Електричний розряд- Протікання електричного струму пов'язаний зі значним збільшенням електропровідності середовища щодо його нормального стану.
Збільшення електропровідності забезпечується наявністю додаткових вільних носіїв заряду. Електричні розряди бувають несамостійні, що протікають рахунок зовнішнього джерела вільних носіїв заряду, і самостійні, що продовжують горіти і після відключення зовнішнього джерела вільних носіїв заряду.
Розрізняють наступні видиелектричних розрядів: іскровий, коронний, дуговий (електрична дуга) і тліючий.

Приєднаємо кульові електроди до батареї конденсаторів та почнемо заряджати конденсатори за допомогою електричної машини. У міру заряджання конденсаторів збільшуватиметься різниця потенціалів між електродами, а отже, збільшуватиметься напруженість поля в газі. Поки напруженість поля невелика, у газі не можна помітити жодних змін. Однак при достатній напруженості поля (близько 30000 в/см) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд звивистого каналу, що яскраво світиться, з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, через що виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск. Конденсатори в цій установці додані для того, щоб зробити іскру потужнішою і, отже, ефектнішою.
Описана форма газового розряду має назву іскрового розряду, або іскрового пробою газу. При настанні іскрового розряду газ раптово, стрибком втрачає свої ізолюючі властивості і стає хорошим провідником. Напруженість поля, за якої настає іскровою пробою газу, має різне значенняу різних газів і залежить від їхнього стану (тиску, температури). При заданому напрузі між електродами напруженість поля тим менше, що далі електроди один від одного. Тому, чим більша відстань між електродами, тим більша напруга між ними необхідна настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою.
Виникнення пробою пояснюється так. У газі завжди є кілька іонів і електронів, що виникають від випадкових причин. Зазвичай, однак, їх кількість настільки мала, що газ практично не проводить електрики. При порівняно невеликих значенняхнапруженості поля, з якими ми зустрічаємося щодо несамостійної провідності газів, зіткнення іонів, що рухаються в електричному полі, з нейтральними молекулами газу відбуваються так само, як зіткнення пружних куль. При кожному зіткненні частинка, що рухається, передає частину своєї кінетичної енергії, що покоїться, і обидві частинки після удару розлітаються, але ніяких внутрішніх змін у них не відбувається. Однак при достатній напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома зіткненнями, може стати достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. В результаті утворюється новий негативний електрон та позитивно заряджений залишок – іон. Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а роботу, яку потрібно витратити, щоб зробити відривання електрона від атома, - роботою іонізації. Розмір роботи іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів.
Електрони та іони, що утворилися під впливом ударної іонізації, збільшують число зарядів у газі, причому у свою чергу вони починають рух під дією електричного поля і можуть зробити ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, цей процес «підсилює сам себе», і іонізація в газі швидко сягає дуже великої величини. Усі явища цілком аналогічно сніговій лавиніу горах, для зародження якої буває досить нікчемного грудка снігу. Тому й описаний процес було названо іонною лавиною. Утворення іонної лавини є процес іскрового пробою, бо мінімальна напруга, у якому виникає іонна лавина, є напруга пробою. Ми бачимо, що при іскровому пробої причина іонізації газу полягає в руйнуванні атомів і молекул при зіткненнях з іонами.
Одним із природних представників іскрового розряду є блискавка – гарна та небезпечна.

Виникнення іонної лавини не завжди призводить до іскри, а може спричинити і розряд іншого типу – коронний розряд.
Натягнемо на двох високих ізолюючих підставках металевий дріт AB діаметром кілька десятих міліметра і з'єднаємо його з негативним полюсом генератора, що дає напругу кілька тисяч вольт, наприклад, хорошій електричній машині. Другий полюс генератора відведемо до Землі. Ми отримаємо своєрідний конденсатор, обкладками якого є наш дріт та стіни кімнати, які, звичайно, повідомляються із Землею. Поле в цьому конденсаторі дуже неоднорідне, і його напруження дуже велика поблизу тонкого дроту. Підвищуючи поступово напругу і спостерігаючи за дротом у темряві, можна помітити, що при відомій напрузі біля дроту з'являється слабке свічення («корона»), що охоплює з усіх боків дріт; воно супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Якщо між дротом і джерелом включений чутливий гальванометр, то з появою світіння гальванометр показує помітний струм, що йде від генератора по дротах до дроту і від повітря кімнати до стін, з'єднаних з іншим полюсом генератора. Струм у повітрі між дротом AB та стінами переноситься іонами, що утворилися в повітрі завдяки ударній іонізації. Таким чином, світіння повітря та поява струму вказують на сильну іонізацію повітря за дією електричного поля.
Коронний розрядможе виникнути у дроту, а й у вістря і взагалі в усіх електродів, біля яких утворюється дуже сильне неоднорідне поле.

Застосування коронного розряду.
1) Електричне очищення газів (електрофільтри). Посудина, наповнена димом, раптово робиться абсолютно прозорою, якщо внести до неї гострі металеві електроди, з'єднані з електричною машиною. Усередині скляної трубки містяться два електроди: металевий циліндр і тонкий металевий дріт, що висить по його осі. Електроди приєднані до електричної машини. Якщо продувати через трубку струмінь диму (або пилу) і привести в дію машину, то, як тільки напруга стане достатнім для утворення корони, струмінь повітря, що виходить, стане абсолютно чистим і прозорим, і всі тверді і рідкі частинки, що містяться в газі, будуть осаджуватися на електроди. Пояснення досвіду ось у чому. Як тільки у дроту запалюється корона, повітря всередині трубки сильно іонізується. Газові іони, стикаючись із частинками пилу, «прилипають» до останніх і заряджають їх. Так як усередині трубки діє сильне електричне поле, то заряджені частинки рухаються під дією поля до електродів, де осідають. Описане явище знаходить собі нині технічне застосування очищення промислових газів у великих обсягах від твердих і рідких домішок.
2) Лічильники елементарних частинок. Коронний розряд лежить в основі дії надзвичайно важливих фізичних приладів: так званих лічильників елементарних частинок (електронів, а також інших елементарних частинок, що утворюються за радіоактивних перетворень) лічильник Гейгера – Мюллера. Він складається з невеликого металевого циліндра A, з віконцем, і тонкого металевого дроту натягнутої осі циліндра і ізольованої від нього. Лічильник включають в ланцюг, що містить джерело напруги кілька тисяч вольт. Напруга вибирають такою, щоб воно було лише трохи менше «критичного», тобто необхідного для запалення коронного розряду всередині лічильника. При попаданні в лічильник електрона, що швидко рухається, останній іонізує молекули газу всередині лічильника, від чого напруга, необхідна для запалення корони, дещо знижується. У лічильнику виникає розряд, а ланцюга з'являється слабкий короткочасний струм.
Тік, що виникає в лічильнику, настільки слабкий, що звичайним гальванометром його виявити важко. Однак його можна зробити цілком помітним, якщо в ланцюг ввести дуже великий опір R і паралельно йому приєднати чутливий електрометр E. При виникненні ланцюга струму I на кінцях опору створюється напруга U, рівну за законом Ома U=IxR. Якщо вибрати величину опору R дуже великий (багато мільйонів ом), проте значно меншою, ніж опір самого електрометра, то навіть дуже слабкий струм викликає помітну напругу. Тому при кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листочок електрометра даватиме покидьок.
Подібні лічильники дозволяють реєструвати не тільки швидкі електрони, а й взагалі будь-які заряджені частинки, що швидко рухаються, здатні виробляти іонізацію газу шляхом зіткнень. Сучасні лічильники легко виявляють попадання в них навіть однієї частинки і дозволяють, тому з повною достовірністю і дуже наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні частинки.

