Koronapurkaus

Koronapurkaus, lyhyemmin joskus korona, tapahtuu, kun sähkönjohtimen jännite tuottaa niin voimakkaan sähkökentän, että se ylittää ympäröivän kaasun läpilyöntilujuuden. Tällöin kaasu ei enää kykene toimimaan eristimenä, vaan se ionisoituu ja alkaa johtaa sähköä. Sähkövirta sitten tekee kaasussa työtä, joka näkyy, kuuluu ja tuoksuu koronapurkaukselle ominaisella tavalla.
Mekanismi.
Koronapurkauksessa sähkönjohtimesta lähtevät elektronit kiihtyvät johdinta ympäröivässä sähkökentässä, iskeytyen lopulta ympäröivän eristävän kaasun molekyyleihin, jotka virittyvät. Relaksoituessaan ne sitten säteilevät nopean elektronin tuoman ylimääräisen energian valona. Valon väri riippuu kaasun koostumuksesta; ilmassa se on yleensä sininen, koska tässä pääasiallinen säteilijä on ilman typpi, joskin myös hapella on osansa.
Ilmiö on sama johon neonvalojen (vastaavasti punaisia) toiminta perustuu. Niin myös revontulet, joilla tosin on monia värejä, riippuen aurinkotuulen energiajakaumasta ja typen sekä hapen pitoisuuksista eri ilmakehän kerroksissa. Ilmiön syntymiseen ilmakehän standardipaineessa tarvitaan kuitenkin tuntuvasti korkeampi sähkökenttä kuin alipaineistetuissa purkauslampuissa tai yläilmakehässä. Siksi koronapurkaukseen useimmin käytännössä törmätään korkeajännitelinjojen ja niiden muuntajakoneiston ympärillä. Vaadittavista kentänvoimakkuuksista kertoo, että koronapurkausta esiintyy lähinnä 400 kV:in runkolinjoissa.
Koska purkaus vaatii nimenomaan voimakkaan paikallisen sähkökentän eikä vain korkeaa jännitettä, sitä tavataan johtimien pinnan niistä osista joihin elektronit erityisesti pakkautuvat, eli kulmista ja rosoista. Korkeajännitelinjoissa tällaisia kohtia löytyy erityisesti eristeiden lähistöstä. Talvella ja kostealla säällä myös johtimiin kertynyt huurre toimii koronan lähteenä, voimistaen merkittävästi ilmiötä.
Koronapurkauksen muut vaikutukset.
Koska sähkön runkoverkossa pääasiallisesti käytetään vaihtovirtaa, koronapurkaus tapahtuu silloin syklisesti verkkotaajuudella. Sen lämmittämänä ilma jatkuvasti laajenee ja viilentyessään supistuu, jolloin purkaus säteilee valon lisäksi myös ääntä. Kun läpilyöntimekanismi on epälineaarinen ja siihen vaikuttaa monia tekijöitä, kuten tuuli, sattuma ja ilmankosteus, syntyvä ääni on yhdistelmä verkkotaajuutta ja arvaamattomia määriä sen ylä-ääneksiä. Se kuulostaa aivan tietynlaiselta ritisevältä huminalta, jota sitten usein käytetäänkin ääni- ja elokuvataiteessa symboloimaan sähköä sekä sen aiheuttamaa vaaraa.
Virittäessään ympäröivän kaasun molekyylejä korkeampaan energiatilaan, koronapurkaus mahdollistaa myös kemiallisia reaktioita jotka eivät muuten helposti tapahtuisi. Yksi tärkeimmistä sellaisista on otsonin muodostuminen ilman hapesta, toinen mahdollinen typen oksidien tuotanto. Tästä syystä lähietäisyydeltä koronapurkaus myös tuoksuu ikävän sähköiseltä. Kaasuja syntyy koronapurkauksessa kuitenkin niin paljon rajatummin kuin valokaaressa, että ne harvoin edes suljetuissa tiloissa ovat terveysriski. Silti kyseiset hapetustuotteet edelleen kasautuessaan ovat jossain määrin myrkyllisiä, sekä taatusti epämiellyttäviä.
