尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响.docx

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尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响

摘要：

为了更好地对尖端放电现象趋利避害，需要研究其原理与影响因素。

可以利用Maxwell2D工程这一软件，通过构造正八边形·圆弧尖端模型·三角尖端模型进行建模，然后设置激励源·材料·边界条件·求解域等基本参数进行求解，得出数据图。

分析可知，电场都集中分布在导体表面，能量只集中分布在导体尖端附近，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。

Abstract:

Theoryinordertobettertothephenomenonofpointdischarge,itisnecessarytostudytheprincipleandinfluencingfactors.ThissoftwarecanuseMaxwell2Dengineering,throughconstructingoctagon,arccuttingedgemodel,triangletipmodeltomodel,Andthensetdrivesource,material,boundarycondition,solvingdomainareappliedtosolvethebasicparameters,suchasdatagraphsareobtained.Analysisshowsthattheelectricfieldisconcentrateddistributionintheconductorsurface,theenergyconcentrateddistributionintheconductoroftip,themoresharp,conductorcutting-edgechargedensity,thegreaterthenearfieldintensityisverystrong,theenergyisconcentratednearthetip.

引言

尖端放电是在强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象。

属于一种电晕放电。

通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。

由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去电子的电荷带正电，叫做正离子。

（对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。

在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。

当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。

避雷针是另外一个好的例子。

高大建筑物上安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。

雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。

建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。

显然，要使避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。

原理解释

1．在导体的带电量及其周围环境相同情况下,导体尖端越尖，尖端效应越明显。

这是因为尖端越尖,曲率越小，面电荷密度越高,其附近场强也就越强。

在同一导体上，与曲率小的部位相比，曲率大的部位就是尖端。

因此，设备的边.棱。

角相对于平滑表面,管道的喷嘴相对于管线，细导线相对于粗导线，人的手指相对于背部等等,前者都可认为是尖端，都容易产生尖端效应。

而且,即使带电体没有尖端，而与之相邻近的接地导体具有尖端，它们之间也会产生尖端效应。

此时，由于静电感应,在接地体的尖端处会感应出异性电荷，并容易与带电体之间发生放电。

2．尖端放电的形式主要有电晕放电和火花放电两种。

在导体带电量较小而尖端又较尖时,尖端放电多为电晕型放电。

这种放电只在尖端附近局部区域内进行，使这部分区域的空气电离,并伴有微弱的荧光和嘶嘶声。

因放电能量较小，这种放电一般不会成为易燃易爆物品的引火源,但可引起其它危害。

在导体带电量较大电位较高时，尖端放电多为火花型放电。

这种放电伴有强烈的发光和破坏声响,其电离区域由尖端扩展至接地体（或放电体）,在两者之间形成放电通道。

由于这种放电的能量较大，所以其引燃引爆及引起人体电击的危险性较大。

3．火花型尖端放电随两极间距的减小而更易发生。

这可由击穿电压随极间距离的减小而下降来说明。

4．尖端放电的发生还与周围环境情况有关。

环境温度越高越容易放电。

因为温度越高，电子和离子的动能越大,就更容易发生电离。

另外，环境湿度越低越容易放电。

围为湿度高时空气中水分子增多,电子与水分子碰撞机会增多，碰后形成活动能力很差的负离子,使碰撞能量减弱。

再者，气压越低越容易放电。

因为气压越低气体分子间距越大，电子或离子的平均自由程越大,加速时间越长，动能越大,更容易发生碰撞电离。

数学建模

正八面体模型

圆弧和尖端模型

仿真步骤

打开Maxwellsv，新建Maxwell2D工程。

slover选择Electrostatic；Drawing选择XYPlane。

1.绘制模型

用

画曲线，用Object→Polyline画直线和折线。

定义：

三角尖端模型为one，红色；

圆弧尖端模型为two，红色；

水平板为ground，褐色；

2.设置材料

两个尖端和平行板材料均选为铜。

选中object，在Material栏中选择copper，然后左击Assign。

3.设置激励源

点击Edit>Select>Object>ByClicking；选中要编辑的物体。

点击Assign>Souce>Solid,名称source1出现在Boundary栏中。

在图形下方“charge”和“voltage”选voltage,然后将Value中的设为100000V。

点击Assign。

按上述步骤设定one和two的电压为100000V，设定ground的电压值为0V。

4.设置边界条件

气球边界模拟无限大的求解区，可以有效地隔绝模型外的电荷源或电压源。

有两种类型的气球边界条件：

Charge；Voltage。

其中Charge模拟无限远处的电荷与求解区内的电荷想匹配，强制净电荷为零。

Voltage模拟无限远处电势为零，实际上可以模拟静电绝缘系统。

在大多数情况下，指定Voltage类型的气球边界与指定Charge类型的气球边界所得结果非常类似，但在实际上无穷远出的电荷并不与求解区内的电荷相匹配，故选择Charge类型。

