Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 6, стр. 860-864

ВВЕДЕНИЕ

Современный мир требует новых прорывных результатов для решения проблем науки и техники. Такие результаты могут быть получены с помощью поисковых экспериментальных и теоретических исследований новых областей науки. В соответствии с этим большой интерес представляют исследования электрических зарядов с разными частотами пульсаций с использованием жидких и твердых электродов [1–4], которые приносят новые обширные научные результаты. В работах [5, 6] представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований высокочастотных разрядов при частоте f = 13.56 МГц. Проанализированы электрические и температурные параметры электрических разрядов в [7, 8], а также диэлектрического барьерного разряда (ДБР) в [9] с твердыми и жидкими электродами, исследованных в пределах более высоких частот – 40–100 МГц.

Использование электродов разных форм из различных материалов позволяет менять форму и размеры генерируемого ДБР, а также выявлять особенности развития барьерного разряда. При генерации электрического разряда частотой 250 Гц с использованием гидрогелевых электродов получены видеоизображения разряда и кратеров, образующихся на поверхности электродов [10]. Влияние разных геометрических и физических параметров на эволюцию барьерного разряда исследовано в [11] для электродов с цилиндрическим поперечным сечением.

Особенностью дугового разряда в жидкости является локализация разряда вблизи торцов электродов и падающий характер вольт-амперной характеристики (ВАХ). В проведенных экспериментах [12] наблюдается специфическая форма электрического разряда в жидкости: объемный разряд между плоскими электродами в кавитирующей жидкости в интенсивном ультразвуковом поле. Возрастающий вид ВАХ этого разряда характерен для аномального тлеющего разряда в газе и объясняется пробоем газовых микроканалов, образованных неустойчивыми кавитационными пузырьками в постоянном электрическом поле.

Целью данной работы являются исследования электрического разряда и ДБР малой мощности с металлическими, диэлектрическими и жидкими электродами при частотах переменного тока 20, 33 и 100 Гц.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная установка предназначена для исследования электрического разряда между металлическим и жидким электродами. Металлическая ячейка одновременно служит и для содержания электролита, и для подвода потенциала к жидкому электроду. В качестве жидкого электрода использовалась водопроводная питьевая вода. Начальная удельная электропроводность воды составляла 32 мкСм/см. В качестве металлического электрода применялись стальной штыревой электрод диаметром 4 мм (угол конического электрода – 45°, радиус округления – 0.3 мм) и медный пластинчатый электрод шириной 25 мм, толщиной 0.7 мм. В случае исследования барьерного разряда поверхности металлических электродов изолировались диэлектрическим материалом толщиной 1.2 мм. Материал диэлектрика – трубка силиконовая ТУ 9436-004-180.376.6694, которая насаживалась в натяг на кончик электрода. Расстояние между металлическим и жидким электродами составляло 5 мм. Фото- и видеосъемка проводилась трехматричной 10-мегапиксельной видеокамерой JVC GZ-HD7ER.

Вольт-амперные характеристики получены при действующих (эффективных) значениях напряжения и тока с помощью вольтметра, подключенного параллельно разрядному промежутку, и амперметра, подключенного последовательно в цепь.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Фотографии экспериментально исследованных электрических разрядов малой мощности и низкой частоты между стальным штыревым металлическим электродом и водопроводной водой представлены на рис. 1а–1в.

Рис. 1.

Электрический разряд (а)–(в) и ДБР (г)–(е) между стальным электродом и технической водой при: (а), (г) – 20 Гц; (б), (д) – 33; (в), (е) – 100.

Стальной электрод имеет острый конец в форме конуса и винтовой корпус. Горит многоканальный искровой разряд, который имеет на поверхности электролита корневую структуру. С ростом частоты электрического поля от 20 Гц (рис. 1а) до 100 Гц (рис. 1в), интенсивность и число каналов микроразрядов увеличивается. На рис. 1г–1е приведены кадры с диэлектрическими барьерными разрядами при частотах электрического поля 20, 33 и 100 Гц. Поверхность стального электрода изолирована сплошным диэлектрическим цилиндром. В случае барьерного разряда при высоких частотах (f = 100 Гц) число каналов разряда уменьшается по сравнению с безбарьерным разрядом при той же частоте (рис. 1в).