У 1802 р. В. В. Петров встановив, що якщо приєднати до полюсів великої електролітичної батареї два шматочки деревного вугілля і, привівши вугілля в зіткнення, злегка їх розділити, то між кінцями вугілля утворюється яскраве полум'я, а самі кінці вугілля розжарюються до білого. Випускаючи сліпуче світло ( електрична дуга). Це явище через сім років незалежно спостерігав англійський хімік Деві, який запропонував на честь Вольта назвати цю дугу «вольтовою».
Зазвичай освітлювальна мережа живиться струмом змінного спрямування. Дуга, однак, горить стійкіше, якщо через неї пропускають струм постійного напрямку, так що один з її електродів є постійно позитивним (анод), а інший негативним (катод). Між електродами знаходиться стовп розпеченого газу, який добре проводить електрику. У звичайних дугах цей стовп випускає значно менше світла, ніж розпечене вугілля. Позитивне вугілля, маючи більш високу температуру, згоряє швидше за негативне. Внаслідок сильної сублімації вугілля на ньому утворюється поглиблення – позитивний кратер, що є найгарячішою частиною електродів. Температура кратера повітря при атмосферному тиску сягає 4000 °C. Дуга може горіти і між металевими електродами (залізо, мідь тощо). При цьому електроди плавляться і швидко випаровуються, на що витрачається багато тепла. Тому температура кратера металевого електрода зазвичай нижча, ніж вугільного (2000-2500 ° C).
Примушуючи горіти дугу між вугільними електродами в стиснутому газі (близько 20 атм), вдалося довести температуру позитивного кратера до 5900 ° C, тобто температури поверхні Сонця. За цієї умови спостерігалося плавлення вугілля.
Ще більш високою температурою має стовп газів і парів, через який йде електричний розряд. Енергійне бомбардування цих газів і пар електронами та іонами, що підганяються електричним полем дуги, доводить температуру газів у стовпі до 6000-7000°. Тому в стовпі дуги майже всі відомі речовини плавляться і звертаються в пару, і робляться можливими багато хімічні реакції, які не йдуть за більш низьких температур. Неважко, наприклад, розплавити в полум'ї дуги тугоплавкі порцелянові палички. Для підтримки дугового розряду потрібна невелика напруга: дуга добре горить при напрузі її електродах 40-45 в. Струм у дузі досить значний. Так, наприклад, навіть у невеликій дузі йде струм близько 5 А, а у великих дугах, що вживаються в промисловості, струм досягає сотень ампер. Це показує, що опір дуги невеликий; отже, і газовий стовп, що світиться, добре проводить електричний струм.
Така сильна іонізація газу можлива тільки тому, що катод дуги випускає дуже багато електронів, які своїми ударами іонізують газ у розрядному просторі. Сильна електронна емісія з катода забезпечується тим, що катод дуги сам розжарений дуже високої температури (від 2200° до 3500°C залежно від матеріалу). Коли для запалення дуги ми на початку наводимо вугілля в дотик, то в місці контакту, що має дуже великий опір, виділяється майже все джоулеве тепло проходить через вугілля струму. Тому кінці вугілля сильно розігріваються, і цього достатньо для того, щоб при їх розсуванні між ними спалахнула дуга. Надалі катод дуги підтримується в розжареному стані самим струмом, що проходить через дугу. Головну роль у цьому грає бомбардування катода позитивними іонами, що падають на нього.

Застосування дугового розряду.
Внаслідок високої температури електроди дуги випромінюють сліпуче світло, і тому електрична дуга є одним із найкращих джерел світла. Вона споживає всього близько 0,3 Вт на кожну свічку і є значно економічнішою. Чим кращі лампи розжарювання. Електрична дуга вперше була використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1875 р. та отримала назву «російського світла», або «північного світла».
Електрична дуга також застосовується для зварювання металевих деталей (дугове електрозварювання). В даний час електричну дугу дуже широко застосовують у промислових електропечах. У світовій промисловості близько 90% інструментальної сталі та майже всі спеціальні сталі виплавляються в електричних печах.
Великий інтерес представляє ртутна дуга, що горить у кварцовій трубці, так звана кварцова лампа. У цій лампі дуговий розряд відбувається не в повітрі, а в атмосфері ртутної пари, навіщо в лампу вводять не велика кількістьртуті, а повітря викачують. Світло ртутної дуги надзвичайно багате невидимими ультрафіолетовими променями, що мають сильну хімічну та фізіологічну дію. Ртутні лампи широко застосовують при лікуванні різноманітних хвороб («штучне гірське сонце»), а також при наукових дослідженнях як джерело ультрафіолетових променів.

Крім іскри, корони та дуги, існує ще одна форма самостійного розряду в газах – так званий тліючий розряд. Для отримання цього типу розряду зручно використовувати скляну трубку довжиною близько півметра, що містить два металеві електроди. Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в кілька тисяч вольт (годиться електрична машина) і поступово відкачуватимемо з трубки повітря. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, оскільки прикладена напруга кілька тисяч вольт недостатньо для того, щоб пробити довгий газовий проміжок. Однак коли тиск газу досить знизиться, в трубці спалахує розряд, що світиться. Він має вигляд тонкого шнура (у повітрі – малинового кольору, в інших газах – інших кольорів), що з'єднує обидва електроди. У цьому стані газовий стовп добре проводить електрику.
При подальшій відкачений шнур, що світиться, розмивається і розширюється, і свічення заповнює майже всю трубку. Розрізняють такі дві частини розряду: 1) частина, що не світиться, прилеглу до катода, що отримала назву темного катодного простору; 2) стовп газу, що світиться, заповнює всю решту трубки, аж до самого анода. Ця частина розряду зветься позитивного стовпа.
При розряді, що тліє, газ добре проводить електрику, а значить, у газі весь час підтримується сильна іонізація. При цьому, на відміну від дугового розряду, катод весь час залишається холодним. Чому ж у цьому випадку відбувається утворення іонів?
Падіння потенціалу чи напруги кожному сантиметрі довжини газового стовпа в тліючому розряді дуже по-різному у різних частинах розряду. Виходить, що майже все падіння потенціалу посідає темний простір. Різниця потенціалів, що існує між катодом та найближчим до нього кордоном простору, називають катодним падінням потенціалу. Воно вимірюється сотнями, а деяких випадках і тисячами вольт. Весь розряд виявляється за рахунок цього катодного падіння. Значення катодного падіння полягає в тому, що позитивні іони, пробігаючи цю велику різницю потенціалів, набувають великої швидкості. Так як катодне падіння зосереджено в тонкому шарі газу, то тут майже не відбувається зіткнень іонів з газовими атомами, і через це, проходячи через область катодного падіння, іони набувають дуже великої кінетичної енергії. Внаслідок цього при зіткненні з катодом вони вибивають з нього кілька електронів, які починають рухатися до анода. Проходячи через темний простір, електрони у свою чергу прискорюються катодним падінням потенціалу і при зіткненні з газовими атомами більш віддаленої частини розряду роблять іонізацію ударом. Позитивні іони, що виникають при цьому, знову прискорюються катодним падінням і вибивають з катода нові електрони і т. д. Таким чином все повторюється до тих пір поки на електродах є напруга.
Отже, причинами іонізації газу тліючому розряді є ударна іонізація і вибивання електронів з катода позитивними іонами.

Застосування тліючого розряду.
Такий розряд використовують переважно для освітлення. Застосовується у люмінесцентних лампах.

Розрізняють самостійні та несамостійні розряди в газі. Самостійний розрядпідтримується за рахунок дії електричної напруги. Несамостійний розрядможе існувати за умови, що, крім електричної напруги, діють ще якісь зовнішні іонізуючі фактори. Ними можуть бути промені світла, радіоактивне випромінювання, термоелектронна емісія розжареного електрода та ін Розглянемо основні види електричних розрядів, що зустрічаються в іонних приладах.

Темний (чи тихий) розряд є несамостійним. Він характеризується щільністю струму системи мікроампер на квадратний сантиметр і дуже малою щільністю об'ємних зарядів. Поле, створене прикладеною напругою, при темному розряді практично не змінюється за рахунок об'ємних зарядів, тобто їх впливом можна знехтувати. Свічення газу відсутнє. У іонних приладах для радіоелектроніки темний розряд не використовується, але передує початку інших видів розряду.

Тліючий розряд відноситься до самостійних. Для нього характерне свічення газу, що нагадує свічення тліючого тіла. Щільність струму при цьому розряді досягає одиниць та десятків міліампер на квадратний сантиметр і виходять об'ємні заряди, які істотно впливають на електричне поле між електродами. Напруга, необхідне тліючого розряду, становить десятки чи сотні вольт. Розряд підтримується з допомогою електронної емісії катода під ударами іонів.

Основними приладами тліючого розряду є стабілітрони– іонні стабілізатори напруги, газосвітлі лампи, тиратрони тліючого розряду, цифрові індикаторні лампи та декатрони – іонні рахункові прилади.

