ДУГОВОЙ РАЗРЯД

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

       

самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10-2—10 -4 мм рт. ст., при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Д. р. отличается высокой плотностью тока на катоде (102—108 А/см2) и низким катодным падением потенциала, не превышающим эфф. потенциала ионизации среды в разрядном промежутке. Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо от него в 1808—09 англ. учёным Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков дугообразно изогнут, что и обусловило название.

Известно множество разновидностей Д. р., каждая из к-рых существует только при определённых внешних и граничных условиях. Почти у всех видов Д. р. ток на катоде стянут в малое очень яркое пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода (катодное пятно). Темп-ра поверхности в пятне достигает величины темп-ры кипения (или возгонки) материала катода. Поэтому значительную (иногда главную) роль в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положит. пространственного заряда, обеспечивающего ускорение эмиттируемых эл-нов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Т. к. толщина этого слоя крайне мала (менее длины пробега эл-на), он создаёт высокую напряжённость поля у поверхности катода, особенно вблизи естеств. микронеоднородностей поверхности, благодаря чему существенной оказывается и автоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока в катодном пятне и «перескоки» пятна с точки на точку создают условия для проявления взрывной электронной эмиссии. Известны и др. катодные механизмы Д. р. (факельный вынос, плазменный катод и т. д.). Относит. роль каждого из них зависит от конкретного вида Д. р.

Непосредственно к зоне катодного падения потенциала примыкает положительный столб, простирающийся до анода. Прианодного скачка потенциала обычно не наблюдается. На аноде формируется яркое анодное пятно, несколько большего размера и менее подвижное, чем катодное. Нагретый до высокой темп-ры и ионизованный газ в столбе находится в состоянии плазмы. Электропроводность плазмы в зависимости от вида Д. р. может принимать практически любые значения, вплоть до электропроводности металлов, но обычно она на неск. порядков меньше последней. Выделяющаяся в столбе джоулева теплота восполняет все потери энергии из столба плазмы, поддерживая неизменным её состояние, к-рое определяется хар-ром распределения энергии по всем степеням свободы. Полностью равновесные статистические распределения, строго говоря, в плазме Д. р. никогда не реализуются. Однако состояние сверхплотной плазмы при концентрации заряж. ч-ц N?1018 см-3 может быть близким к полному термодинамич. равновесию. Кинетика плазмы в столбе Д. р. при таких плотностях определяется в основном процессами соударений. При меньших плотностях (1018>N>1015 см-3) может реализоваться состояние т. н. локального термич. равновесия (ЛТР), при к-ром в каждой точке плазмы все статистич. распределения близки к равновесным при одном значении Т, но Т явл. ф-цией координат. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного (планковского) и определяется составом плазмы и скоростями конкретных радиац. процессов (линейчатое, сплошное тормозное, рекомбинационное излучения и т. д.). При очень ограниченных размерах столба Д. р. (неск. мм), даже в плотной плазме N?1018 см-3 для Не и N?1016 см-3 для др. газов), состояние ЛТР может нарушаться за счёт процессов переноса, включая радиац. потери. Нарушение ЛТР выражается в сильном отклонении состава плазмы и заселённостей возбуждённых уровней от их равновесных значений. По мере дальнейшего снижения плотности плазмы радиационные процессы играют всё большую роль.

Длина столба Д. р. может быть произвольной, но его диаметр жёстко определяется условиями баланса выделяющейся и теряемой энергии. С ростом тока или давления неоднократно меняются механизмы потерь, обусловленные теплопроводностью газа, теплопроводностью эл-нов, амбиполярной диффузией, радиац. потерями и т. д. При таких сменах может происходить контракция (самосжатие) столба (см. КОНТРАГИРОЕАННЫЙ РАЗРЯД).

