Lucutan korona

Dalam bidang listrik, lucutan korona adalah lucutan elektrostatik yang disebabkan oleh ionisasinya fluida yang mengelilingi sebuah konduktor, yang terjadi saat gradien potensial (kekuatan medan listrik) melebihi nilai tertentu, tapi kondisinya tidak cukup untuk menimbulkan busur elektrik atau dadalan elektrik (Bahasa Inggris: electrical breakdown).

Perkenalan

Korona merupakan proses dimana arus, mungkin diteruskan, muncul dari sebuah elektroda berpotensial tinggi di dalam sebuah fluida yang netral, biasanya udara, dengan mengionisasi fluida hingga menciptakan plasma di sekitar elektroda. Ion-ion yang dihasilkan akhirnya akan melampaui muatan listrik menuju area-area berpotensi rendah terdekat, atau bergabung kembali untuk membentuk molekul-molekul gas netral.

Saat gradien potensialnya fluida cukup besar pada sebuah titik, maka fluida itu akan mengalami ionisasi dan menjadi bersifat konduktif. Udara di dekat elektroda bisa terionisasi (sebagian bersifat konduktif). Saat udara di dekat titik menjadi bersifat konduktif, ia memiliki efek meningkatkan ukuran konduktor. Di luar wilayah ionisasi dan konduktivitas ini, partikel-partikel bermuatan perlahan-lahan mencapai benda yang muatannya berlawanan dan dinetralkan.

Jika wilayah terionisasi terus bertambah luas dan tidak berhenti pada radius tertentu, terbentuklah jalur yang betul-betul bersifat konduktif yang berakibat pada terciptanya latu elektrik yang muncul sekejap atau busur elektrik yang berkesinambungan.

Lucutan korona biasanya melibatkan dua elektroda asimetris; elektroda yang satu memiliki permukaan yang sangat melengkung (seperti ujung sebuah jarum atau kawat berdiameter kecil) dan elektroda satunya lagi memiliki kelekukan yang rendah (seperti piring atau permukaan tanah). Kelengkungan yang tinggi memastikan potensial gradien yang tinggi di sekitar sebuah elektroda, untuk menciptakan sebuah plasma.

Korona bisa bermuatan positif atau negatif. Hal ini ditentukan oleh polaritas tegangan di elektroda yang kelengkungannya tinggi. Jika elektroda melengkung bemuatan positif berkenaan dengan elektoda rata terciptalah korona positif, tapi jika negatif yang tercipta adalah korona negatif. Ketidaksamaan sifat korona positif dengan korona negatif yang amat berbeda disebabkan oleh jauh berbedanya massa elektron dengan ion bermuatan positif, dengan hanya elektron memiliki kemampuan mengalami tingkat benturan taklenting pengion yang signifikan pada temperatur dan tekanan bersama.

Fungsi lucutan korona yang utama adalah terciptanya ozon di sekitar konduktor yang mengalami proses korona. Korona negatif menghasilkan ozon jauh lebih banyak daripada korona positif.

Penerapan lucutan korona

Berikut ini adalah penerapan lucutan korona di bidang komersial dan industri.

• Menghilangkan muatan listrik yang tidak diinginkan dari permukaan pesawat yang sedang terbang dan dengan begitu menghilangkan efek yang merugikan dari pulsa lucutan elektris tak terkontrol pada kinerja sistem avionik
• Pembikinan ozon
• Sterilisasi air kolam
• Pembersihgosokan partikel-partikel dari udara dalam HVAC (lihat Pengendap elektrostatik)
• Menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan, seperti pestisida kimia, pelarut, atau bahan senjata kimia, dari atmosfer
• Meningkatkan keterbasahan atau ‘energi tegangan permukaan’ dari film polimer untuk meningkatkan kesesuaian dengan tinta cetak atau perekat.
• Membuat fotokopi
• Pengion udara yang baik buat kesehatan
• Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik.
• EHD thruster, Lifter, dan piranti ion wind yang lain
• Laser nitrogen
• Perlakuan Permukaan untuk Kultur Jaringan (Polistirena)
• Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion.

Korona bisa digunakan untuk menghasilkan permukaan bermutan, yang merupakan sebuah efek yang digunakan dalam pengopian elektrostatik (membuat fotokopi). Korona juga dapat digunakan untuk menghilangkan materi kepartikelan dari aliran udara dengan terlebih dahulu mengisi udara dengan muatan listrik, lalu melewatkan aliran udara bermuatan melalui sisir polaritas bolak-balik, untuk mengendapkan partikel-partikel bermuatan ke lempengan dengan muatan yang berlawanan.