Дуговий розряд виходить при щільності струму, значно більших, ніж у розряді, що тліє. До приладів несамостійного дугового розряду відносяться газотрони та тиратрони з розжареним катодом; у ртутних вентилях (екзитронах) та ігнітронах, що мають рідкий ртутний катод, а також у газових розрядниках відбувається самостійний дуговий розряд.

Дуговий розряд може бути не тільки при зниженому, але й нормальному або підвищеному атмосферному тиску.

Іскровий розряд має схожість із дуговим. Він є короткочасний (імпульсний) електричний розряд при порівняно високому тиску газу, наприклад при нормальному атмосферному. Зазвичай в іскрі спостерігається ряд імпульсних розрядів, що йдуть один за одним.

Високочастотні розряди можуть виникати в газі під дією змінного електромагнітного поля навіть за відсутності струмопідвідних електродів (безелектродний розряд).

Коронний розряд є самостійним та використовується в іонних приладах для стабілізації напруги. Він спостерігається при порівняно великих тисках газу у випадках, коли хоча б один із електродів має дуже малий радіус кривизни. Тоді поле між електродами виходить неоднорідним і біля загостреного електрода, званого коро-нуючим, напруженість поля різко збільшена. Коронний розряд виникає при напрузі близько сотень чи тисяч вольт і характеризується малими струмами.

Виникнення стримерів в обсязі між електродами не завжди призводить до іскри, а може спричинити й розряд іншого типу коронний розряд. На малюнку показано схему приладу, за допомогою якого можна відтворити коронний розряд. У цьому приладі тонкий дріт міститься по осі порожнистого металевого циліндра.

При напрузі між дротом та циліндром у просторі між ними виникає неоднорідне електричне поле з максимальною напруженістю біля дроту. Коли напруженість поля поблизу дроту наближається до пробивного значенням напруженості повітря (близько U п =30 000 В/м) між дротом і циліндром запалюється коронний розряд і ланцюга піде струм, тобто. навколо дроту виникає свічення – корона. Зовнішній вигляд корони при негативному потенціалі дроту (негативна корона) дещо відрізняється від позитивної корони.

При негативному потенціалі дроту електронні лавини починаються біля дроту, поширюються до анода і на деякій відстані стримери обриваються внаслідок зменшення напруженості поля. У разі позитивної корони електронні лавини зароджуються на зовнішній межі (поверхні) корони та рухаються у напрямку до дроту. На відміну від іскрового розряду в коронному розряді має місце неповний пробій газового проміжку, тому що в ньому електронні лавини не проникають крізь увесь шар газу E = .

Усередині корон є і позитивні і негативні іони. За межами корони будуть іони лише одного знака: негативні за негативної корони; позитивні іони за позитивної корони.

Коронний розряд може виникнути не тільки у дроту, а й у вістря і взагалі у всіх електродів, біля яких утворюється дуже неоднорідне поле. Коронний розряд супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Коронний розряд з'являється на високовольтних лініях електропередачі та викликає витоку електронних зарядів, тобто. електроенергії.

Застосування коронного розряду.

1. Електричне очищення газів (електрофільтри). Відомий такий досвід - посудина, наповнена димом, моментально робиться абсолютно прозорим, якщо внести до нього гострі металеві електроди, що знаходяться під високою напругою.

Цей ефект використовується для очищення газів. Тверді і рідкі частинки в газі, що містяться, в коронному розряді взаємодіють з іонами і стають зарядженими частинками (іони «прилипають» до частинок пилу) і далі прямують до електродів і осаджуються. Крім того, такі електрофільтри дозволяють витягти з газів багато тонн цінних продуктів у виробництві сірчаної кислоти та кольорових металів у лінійному виробництві.

2. Лічильники електронних частинок.

Напруга U вибирають таким, щоб вона була дещо меншою за «критичний», тобто. необхідного для запалення коронного розряду усередині лічильника. При попаданні в лічильник електрона, що швидко рухається, він іонізує молекули газу всередині об'єму, від чого напруга запалення корони знижується. У лічильнику виникає розряд, а ланцюга з'являється слабкий короткочасний імпульс струму. Для реєстрації сигналу використовується чутливий електрометр Е, щоразу при попаданні частки (навіть одного електрона) обсяг лічильника листочки електрометра дають покидьок.

§7. Класифікація електричних розрядів.

Електричні розряди у газах протікають по-різному, тобто. у розряді реалізується ті чи інші фундаментальні (елементарні) процеси, які є для даного виду розряду та визначають його форму; його характерні риси.

Як ми вже знаємо, є обмежена кількість елементарних процесів, які можуть реалізуватися в обсязі газового розряду, ще раз перерахуємо ці процеси:

1) Зіткнення частинок газу результат: обмін енергіями, імпульсом, збудження атомів, іонізація.

2) Приєднання електронів до результату: виникає негативний іон, зменшується концентрація електронів.

3) Рекомбінація результат: народжується випромінювання (фотон).

4) Отримання та випромінювання випромінювання в обсязі розряду.

5) Дифузія заряджених частинок.

6) Електродні ефекти: термоелектронна емісія; зовнішній фотоефект, емісія при електронному ударі; емісія при ударі позитивних іонів: емісія при ударі нейтральних атомів; автоелектронна емісія.

Одночасно всі ці елементарні фундаментальні процеси в розрядах не реалізуються. Залежно та умовами реалізуються лише деякі процеси, і це набір елементарних процесів визначає основні властивості розряду, тобто. цей вид розряду відрізняється від іншого набором елементарних процесів. Сам цей набір чи вид розряду визначається такими параметрами системи: величиною струму напругою між електродами; тиском газу, геометрією розрядної камери, матеріалом електродів та станом їх поверхні, температурою електродів та ін.

Вид розряду в основному визначається напругою на електродах, величиною струму розряду та тиском у розрядній камері. При цьому напруга та струм є незалежним параметрами системи.

Таким чином, залежність напруги від струму стає найбільш важливою інтегральною характеристикою електричного розряду U = f(I) називається вольт-амперною характеристикою розряду. Вона формується залежно від внутрішніх процесів, отже, нею можна визначити вид розряду.

Розглянемо, як один вид розряду переходимо в інший вид за допомогою вольт-амперної характеристики.

Ділянка ВВ – несамостійний темний розряд, утворення носіїв струму відбувається лише за рахунок зовнішнього іонізатора, на ділянці ОА реалізується рекомбінація, на АВ – усі заряди досягають електродів, рекомбінацією зарядів можна знехтувати.

За точкою починається іонізація нейтральних частинок електронним ударом, виникають лавини електронів і іонів. Однак, якщо прибрати зовнішній іонізатор, розряд припиняється. Це несамостійний таунсендовський розряд – це ділянка ВС.

На ділянку CD помітну роль грають вторинні електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, світловими квантами, збудженими молекулами. Необхідність у підтримці іонізації за рахунок енергії зовнішніх джерел відпадає – розряд стає самостійним, його ще називають самостійним таунсендівським розрядом (це ділянка РЄ).

На ділянці EF таунсендовський розряд перетворюється на нормальний тліючий розряд, якому відповідає ділянка FH. На ділянку ПК зі зростанням підвищується напруга. Розряд, що відповідає ділянці ПК називається аномальним тліючим розрядом.

Далі зі зростанням струму збільшується температура катода, посилюється роль термоелектронної емісії, контрагується розряд і утворюється дуговий розряд. Дуговий розряд підтримується з допомогою термоелектронної емісії з катода.

Стаціонарний розряд, що тліє, при низькому тиску.

Зі зростанням струму самостійний таунселівський розряд (ділянка СЕF) може розвиватися по-різному і мати кілька форм. Якщо при тиску близько 1 мм. рт. ст. розряд відбувається між електродами, підключеними до джерела постійного струму, реалізується нормальний розряд.

Ділянка FH вольт-амперної характеристики відповідає розряду, що тліє. Відмінною ознакою тліючого розряду є своєрідний розподіл потенціалу вздовж довжини міжелектродного проміжку. Розподіл потенціалу призводить до того, що тліючий розряд має характерний неоднорідний вигляд, отже, і неоднорідну структуру, розряд здається ніби розділеним на частини. Тліючий розряд складається з прикатодної області і позитивного стовпа.

Розглянемо різні частини розряду. Від катода до анода.

Катодна область розряду.

