Korona deşarjı

Korona deşarjı; yüksek gerilimli bir iletkenin, etrafını saran hava gibi akışkanların iyonlaşmasıyla oluşan elektriksel bir deşarjdır. Havanın (veya akışkanın) elektriksel bir kırılım geçirip iletkenleşmesi ve yükün iletkenden akışkana sızmasını sağlar. Korona deşarjı, iletkenin etrafındaki elektrik alanın (potansiyel gradyanın), havanın dielektrik dayanımını aştığı (iletkendeki gerilimin havayı iletken hale getirdiği değer) yerlerde oluşur. Genellikle nemli ve sisli havalarda görülen bu deşarj işlemi radyal olarak dışarıya mor renkli ışık halkaları emite eder. Kendiliğinden meydana gelen korona deşarjı doğal olarak eğer elektrik alanı şiddetinin limiti sonsuza gitmiyorsa yüksek voltajlı sistemlerde açığa çıkar. Genellikle yüksek voltaj taşıyan iletkenlerin havaya bitişik sivri noktalarında, mavimsi bir parıltı olarak görülür ve bir gaz deşarj lambasıyla aynı özellikte ışık yayar.

500 kV yüksek gerilim hattındaki yalıtkan bir tel üzerinde korona deşarjı

Yüksek voltajlı bir bobin etrafında korona deşarjı

Wartenberg tekerleği üzerinde bir korona deşarjı

Ancak yakınındaki cisim veya objelerde elektriksel kırılıma ya da ark oluşumuna sebep olacak kadar yüksek olmamalıdır. Birçok yüksek voltaj uygulamasında korona istenmeyen bir yan etkidir. Yüksek gerilim iletim hatlarında oluşan korona deşarjı, kamu hizmetleri için ekonomik olarak önemli bir enerji israfı oluşturur. Katot ışınlı tüp televizyonlar, radyo vericileri, X-ışını makineleri ve parçacık hızlandırıcılar gibi yüksek voltajlı ekipmanlarda korona kaynaklı oluşan akım kaçakları, devre üzerinde istenmeyen bir yük oluşturabilir.

Koronanın iyonlaşmış gazı kimyasal olarak aktiftir; havada, ozon (O₃) ve nitrik oksit (NO) gibi gazları ve buna karşılık nitrojen dioksit (NO₂) ve ortamda su buharı varsa nitrik asit (HNO3) üretir. Bu gazlar aşındırıcıdır, yakındaki malzemeleri bozabilir ve kırılgan hale getirebilir, ayrıca insanlar ve çevre için toksiktirler. Genellikle korona deşarjları gelişmiş yalıtım, korona halkaları ve yüksek voltajlı elektrotları pürüzsüz yuvarlak şekillerde yaparak bastırılabilir. Bununla birlikte, kontrollü korona deşarjları, hava filtreleme, fotokopi makineleri ve ozon jeneratörleri gibi çeşitli işlemlerde kullanılır.

Giriş

Korona deşarjı, yüksek potansiyele sahip bir elektrottan nötr bir sıvıya, genellikle havaya, elektrot etrafında bir plazma bölgesi oluşturmak için akımın sıvıyı iyonize ederek aktığı bir süreçtir. Üretilen iyonlar yükü daha düşük potansiyeldeki takın bölgelere geçirir ya da nötr gaz moleküllerini oluşturmak için yeniden düzenlenirler.

Potansiyel gradyan (elektrik alan) akışkandaki bir noktada yeterince büyüdüğünde, akışkan o noktada iyonlaşır ve iletken hale gelir. Eğer yüklü bir cisim sivri bir noktaya sahipse, bu nokta yakınındaki elektrik alan şiddetinin diğer yerlerden çok daha yüksek olması beklenir. Daha uzak noktalar elektrotların yakınındaki havayı iyonize hale (kısmen iletken) getiremezken, bu sivri noktaların yakınındaki hava iyonize hale gelir ve kısmen iletkenlik kazanır; iletkenlik kazandığında iletkenin boyutuna gözle görülür şekilde arttırıcı bir etki yapar. Yeni iletken bölge daha az sivri olduğundan dolayı iyonizasyon yerel bölgeden geçebilecek şekilde genişleyemeyebilir. İyonizasyon ve iletkenliğin olduğu bölgenin dışındaki yüklü parçacıklar yavaşça zıt yüklü objelere doğru yollarını bulurlar ve nötrleşirler.

Eğer geometri ve gradyan, daha düşük potansiyeldeki başka bir iletkene ulaşana kadar büyümeye devam eden iyonize olmuş bölgedeyse, ikisi arasında elektrik arkıyla sonuçlanacak düşük dirençteki bir iletken yol oluşacaktır.

Korona deşarjı genellikle elektrotlar üzerindeki sivri köşeler, çıkıntı noktaları, metal yüzeyin köşeleri ya da küçük çaptaki teller gibi yüksek eğimli bölgelerde oluşur. Bu eğrilik arttıkça, bu noktalardaki potansiyel gradyan da havanın büzülmesi ve ilk olarak plasma haline geçmesiyle sonuçlanarak yükselecektir. Korona oluşumunu baskılamak amacıyla yüksek voltaj ekipmanları üzerindeki terminaller sık sık top ya da yumru ve yüksek voltajlı geçişlere sahip yalıtkanlara eklenen korona halkası gibi pürüzsüz büyük tellerle dizayn edilirler.