Классич. примером Д. р. явл. разряд пост. тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от 1А до сотен А, катодное падение потенциала =10 В, межэлектродпое расстояние от мм до неск. см, темп-ра плазмы =7000К, темп-pa поверхности анодного пятна =3900К. Применяется как лабораторный эталонный источник света и в технике (дуговые лампы). Д. р. с угольным анодом, просверлённым и заполненным исследуемыми в-вами или пропитанным их р-рами, применяется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т. п. Используется Д. р. в плазмотронах, а также в дуговых печах для выплавки металлов, как сварочная дуга при электросварке. Разл. формы Д. р. возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрич. тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных электровыключателях и т. п.), в нек-рых газоразрядных источниках света и т. д.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

- самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10^-2_10^-4 тор, при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 10³ Гц) разности потенциалов между электродами и отличающийся высокой плотностью тока на катоде (10^2_10⁸ А/см ²) и низким катодным падением потенциала (не превышает эфф. потенциала ионизации среды в разрядном промежутке). Известно много разновидностей Д. р., каждая из к-рых существует только при вполне определённых внеш. и граничных условиях. Почти у всех видов Д. р. ток на катоде стянут в малое очень яркое катодное пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода. Темп-ра поверхности в пятне достигает величины темп-ры кипения (или возгонки) материала катода. Поэтому значительную (иногда главную) роль в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положит. объёмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул среды. Т. к. толщина слоя крайне мала (менее длины свободного пробега электрона), создаётся высокая напряжённость поля у поверхности катода, особенно вблизи естеств. микронеоднородностей поверхности, благодаря чему существенной оказывается и автоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока в катодном пятне и "перескоки" пятна с точки на точку создают условия для проявления взрывной электронной эмиссии. Известны и др. катодные механизмы Д. р. (факельный вынос, плазменный катод, термокатод и т. д.). Относит. роль каждого из них зависит от конкретного вида Д. р. <Непосредственно к зоне катодного падения потенциала примыкает положительный столб, простирающийся до анодной области. Прианодного скачка потенциала чаще не наблюдается. На аноде обычно формируется яркое анодное пятно, несколько больших размеров именее подвижное, чем катодное. Темп-pa поверхности в анодном пятне такая же или несколько ниже, чем в катодном. В нек-рых типах Д. р. при токах в десятки А на катоде и аноде возникают факелы, имеющие характер плазменных струй, вытекающих с большой скоростью нормально к поверхности электродов. При токах более 100^_300А возникают добавочные факелы и столб Д. р. приобретает структуру пучка плазменных нитей. Природа и механизм образования факелов изучены пока недостаточно. При появлении факелов положит. столб соединяет две произвольно перемещающиеся точки катодного и анодного факелов и может быть ориентирован относительно них любым образом (напр., перпендикулярен); в столбе особенно легко проявляются многие неустойчивости. <Нагретый до высокой темп-ры и ионизованный газ в столбе находится в состоянии плазмы. В граничной зоне между катодным слоем и столбом ток эмиссии переходит в ток проводимости. Электропроводность плазмы в зависимости от вида Д. р. может принимать практически любые значения вплоть до значений электропроводности металлов, но, как правило, она на неск. порядков меньше. Выделяющаяся в столбе джоулева теплота восполняет все потери энергии из столба плазмы, поддерживая неизменным её состояние, к-рое определяется характером распределения энергии по всем степеням свободы. Полностью равновесные распределения, строго говоря, в плазме Д. р. никогда не реализуются. Однако состояние сверхплотной плазмы при концентрации заряж. частиц N/10¹⁸ см ^-3 иногда можно считать близким к полному термодинамич. равновесию. При меньших плотностях (до N~10¹⁵ см ^-3) может реализоваться состояние т. н. л о к а л ь н о г о термического равновесия, при к-ром в каждой точке плазмы распределения любых частиц по скоростям в основном максвелловские, распределения атомов и молекул по возбуждённым состояниям - больцмановские, степени диссоциации и ионизации удовлетворяют закону действующих масс, а давление - уравнению состояния, причём во все эти распределения входит одно и то же значение темп-ры Т, являющееся функцией координат. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного (планковского) и определяется составом плазмы и скоростями конкретных радиац. процессов (линейчатое излучение, сплошное тормозное и рекомбинационное и т. д.). При очень ограниченных размерах столба Д. р. (неск. мм) даже в плотной плазме (N[10¹⁸ см ^-3 для Не, N<10¹⁶ см ^-3 для др. газов) состояние локального термич. равновесия может нарушаться за счёт процессов переноса (см. Переноса процессы в плазме), включая радиационные. Это выражается в сильном отклонении состава плазмы и заселённостей возбуждённых уровней от их равновесных значений. В таких случаях сохраняется обычно лишь частичное локальное термич. равновесие, характеризующееся равновесием между заселённостями самых верхних возбуждённых уровней и концентрацией свободных электронов, к-рые предполагаются в осн. максвелловскими. Т. о., кинетика плазмы в столбе Д. р. при высоких плотностях заряж. частиц определяется гл. обр. процессами соударений, а по мере снижения плотности все большую роль играют радиац. процессы. Границы применимости указанных выше приближений в каждом конкретном случае можно грубо оценить с помощью соответствующих критериев, но при этом всегда необходимо контролировать выполнение этих признаков применимости. Соблюдение этого условия необходимо для доказательства адекватности выбранных методов диагностики плазмы. Длина столба Д. р. в принципе может быть произвольной, но его диаметр жёстко определяется условиями баланса выделяющейся и теряемой энергии. С ростом тока или давления тип осн. механизма потерь неоднократно меняется; при таких сменах можетпроисходить контракция столба (см. Контргаированный разряд). Для Д. р. наиб. характерны диссоциативная контракция (при токе i _д) и пинч-эффект (при токе i _п). Первая из них связана с резким изменением теплопроводности плазмы в молекулярных газах в зоне интенсивной диссоциации, вторая возникает при превышении магнитного давления над газокинетическим. Конкретные значения токов i _д и i _п очень сильно зависят от условий горения разряда; обычно 1[i _д<10² А; i _п/10³ А. Д. р. при i>i _д принято называть сильноточным, при i>i_n - сверхсильноточным. <Широкое развитие приобрело матем. моделирование столба Д. р. Матем. модели включают в себя уравнения кинетики, электродинамики, а при необходимости и магнитной гидродинамики плазмы. В большинстве случаев такие модели в принципе позволяют с достаточным приближением рассчитать на ЭВМ значения всех параметров столба плазмы, однако при этом необходим тщательный контроль адекватности модели, что само по себе представляет также очень сложную задачу. <Свойства и конкретные параметры Д. р. меняются в очень широких пределах в зависимости от его типа и условий горения. Классич. примером является Д. р. пост. тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от ампера до сотен ампер, катодное падение потенциала ~10 В, межэлектродное расстояние - от мм до см, темп-pa плазмы ~7000 К, темп-pa поверхности в анодном пятне ~3900 К. Д. р. применяется в технике (угольные лампы) и науке (эталонный источник света). Д. р. с угольным анодом, просверленным и заполненным исследуемыми веществами или пропитанным их растворами, широко используется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т. п. Темп-pa плазмы при введении примесей исследуемых веществ снижается прибл. пропорционально эфф. потенциалу ионизации среды. <Д. р. пост. тока может устойчиво гореть в воздухе как между угольными, так и между металлич. электродами. Но разряд переменного тока горит самостоятельно при любых токах только между угольными электродами. При использовании же металлич. электродов для поддержания разряда при токах <10 А необходим вспомогат. ионизатор (с этой целью в практике спектрального анализа, напр., применяется наложение ВЧ-разряда на дуговой, горящий при частоте 50 Гц).Д. р. становится фактически самостоятельным и при применениях накаливаемого катода (обычно при низких давлениях газа). Однако практически все характеристики разряда при этом остаются типично "дуговыми", за исключением величиныкатодного падения потенциала, к-рая ещё снижается. Аналогичное снижение происходит и при использовании плазменных катодов (см. также Низковольтная дуга). Применение Д. р. в качестве спец. источника света в научных исследованиях требует обычно стабилизации положит. столба в пространстве. Такая стабилизация может осуществляться шайбами или стенками разрядной трубки, тангенциальными потоками жидкости или газа в узких каналах, вихревым потоком газа вдоль столба свободно горящей дуги, магн. полем и т. д. <Д. р. применяется также в разл. конструкциях генераторов плазмы (напр., в плазмотронах), в нек-рых плазмохим. реакторах, в электросварке, в разл. электронных и осветит. приборах (коммутаторы, ртутные выпрямители, газотроны, газоразрядные источники света и т. д.). Лит.: Грановский В. Л., Электрический ток в газе, М., 1971; Экспериментальные исследования плазмотронов, под ред. М. Ф. Жукова, Новосиб., 1977. В. Н. Колесников.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.