Електрони, необхідні підтримки розряду, переважно емітується при бомбардуванні катода позитивними іонами. Вторинні електрони виходять з катода маючи малі швидкості, внаслідок цього вони (поблизу поверхні утворюють негативний просторовий заряд) ще не мають достатніх енергії для збудження молекул газу, тому молекули не випромінюють, і безпосередньо біля поверхні катода утворюється темне просторово, заповнене повільними електронами. Цей дуже тонкий шар газу, що не світиться, називається - темний простір Астона. Струм у цій галузі в основному створюється позитивними іонами.

Далі електрони прискорюються полем, кінетична енергія електронів стає достатньою для збудження молекул газу і це спричиняє виникнення тонкого шару газу, що світить, званого першим катодним світінням. У цій галузі електрони при зіткненнях часткового або повністю втрачають швидкість. Тому за першим катодним світінням утворюється наступний темний катодний простір. У цій галузі відбувається слабка рекомбінація електронів з позитивними іонами, тому відбувається дуже слабке випромінювання. У темному катодному просторі електрони сильно розганяються до швидкостей, при яких вони інтенсивно іонізують молекули газу, а отже, і розмножуються.

Наприкінці другого темного катодного простору число електронів вже настільки велике, що струм майже повністю переноситься електронами, і вони помітно зменшують позитивний просторовий заряд, утворюють навіть область негативного просторового заряду. У цій галузі припиняється подальше прискорення електронів, а енергія накопичена в області другого темного катодного простору витрачається в основному на інтенсивне збудження та іонізації молекул. Це відбувається в області другого катодного світіння (негативне катодне свічення). В результаті енергія електронів зменшується, поступово інтенсивність збудження та іонізації також зменшується, отже, падає число електронів (і за рахунок рекомбінації та дифузії), настільки, що негативний просторовий заряд перетворюється на нуль. Відповідно змінюється напруженість електричного поля і в точці зникнення негативного заряду Е набуває постійного значення (близько 1 В/см) і не змінюється до прианодної області заряду. У цьому місці починається позитивний стовп розряду, що тліє.

Простір, що займає темний простір Астона першим катодним світінням і другим темним простіром, називається областю катодного падіння потенціалу. Як видно з малюнка, падіння потенціалу між електродами майже повністю реалізується на незначній ділянці катода. Довжина цієї ділянки змінюється обернено пропорційного тиску газу. При P = 1 мм рт. DC становить близько 10 мм, а U=100-250 В.

У нормальному тліючий розряд щільністю струму при збільшення або зменшення струму розряду залишається постійною. Але залежить від тиску Р і змінюється згідно із законом P 2 . Наприклад, при P = 1 мм рт. щільність у середньому j= 0,1 мА/см 2 = 1 10 4 А/см 2 . Але jзалежить ще від природи газу та від матеріалу катода. З I=jSслід, що з малому струмі частина площі бере участь у розряді.

У умовах залишається постійним і катодне падіння потенціалу U k . Для діапазону тисків від 1-10 мм рт.ст. значення U k не залежить від тиску і однозначно визначається природою газу та матеріалу катода. приклади

Зі зростанням струму розряду настає момент, коли вся площа катода бере участь у розряді, з цього моменту з подальшим зростанням струму починається збільшення катодного падіння потенціалу. Напруженість поля Е зростає доти, доки забезпечується необхідна іонізація підтримки зростання струму. У умовах нормальний тліючий розряд перетворюється на аномальний тліючий розряд.

де, k - Константа, що залежить від виду газу і матеріалу катода.

Позитивний стовп.

Позитивний стовп складається з плазми, а плазма є нейтральним електропровідним середовищем. Тому позитивний стовп тліючого виконує роль звичайного провідника, що з'єднує прикатодну область з частиною прианодної розряду. На відміну від інших частин тліючого розряду, які мають конкретні розміри, і структуру, що залежать від виду газу, його тиску та щільності розрядного струму, довжина позитивного стовпа визначається розмірами розрядної камери, а по структурі стовп є іонізованим газом ( n e ≈ n i), тобто. він може мати будь-яку довжину. Напруженість поля близько 1 В/см, зі зростанням тиску має тенденцію зростати. Напруженість змінюється також за зміни радіусу камери (трубки) − стиск розряду збільшує поле: Е завжди набуває значення, якраз достатнє підтримки у стовпі тієї міри іонізації, яка потрібна для стаціонарного горіння розряду. Енергія в стовпі є достатньою для іонізації. І процес іонізації компенсує спад електронів та іонів за рахунок рекомбінації та дифузії з наступною нейтралізація на електродах та на стінках камери світіння позитивного стовпа пов'язане всіма цими процесами. На відміну з інших частин, позитивному стовпі тліючого розряду хаотичний рух заряджених частинок переважає над спрямованим.

Анодна область.

Анод притягує електрони з позитивного стовпа і біля місця прив'язки утворюється негативний просторовий заряд і зростання напруженості поля, у результаті відбувається перенесення струму розряду до поверхні анода. Область анодного падіння є пасивною частиною розряду. Анод не емітує зарядів. Тліючий розряд може існувати без анодної області, так само без позитивного стовпа. Позитивний стовп розряду залежить від приэлектродных процесів. Відмінністю катодних частин є переважно спрямований рух електронів та іонів.

Застосування тліючого розряду.

Тліючий розряд у розряджених газах знаходить різноманітне застосування в газонаповнених випрямлячах, перетворювачах, індикаторах, стабілізаторах напруги, газосвітніх лампах денного світла. Наприклад, в неонових лампах (для цілей сигналізації) тліючий розряд використовується в неоні, електроди покривають шаром барію і вони мають катодне падіння потенціалу порядку 70 і запалюються при включенні в освітлювальну мережу.

У лампах денного світла розряд, що тліє, відбувається в парах ртуті. Випромінювання ртутної пари поглинається шаром люмінофора, яким покрита внутрішня поверхня газосвітлової трубки.

Тліючий розряд використовується також для катодного розпилення металів. Поверхня катода при розряді, що тліє, внаслідок бомбардування позитивними іонами газу сильно нагрівається в окремих малих ділянках і тому поступово переходить у пароподібний стан. Розміщуючи предмети поблизу катода розряду, їх можна покрити рівномірним шаром металу.

У останні рокитліючий розряд знаходить застосування в плазмохімії та лазерній техніці. Вони тліючий розряд використовується в аномальному режимі при підвищеному тиску.

1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.

v= 15,7 м/с

2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.

v= 21м/c

Типові вольт – амперні характеристики тліючого розряду в поперечному потоці повітря.

1мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа = 1000/133 = 8мм.рт.ст.

Коронний розряд - це явище, пов'язане з іонізацією повітря в електричному полі з високою напруженістю (свічення газів у неоднорідному електричному полі високої напруженості).

Області з високою напруженістю часто утворюються внаслідок неоднорідності електричного поля, що виникає:

1) При виборі неправильних параметрів у процесі конструювання;

2) внаслідок забруднень, що виникають у процесі роботи;

3) Внаслідок механічних пошкоджень та зносу обладнання.

Подібні поля формуються у електродів з дуже великою кривизною поверхні (вістря, тонкі дроти). Коли напруженість поля досягає граничного значення повітря (близько 30 кВ/см), навколо електрода виникає свічення, має вигляд оболонки чи корони (звідси назва). Коронний розряд застосовується для очищення газів від пилу та інших забруднень (електрофільтр), для діагностики стану конструкцій (дозволяє виявляти тріщини у виробах). На лініях електропередачі виникнення коронного розряду небажано, оскільки викликає значні втрати енергії, що передається. З метою зменшення відносної кривизни електродів застосовуються багатопровідні лінії (3, 5 або більш за певним чином розташованих проводів).

Типи корон та їх ідентифікація

Негативна "подібна до полум'я" корона. Цей тип корони зазвичай має місце на провіднику, зарядженому негативно, наприклад під час негативної напівхвилі напруги мережі. Цей тип корони виглядає як полум'я, форма, напрямок та розмір якого постійно змінюються. Ця корона дуже чутлива до зміни параметрів довкілля. Її виникнення також призводить до появи звукового сигналу приблизно подвоєної промислової частоти (наприклад, 100 Гц) або її кратної.

