ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ
прохождение
электрич. тока через газовую среду под действием электрич. поля, сопровождающееся
изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное
состояние газа (состав, давление и т. д.), внеш. воздействий на газ, форм,
материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрич.
поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Э. р. в г.,
причём его 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. свойства
описывают с помощью вольтамперной характеристики
(рис. 1 и 3).
Газы становятся электропроводными при их
ионизации.
Если Э. р. в г. происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию
внеш. воздействии (при действии т. н. внеш. ионизаторов), его наз. несамостоятельным
газовым разрядом. Э. р. в г., продолжающийся и после прекращения действия
внеш. ионизатора, наз. самостоятельным.
Когда ионизация газа происходит при непрерывном
действии внеш. ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом
и катодом в газе, начинается "тихий разряд". При повышении разности потенциалов
(напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально
напряжению (участок кривой О А на рис. 1), затем рост тока с ростом напряжения
замедляется (участок кривой АВ), и когда все заряж. частицы, возникшие
под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод
и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС).
При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит
в несамостоят. лавинный разряд (участок СЕ
на рис. 1). В этом случае
сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и
газовым усилением, к-рое зависит от давления газа и напряжённости электрического
поля в пространстве, занимаемом разрядом.
Тихий разряд наблюдается при давлении газа
порядка атмосферного. Внеш. ионизаторами могут быть: естеств. радиоактивное
излучение, космические лучи, потоки фотонов
(сильное световое
облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних
типов используются (преим. в импульсном режиме) в газовых лазерах.
Переход несамостоят. Э. р. в г. в самостоятельный
характеризуется резким усилением электрич. тока (точка Е на кривой
рис. 1) и наз. электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение Uз
наз. напряжением зажигания (см. Зажигания потенциал).
В случае однородного
поля оно зависит от сорта газа и от произведения давления газа р на
расстояние между электродами d (см. рис. 2 и ст.
Пашена закон).
Разряд
после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление
газа низ-
ко (неск. мм рт. ст.).
При более
высоком давлении (напр., при атмосферном) лавинное усиление Э. р. в г.
приводит к возникновению электрич. пространственного заряда,
что
меняет характер процесса пробоя. Образуется один или неск. узких проводящих
(заполненных плазмой) каналов, исходящих от одного из электродов.
Такие каналы наз. стримерами. Время образования стримеров очень
мало (ок. 10-7 сек).
После короткого переходного процесса самостоят,
газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют
в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе
течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.
Одним из осн. типов газового разряда, формирующимся,
как правило, при низком давлении и малом токе (участок
в
на рис.
3), является тлеющий разряд. Главные четыре области разрядного пространства,
характерные для тлеющего разряда, это: 1 -
катодное тёмное пространство;
2
- тлеющее свечение; 3 - фарадеево тёмное пространство;
4
- положительный столб. Области /-3 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
областей /-2. В области 2 электроны, ускоренные в области
/, производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено
рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы.
Для положит, столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации
электронов характерны незначит. падение потенциала в нём, свечение, вызываемое
возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние
с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.
Стационарность в положит, столбе объясняется
взаимной компенсацией процессов образования и потерь заряженных частиц.
Образование таких частиц происходит при ионизации атомов и молекул в результате
столкновений с ними электронов. К потерям заряженных частиц приводит амбиполярная
диффузия к стенке сосуда, ограничивающего разрядный объём, и следующая
за этим рекомбинация. Диффузионные потоки, направленные не к стенке, а
вдоль разрядного тока, часто ведут к образованию в положит, столбе своеобразных
"слоев" (обычно движущихся).
При увеличении разрядного тока обычный
тлеющий разряд становится аномальным (рис. 3) и начинается стягивание (контракция)
положит, столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить
дополнит, процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой
этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении
разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его
термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом
случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд
наз. дуговым разрядом. С возрастанием тока электропроводность столба
повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий
характер (рис. 3). Следует отметить, что хотя он может "гореть" в широком
диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд
наблюдается при давлении порядка атмосферного. Во всех случаях особую важность
представляет участок перехода между столбом разряда и электродами, причём
ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная
связь между катодом и положит, столбом обеспечивается за счёт сильного
катодного падения. В самостоят, дуговом разряде в результате сильного локального
нагрева катода появляются т. н. катодные пятна. В них обычно происходит
термоэлектронная
эмиссия или более сложная эмиссия электронов из облака испаряющегося
материала катода. Процесс эмиссии из катода дугового разряда в наст, время
(1978) ещё не до конца понят и интенсивно исследуется.
