ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ

       

прохождение электрич. тока через газовую среду, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внеш. воздействий на газ, материалов, форм и расположения электродов, конфигурации возникающего в газе электрич. поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Э. р. в г., причём их законы сложнее, чем законы прохождения электрич. тока в металлах и электролитах. Э. р. в г. подчиняются Ома закону лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрич. св-ва описывают с помощью вольтамперной хар-ки (рис. 1 и 3).

Газы становятся электропроводными в результате их ионизации. Если Э. р. в г. происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внеш. воздействии (при действии т. н. внеш. ионизаторов), его наз. несамостоят. разрядом. Э. р. в г., продолжающийся и после прекращения действия внеш. ионизатора, наз. самостоят. разрядом.

Несамостоят. разряд при малом значении разности потенциалов U между анодом и катодом в газе наз. тихим разрядом. При повышении U сила тока i тихого разряда сначала увеличивается пропорц. напряжению (участок кривой ОА на рис. 1), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ) и, когда все заряж. ч-цы, возникшие под действием ионизатора в ед. времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиление тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС). При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕ). В этом случае сапа тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, к-рое зависит от давления газа и напряжённости электрич. поля в области, занимаемой разрядом.

Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внеш. ионизаторами могут быть: радиоакт. излучение, космические лучи, свет, пучки быстрых эл-нов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преим. в импульсном режиме) в нек-рых типах газовых лазеров.

Переход несамостоят. Э. р. в г. в самостоятельный характеризуется резким усилением электрич. тока (точка Е на кривой рис. 1) и наз. пробоем электрическим газа.

Рис. 1. Вольтамперная хар-ка тихого разряда.

Соответствующее напряжение Uз наз. напряжением зажигания (см. ЗАЖИГАНИЯ ПОТЕНЦИАЛ). В случае однородного поля оно зависит от вида газа и от произведения давления газа р на расстояние между электродами d (рис. 2 и ст. Пашена закон). Разряд после электрич. пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (неск. мм рт. ст.). При более высоком давлении (напр., при атмосферном) лавинное усиление Э. р. в г. приводит к возникновению пространств. заряда, что меняет хар-р процесса пробоя. Между электродами образуется один или неск. узких проводящих (заполненных плазмой) каналов, к-рые наз. стримерами. Время образования стримеров очень мало (ок. 10-7 с). После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолированном сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицат. катодом и положит. анодом.

Рис. 2. Кривые Пашена для разл. газов. По оси абсцисс отложены произведения p d в мм рт. ст. <мм, по оси ординат—. напряжение пробоя Uз в В.

Одним из осн. типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок в на рис. 3), явл. тлеющий разряд. Гл. четыре области разрядного пр-ва, характерные для тлеющего разряда, это: катодное тёмное пр-во, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеево тёмное пр-во, положительный столб. Первые три области находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в к-рой происходит резкое падение потенциала (катодное падение), связанное с большой концентрацией положит. ионов на границе катодного тёмного пр-ва и тлеющего свечения. Эл-ны, ускоренные в области катодного тёмного пр-ва, производят в области тлеющего свечения интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и эл-нов в нейтр. атомы или молекулы. Для положит. столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации эл-нов характерны незначит. падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние, и большая электропроводность.

Стационарность в положит. столбе объясняется взаимной компенсацией процессов образования и потерь заряж. ч-ц. Образование таких ч-ц происходит при ионизации атомов и молекул в результате столкновений с ними эл-нов. К потерям заряж. ч-ц приводит амбиполярная диффузия к стенке сосуда, ограничивающего разрядный объём, и следующая за этим рекомбинация. Диффуз. потоки, направленные не к стенке, а вдоль разрядного тока, часто ведут к образованию в положит. столбе своеобразных «слоев», или страт (обычно движущихся).

При увеличении разрядного тока нормальный тлеющий разряд становится аномальным (рис. 3) и начинается стягивание (контракция) положит. столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнит. процесс потери заряж. ч-ц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой для этого явл. увеличение плотности заряж. ч-ц. При дальнейшем повышении разрядного тока ток на катоде стягивается в катодное пятно, катодное падение потенциала резко снижается и тлеющий разряд скачком переходит в дуговой разряд. Электропроводность столба повышается, вольтамперная хар-ка приобретает падающий хар-р (точка г, рис. 3).