Пробої

Пробої зазвичай утворюються між двома ізольованими, але що знаходяться близько один від одного металевими пластинами. Струм витоку вздовж опори індукує певні рівні напруги між пластинами і таким чином розряд між ними. Ці розряди зазвичай складні для локалізації, тому що немає прямого їх з'єднання з високовольтною лінією. У камері CoroCAM ці іскрові проміжки будуть виглядати як невеликі, постійні та дуже яскраві об'єкти. Звук, який виникає при цих розрядах, має вищий тон, ніж у негативних корон, і здається незв'язаним із промисловою частотою. Іскрові проміжки зазвичай викликають великі радіо- та телевізійні перешкоди (наприклад, високі RI – radio interference).

Позитивний тліючий коронний розряд

Позитивний коронний розряд, що тліє, утворюється на провіднику, зарядженому позитивно, (наприклад, під час позитивної напівхвилі напруги мережі). Він зазвичай зустрічається у місцях із гострими кутами. Цей тип корони має невеликий розмір і виглядає як свічення навколо певного місця. Це відносно слабке джерело коронного розряду і створює дуже незначний звуковий сигнал.

Наскільки серйозна корона/розряд з погляду виникнення напруги радіоперешкод (RIV)?

Загальні зауваження:

Усі іскрові проміжки є причиною серйозних перешкод.

Якщо корона повністю видима неозброєним оком (вночі), вона викличе серйозні радіоперешкоди. (Використовуйте камеру CoroCAM для швидкої локалізації всіх джерел коронного розряду, а потім постарайтеся побачити їх неозброєним оком.)

Позитивний коронний розряд, що тліє, не викликає серйозних радіоперешкод.

Застосування коронного розряду

Електричне очищення газів (електрофільтри).

Посудина, наповнена димом, раптово робиться абсолютно прозорою, якщо внести в неї гострі металеві електроди, з'єднані з електричною машиною, а всі тверді та рідкі частинки будуть осаджуватися на електродах. Пояснення досвіду полягає в наступному: як тільки дроту запалюється корона, повітря всередині трубки сильно іонізується. Газові іони прилипають до частинок пилу та заряджають їх. Так як усередині трубки діє сильне електричне поле, заряджені частинки пилу рухаються під дією поля до електродів, де осідають.

Лічильники елементарних частинок.

Лічильник елементарних частинок Гейгера - Мюллера складається з невеликого металевого циліндра, з віконцем, закритим фольгою, і тонкого металевого дроту, натягнутого по осі циліндра і ізольованого від нього. Лічильник включають у ланцюг, що містить джерело струму, напруга якого дорівнює декільком тисячам вольт. Напруга вибирають необхідним появи коронного розряду всередині лічильника.

При попаданні в лічильник електрона, що швидко рухається, останній іонізує молекули газу всередині лічильника, від чого напруга, необхідна для запалення корони, дещо знижується. У лічильнику виникає розряд, а ланцюга з'являється слабкий короткочасний струм. Щоб виявити його, у ланцюг вводять дуже великий опір (декілька мегаом) і підключають паралельно з ним чутливий електрометр. При кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листка електрометра будуть вклонятися.

Подібні лічильники дозволяють реєструвати не тільки швидкі електрони, а й взагалі будь-які заряджені частинки, що швидко рухаються, здатні виробляти іонізацію шляхом зіткнень. Сучасні лічильники легко виявляють попадання в них навіть однієї частинки і дозволяють тому з повною достовірністю і дуже наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні заряджені частинки.

Громовідвід

Підраховано, що в атмосфері всієї земної кулі відбувається одночасно близько 1800 гроз, які дають у середньому близько 100 блискавок на секунду. І хоча ймовірність поразки блискавкою будь-якої окремої людини мізерно мала, проте блискавки завдають чимало шкоди. Досить зазначити, що в даний час близько половини всіх аварій у великих лініях електропередач викликається блискавками. Тому захист від блискавки є важливим завданням.

Ломоносов і Франклін як пояснили електричну природу блискавки, а й вказали, як можна побудувати громовідвід, який захищає від удару блискавки. Громовідвід являє собою довгий дріт, верхній кінець якого загострюється і зміцнюється вище найвищої точки будівлі, що захищається. Нижній кінець дроту з'єднують із металевим листом, а лист закопують у Землю лише на рівні грунтових вод. Під час грози на Землі з'являються великі індуковані заряди і на поверхні Землі з'являється велике електричне поле. Напруженість його дуже велика у гострих провідників, і тому кінці громовідводу запалюється коронний розряд. Внаслідок цього індуковані заряди не можуть накопичуватися на будівлі та блискавки не відбувається. У тих же випадках, коли блискавка все ж таки виникає (а такі випадки дуже рідкісні), вона вдаряє в громовідвід і заряди йдуть в Землю, не завдаючи шкоди будівлі.

У деяких випадках коронний розряд з громовідводу буває настільки сильним, що у вістря виникає видиме свічення. Таке свічення іноді з'являється і біля інших загострених предметів, наприклад, на кінцях корабельних щоглів, гострих верхівок дерев тощо. Це явище було помічено ще кілька століть тому і викликало забобонний страх мореплавців, які не розуміли справжньої його сутності.

Під дією коронного розряду

Електрофільтри – найефективніші газоочисні апарати, т.к. експлуатаційні витрати на їх утримання, порівняно з іншими пило- та золоуловлювачами, набагато нижчі. При цьому електрофільтри найбільш повно відповідають вимогам абсолютного пиловловлюючого пристрою.

Установка для електричного очищення газів включає електрофільтр і агрегат живлення. Підлягає очищенню газ надходить в електрофільтр, на електроди якого подається висока напруга, між електродами виникає коронний розряд, внаслідок чого відбувається заповнення міжелектродного простору негативно зарядженими іонами газу, які під дією електричного поля рухаються від коронуючих електродів до осадових.

Осадові електроди поділяються на пластинчасті, трубчасті, коробчасті, пруткові, кишенькові, жолобчасті, С-подібні, тюльпаноподібні і т.д.

За способом видалення пилу електрофільтри поділяються на мокрі та сухі. У сухих електрофільтрах струшування електродів проводиться ударно-молотковим, ударно-імпульсним, вібраційним способами та ін. У мокрих електрофільтрах здійснюється періодичне або безперервне промивання електродів. У напрямку руху очищуваного газу електрофільтри поділяються на вертикальні та горизонтальні. Крім того, електрофільтри бувають однозонними, в яких зарядка та осадження частинок здійснюється в одній зоні, і двозонними - в них зарядка та осадження здійснюються в різних зонах: іонізатор і осадник.

Трубчастий електрофільтр Стюртевант

За принципом створення коронного розряду електрофільтри бувають із фіксованими точками коронного розряду та нефіксованим коронним розрядом.

За типом систем коронуючих електродів електрофільтри можна розділити на дві основні групи: з рамними електродами, що коронують, і з вільно підвішеними коронуючими електродами. Струшування осаджувальних і коронуючих електродів здійснюється за допомогою зіткнення, ударно-молоткового струшування, ударно-імпульсної системи, вібраційних механізмів, періодичного та безперервного промивання.

Фізика коронного розряду докладно розглянута у книзі Н.А.Капцова «Коронний розряд та його застосування в електрофільтрах», виданої 1947 р. Явище електричного розряду газах пояснюється кількома теоріями розряду. Підстава першої теорії – теорії лавин – було покладено Таунсендом в 1900 р. Через 30 років вона отримала розвиток у працях Роговского і, як пише Н.А.Капцов, «і до теперішнього часу служила основою при поясненні явищ коронного розряду». Друга теорія – теорія газорозрядної плазми – з 1924 р. розроблялася Ленгрюмом та її школою, але, на думку Н.А.Капцова, до пояснення фізики коронного розряду немає прямого відношення. Третя теорія – теорія ізотермічної плазми – розроблялася довоєнні роки Еленбасом та інші голландськими фізиками.

Тліючий розряд

Тліючим розрядом зазвичай називають самостійний розряд, в якому катод випускає електрони внаслідок бомбардування його позитивними іонами та фотонами, що утворюються в газі.

На відміну від таунсенднівського розряду, де щільності електричного струму невеликі, а вплив просторового заряду несуттєво, в тліючому розряді щільності струму значно більше, а просторові заряди, що виникають через велику відмінність в масах електронів і позитивних іонів, роблять електричне поле в газі неоднорідним. Для розряду, що тліє, характерна велика напруженість електричного поля і відповідне їй велике падіння потенціалу поблизу катода (катодне падіння).