Все рассмотренные выше Э. р. в г. происходят
под действием постоянного электрич. напряжения. Однако газовые разряды
могут протекать и под действием переменного электрич. напряжения. Такие
разряды имеют стационарный характер, если частота переменного напряжения
достаточно высока (или, наоборот, настолько низка, что полупериод переменного
напряжения во много раз больше времени установления разряда, так что каждый
электрод просто попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером
может служить высокочастотный (ВЧ) Э. р. в г. ВЧ-разряд может "гореть"
даже при отсутствии электродов (безэлектродный разряд). Переменное
электрическое поле создаёт в определённом объёме плазму и сообщает электронам
энергию, достаточную для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла
потери заряж. частиц вследствие диффузии и рекомбинации. Внеш. вид и характеристики
ВЧ-разрядов зависят от рода газа, его давления, частоты переменного поля
и подводимой мощности. Элементарные процессы на поверхности твёрдого тела
(металла или изолятора разрядной камеры) играют определённую роль только
в процессе "поджига" разряда. Стационарный ВЧ-разряд подобен положит, столбу
тлеющего разряда. Кроме стационарных разрядов, осн. характеристики к-рых
не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные) Э. р. в г.
Они возникают по б. ч. в сильно неоднородных или переменных во времени
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 электронами молекул газа.
Два важных типа нестационарного 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 непо-средств. близости от проводов и остриёв. Коронный
разряд представляет собой многократно повторяющийся процесс под-жига, 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 (плазмой), нитей-каналов, к-рые пронизывают промежуток между электродами
и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением
большого количества тепла и ярким свечением. Он проходит следующие стадии:
резкое умножение числа электронов в сильно неоднородном поле близ проводника
(электрода) в результате последоват. актов ионизации, начинаемых немногими,
случайно возникшими свободными электронами; образование электронных лавин;
переход лавин в стримеры под действием пространственного заряда, когда
плотность заряженных частиц в головной части каждой лавины превысит нек-рую
критическую. Совместное действие пространств, заряда, ионизующих электронов
и фотонов в "головке" стримера приводит к увеличению скорости развития
разряда. Примером естеств. искрового разряда является
молния,
длина
к-рой может достигать неск. км, а макс, сила тока - неск. сотен
тысяч ампер.
К наст, времени (1970-е гг.) все виды Э.
р. в г. исследуются и применяются во мн. областях науки и техники. Тлеющий,
дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении газовых лазеров.
Плазматроны, в к-рых осн. рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд,
являются важными устройствами, в ряде областей техники, в частностипри<
получении особо чистых полупроводников и металлов. Мощные, плазматроны
используются в качестве реакторов в плазмохимии.
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 в 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 нейтрального газа играют важную роль. Электроны, ионы и нейтральные
частицы "мягко" взаимодействуют. Вследствие этого может возникнуть термодинамически
неравновесная ситуация, при к-рой электроны, ионы и нейтральный 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.
Лит.: Э н г е л ь А., Ш т е н б
е к М., Физика и техника электрического разряда в газах, пер. с нем., т.
1 - 2, М.- Л., 1935 - 1936; Грановский В. Л., Электрический ток в газе.
Установившийся ток, М., 1971; К а п ц о в Н. А., Электроника, 2 изд., М.,
1956; Мик Д ж. М., Крэгс Д ж., Электрический пробой в газах, пер. с англ.,
М., 1960; Браун С., Элементарные процессы в плазме газового разряда, [пер.
с англ.], М., 1961; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред.
С. В. Дресвина, М., 1972; Р а и з е р Ю. П., Лазерная искра и распространение
разрядов, М., 1974. М. Штеенбек, Л. Ротхардт
(ГДР).
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я