Ion serta radikal bebas yang dihasilkan dalam reaksi korona bisa dipakai untuk membersihkan udaranya produk-produk merugikan tertentu, melalui reaksi kimia, dan bisa digunakan untuk memproduksi ozon.

Berbagai permasalahan yang disebabkan lucutan korona

Korona bisa menghasilkan derau/bising terdengarkan dan frekwensi radio, khususnya di dekat jaringan transmisi tenaga listrik. Selai merepresentasikan rugi daya, aksi lucutan korona di partikel-partikel atmosfer, bersama dengan produksi ozone dan nitrogen oksida yang berkaitan dengan lucutan korona, bisa merugikan kesehatan manusia yang bermukim di wilayah-wilayah yang dilalui jaringan listrik. Dengan begitu, peralatan transmisi tenaga listrik didesain untuk meminimalisir terbentuknya lucutan korona. Lucutan korona pada umumnya tidak diinginkan dalam:

• Transmisi tenaga listrik, dimana lucutan korona menyebabkan:
  • Rugi daya
  • Bising terdengarkan
  • Gangguan elektromagnetik
  • Pijar ungu
  • Produksi ozon
  • Kerusakan pengisoliran
• Di dalam komponen-komponen listrik seperti trafo, kapasitor, motor listrik serta generator listrik. Korona secara progresif merusak isolasi di dalam piranti, yang mengarah ke cacat perlengkapan dini. Salah satu bentuk serangan adalah keretakan oleh ozonnya benda yang terbuat dari elastomer seperti cincin O.
• Berbagai situasi dimana tegangan tinggi digunakan, tapi produksi ozon diminimalisir.

Mekanisme lucutan korona

Lucutan korona baik yang positif maupun negatif memiliki mekanisme bersama tertentu.

1. Sebuah molekul atau atom netralnya medium, di dalam sebuah wilayah medan listrik yang kuat (seperti gradien potensial yang tinggi di dekat elektroda melengkung) diionisasikan oleh sebuah peristiwa lingkungan eksogen (misalnya sebagai akibat dari interaksi foton), untuk menciptakan sebuah ion positif dan elektron bebas.
   
2. Medan listrik lalu beroperasi pada partikel-partikel bermuatan lalu memisahkan, mencegah penggabungan kembali, serta mempercepat partikel-partikel itu, memberikan energi kinetik ke setiap partikel.
3. Sebagai akibat dari energisasi elektron (yang memiliki nisbah massa/muatan dan kecepatan yang jauh lebih tinggi), lebih jauh lagi sejumlah pasangan ion elektron/positif bisa diciptakan dengan menabrakkan atom-atom netral. Lalu mereka mengalami proses pemisahan yang sama. Proses pemisahan ini menciptakan sebuah longsoran elektron (Bahasa Inggris: electron avalanche). Baik korona positif dan negatif mengandalkan longsoran elektron.
   
4. Dalam berbagai proses yang membedakan korona positif dengan negatif, proses energi plasma ini dirubah menjadi disosiasi elektron tahap awal untuk menyebabkan longsoran lebih jauh lagi.
5. Sebuah spesies ion tercipta di dalam rangkaian longsoran ini (yang berlainan antara korona positif dengan negatif) ditarik ke elektroda tak melengkung, melengkapi sirkuit, dan mempertahankan aliran arus.
   

Tegangan awalnya korona atau Tegangan Insepsi Korona (TIK) bisa dicari dengan hukum Peek (1929), yang diformulasikan dari pengamatan empiris.

Sifat elektris

Arus listrik yang dibawa oleh korona ditentukan dengan menyatukan rapat arus pada permukaan konduktor. Rugi daya ditentukan dengan mengalikan arus dengan tegangan.

Korona positif

Sifat

Korona positif berbentuk sebuah plasma seragam di sepanjang sebuah konduktor. Korona positif sering terlihat dengan pijaran berwarna biru/putih, meski sebagian besar emisi berada dalam ultraviolet. Keseragaman plasma disebabkan oleh sumber lonsoran elektron sekunder yang homogen yang dijelaskan dalam seksi mekanisme di bawah. Dengan geometri dan tegangan yang sama, korona positif tampak lebih kecil daripada korona negatif, berkat kurangnya wilayah plasma non-pengion di antara wilayah bagian dalam dengan bagian luar. Elektron bebas dalam sebuah korona positif jauh lebih sedikit daripada korona negatif, kecuali sangat dekat dengan elektroda melengkung: mungkin seperseribu rapatan elektron dan seperseribu total jumlah elektron.