Зменшення тиску до 0,1÷0,01 мм рт. ст. призводить до появи в різних частинах обсягу газу характерних областей, хоч і не завжди чітко виражених. Основними та найбільш помітними з них у порядку прямування з боку катода (рис. 7.8) є:

1) катодний шар - це тонка плівка, що світиться, де відбувається збудження атомів і молекул ударами електронів, але ще немає іонізації. Повертаючись у нормальний стан, збуджені атоми випромінюють кванти світла, чим пояснюється свічення;

2) темний катодний простір (темний круксовий або темний гітторфовий простір). Насправді воно не зовсім темне, але здається таким лише на тлі прилеглих до нього світліших областей розряду. У цій частині простору починається іонізація атомів та молекул і наростання електронних лавин. Через можливість іонізації зменшується ймовірність збудження атомів та молекул, із чим пов'язане ослаблення світіння газу. Область темного катодного простору найбільш важлива підтримки розряду, оскільки створені тут позитивні іони забезпечують необхідну емісію електронів з катода;

3) негативне тліюче свічення (тліє свічення), в яке переходить темний катодний простір. Це світіння різко обмежене лише з боку катода. Світлення виникає через рекомбінацію електронів з позитивними іонами, а також внаслідок квантових переходів збуджених атомів на нижчі енергетичні рівні;

4) при просуванні до анода яскравість тліючого світіння слабшає, і воно поступово переходить у так званий фарадєєво темний простір, в який вже не долітають швидкі електрони електронних лавин (див. рис. 7.8);

5) кістяк розряду - це стовп іонізованого світиться газу в більш менш вузьких трубках. Іноді його називають позитивним свіченням чи позитивним стовпом розряду. Зазвичай він простягається до поверхні анода. За деяких умов між позитивним стовпом і анодом видно темне анодне простір, а на самій поверхні - анодне світіння, або анодна плівка, що світиться. Позитивний стовп іноді поділяється на окремі світлі і темні смуги (страти), що чергуються. І тут розряд називають складним. Наявність позитивного стовпа є несуттєвою для підтримки розряду, хоча він і має велике значенняу застосуваннях розряду.

Світіння в позитивному стовпі відбувається переважно за рахунок рекомбінації електронів з позитивними іонами. На останніх кількох вільних пробігах (в області так званого анодного падіння) електрони можуть накопичити достатню кінетичну енергію, щоб викликати збудження атомів, тоді як іони позитивні відтягуються від анода. Це призводить до анодного світіння.

Перелічені перші чотири області називаються катодними частинами розряду. Вони відбуваються всі процеси, необхідні підтримки розряду.

При великих зовнішніх опорах, коли сила струму в розрядній трубці невелика, поверхня катода, покрита свіченням і бере участь у розряді, пропорційна силі струму в трубці (Геля закон). При зміні струму щільність залишається приблизно постійною. Разом із нею залишається постійним і катодне падіння потенціалу. І тут воно називається нормальним катодним падінням. У більшості випадків воно лежить в межах 100 - 300 В. Температура катода не впливає на величину нормального падіння катодного, поки не зросте термоелектронна емісія з поверхні катода. З добрим наближенням нормальне катодне падіння пропорційно роботі виходу електрона з катода. Це використовується для влаштування трубок з дуже малим потенціалом запалювання. Така, наприклад, неонова лампочка, в якій електродами служать два залізні листочки, покриті шаром барію для зменшення роботи виходу. Катодне падіння становить у цьому випадку всього 70 В, і розряд, що тліє, запалюється в неоновій лампочці вже при включенні в звичайну освітлювальну мережу.

Коли зі збільшенням струму вся поверхня катода виявляється покритою свіченням, починає зростати і падіння катода. У цьому випадку воно називається аномальним катодним падінням, а розряд - аномальним розрядом, що тліє.

Електрони, що вибиваються з поверхні катода позитивними іонами, прискорюються в області падіння катодного потенціалу. При зменшенні тиску газу збільшується середня довжина вільного пробігу електронів, з нею – і темне катодне простір. При тиску 0,01÷0,001 мм рт. ст. (залежно від розмірів трубки) темний катодний простір заповнює майже всю трубку і електронний пучок рухається в ній майже без зіткнень. Такі електронні пучки отримали назву катодних променів. Вони були відкриті Крукс ще до встановлення їх фізичної природи (до відкриття самого електрона). Якщо на шляху катодного проміння поставити металевий екран, то за ним на протилежному боці трубки спостерігається його тінь. При піднесенні магніту пучок променів і тінь, що ним утворюється, зміщуються вбік. Електрони катодного проміння, що вийшли з катода, прискорюються електричним полем поблизу його поверхні і далі рухаються перпендикулярно до неї за інерцією. Потрапляючи на стінки трубки, електрони повідомляють їм про негативний заряд. Однак катод нейтралізується позитивними іонами, що підтікають із газу до стінок трубки, а негативні іони газу потрапляють на анод. Якщо поверхні катода надати увігнуту сферичну форму, то катодні промені сфокусуються у центрі цієї сфери. Коли тиск у трубці настільки мало, що область темного катодного простору захоплює анод, розряд, що тліє, в трубці припиняється. Разом з ним припиняється також випромінювання катодних променів і свічення стін трубки.

Катодні промені використовуються у так званих іонних рентгенівських трубках для отримання рентгенівських променів. Іонні рентгенівські трубки мають той недолік, що в результаті різних процесів кількість газу в трубці зменшується з часом. Коли тиск газу в трубці стає менше 0,001 0,0001 мм рт. ст., тліючий розряд у них не зароджується і трубка перестає працювати. В даний час застосовуються майже виключно електронні рентгенівські трубки, що мають більшу стійкість у роботі, ніж іонні. Вони тліючий розряд не використовується.

Якщо в катоді просвердлити малі отвори, то позитивні іони, що бомбардують катод, пройшовши через отвори, потраплять у катодний простір і там будуть поширюватися у вигляді прямолінійних променів. Ці промені були названі позитивними, або каналовими променями, оскільки вони виходять з отворів катода, як з каналів. Каналові промені помітні в трубці у вигляді пучків, що слабо світяться.

Вони, як і катодні промені, викликають свічення скла трубки. Через наявність процесів перезарядки в пучку каналових променів є не тільки позитивні, а й негативні іони, а також швидкі частково збуджені нейтральні частинки. У магнітному полі такий пучок поділяється на три пучки: позитивні іони відхиляються в один бік, негативні в протилежний бік, а нейтральні молекули та атоми не мають жодного відхилення. При повторному проходженні пучків через магнітне поле кожен із них знову розпадається на три пучки. Звідси випливає, що процеси перезаряджання відбуваються не тільки перед катодом, а й продовжуються в закатодному просторі.

Іскровий розряд

Іскровий розряд характеризується уривчастою формою навіть при використанні джерел постійного струму. Він виникає у газі зазвичай при тисках атмосферного порядку. У природних умовах іскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. за зовнішньому виглядувін являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смужок, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, що швидко гаснуть і поступово змінюють один одного (рис. 7.9). Ці смужки називаються іскровими каналами. Вони починаються як у позитивному електроді, і на негативному електродах, і навіть у будь-якій точці з-поміж них. Канали, що розвиваються від позитивного електрода, мають чіткі ниткоподібні обриси, а від негативного електрода, що розвиваються, мають дифузні краї і дрібніше розгалуження.

Так як іскровий розряд виникає при великих тисках газу, потенціал запалювання дуже високий. Однак після того, як розрядний проміжок "пробить" іскровим каналом, опір цього проміжку стає дуже малим, через канал проходить короткочасний імпульс струму великої сили, протягом якого на розрядний проміжок припадає лише незначна напруга. Якщо потужність джерела дуже велика, то після такого імпульсу струму розряд припиняється. Напруга між електродами починає підвищуватися до колишнього значення, і пробій газу повторюється з утворенням нового іскрового каналу. Час t наростання напруги тим більше, що більше ємність C між електродами. Тому включення конденсатора паралельно розрядному проміжку збільшує час між двома послідовними іскрами, а самі іскри стають потужнішими. Через канал іскри проходить великий електричний заряд, тому збільшується амплітуда і тривалість імпульсу струму. При великих ємностях канал іскри яскраво світиться і має вигляд широких смуг. Те саме відбувається зі збільшенням потужності джерела струму. Тоді говорять про конденсований іскровий розряд, або конденсовану іскру. Максимальна сила струму в імпульсі при іскровому розряді змінюється в широких межах залежно від параметрів ланцюга розряду та умов у розрядному проміжку, досягаючи кількох сотень кілоампер. При подальшому збільшенні потужності джерела іскровий розряд перетворюється на дуговий розряд.

