Институт химической физики РАН

199191, Москва, ул. Косыгина 4
Лаборатория горения, Отделение ГиВ 
Шмелев Владимир Михайлович, Марголин А.Д. 
Тел.:(095) 939-72-95 
Факс: (095) 938-21-56
E-mail: shmelev@center.chph.ras.ru

Распространение  электрического разряда  по поверхности воды и полупроводника

Разряд на поверхности водонаполненного полимера. Между электродами помещался стеклянный сосуд с водой или пористый полимер (фильтровальная бумага, мелкопористый поролон), насыщенный водой. Один из металлических электродов был плоским и имел непосредственный контакт с водой или влажной поверхностью, другой, заостренный, размещался на расстоянии d ~ 1 мм над образцом. В зависимости от величины напряжения U₀, длины образца L, разрядного зазора d и электрических свойств воды наблюдались различные режимы распространения разряда.

В экспериментах с водой максимальная длина промежутка (расстояние между электродами) L_m, на который распространялся разряд, превосходила предельное пробойное расстояние d_* в 3-4 раза. Разряд выглядел как длинная синяя искра, распространяющаяся от острия к плоскому электроду и прижимающаяся к водной поверхности. Аналогичная картина наблюдалась в экспериментах с полосками полимера различной длины. Было установлено существование нескольких режимов протекания разряда (Рис. 1). При d > d_*  электрический пробой невозможен,  разряд в области I отсутствует. При длине полоски более 40 мм (область II) развивался слабый искровой разряд в воздушном промежутке между заостренным электродом и торцом полоски. При этом электропроводящая полоска играла роль разрядного сопротивления, ограничивающего ток искры. В области III  при L < L_m развивался полноценный поверхностный искровой разряд в виде одного изгибающегося токового канала яркого свечения. При увеличении величины воздушного промежутка d вблизи предельной длины разряда L_m поверхностный разряд принимал форму незавершенного (область IV), т.е. светящийся канал разряда обрывался, не достигая плоского электрода.  При этом яркость свечения канала резко падала и было возможным появление множественных токовых ответвлений. Заметное влияние на предельную длину разряда оказывало индуктивное сопротивление цепи.    

Рис. 1. Области различных режимов разряда при напряжении на электродах U₀ = 10 кВ.

Взрывающаяся струйка воды. Исследовалось распространение разряда по поверхности тонкой струйки воды. Тонкая струя водопроводной воды под небольшим избыточным давлением непрерывно поступала в прозрачный стакан  через металлический капилляр с диаметром канала 0.4 мм, являющийся одним из электродов. Другой электрод располагался ниже по длине струи. Между струей и этим электродом был воздушный промежуток d = 1-5 мм. К электродам подключался конденсатор, соединенный через балластное сопротивление с высоковольтным источником питания. Заряд и разряд конденсатора осуществлялись в автоциклическом режиме.  При увеличении напряжения на конденсаторе до критического происходил пробой воздушного промежутка и вдоль струйки распространялся поверхностный разряд. Энергия разряда в импульсе при напряжении U₀ = 10 кВ варьировалась в пределах от 0.1 до 1 Дж. Поверхностный разряд сопровождался сильным УФ – излучением, и при этом возникала ударная волна, которая разрывала струйку на мельчайшие капли. Это явление электрического взрыва водной струйки аналогично эффекту “взрывающейся металлической проволочки”, хотя здесь реализуется другой механизм формирования токового канала. По мере формирования новой струйки, достигающей пробойного промежутка у второго электрода, возникал следующий разряд т.д.

Время распространения разряда было порядка 10 мкс, время заряда конденсатора - порядка 1 мсек. Изменения в широких пределах электропроводности воды или скорости истечения струи практически не изменяли максимальной длины поверхностного разряда, которая в условиях данного эксперимента при U₀ = 10 кВ и ширине воздушного промежутка у второго электрода d = 5 мм составляла примерно 35 мм.