Ero muihin sähköpurkauksen lajeihin.
Koronapurkaus tulee erottaa valokaaresta ja sen nopeasti sammuvasta pikkuveljestä, kipinästä. Koronapurkauksessa ionisoitunut ja siis johtava osa kaasusta ei ulotu sähkökentän aiheuttavan jännitelähteen toiseen napaan. Tällöin, vaikka kaasu paikallisesti lyökin läpi ja johtaa, kokonaisvastus piirissä pysyy edelleen korkeana, ja hitaamman ionien ajautumisen välittämä vuotovirta alhaisena. Vaihtojännitelähteiden koronapurkaukset myös yleensä johtavat syntyvien varautuneiden ionien paikalliseen rekombinaatioon ajautumisen sijasta, jolloin virittyneen plasman ja ulompana olevan normaalitilaisen kaasun välinen tasapaino rajoittaa voimakkaasti ilmiötä.
Valokaaressa eristeenä toimiva kaasu taas lyö läpi koko matkaltaan ja muuttuu helposti sähköä johtavaksi, jolloin korkea jännite voi aiheuttaa erittäin suuren virran, ja siis yhteisesti tehon. Kerran läpilyötyään valokaaren purkauskanava tuottaa vain alhaisen vastuksen virtapiiriin, jolloin sähkövirta keskittyy yhteen kirkkaaseen purkauskanavaan. Sen lämpötila voi kohota kymmeniintuhansiin asteisiin. Koronapurkaus on hajautuneempi, ja näyttää säteilevän vain lyhyen matkan niistä kohdista johteen pintaa joissa ympäröivä kaasu on paikallisesti lyönyt läpi. Se on niin himmeä, ettei sitä yleensä havaitse päivänvalossa, vaan vain yöllä.
Kipinä taas on pieni valokaari, joka sammuu itsekseen kun purkauskanavan alhainen vastus nopeasti purkaa jännite- ja varauslähteen.
Sähköturvallisuus.
Koronapurkaus on siis ihmiselle etäisyyden päästä vaaraton, koska se säteilee varsin vähän tehoa niin valona kuin äänenäkin, eikä riitä tuottamaan nopeasti merkittäviä määriä myrkyllisiä kaasuja.
Toisin on jos koronapurkaukseen koskee, koska silloin valokaari voi syttyä ja ihminen voi joutua sähköpiirin osaksi. Varsinkin koronapurkaukseen johtavilla jännitteillä suurvoimatekniikassa tuloksena on erinomaisen vaarallinen sähköisku, joka saattaa salaman tapaan jopa repiä elimistön kappaleiksi. Erityisen vaarallisia ovat korkeajännitetasavirtalinjojen tuottamat koronapurkaukset, koska niiden lähimaastossa esiintyy jatkuvaa ionivirtaa, paikallisen rekombinaation asemesta. Tuollainen virta mahdollistaa sen, että lähelle tuotu vastakkaisessa potentiaalissa oleva johdin, kuten ihmisen sormi, nopeuttaa ionivirtaa ja mahdollistaa valokaaren läpilyönnin yllättävänkin pitkän matkan päässä näkyvästä purkauksesta; purkaus ns. "hyppää".
Koronapurkaukseen ei myöskään tule tuijottaa pitkiä aikoja läheltä, koska se vapauttaa jonkin verran myös silmille haitallista ultraviolettisäteilyä.
Valokaari taas on etäisyydenkin päästä vaarallinen ilmiö, koska se säteilee sähkömagneettisesti kertaluokkia enemmän tehoa, sytyttää tulipaloja, tuottaa palamistuotteita ja lämpövaikutuksillaan saattaa tuottaa jopa räjähdyksiä. Kipinä ei rajatussa energiassaan riitä moiseen, mutta koska sekin johtaa paikallisesti korkeisiin lämpötiloihin, se voi edelleen sytyttää, vaikkapa metsäpalon tai pölyräjähdyksen.