Namun, elektron-elektorn dalam sebuah korona positif dikonsentrasikan dekat dengan permukaan konduktor melengkung, di dalam sebuah wilayah gradien potensial yang tinggi (dan dengan begitu elektron memiliki tenaga tinggi), sedangkan elektron di dalam korona negatif berada di wilayah luar bagian bawah. Dengan begitu, jika elektron digunakan dalam sebuah aplikasi yang membutuhkan tenaga aktivasi yang tinggi, korona positif bisa mendukung tetapan reaksi yang lebih besar daripada korona negatif; walau jumlah total elektron lebih sedikit, jumlah elektron tenaga sangat tinggi lebih banyak.

Korona merupakan produsen ozon yang efisien di udara. Ozon yang dihasilkan sebuah korona positif jauh lebih sedikit daripada korona negatif, sebab reaksi yang menghasilkan ozon berenergi relatif rendah. Dengan begitu, semakin banyak jumlah elektron di korona negatif akan meningkatkan produksi ozon.

Mekanisme

Sama dengan korona negatif, korona positif dimulai oleh sebuah peristiwa ionisasi eksogen dalam kawasan gradien potensial yang tinggi. Elektron yang dihasilkan dari ionisasi ditarik menuju elektroda melengkung, dan ion-ion positif ditolak darinya. Dengan melakukan benturan taklenting semakin dekat dan dekat ke elektroda melengkung, makin banyak molekul yang diionkan dalam sebuah longsoran elektron. Di dalam sebuah korona positif, elektron-elektron sekunder dihasilkan di dalam fluida, tepatnya dalam wilayah di luar plasma atau wilayah longsoran. Elektron-elektron sekunder itu diciptakan oleh ionisasi yang disebabkan oleh foton yang dipancarkan dari plasma itu dalam berbagai proses deeksitasi yang terjadi di dalam plasma seusai benturan elektron, energi termal yang dibebaskan dalam benturan itu menciptakan foton yang diradiasikan ke dalam gas. Elektron yang dihasilkan dari ionisasinya molekul gas netral lalu ditarik kembali secara elektris menuju elektroda melengkung, ditarik ke dalam plasma, dan dengan begitu memulai proses menciptakan longsoran lebih jauh di dalam plasma.

Seperti yang bisa dilihat, korona positif dibagi menjadi dua wilayah, sepusat di sekeliling elektroda tajam. Wilayah bagian dalam terdiri dari elektron pengion dan ion positif yang bertindak sebagai sebuah plasma, longsoran elektron dalam wilayah ini, yang lebih jauh menciptakan banyak sekali pasangan ion/elektron. Hampir seluruh wilayah bagian luar terdiri dari ion positif masif yang bermigrasi dengan pelan, bergerak menuju elektroda melengkung, dekat dengan antarmuka kawasan ini, elektron-elektron sekunder, dibebaskan oleh foton yang meninggalkan plasma, yang dipercepat kembali ke dalam plasma. Wilayah dalam dikenal sebagai wilayah plasma, sedang wilayah luar sebagai wilayah unipolar.

Korona negatif

Sifat

Korona negatif dihadirkan dalam korona takseragam, yang bervariasi sesuai dengan ciri permukaan dan ketidakteraturannya konduktor melengkung. Ia sering muncul sebagai gumpalan korona di tepi tajam, jumlah gumpalan berubah sesuai dengan kekuatan medan. Terbentuknya korona negatif merupakan hasil dari sumber elektron longsoran sekunder (lihat di bawah). Ia tampak sedikit lebih besar dari korona positif, sebab elektron diperbolehkan melayang keluar dari wilayah pengion. Jumlah total elektron, dan rapatan elektron jauh lebih besar dari yang ada di korona positif.

Mekanisme

Proses terbentuknya korona negatif jauh lebih kompleks daripada korona positif. Sama seperti korona positif, pembentukan korona dimulai dengan sebuah peristiwa ionisasi eksogen yang menghasilkan elektron primer, yang dilanjutkan dengan longsoran elektron.