Закономерности распространения разряда по поверхности струйки аналогичны рассмотренным выше для насыщенных водой полимерных образцов. Отметим, что стелющийся по поверхности воды разряд как источник коротковолнового УФ - излучения может быть использован в системах биологической и химической очистки воды. Взрывающаяся водяная струйка, генерирующая одновременно мощное УФ - излучение, озон, ударную волну и поток мелкодисперсных водяных частиц, представляет практический интерес для очистки воздуха и воды от химических и биологических загрязнителей.

Физическая модель разряда. Можно предположить, что механизм распространения разряда по поверхности воды отличается от стелющегося разряда по диэлектрику, поскольку в данном случае не требуется очень короткого импульса и наличия металлической подложки, хотя вода может служить одновременно и диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью и проводящей подложкой. Для понимания механизма первичного пробоя важно, что изменение полярности слабо влияет на условия возникновения разряда. Эксперимент также показывает, что пробой возникает и между двумя влажными поверхностями пористого полимера, когда  эмиссия электронов с катода пренебрежимо мала или полностью отсутствует. В этих условиях развитие электронных лавин может поддерживаться в самом газе за счет фотоионизации или столкновения ионов с нейтральными частицами и поверхностью воды. Важное значение при данном виде разряда имеет наличие электропроводящей поверхности, обеспечивающей концентрацию электрического поля на острие электронных лавин. С другой стороны, проводящая поверхность играет роль тормозящего (балластного) сопротивления, ограничивая первичный ток и затягивая время развития разряда. В условиях сильной концентрации электрического поля возможно вырывание электронов с поверхности, а также термический разогрев плазмы и распространение волны ионизации по механизму “волны горения”.  В любом случае проводящая поверхность, притягивая лавины, обусловливает их распространение как бы по эстафетному механизму.

Обнаруженный в экспериментах режим незавершенного разряда связан, по - видимому, с разрядкой конденсатора до напряжения ниже критического и невозможностью дальнейшего развития и существования разряда. В этом случае максимальный ток разряда будет ограничен величиной остаточного тормозного сопротивления проводящей поверхности.

Разряд вдоль поверхности полупроводника. Было исследовано распространение разряда вдоль поверхности полупроводника - германия. Условия опытов были аналогичны тем, при которых изучался разряд вдоль поверхности насыщенного водой полимера. В этом случае также обнаружен длинный яркий поверхностный разряд, распространяющийся от одного металлического электрода, расположенного на расстоянии 2-5 мм от полупроводника, до другого, прижатого к полупроводнику.

Если разряд носил многократный характер, то сначала возникал поверхностный разряд между металлическими электродами (Рис. 2), затем разряд разделялся на два, один из которых соединял в воздухе острый электрод с торцом образца из германия, а другой, поверхностный, начинался на некотором расстоянии от торца и кончался на плоском металлическом электроде. Отрезок полоски германия, разделяющий разряды увеличивался со временем до тех пор, пока не составлял всю длину образца. Поверхностный разряд исчезал, оставался только первый – от острия до торца образца.

Явление связано с распространением волны прогрева кристаллической пластины. Так как у полупроводников электропроводность увеличивается экспоненциально с ростом температуры, то в результате поверхностного нагрева сопротивление части германия резко уменьшается и ток разряда на данном участке переходит из разрядной плазмы в полупроводник. Интересно, что волна прогрева начинается от воздушного разрядного промежутка, т.е. при развитии разряда на свободном торце полупроводника имеет место повышенная диссипация энергии, приводящая к инициированию тепловой волны.

Рис. 2. Распространение разряда по поверхностности пластины из Ge.
1 – пластина, 2 – электроды, 3 – токовый шнур.

Такой же многократный разряд на поверхности пропитанного водой полимера распространяется в виде  повторяющегося пробоя от одного электрода к другому. Это связано с тем, что поток тепла от разряда высушивает полимер, уменьшая его электропроводность, в то время как полупроводник под действием нагрева увеличивает свою электропроводность.

Исследовано распространение ряда импульсных электрических разрядов: по свободной поверхности воды; вдоль пористого полимера, насыщенного водой; по тонкой струйке воды и по поверхности полупроводника. Найдено, что длина поверхностного разряда может в несколько раз превышать предельный размер пробойного промежутка в воздухе. Обнаружен эстафетный механизм распространения такого разряда.