Рис. 3. Вольтамперная хар-ка разряда: аб — несамостоятельного лавинного; бвг — тлеющего (нормального и аномального); гд — дугового (ток в амперах).

Хотя дуговой разряд может «гореть» в широком диапазоне давлений газа, в большинстве практически интересных случаев он реализуется при давлении порядка атмосферного.

Во всех случаях формирования самостоят. Э. р. в г. особое значение имеют приэлектродные процессы, причём ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная связь между катодом и положит. столбом обеспечивается за счёт высокого значения катодного падения потенциала. В самостоятельном дуговом разряде перенос тока в прикатодной области осуществляется за счёт термоэлектронной эмиссии или др. более сложных механизмов.

Все рассмотренные выше Э. р. в г. происходят под действием пост. электрич. напряжения. Однако газовые разряды могут протекать и под действием перем. электрич. напряжения. Такие разряды имеют стационарный хар-р, если частота перем. напряжения достаточно высока (или, наоборот, настолько низка, что полупериод перем напряжения во много раз больше времени установления разряда, так что каждый электрод попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером может служить высокочастотный разряд. ВЧ разряд может «гореть» даже при отсутствии электродов (безэлектродный разряд). Перем. электрич. поле создаёт в определ. объёме плазму и сообщает эл-нам энергию, достаточную для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла потери заряж. ч-ц вследствие диффузии и рекомбинации. Внеш. вид и хар-ки ВЧ разрядов зависят от рода газа, его давления, частоты перем. поля и подводимой мощности. Элем. процессы на поверхности тв. тела (металла или изолятора разрядной камеры) играют определ. роль только в процессе «поджига» разряда. Столб стационарного ВЧ разряда подобен положит. столбу тлеющего разряда.

Кроме установившихся разрядов, осн. хар-ки к-рых не зависят от времени, существуют неустановившиеся Э. р. в г. Они возникают обычно в сильно неоднородных полях, напр. у заострённых и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация эл-нами молекул газа. Два важных типа неустановившегося разряда — коронный разряд и искровой разряд.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, потому что сильная неоднородность электрич. поля, обусловливающая её, существует только в непосредств. близости от проводов и остриёв. Коронный разряд представляет собой многократно повторяющийся процесс поджига, к-рый распространяется на ограниченное расстояние от проводника, до области, где напряжённость поля уже недостаточна для поддержания разряда. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою. Этот Э. р. в г. имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвляющихся, заполненных ионизованным газом нитей-каналов, к-рые пронизывают промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением большого кол-ва теплоты и ярким свечением. Он проходит след. стадии: резкое увеличение числа эл-нов в сильно неоднородном поле близ проводника (электрода) в результате тюследоват. актов ионизации, начинаемых немногими, случайно возникшими свободными эл-нами; образование электронных лавин; переход лавин в стримеры под действием пространств. заряда, когда плотность заряж. ч-ц в головной части каждой лавины превысит нек-рую критическую. Совместное действие пространств. заряда, ионизирующих эл-нов и фотонов в «головке» стримера приводит к увеличению скорости развития разряда. Примером естественного искрового разряда явл. молния, длина к-рой может достигать неск. км, а макс. сила тока — неск. сотен тысяч А.

Все виды Э. р. в г. исследуются и применяются при возбуждении газовых лазеров. Дуговой или ВЧ разряды явл. осн. рабочими процессами в плазмотронах. На применении искрового разряда основаны прецизионные методы электроискровой обработки. При фокусировке лазерного светового излучения происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный ВЧ разряду и искре), наз. лазерной искрой. Мощные сильноточные разряды в водороде служили первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.

В системе естеств. наук изучение Э. р. в г. занимает место в физике плазмы. При Э. р. в г. образуется низкотемпературная плазма, для к-рой характерна малая степень ионизации. В отличие от высокотемпературной (полностью ионизованной) плазмы в низкотемпературной плазме атомы или молекулы нейтр. газа играют важную роль. Эл-ны, ионы и нейтр. ч-цы «мягко» взаимодействуют. Вследствие этого может возникнуть термодинамически неравновесная ситуация, при к-рой эл-ны, ионы и нейтр. газ имеют разные темп-ры. Эта ситуация ещё более усложняется, если в балансе энергии Э. р. в г. нельзя пренебречь световым излучением (напр., в сильноточных дуговых разрядах). В таких случаях низкотемпературную плазму необходимо описывать с помощью кинетич. теории плазмы.

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