提问:关于PLASMA状态的一些疑惑
Ball_Lightning2022/08/30高电压技术 IP:中国

我没有专门学过等离子体物理,更不会算什么边界状态方程。今天我只是以一个外行和实验爱好者的视角提出一些疑问,希望大家能够帮我解答这些从小学开始积累的无人能解的的疑惑。

问题一:关于电弧温度

       我经常摆弄自己的高压电源,也用它触发过感应炮的火花间隙。在高温电弧许多次烧毁线圈和PVC管子之后,

我发现高压包滤波前持续输出的电弧热效应比整流后啪啪作响的电弧热效应强得多。

理由:1.100W左右持续拉弧时,我的脸和手能明显感受到热量,引出线绝缘皮烧炭化,而滤波后不会炭化塑料。

           2.滤波前电弧能引燃铁丝,而滤波后不能

           (另外还有个2小发现:1.滤波前后放电相同时间,滤波后异常气体味道浓

                                               2.滤波后电弧可以分叉,滤波前很难)

请问是什么原因导致瞬时功率更大的电弧热效应反而更低?

问题二:关于电弧形状

a.如图,半透明紫色或黄色电弧,形似火焰。有时会轻轻飘舞甚至颤动。这种电弧基本不会分叉(也就是其一端不会同时附着在分开的两块电极上)。多见于高压包放电和电池短路拉弧。

3a9313ca4c401deead4f020b169e29d.jpg

b.如图,电弧形状很收敛,清晰可辨。中心亮白。这种电弧会分叉。多见于Marx发生器,火花间隙,倍压整流等容性放电。同时在大功率TC上也可瞥见。

2adc57a62e463c6bd6c4a89eabbde87.jpg

请问是什么导致可后者的边界如此清晰?

问题三:关于电弧颜色

a类电弧:低功率时(我的高压包5-15kV)为紫色,红色,浅粉色(偶尔有铜线等离子化的绿色);

                功率高时(我的高压包20-30kV)为黄色,发刺眼的强光


958982ee7ce4d0075935516e0aa510b9.mp4 点击下载

b类电弧的颜色更加丰富。大多数低功率的是外层辐射蓝光,内层刺眼亮白

拿我的火花间隙举例:

开始时用铜电极,30J左右(电弧功率约100kW,时间总共60us),弧光如前面所说蓝白

微信图片_20220710223935.jpg

后来用铜混合锡,200J300J单级感应炮(500kW 80us弧光有红橙色,紫色和蓝白色等。如图:

4abda10b7c1d055f9b6516ec32ebae1.jpg 03e1b3d34c86cc94e077d6fd8114a7f.jpg

这貌似与空气成分(氮气紫色)电极材料(铜,锡,铅)均无关,那么请问为何出现不同的电弧颜色?

图片来自自己的实验以及KC某些帖子的图片

希望各位集思广益,不吝赐教。谢谢




来自:电气工程 / 高电压技术特殊话题:提问/求助
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~~空空如也
肖特基的救赎
1年7个月前 修改于 1年7个月前 IP:内蒙古
907863

很好的问题,期待有人能详细解答(果然学习才是正道)

电弧颜色问题,低功率a类呈紫色应该主要是氮气被电离的发射光谱,高功率的黄光从nilered视频了解到是空气被加热时氮氧化合过程的发射(未经查证),还有可能有蒸发的电极材料形成微粒的黑体辐射;紫红色等可能是两种颜色的混合

b类气味更浓应该是相似功率下,b类温度更高,氮氧反应更充分,脉冲时间短,氮氧化物分解少

ab类电弧的差异,比较确定应该是辉光放电和弧光放电的区别,具体为什么形成这样的差异有待大佬解释

以上内容未查阅文献,不一定正确,本人也未学习等离子物理,若有错误请指正,马上开学可能回复较晚

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m24h
1年7个月前 IP:上海
907864

持续功率高生成的热量才高 电压高滤波的 虽然瞬间功率高 但平均下来持续功率不高 。。。如果你把距离降到滤波后能维持电弧的程度 一样会产生高热

但是直流持续电弧产生比交流其实困难 电场分开的阴阳离子本身会形成反向电场来阻止持续的放电 击穿后形成的通道需要很强的电流才能维持 以弧光放电为主 颜色与热辐射有关

而高频交流电场下 离子浓度分布来不及变化 没有这个问题 这时候正离子几乎不动 电子在电场中振荡与分子碰撞产生电离 以辉光放电为主 颜色与空气分子的受激辐射有关


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月下孤狼
1年7个月前 IP:广东
907870

从偏向工程的角度解答部分问题:


  1. 加了滤波电容(这里更确切地说是储能电容)的直流高压电源以脉冲形式放电产生的电弧的瞬间功率,温度都是远高于连续输出模式,瞬间高温度可以直接使得空气中产生强烈的激波,即使没有任何密闭装置包裹,暴露在空气中的电弧就能直接“爆炸“(这就算是严谨的意义的爆炸了,属于物理爆炸,也就是电爆炸,产生的激波的速度要比一般的炸药还要高)。人类制造的除了核弹以外的装置,能比这种低阻抗电源放电电弧温度更高的也就是使用磁场压缩以后的“电弧”以及激光束聚焦产生的等离子体。但问题是,为什么这种电弧功率更高,温度更高,却反而灼烧能力不如连续模式呢?我们来梳理下变量!