В результаті проходження імпульсу струму через канал іскри в каналі виділяється велика кількість енергії (близько 0,1 - 1 Дж на кожен сантиметр довжини каналу). З виділенням енергії пов'язане стрибкоподібне збільшення тиску в навколишньому газі, утворення циліндричної ударної хвилі, температура, на фронті якої ~10 4 К. Відбувається швидке розширення іскри каналу зі швидкістю порядку теплової швидкості атомів газу. У міру просування ударної хвилі температура її фронті починає падати, а сам фронт відходить від кордону каналу. Виникненням ударних хвиль пояснюються звукові ефекти, що супроводжують іскровий розряд: характерне потріскування у слабких розрядах і потужні гуркіт грому у разі блискавки.

У момент існування каналу, особливо при високому тиску, спостерігається найбільш яскраве свічення іскрового розряду. Яскравість свічення неоднорідна за перерізом каналу і має максимум у його центрі.

Механізм іскрового розряду, з погляду сучасної, загальноприйнятої теорії, так званої стримерної теорії іскрового пробою, яка підтверджується експериментально, полягає в тому, що поблизу катода зародилася електронна лавина, то на її шляху відбувається іонізація та збудження молекул і атомів газу. Істотно, що світлові кванти, що випускаються збудженими атомами та молекулами, поширюючись до анода зі швидкістю світла, самі виробляють іонізацію газу та дають початок новим електронним лавинам. Таким шляхом у всьому обсязі газу виявляються скупчення іонізованого газу, що слабо світяться, звані стрімерами. У процесі свого розвитку окремі електронні лавини наздоганяють одна одну і, зливаючись разом, утворюють місток, що добре проводить, зі стримерів. По цьому містку в наступний момент часу і прямує потужний потік електронів, що утворює канал іскрового розряду. Оскільки провідний місток утворюється в результаті злиття практично одночасно виникають стримерів, час його утворення набагато менше часу, що потрібно окремій електронній лавині для проходження відстані від катода до анода. Розвиток негативного стримеру показано на рис. 7.10. Поруч із негативними стримерами, тобто. стримерами, що поширюються від катода до анода, існують також позитивні стримери, які поширюються у протилежному напрямку.

Слід зазначити, що це теорія пояснює основні особливості іскрового розряду, хоча у кількісному відношенні не може вважатися завершеною.

Коронний розряд

Коронний розряд виникає при порівняно високих тисках газу (порядку атмосферного) в сильно неоднорідному електричному полі, яке можна отримати між двома електродами, поверхня одного з яких має велику кривизну (тонкий тяганина, вістря). Схема отримання коронного розряду показано на рис. 7.11. Слід зазначити, що другий електрод необов'язково, його роль можуть грати навколишні заземлені електроди. При досягненні напруженості електричного поля поблизу електрода з великою кривизною значення порядку 3×10 4 В/м навколо цього електрода виникає свічення, що має вигляд оболонки або корони, звідки і назва розряду. Якщо корона виникає навколо негативного електрода, вона називається негативною. У протилежному випадку корона називається позитивною. Вигляд позитивної корони показано на рис. 7.12 зліва, вид негативної корони – праворуч. Механізм виникнення розряду цих двох випадках – різний.

У разі негативної корони позитивні іони, що утворюються електронними лавинами, прискорюються в неоднорідному електричному полі поблизу катода. Потрапляючи на катод, вони вибивають із нього електрони (вторинна електронна емісія). Вибиті електрони, провзаємодіявши з катодом, своєму шляху породжують нові електронні лавини. Так як електричне поле зменшується при віддаленні від електрода, то на деякій відстані електронні лавини обриваються, електрони потрапляють у "темну" область і там прилипають до нейтральних молекул газу. Негативні іони, що утворилися, і є основними носіями струму в "темній" області. Просторовий негативний заряд цих іонів поблизу анода обмежує загальний розрядний струм. У разі чистих електропозитивних газів негативні іони не утворюються, а носіями зарядів у "темній" області є електрони. У "темній" області розряд має несамостійний характер.

У позитивній короні, коли катодом служить електрод з великим радіусом кривизни, електричне поле слабке у катода. Тому електронні лавини що неспроможні породжуватися електронами, выбиваемыми з катода внаслідок вторинної емісії. Електронні лавини породжуються електронами, що виникають поблизу анода при об'ємній іонізації газу фотонами, що випромінюються коронувальним шаром. Вони зароджуються на зовнішній межі коронуючого шару і поширюються до позитивного електрода (що володіє більшою кривизною). Позитивні іони, рухаючись через темну область до катода, утворюють просторовий заряд, який знову обмежує силу розрядного струму.

При збільшенні напруги між електродами темна область коронного розряду зникає, і виникає іскровий розряд з повним пробоєм розрядного проміжку.

Корона іноді виникає у природних умовах під впливом атмосферної електрики на верхівках дерев, корабельних щоглів та ін.

З виникненням коронного розряду доводиться зважати на техніку високих напруг. Утворюючись навколо проводів високовольтних ліній передач електроенергії, корона іонізує навколишнє повітря, внаслідок чого виникають шкідливі струми витоку. Для зменшення цих струмів витоку дроту високовольтних ліній, а також проводи, що підводять, до високовольтних установок повинні бути досить товстими. Коронні розряди, оскільки вони мають уривчастий характер, є джерелами значних радіоперешкод.

Коронний розряд використовується в електрофільтрах, призначених для очищення промислових газів від домішок твердих і рідких частинок (диму у виробництві сірчаної кислоти, ливарних цехах заводів і т.д.).

Дуговий розряд

Якщо після отримання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами (або опір зовнішнього ланцюга), то розрив із переривчастого стає безперервним. Виникає нова форма газового розряду, яка називається дуговим розрядом. У цьому струм різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку падає кілька десятків вольт.

Дуговий розряд можна отримати від джерел низької напруги, минаючи стадію іскри. Для цього електроди зближують до зіткнення, в результаті вони сильно нагріваються (розжарюються) електричним струмом, після чого їх розводять, отримуючи яскраву електричну дугу. Саме таким шляхом електрична дуга була вперше отримана 1802 р. російським фізиком В.В. Петровим.

В даний час електрична дуга, що горить при атмосферному тиску, найчастіше виходить між спеціальними вугільними електродами, виготовленими з пресованого графіту з речовинами, що зв'язують (рис. 7.13).

Відповідно до В.Ф. Міткевич, дуговий розряд підтримується головним чином за рахунок термоелектронної емісії з поверхні катода. Підтвердженням цієї погляду може бути встановлений досвіді факт, що у часто стійка дуга виходить лише за умови, що температура катода досить висока. При охолодженні катода дуга горить нестійко, періодично гасне і знову запалюється. Охолодження анода не викликає порушення стійкого режиму горіння дуги.

Зі зростанням розрядного струму опір дуги R сильно зменшується через збільшення термоелектронної емісії з катода та іонізації газу в розрядному проміжку. При цьому опір зменшується сильніше, ніж зростає струм. Внаслідок цього зі збільшенням струму напруга на розрядному проміжку не зростає, а зменшується. Говорять, що дуга має падаючу вольтамперну характеристику, тобто. таку характеристику, коли напруга на розрядному проміжку зменшується зі зростанням струму. Тому для підтримки стійкого горіння дуги при випадкових змінах струму, наприклад, внаслідок охолодження катода, напруга на електродах дуги повинна бути підвищена. З цією метою ланцюг дуги включають послідовно баластовий опір. При випадковому зменшенні струму напруга на баластному опорі зменшується. Тому при незмінному підведеному загальному напрузі напруга на газорозрядному проміжку має збільшуватися, чим забезпечується стабільне горіння дуги.

Поряд із дуговими розрядами, зумовленими термоелектронною емісією, існують і розряди іншого типу. Прикладом можуть бути дугові розряди в ртутних лампах. Ртутна лампа є попередньо відкачаним кварцовим або скляним балоном, що пропускає ультрафіолетові промені, наповнений парами ртуті (рис.7.14). Дуговий розряд запалюється електричною іскрою між двома стовпчиками ртуті, що служать електродами лампи. Ртутна дуга є потужним джерелом ультрафіолетового проміння. Тому такі лампи застосовують у медицині та в наукових дослідженнях.

