ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО МНОГОКАНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА С ЖИДКИМ КАТОДОМ В ПОРИСТОМ ДИЭЛЕКТРИКЕ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Гайсин Ф.М., Тазмеев Б.Х.**

gpa@kampi.kcn.ru

Казанский государственный технический университет,

**Камский политехнический институт

В данной работе представлены результаты экспериментального исследования электрического разряда в воздухе при атмосферном давлении между твёрдым анодом и жидким катодом в виде электролита, который смачивает пористый диэлектрик. Электролитом служили техническая вода и водные растворы NaCl различной концентрации. Исследования проводились в следующих диапазонах изменения параметров: ток I = 0,2...3,5 А, межэлектродное расстояние = 5...50 мм, диаметр пористого диэлектрика d = 40...90 мм. Разряд зажигался взрывом тонкой медной проволоки.

Разряд горит стационарно тогда, когда электролит поступает на рабочую поверхность диэлектрика в количестве, достаточном для поддержания его в смоченном состоянии. В случае когда на рабочей поверхности диэлектрика образуется и поддерживается плёнка жидкости, то получается разряд между твёрдым анодом и жидким катодом. Отличительные особенности проявляются в тех режимах, когда электролит интенсивно испаряется с поверхности диэлектрика, не образуя сплошной плёнки на рабочей поверхности. Особенности проявляются в следующем. Образуется поток пара электролита с поверхности катода в сторону анода. Объёмная структура, ток и напряжение разряда зависят от режима поступления электролита на рабочую поверхность диэлектрика.При расходах электролита, когда он кипит на поверхности или внутри пористого диэлектрика в приповерхностном слое, разряд состоит из множества микроканалов, сгруппированных в несколько струй. Разряд горит с характерным шумом. С увеличением тока громкость шума возрастает.

Наличие потока пара внешне наблюдается по форме факела, окружающего разряд. При любом положении разряда (вертикальном, горизонтальном или другом) факел всегда направлен в сторону твёрдого анода. Длина светящегося факела зависит от концентрации электролита и от межэлектродного расстояния. Наибольшая длина факела получается при концентрациях NaCl около 0,5 % по массе. В случае водоохлаждаемого медного анода диаметром 25 мм и = 20 мм длина жёлтого факела, который облегает анод, достигала до 15 см.

Наличие потока паров электролита подтверждается также и возможностью поддержания разряда при достаточно больших межэлектродных расстояниях. При концентрации NaCl равном 0,5 % вертикальный разряд сравнительно устойчиво горит в промежутке длиной = 50 мм между медным анодом (? 25 мм) и пористым диэлектриком диаметром 40 мм. При этом ток и напряжение изменялись в пределах, соответственно, 1,5...3,0 А и 700...750 В. Амплитуда колебаний тока составляла 0,1 А, амплитуда колебаний напряжения - 50 В.

На рисунке 1 представлена зависимость напряжения разряда от тока, записанная двухкоординатным планшетным потенциометром. Как видно, она состоит из семейства прямых. Каждая прямая соответствует определённому значению напряжения, подводимого к электродам. Представленная зависимость напряжения от тока объясняется тем, что по мере испарения электролита разряд проникает вовнутрь пористого диэлектрика. При этом собственная длина разрядного промежутка увеличивается и для его поддержания требуется большее напряжение. Проникновение разрядных каналов вовнутрь диэлектрика приводит к уменьшению площади катодных пятен, в результате чего уменьшается число микроканалов разряда, проводимость разрядного промежутка уменьшается и в итоге уменьшается ток разряда. Уменьшение числа микроканалов наблюдается и визуально. Объёмный разряд сначала распадается на отдельные изолированные каналы. По мере проникновения разряда вовнутрь диэлектрика каналы постепенно исчезают. Для того, чтобы разряд горел непрерывно, необходимо поддерживать расход электролита через пористый диэлектрик в определённых пределах.

Нижняя кривая на рисунке 1 снята при соприкосновении металлического анода со смоченным диэлектриком. Пунктирный участок соответствует режиму кипения электролита. Напряжение на разряде определяется как разность ординат между отрезками прямых и нижней кривой.

Следует отметить, что наклон отрезков прямых зависит от дополнительного балластного сопротивления и от межэлектродного расстояния. С увеличением этих параметров наклон отрезков прямых возрастает.

Как и в случае разряда между твёрдым анодом и электролитом, налитым в сосуд, при увеличении концентрации электролита напряжение разряда падает, что свидетельствует о поступлении паров электролита в разряд. Материал твёрдого анода на напряжение разряда практически не влияет.

Обобщая результаты исследований можно сделать следующие выводы. Применение катода в виде электролита, который смачивает пористый диэлектрик, позволяет: 1) располагать электроды в любом положении друг относительно друга; 2) поддерживать стабильный разряд при значительных межэлектродных расстояниях. Таким образом, существенно расширяются технологические возможности разряда и появляются новые варианты конструктивного исполнения плазмохимических аппаратов с электролитными разрядами.

На выделенном отрезке прямой АВ верхняя половина (ближе к точке А) соответствует полусухому состоянию поверхности пористого диэлектрика, а нижняя половина (ближе к точке В) соответствует режиму кипения электролита на поверхности пористого диэлектрика.

Рис. 1. Зависимость напряжения на электродах от тока. Катод - техническая вода, анод - медь диаметром 30 мм.