Область ионизации при положительной короне излучает ровное пурпурно-голубое свечение, как на рис. 2 слева. При положительной короне происходит генерация озона, но количество озона примерно на порядок меньше, чем при отрицательной короне. Поэтому в электростатических усилителях, используемых в присутствии людей, желательно применять исключительно положительную корону.
Отрицательная корона проявляется в виде нестабильных пучкообразных разрядов, перемещающихся вдоль поверхности электрода (рис. 3). В отличие от положительной короны, отрицательная корона имеет место только в электроотрицательных газах, например, кислород, водяные пары и двуокиси углерода.
Рисунок 3 – Изображение отрицательной короны
В области ионизации (рис. 4) интенсивность генерации свободных электронов путём столкновений с молекулами воздуха превышает интенсивность рекомбинации с ионами и захвата электронов нейтральными молекулами.
Рисунок 4 – Область ионизации при отрицательной короне
Для создания коронирующего разряда обязательным условием является достаточная разность потенциалов между этими электродами. Дополнительным условием является наличие «острого» коронирующего электрода, который на данном рисунке показан в виде лезвия. Свободные электроны, всегда имеющиеся в атмосферном воздухе, устремляются к положительному аноду. На расстоянии десятков микрон от анода напряжённость электрического поля достигает критического уровня. При этом скорость электронов оказывается достаточной для выбивания новых электронов из нейтральных атомов и молекул. В результате образуются как свободные электроны, так и положительно заряженные ионы. Этот процесс называется электронной лавиной.
Аналитическое описание электронной лавины. Ученый Таунсенд исследовал процессы ионизации и вывел следующее уравнение для процесса ионизации электрона:
dn = ndx, (1)
где dn – количество свободных электронов, появившихся после пробега n электронов на дистанции dx в электрическом поле, коэффициент зависит от свойств газа и его плотности и является функцией напряжённости электрического поля.
В однородном электрическом поле значение является постоянной величиной и может быть включено в выражение:
n = n0eαх , (2)
где n0 – число свободных электронов при x = 0.
Электроны присоединяются к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы. Это явление характерно для электроотрицательных газов, например, сера, водород, кислород, так как они имеют недостаток электронов во внешней оболочке. Такие газы, как Cl2, CCl4, HF, O2, обладают сильными электроотрицательными свойствами и являются «ловушкой» для свободных электронов.
Присоединение электронов к нейтральным молекулам сильно снижает степень ионизации и уменьшает интенсивность лавинных процессов. Математически интенсивность присоединения может быть выражена в следующем виде:
n = n0e x , (3),
где n – коэффициент присоединения. Он является функцией свойств газа и напряжённости электрического поля.
Из выражений (2) и (3) получают:
n = n0e (α-η)х (4)
Значение превышает значение при низкой напряжённости электрического поля. Следовательно, количество свободных электронов убывает по мере удаления от коронирующего электрода. При пороговом значении напряжённости электрического поля ET, когда = , n остаётся неизменным, а при E>ET превышает и количество свободных электронов уменьшается.
Вольт-амперная характеристика коронного разряда. При увеличении напряжения ток между коронирующим и осадительным электродом подчиняется нелинейному закону. При относительно низких напряжениях ток практически отсутствует. Только по достижении напряжения зажигания короны VЗ, в межэлектродном промежутке появляются свободные ионы. Между электродами начинает протекать ток короны. Напряжение зажигания достигается, когда напряжённость электрического поля в непосредственной близости от острия коронирующего электрода становится равна критической величине. По мере возрастания напряжения ток короны увеличивается по нелинейному закону. При достижении следующей критической величины напряжения между электродами происходит искровой разряд, иногда переходящий в дуговой разряд.
Вольт-амперная характеристика коронного разряда представляет собой функцию нескольких параметров, а именно химического состава газа, плотности, температуры газа и геометрии электродов. Относительно геометрии электродов, ток короны может зависеть от напряжения между электродами в различной степени, т.е. от квадратичной I = k(V-Vз)2 до практически линейной.
Величину напряжения зажигания короны принято описывать классической формулой Пика:
Е0 = 30f 1/2,
где T0/T)(P/P0), имея в виду, что T0 — комнатная температура (293 К); Т – температура газа; P0 – нормальное атмосферное давление, Р – давление газа; f – характеристика поверхности коронирующего электрода, характеризующего неровность и загрязнённость его поверхности; диаметр проволоки коронирующего электрода.