在图形显示区域中点击背景中的任意一个位置，以选中整个区域的边界。

点击Assign>Boundary>Balloon。

在Boundary栏中出现balloon1。

在图形显示区域下方选择Charge。

点击Assign。

5.定义选项

在“ExecutiveCommands”窗口中点击SetupExecutiveParameters>Matrix,出现CapacitanceMatrixSetup窗口。

将两尖端定义为SignalLine，将平板定义为：

Ground。

如定义尖端：

a）在“object”栏中点击“one”和“two”。

b）选择“Inculdeinmatrix”。

c）选择“SignalLine”,然后点击Assign。

6.点击“slove”，运行。

7.查看求解场图

电场分布图

点击菜单栏中的plot—Field—magE—Surface-all-—-all-，点击ok。

显示电场强度的幅值分布情况。

能量分布图

点击菜单栏中的plot—Field—Energy—Surface-all-—-all-，点击ok。

显示能量的幅值分布情况。

电压分布图

结论

从电场分布图中我们可以看出，无论是哪种尖端模型，电场都集中分布在导体表面，并且在尖端处明显要比其他位置集中。

圆弧尖端模型在尖端处的电场强度比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的电场在尖端处更为集中。

从能量布图中我们可以看出，能量只集中分布在导体尖端附近，圆弧尖端模型在尖端处的能量比三角尖端模型要大，但三角尖端模型的能量大的范围更广。

所以在导体表面，越尖锐的位置，导体尖端的电荷密度越大，附近的场强很强，能量也集中分布在尖端附近。

这就是尖端放电模型

日常应用

避雷针高大建筑物上都会安装避雷针，当带电云层靠近建筑物时，建筑物会感应上与云层相反的电荷，这些电荷会聚集到避雷针的尖端，达到一定的值后便开始放电，这样不停的将建筑物上的电荷中和掉，永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。

雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电，在放电的过程中有巨大的能量放出。

建筑物的另外一端与大地相连，与云层相同的电荷就流入大地。

显然，要是避雷针起作用，必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好，一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。

净化器静电除尘空气净化器利用高压直流电场使空气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，在电场力的作用下向两极移动，在移动过程中碰到气流中的粉尘颗粒和细菌使其荷电，荷电颗粒在电场力作用下与气流分向相反的极板做运动，在电场作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电压愈高、电场强度愈高，离子的运动速度愈快。

由于离子的运动，极间形成了电流。

开始时，空气中的自由离子少，电流较少。

电压升高到一定数值后，放电极附近的离子获得了较高的能量和速度，它们撞击空气中的中性原子时，中性原子会分解成正、负离子，这种现象称为空气电离。

空气电离后，由于联锁反应，在极间运动的离子数大大增加，表现为极间的电流（称之为电晕电流）急剧增加，空气成了导体，高强电压捕获附带细菌颗粒，瞬间导电击穿由蛋白质组成的细胞壁，达到杀灭细菌吸附除尘。

感想收获

通过利用ansoft这款工程电磁场软件的有效利用，我们认识到软件在解决实际问题中的高效。

具体操作中，因为参数的不合理设置，很多次都没有能运行出结果，这使我们深刻体会到，细心，在科研工作中，是多么的重要，一个小小的参数出错了，影响的也会是整个结果。

俗话说，实践是检验真理的唯一标准，所以，学以致用才是正解。

日常生活当中，上述所说的避雷针和静电除尘是很典型的应用实例，在理论研究的基础上，我们应该一方面进一步完善现有的应用体系，另一方面，积极开发静电现象的其它利用，使其造福人类，所以，任重而道远，尽管现在我们才疏学浅，但是相信不久的将来，这一构想一定会实现，让科技更好地造福我们人类！