ASIN B000B9PK7S。
- Takacs, J. (1972). 「ヴァンデグラフ加速器用コロナ安定装置」.原子力機器と方法. 103 (3): 587–600. Bibcode :1972NucIM.103..587T. doi :10.1016/0029-554X(72)90019-5. ISSN 0029-554X.
外部リンク
- コロナに関する追加情報、その影響、特徴、予防策