Elektron diionkan dari gas netral yang tidak berguna dalam mempertahankan proses korona negatif dengan menghasilkan elektron sekunder untuk longsoran lebih jauh lagi, karena pada umumnya elektron dalam sebuah korona negatif bergerak keluar dari elektroda melengkung. Untuk korona negatif, proses menghasilkan elektron sekunder yang dominan adalah efek fotolistrik, dari permukaan elektroda sendiri. Fungsi kerjanya elektron (energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dari permukaan) sangat rendah daripada energi ionisasinya udara pada suhu dan tekanan yang standar, membuatnya menjadi sumber elektron sekunder yang lebih liberal dalam kondisi tersebut. Sekali lagi, sumber energi untuk pembebasan elektron adalah foton tenaga tinggi dari sebuah atom dalam perelaksasian tubuh plasma setelah eksitasi dari benturan sebelumnya. Penggunaan gas netral terionisasi sebagai sumber ionisasi dikurangi lebih jauh dalam sebuah korona negatif dengan konsentrasi ion-ion positif yang tinggi yang bergerombol di sekitar elektoda melengkung.

Dalam kondisi-kondisi yang lain, benturan spesies positif dengan elektroda melengkung bisa pula menyebabkan pembebasan elektron.

Dengan begitu yang membedakan korona positif dengan korona negatif, dalam hal terciptanya longsoran elektron sekunder, adalah longsoran elektron sekunder di dalam korona positif diciptakan oleh gas berada di sekitar wilayah plasma, elektron-elektron sekunder yang baru bergerak ke dalam, sedangkan longsoran elektron sekunder dalam korona negatif diciptakan oleh elektroda melengkung itu sendiri, elektron sekunder yang baru bergerak keluar.

Ciri selanjutnya dari struktur korona negatif adalah elektron yang melayang keluar akan bertemu dengan molekul netral dan, bersama-sama molekul elektronegatif (seperti oksigen dan uap air), bergabung untuk menghasilkan ion negatif. Lalu ion negatif ditarik ke elektroda tak melengkung yang positif, menyelesaikan ‘rangkaian’.

Sebuah korona negatif bisa dibagi menjadi 3 wilayah radial, di sekeliling elektroda tajam. Dalam wilayah bagian dalam, benturan taklenting elektron-elektron berenergi tinggi dengan atom netral menyebabkan longsoran, sedangkan elektron sebelah luar (yang biasanya berenergi lebih rendah) bergabung dengan atom netral untuk memproduksi ion negatif. Dalam wilayah perantara/tengah, elektron-elektron bergabung untuk membentuk ion negatif, tapi biasanya memiliki energi yang tak cukup untuk menyebabkan ionisasi longsoran, tapi tetap menjadi bagian dari sebuah plasma yang berhubungan dengan polaritas yang berbeda dari spesies saat ini, dan kemampuan untuk ikut serta dalam berbagai reaksi plasma karakteristik. Di wilayah sebelah luar, hanya berlangsung sebuah aliran ion negatif dan, pada tingkatan yang lebih rendah, elektron bebas yang menuju elektroda positif. Dua wilayah bagian dalam dikenal sebagai plasma korona. Wilayah sebelah dalam merupakan plasma pengion, tengah merupakan plasma bukan-pengion. Wilayah sebelah luar dikenal sebagai wilayah unipolar.

Contoh

Lucutan korona bisa terlihat di sekitar kabel busi otomotif yang sudah aus.

Lihat pula

• Ozon

Rujukan

• Junhong Chen, "Direct-Current Corona Enhanced Chemical Reactions" (PDF), Ph.D. Thesis, University of Minnesota, USA. August 2002.
• F.W. Peek (1929). Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering. McGraw-Hill. ISBN 0-9726596-6-8. 
• Leonard Loeb (1965). Electrical Coronas Their Basic Physical Mechanisms. University of California Press. 
• James D. Cobine (1941, reprints in 1958, 1970)). Gaseous Conductors; Theory and Engineering Applications. McGraw-Hill or Dover reprints. 

Pranala luar

• Blaze Labs Research — Lots of information on corona properties & Peek's Law
• Villanova University — Modelling Corona for different electrode configurations
• Information about the differences between corona, spark, and brush discharges
• Additional information about corona, its effects, characteristics and preventative measures
• Diagram of Ozone Formation via Corona Discharge
• [1]