Koronalar pozitif ya da negatif olabilir. Bu durum yüksek eğimli elektrotlar üzerindeki voltajın polarizasyonuna bakarak kararlaştırılır. Eğer eğimli elektrot düz elektrota göre pozitifse, buna pozitif bir korona deriz. Eğer tam tersi düşünecek olursak, yani eğimli elektrot düz elektrota göre negatifse, buna negatif bir korona deriz. (Daha fazla detay için aşağıya bakın.) Pozitif ve negatif koronaların fiziği birbirinden oldukça farklıdır. Bu asimetri yalnızca elektronların standart sıcaklık ve basınçta dikkate değer derecede bir esnek olmayan çarpışma yaptığı, elektronlar ve pozitif yüklü iyonlar arasındaki yük üzerinde bulunan büyük farklılığın bir sonucudur.

Havadaki korona sürecine katılan iletkenler etrafındaki ozon üretimi koronaları düşünmek için önemli bir sebeptir. Negatif bir korona pozitif koronaya göre çok daha fazla ozon üretimi sağlamaktadır.

1941 yılında Amerika'daki bir NIST labaratovarı. Enerjisini 1.05 milyon voltluk transformatörden alan iletkenlerin etrafındaki büyük korona deşarjı (beyaz) görülüyor.

Korona deşarjının uygulamaları

Korona deşarjının birçok ticari ve endüstriyel uygulaması vardır.

• Düz bir yüzey üzerindeki sürtünmenin azaltılması
• Uçuş esnasında bir uçağın yüzeyindeki istenmeyen elektrik yüklerinin giderilmesi ve böylece aviyonik sistemlerin performansı üzerinde kontrolsüz elektrik deşarj darbelerinin zararlı etkisinden kaçınılması
• Ozon gazı üretimi
• Havuz suyunun sanizasyonunun sağlanması
• İklimlendirme sistemlerindeki havadan parçacıkların temizlenmesi (daha fazla bilgi için elektrostatik presipitatöre bakınız)
• Atmosferden kimyasal böcek ilaçları, çözücüler ya da kimyasal silah maddeleri gibi istenmeyen uçucu organiklerin çıkarılması
• Baskı mürekkepleri ya da yazdırabilme kabileyetinin uyumluluğunu sağlamak için ıslanabilirlik ya da polimer filmlerin yüzey geriliminin geliştirilmesi
• Fotokopi
• Hava iyonizerleri
• Fotografik filmlerin sergilenmesi amacıyla Kirlian fotoğrafçılığı için foton üretimi
• EHD iticiler, kaldırıcılar ve diğer iyonik rüzgar cihazları
• Azot lazer
• Doku kültürü için yüzey işleme (polistren)
• Bir kütle spektrometrisinden sonraki analiz için gaz halinde bir numune veya bir iyon hareketlilik spektrometrisinin iyonizasyonu
• Bilgisayar çipleri için katı hal soğutma bileşenleri (katı hal fanlarına bakınız)

Koronalar elektrostatik kopyalamada (fotokopi) kullanılan bir etki ile yüklü yüzeyler oluşturmak için kullanılır. Aynı zamanda koronalar hava akımındaki bazı özel maddelerin arındırılmasında da kullanılabilmektedir. Bu süreçte ilk olarak hava yüklenir, sonrasında yüklü akım, yüklü parçacıkları zıt yüklü levhaların üzerine yatırmak için alternatif bir kutuplaşma oluşturur.

Korona reaksiyonlarında üretilen serbest radikaller ve iyonlar, kimyasal reaksiyonlar yoluyla belirli zararlı maddelerin havadan arındırılması için kullanılabilir ve ozon üretilmesi için de oldukça etkili bir yöntemdir.

Korona deşarjından kaynaklanan problemler

Koronalar özellikle yakın elektrik iletimi hatlarında sesli ve radyo-frekansındaki gürültü oluşturabilir. Bu gürültüler de ayrıca enerji hatlarının gücünün zayıflamasına ve atmosferik parçacıklar üzerindeki etkisi ozon ve NOx üretimine sebep olabilirken aynı zamanda insan sağlığı için de bir dezavantaj olarak görülür. Bu nedenle, güç iletim cihazları korona deşarjı oluşumunu en aza indirmek üzere tasarlanmıştır.