      楼主在添加滤波电容前后所用的高压电源是同一个,也就是说,高压电源的输出的电能是一定的,这里暂时不讨论给电容器充电过程中的充电能量损耗以及持续放电模式下在内阻上的损耗,也就是不比较脉冲模式和持续模式哪种模式的电弧总能量更大(因为这并不是造成差异主要原因)。主要问题恰恰就在总能量一定,以更高的功率在极短时间内爆发这个事情上。由于热的传导需要时间(热阻与热容构成的时间常数),在脉冲模式下,大部分能量都以光和被加热的冲击波的形式耗散掉了,只有极少数能量瞬间气化电极表面,而且瞬间被汽化的这部分铁也会吸收大量气化热;而连续模式下,还是这么多总的能量,但大部分能量还是只能往铁丝上释放,而且铁丝也没办法瞬间被气化,所以这种工况下你可以认为整根铁丝都能被高效加热。


和这个工况非常类似地,有一种叫硝化棉的东西很多人敢放在手上点燃,但是没有人敢把卫生纸放手上点燃!


2.持续模式的电弧在工业上用于焊接和加热,脉冲模式电弧则用于冷焊。正是因为脉冲电弧及其巨大的功率,所以才能实现在金属局部瞬间高温实现焊接而且其他地方还是冷的。你以为啪啪啪的脉冲电弧对铁丝无伤,实际上多啪啪啪几千次你的铁丝就没了。


并不需要用容性或者感性去区分两种电弧,主要看功率。像家用煤气灶点火的线圈也是啪啪啪放电,因为初级线圈是被几百伏薄膜电容瞬间放电激励的,脉冲功率可以达到几万瓦,不能点燃纸张。但你把这个变压器拆下来,用什么你们喜闻乐见的ZVS电路驱动,持续功率几瓦当然没办法产生啪啪啪的声音,但可以点燃纸张。


总结:总能量一定,不同工况在不同工况下的效率不一样。如果你的目的是产生冲击波,产生强光,瞬间汽化,那么你肯定要用储能后脉冲放电的方法;但如果你的目标是熔化而不是气化,那么你一定要用持续放电的方法,不要加储能器件。对于电热产生冲击波发射东西的爱好者来说,电源功率一定,那么肯定要加一个低阻抗的电容储能;对于烧铁丝爱好者来说,加这个电容反而是降低了烧铁丝的效率了。


对探究问题我提几点建议,不要只在意自己的主要关心对象,比如你这次关心的灼烧铁丝能力。在分析问题的时候,要多找出几个维度,把这些信息放在一起对比。脉冲电弧灼烧能力弱了,那什么东西强了呢?很大声音对不对,这是什么能?机械能对吧,还伴随着强光,这都不是连续电弧拥有的。把这些东西都梳理清楚以后,事情就逐渐明晰了。

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月下孤狼
1年7个月前 IP:广东
907872

关于电弧分叉,如果电源和环境稳定,那么电弧的最终形态一定是只有一根,电弧所在区域电导率是空间中最高的。

但如果电源是一个从0瞬间提高到高压的装置,比如马克思发生器,脉冲变压器一类的。空间中各点最开始都是绝缘的,有很多地方都可能出现电离的趋势,继而也会蔓延出无数小枝杈,甚至可能出现电弧不抄近路的情况。

特斯拉线圈爱好者使用qcw技术来创造所谓利剑电弧,并搞出很多名堂,实际上qcw就是通过缓慢提高的母线电压来实现缓变的电弧功率,降低电弧的分岔概率。某种意义上,特斯拉线圈爱好者就是玩概率的!


实际上只是为了解答为什么脉冲电弧更容易分叉这个问题我们不需要上升到复杂的工程问题,现有的电弧理论即可解释。(即使是汤逊雪崩理论)。

如果你给一杯水高速滴入一滴颜料,你可以看到水中出现无数的颜料细丝蔓延,但大部分的水还是清澈透明的;但如果你给水插入一根沾了颜料的棉线,你只能看到随着时间推移整杯水颜色变深了————分支但明亮的脉冲电弧 和 一整片昏暗的辉光放电


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月下孤狼
1年7个月前 IP:广东
907873

电弧实际上是一个相对复杂的物理过程,但相对生物学,社会学来说还是要简单很多。不论是电弧还是社会发展,如果维系其存在的某种源产生了突变,你别管是电弧被嘴吹了还是说电源不稳定,还是说某个国家领导人被暗杀了,那么这些体系就有更高的概率产生【分支】,这种分支的本质是原本【统一而均匀】的介质中出现了【分配不均】。


如果你缓慢地提高电源电压,那么你会观察到从一点点电晕到连续电弧的过程,但中间的状态你还是可能看到一些丝状放电。此时尽管环境中没有风,没有任何外界因素扰动它,电源也是输出稳定的————然而由于电源输出电压不够,不足以维持【整体统一】,此时【无中生有】,电弧构成了一个张弛振荡器,强行把直流电变成了幅度变化的交流电。国家也是如此,弱小的国家动荡就更多,虚弱的身体疾病就更多。

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Ball_Lightning作者
1年7个月前 IP:中国
907875
引用月下孤狼发表于3楼的内容
从偏向工程的角度解答部分问题:加了滤波电容(这里更确切地说是储能电容)的直流高压电源以脉冲形式放电产...

感谢大佬,理解了。首先电弧亮度响度更大,热分布不均匀;其次电流较大,耗散在铁丝内的热很多,而聚集在表面的热很少,导致点不着铁丝?

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