Elektrické charakteristiky zapálení diafragmového výboje
Teorie
Elektrický výboj v kapalině představuje komplex jevů zahrnující různé fyzikální a
chemické procesy, které závisí na velkém počtu faktorů: vodivosti, polaritě a oxidačním stavu
elektrod, vlastnostech kapaliny apod. Elektrické výboje v kapalinách mohou být realizovány
v rozličných konfiguracích elektrod a s různým charakterem vstupního napětí. V těchto
praktikách je zkoumán diafragmový výboj, jenž vzniká v malém otvoru dielektrické přepážky
oddělující dvě ploché elektrody. Výboj je iniciován aplikací vysokého napětí dodávaného ze
stejnosměrného zdroje (max. výkon 1 kW, napětí do 2 kV). Z elektrostatického pohledu je
systém diafragmového výboje v podstatě deskovým kondenzátorem tvořeným elektrodami,
mezi nimiž je umístěno dielektrikum (přepážka) s velkým svodem díky otvoru. Zbytek
prostoru je pak tvořen jen málo vodivou kapalinou s velmi vysokou permitivitou (εr(voda) ≅
80). Intenzita elektrického pole mezi elektrodami není konstantní, ale výrazně roste v oblasti
otvoru v diafragmě. Zde dosahuje velmi vysokých hodnot (> 105
V·m-1
), a proto dochází
v těchto místech k elektrickému průrazu – vzniku plazmatu (výboje). Do kapalné fáze je
energie transformována formou plazmového kanálu tvořeného výbojem mezi dvěmi
elektrodami ponořenými v kapalině (viz obr. 1). V případě DC konfigurace je pak přenos části
energie realizován elektrolýzou a jouleovským ohřevem.
Pro vznik elektrického výboje v kapalné fázi byly navrženy dva obecné typy teorií:
elektronové teorie a tepelné (bublinové) teorie (podrobnější vysvětlení viz literatura [1-3]).
Princip spočívá v tom, že průchodem elektrického proudu se roztok v reaktoru zahřívá, a to
především v oblasti otvoru v diafragmě. Zde je nejvyšší proudová hustota (až 1 MA·m-2
), a
proto se uvolňují bubliny páry. Při dostatečně vysokém gradientu napětí dojde k průrazu
primárně v těchto bublinách. Výboj se pak dále šíří formou plazmových kanálů roztokem a
vlivem expanze bubliny.
Významným rysem generace stejnosměrného diafragmového výboje je tvorba dvou
odlišných typů plazmových kanálů na každé straně diafragmy. Na straně kladně nabité
elektrody jsou tvořeny záporné plazmové kanály („streamery“), které zaujímají hustou síť
tenkých kanálů vyplňujících polokulový prostor. Naopak na straně záporné elektrody jsou
tvořeny kladné „streamery“ obsahující jen jeden nebo několik rozvětvených kanálů. Rychlost
jejich šíření je přibližně o řád vyšší než u záporných „streamerů“. Tvorbu tohoto typu výboje
lze analogicky srovnat s konfigurací hrot-rovina [3].
Obr. 1 Obr. 2
Obr. 1: Schéma diafragmového („bezelektrodového“) výboje: 1 – anoda, 2 – katoda,
3 – negativní plazmové kanály, 4 – pozitivní plazmové kanály, 5 – vodivý kapalný roztok.
Obr. 2: Foto výbojové komory.
Elektrickými výboji v kapalinách (ve vodě, ve vodných roztocích apod.) je generováno
plazma, které je následně příčinou vzniku různých fyzikálních a chemických jevů. Jedná se
např. o silné ultrafialové záření, rázové vlny a zvláště pak o tvorbu různých reaktivních
chemických částic. Mezi ně patří radikály (·OH, ·H, ·O, ·HO2), neutrální molekuly (H2O2, H2,
O2) a ionty (O2
).
Za nejdůležitější z těchto částic jsou považovány hydroxylové a kyslíkové
radikály (·OH, ·O), ozón (O3) a peroxid vodíku (H2O2), které se významně podílejí na
oxidačních procesech probíhajících v kapalné fázi během výboje. Proto bývají elektrické
výboje v kapalinách řazeny mezi tzv. AOP´s (pokročilé oxidační procesy) a jejich studium je
vysoce aktuální.
Časově rozlišené elektrické charakteristiky – měření s osciloskopem
Pro měření časově rozlišených elektrických charakteristik se v této úloze používá
dvoukanálový osciloskop Tektronix TDS 1012B (frekvence do 100 MHz, sběr dat 1 GS·s-1
)
s vysokonapěťovou sondou Tektronix P6015A (útlum 1000x) pro měření VN. Měření proudu
je realizováno nepřímo měřením úbytku napětí na známém odporu. S nastavením osciloskopu,
průběhem měření a ukládáním dat budete seznámeni v praktikách.
Literatura
[1] Stará Z., Diafragmový výboj v kapalinách, diplomová práce, Brno 2002.
[2] Stará Z., Study of Chemical Processes in Electrical Discharges in Liquids, disertační
práce, Brno 2006.
[3] Lukeš P., Water Treatment by Pulsed Streamer Corona Discharge, disertační práce,
Praha 2001.
Úkoly
1) Seznamte se s experimentální aparaturou (reaktor a osciloskop). Dodržujte bezpečnostní
pokyny vyučujícího, neboť pracujete s velmi vysokým napětím.
2) Nachystejte si roztok elektrolytu v destilované vodě dle pokynů vyučujícího (NaCl,
koncentraci určí vyučující – přibližné navážky jsou v tabulce 1) a změřte jeho počáteční
vodivost. Celkový objem reaktoru je 3,5 litru.
3) Proměřte časově rozlišené charakteristiky napětí a proudu od nulového napětí po napětí
vyšší než odpovídá zapálení výboje a zpět s krokem přibližně 100 V (pro stejnosměrný
zdroj VN). Jednotlivé charakteristiky si postupně ukládejte na vlastní flashdisk – pozor,
přístroj je schopen komunikovat pouze s flashkami s pamětí do 1 GB!).
4) Vyhodnoťte naměřená data s ohledem na bod zapálení výboje. Sestrojte voltampérovou
charakteristiku doplněnou o vybrané časové průběhy napětí a proudu kolem bodu
zapálení. Stanovte bod zapálení diafragmového výboje pro daný elektrolyt a jeho
koncentraci.
Tabulka 1: Orientační navážky elektrolytů pro nastavení vodivosti (25 °C):
Elektrolyt
M
(g/mol)
Navážka pro 400 mikroS/cm
(g/3,5 l)
Koncentrace
(mmol/l)
NaCl 58,45 0,819 4,0
KCl 74,55 0,698 2,7
NH4Cl 53,49 0,478 2,6
NiCl2*6 H2O 237,71 1,297 1,6
NaBr 102,91 1,120 3,1
KBr 119,00 1,013 2,4
KI 166,01 1,512 2,6
Na2SO4 142,00 0,999 2,0
NaNO3 85,00 0,908 3,1
Mg(NO4)2*6 H2O 256,43 1,358 1,5
Na3PO4 164,00 0,910 1,6
Na2HPO4*2 H2O 178,00 0,905 1,5
KH2PO4 358,14 1,577 1,3