На рис. 2 представлены ВАХ электрических разрядов между стальным штыревым электродом и водопроводной водой для различных частот. Анализ указанных ВАХ позволяет установить новую форму низковольтного аномального объемного разряда, который имеет аналогию с высоковольтным аномальным тлеющим разрядом. С ростом частоты электрического поля напряжение разряда уменьшается, а характер кривых 1–3 сохраняется. Барьерный разряд слабо влияет на форму ВАХ. Из сравнения кривых на рис. 2а и 2б следует, что с уменьшением частоты электрического поля от 100 до 20 Гц максимальное значение величины напряжения в случае барьерного разряда возрастает на ΔU = 12 В.

Рис. 2.

ВАХ разряда между штыревым стальным электродом (а) и изолированным штыревым стальным электродом (б) и технической водой при межэлектродном расстоянии l = 5 мм и частотах: 1 – 20 Гц, 2 – 33, 3 – 100.

На рис. 3а–3в приведены фотографии электрических разрядов между пластинчатым медным электродом и водопроводной водой. Из сравнения кривых рис. 3а и 3б следует, что с ростом частоты электрического поля от 20 до 100 Гц число микроканалов возрастает в два раза. На рис. 3г–3е представлены фотографии ДБР между медным пластинчатым электродом и водопроводной водой. Сравнивая рис. 3а–3в и 3г–3е, можно увидеть, что при барьерном разряде число микроканалов существенно уменьшается, а с ростом частоты электрического поля от 20 до 100 Гц число микроканалов увеличивается от одного (рис. 3г) до трех (рис. 3е). Горизонтальные узкие полосы вдоль изолирующего диэлектрика появляются из-за отражения света.

Рис. 3.

Электрический разряд (а)–(в) и ДБР (г)–(е) между медным электродом и технической водой при частотах: (а), (г) – 20 Гц; (б), (д) – 33; (в), (е) – 100.

Рис. 4 демонстрирует ВАХ электрического разряда между медным пластинчатым электродом и водопроводной водой для частот тока 20, 33 и 100 Гц. Сравнение ВАХ слаботочного аномального разряда (рис. 2а, 2б и 4а, 4б) показал, что геометрическая форма и материал электродов имеют слабое влияние на зависимости напряжения от тока: в случае медного электрода характер кривых ВАХ аналогичен аномальному тлеющему разряду. Барьерный характер разрядов имеет одинаковое влияние на максимальные значения напряжения разряда как в случае стального штыревого электрода, так и в случае медного пластинчатого электрода. Разница в максимальном напряжении при электрическом разряде и ДБР составляет 10 В.

Рис. 4.

ВАХ разряда между пластинчатым медным электродом (а) и изолированным пластинчатым медным электродом (б) и технической водой при l = 5 мм и частотах: 1 – 20 Гц, 2 – 33.3, 3 – 100.

Образование низковольтного аномального разряда между металлическим и электролитическим электродами при низких частотах объясняется тем, что формируется многоканальный разряд в парогазовой среде, который состоит из множества микроразрядов. Многоканальный разряд проявляет себя как объемный разряд в парогазовой среде. Все это приводит к тому, что наблюдается аномальный разряд малой мощности при низких частотах 20–100 Гц, который подобен аномальному тлеющему разряду в газе. Представленный в данной работе разряд является одной из форм аномального тлеющего разряда – низковольтный объемный (многоканальный) аномальный разряд при переменном токе низкой частоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено появление низковольтного аномального объемного (многоканального) разряда между твердым и жидким электродами в низкочастотном поле при атмосферном давлении. Представленные ВАХ при частотах 20, 33 и 100 Гц имеют аномальный характер.

2. Выявлены некоторые особенности горения электрического разряда и диэлектрического барьерного разряда: рост частоты от 20 до 100 Гц приводит к увеличению количества микроразрядов в межэлектродном промежутке между твердым и жидким электродами.

3. Показано, что при диэлектрическом барьерном разряде существенно уменьшается число микроразрядов в межэлектродном промежутке между твердым и жидким электродами.