Korona deşarjı genellikle aşağıdaki durumlarda istenmeyen bir durumdur:

• Aşağıdakilerden kaynaklı elektrik güç iletimi:
  • Güç kaybı
  • Duyulabilir gürültü
  • Elektromanyetik girişim
  • Mor kızdırma
  • Ozon üretimi
  • Yalıtım hasarı
• Transformatörler, kondansatörler, elektrik motorları ve jeneratör gibi elektrikli bileşenler.
  • Korona ekipmanı başarısızlığa sürükleyecek şekilde cihazın içindeki yalıtıma giderek zarar verebilir.
  • O-halkası gibi elastomer ögeleri ozon çatlamasından zarar görebilir.
  • Korona deşarjları metalleşmenin yerel buharlaşmasına neden olurken ana şebeke gerilimdeki plastik film kondansatörleri giderek zarar görebilir.
• Ozon üretiminin az ancak yüksek voltaj kullanımının sık olduğu durumlarda
• Statik elektrik deşarjında

Birçok durumda koronalar korona ringleri ve elektrik alanı yüksek bölge üzerinde yayan, elektrik alan gradyanını korona eşiğinin altına düşüren torodyal cihazlar tarafından sıkıştırılabilirler.

Korona deşarjının mekanizması

Elektrik alan, havanın atomlar ile onları iyonize etmek için yeterince sert çarpışması, daha fazla atomu iyonize edecek daha fazla elektron üretmesi için meydana gelen bir zincir reaksiyon yaratmak için yeterince güçlü olduğunda korona deşarjı meydana gelir. Süreç şu şekilde işler:

1. Güçlü bir elektrik alanın bulunduğu bölgedeki (eğimli bir elektrodun yakınındaki yüksel potansiyelde bir gradyan gibi) nötr halde bir atom ya da molekül pozitif bir iyon oluşturmak için ya da serbest bir elektron ortaya çıkarmak için doğal çevresel faktörler (örneğin, bir ultraviyole foton veya kozmik ışın parçacığının çarpması) tarafından iyonize edilir.
2. Elektrik alan zıt yüklü parçacıkları zıt yönlerde onları ayırarak, yeniden oluşumlarını sağlayarak ve kinetik enerjilerine katkı sağlayarak ivmelendirir.
3. Elektronlar çok daha fazla bir yük/kütle oranına sahiptir ve bu sayede pozitif iyonlardan daha yüksek bir hıza kadar ivmelendirilebilirler. Elektronlar başka bir atoma çarparak iyonlaştığı alandan yeterince enerji kazanır, onun dışında başka bir elektrona çarpar ve başka bir pozitif iyon oluşmasına sebep olur. Bu elektronlar, elektron/pozitif iyon çiftleri oluşmasını sağlayan diğer atomlarla ivmelendirilir ve çarpıştırılır. Yine bu elektronlar zincir reaksiyonu sürecinde bir elektron heyelanı diye isimlendirilen süreçte daha fazla atomla çarpışırlar. Hem pozitif hem negatif koronolar elektron heyelanına bağlı bir şekilde varlığını sürdürür. Pozitif bir koronadaki bütün elektronlar akınındaki pozitif elektroda doğru ya da tam tersi şekilde etkileşirler ve iyonlar birbirini dışa doğru iterler. Negatif bir koronadaki iyonlar ise içeriye doğru etkileşir ve elektronlar birbirlerini dışarıya doğru ittirirler.
4. Korona parlaması elektronların pozitif iyonlarla nötr atomlar oluşturmak için yeniden kombine olması sırasında ortaya çıkar. Elektronlar kendi orijinal enerji seviyelerine tekrar döndüklerinde ışık olarak bir foton salarlar. Bu fotonlar elektron heyelanı sürecinin sürmesini sağlayarak iyonize olmuş diğer atomları meydana getirir.
5. Elektronlardan belirli bir uzaklıkta elektrik alan iyonize atomlar çarpıştıklarında elektronların bu iyonize atomlara enerji vermesi için oldukça düşük bir hale gelir. Bu koronanın dış kenarıdır. Bunun dışında ise iyonlar yeni iyonlar oluşturmadan havaya doğru hareket ederler. Dışarıya doğru hareketlenen iyonların bu yolculuğu yeniden nötr bir atom haline gelmek ve devrevi tamamlamak için zıt elektrotla birbirlerini çekmesi şeklinde ve sonunda ona ulaşarak elektrottaki elektronlarla birleşmesiyle son bulur.

Termodinamik açıdan bir korona termal olmayan bir plazma oluşturacak denge durumundaki bir süreçte sayılmaz. Elektron heyelanı mekanizması korona bölgesinde bulunan ve elektrik arkı ya da kıvılcımı şeklinde kendi gösterecek olan gazı ısıtmak ve iyonize etmek için genellikle yeterince enerji ortaya çıkarmaz. Yalnızca düşük sayıda gaz molekülleri bu sürecin elektron heyelanında bir parçası haline gelir ve 1 - 3 elektron voltluk (ev) iyonlaşma enerji seviyesine yakın bir enerjiye sahip olarak iyonlaşır. Etrafta kalan diğer gazlar ise ortamın sıcaklığına oldukça yakındır.

Korona ya da korona başlangıcı voltajının başlangıç voltajı 1929 yılında bulunmuştur ve Peek's yasası olarak isimlendirilir. Bu yasa ampirik gözlemler neticesinde formülize edilmiştir. Daha sonraki çalışmalar ise bu formülizasyonu daha sağlam temellere oturtacak şekilde türetmeyi başarmıştır.