Дослідження показали, що джерелом потужної емісії електронів у ртутній лампі є невелика, яскраво світиться пляма, що виникає на катоді і безперервно бігає по його поверхні (так звана катодна пляма). Щільність струму в катодній плямі величезна і може досягати 10 6 10 7 А/см 2 . Катодна пляма може виникнути не тільки біля ртутного поверхні, але і будь-якого іншого металевого електрода.

Ртутні дуги та аналогічні дуги з металевими електродами отримали назву електричних дуг із холодним катодом. Справа в тому, що раніше вважалося, що катод дійсно холодний по всій його поверхні. Тому термоелектронна емісія з катода не відбувається або практично не відіграє жодної ролі. Ленгмюр висловив припущення, що у разі холодного катода дуговий розряд підтримується автоелектронною емісією з катода. Дійсно, катодне падіння потенціалу (~10 В) відбувається протягом порядку довжини вільного пробігу електрона. Тому поблизу катода виникає сильне електричне поле, достатнє щоб викликати помітну автоелектронну емісію. Безсумнівно, автоелектронна емісія у дугах із "холодним" катодом відіграє істотну роль. Пізніше з'явилися вказівки на можливість нагрівання таких катодів в окремих точках до температур, при яких відбувається велика термоемісія, яка разом з автоелектронною емісією і підтримує дуговий розряд. Хоча це питання ще недостатньо досліджено.

7.4. Поняття про плазму. Плазмова частота.
Дебаївська довжина. Електропровідність плазми

Плазмою називається іонізований квазінейтральний газ, що займає настільки великий обсяг, що в ньому не відбувається скільки-небудь помітного порушення квазінейтральності через теплові флуктуації. Квазінейтральність плазми означає, що кількість позитивних та негативних зарядів у ньому майже однакові. Нейтральним є кожен фізично нескінченно малий елемент об'єму (обсяг малий макроскопічний, але містить велику кількість електронів та іонів). Заряди позитивних та негативних іонів однакові та рівні заряду електрона.

Достатньо сильний вплив на плазму може призвести до поділу зарядів у деякій її ділянці. Такий вплив може вплинути на плазму, наприклад, швидка заряджена частка з числа електронів або іонів самої плазми (при досить високій температурі – теплові флуктуації) або прийшла ззовні.

Поділ позитивних та негативних зарядів у плазмі аналогічний процесу поляризації діелектрика. Однак у діелектриках заряджені частинки не можуть рухатися на великі відстані (10 -10 м), а в плазмі можливі будь-які переміщення частинок.

Якщо через теплові флуктуації негативні заряди змістилися на відстань x, то на межах плазми виникнуть макроскопічні заряди протилежних знаків з поверхневою щільністю

де n - Концентрація частинок одного знака заряду.

З урахуванням того що , то в даному випадку

, (7.31)

де P - Електричний дипольний момент одиниці об'єму плазми.

Якщо плазма нескінченна і в ній відсутні вільні електричні заряди, що є джерелами вектора D, маємо

. (7.32)

З формули (7.32) для напруженості електричного поля, що виникло в плазмі, отримаємо

Для щільності енергії електричного поля

. (7.34)

Сила, що діє на кожен електрон,

. (7.35)

З виразу (7.35) видно, що сила пропорційна зсуву і спрямована у бік, протилежний зсуву, тобто. вона подібна до квазіпружної сили. Отже, сила, що діє на електрони в плазмі, викликає гармонійні коливання із частотою

де m - Маса електрона.

Ця частота називається плазмовою частотою.

Коливання електронів, що виникли у певному місці плазми, створять хвилю тієї ж частоти, що поширюється через плазму.

Оскільки енергія електричного поля черпається з кінетичної енергії теплового руху частинок газу, величина w 0 може перевищувати 3nkT. На частку негативних частинок одиниці обсягу припадає в середньому кінетична енергія (і така сама енергія – позитивних). Отже, якщо опустити чисельний коефіцієнт 3, повинно виконуватися співвідношення

(nxe) 2<(nkT)×2e 0 ,

. (7.37)

Величина D називається дебаївською довжиною або дебаївським радіусом. Таким чином, щоб плазма зберігала квазінейтральність, її лінійні розміри повинні набагато перевищувати дебаївський радіус.

Залежно від ступеня іонізації aрозрізняють: слабо іонізовану плазму (при aпорядку часткою відсотка), помірно іонізовану плазму ( aкількох відсотків) та повністю іонізовану плазму. У земних природних умовах плазма трапляється досить рідко (наприклад, у каналі блискавки). У верхніх шарах атмосфери, які більшою мірою схильні до впливу іонізуючих факторів (ультрафіолетові та космічні промені), постійно присутня слабо іонізована плазма (іоносфера). Іоносфера відображає радіохвилі і уможливлює радіозв'язок на великих відстанях (порядку відстані між діаметрально протилежними точками земної кулі). У космічному просторі плазма є найпоширенішим станом речовини. Сонце та гарячі зірки, що мають високі температури, складаються з повністю іонізованої плазми. Тому багато проблем астрофізики пов'язані з вивченням фізичних властивостей плазми. На грунті астрофізики виникла магнітна гідродинаміка, в якій плазма, що рухається в магнітних полях, розглядається як суцільне рідке середовище, що має високу провідність. Плазма утворюється у різних формах газового розряду, наприклад, у позитивному стовпі тліючого розряду, а також у головному каналі іскрового розряду. Фізика плазми – порівняно новий розділ фізики, що швидко розвивається, якому присвячені спеціальні курси.

Оцінимо питому провідність gповністю іонізованої плазми, що складається з електронів і позитивно заряджених іонів, кожен з яких має заряд Ze. Рух іонів, зважаючи на їх великі маси, можна не враховувати і вважати, що весь струм створюється рухом легких електронів. Величина gвизначається зіткненням електронів із іонами. Зіткнення електронів між собою на величину струму не впливають, оскільки за таких зіткнень повний імпульс електронів не змінюється. Від цих зіткнень можна відволіктися. Між іонами та електронами плазми діють кулонівські сили тяжіння – це дії дії. Електрон порівняно рідко підходить до іона на такі малі відстані, щоб напрямок його руху змінилося різко і мало характер стрибка. Набагато більше значення мають взаємодії електрона одночасно з дуже великою кількістю іонів, при яких напрямок траєкторії електрона змінюється плавно і безперервно. Відхилення електрона великі кути від початкового напрями руху відбувається у результаті накопичення малих відхилень при взаємодії його з " далекими " іонами. Тому про зіткнення, довжину і час вільного пробігу можна говорити лише в умовному сенсі. Проміжок часу t, протягом якого напрямок руху електрона змінюється на кут порядку 90 про прийнято вважати часом вільного пробігу.

Для оцінки величини i припустимо, що електрон рухається у полі позитивного іона із зарядом Ze. Якщо v – швидкість електрона на нескінченності, а r п - прицільний параметр, то при проходженні повз іона траєкторія електрона відхиляється на кут Q, який визначається формулою

, (7.38)

де m - Маса електрона.

Прицільний параметр r п, для якого Q = 90 про визначається виразом

Йому відповідає "ефективний поперечний переріз":

. (7.40)

Облік далеких взаємодій призводить до того ж результату, але збільшеному L разів:

. (7.41)

Коефіцієнт L називається кулонівським логарифмом. Він майже не залежить від температури та щільності плазми. Для плазми, що складається з повністю іонізованого дейтерію, при kT ~ 10 кэВ і концентрації електронів n ~ 10 12 10 15 см -3 , L » 15. Так як кожен позитивний іон містить Z елементарних зарядів, то концентрація таких іонів буде , а середня довжина і час "вільного пробігу" Велика різниця в масах електронів та іонів плазми робить можливим у плазмі існування таких квазірівноважних станів, які у відомому наближенні можуть бути характеризуються двома температурами. Справді, припустимо, що початковий розподіл швидкостей електронів та іонів плазми ізотропний, але не максвелівський. При зіткненні електрона з іншим електроном обмінюються енергією, величина якої відповідає порядку початкової енергії самих електронів. Тому час встановлення розподілу електронів за енергіями (тобто максвеллівського розподілу) через зіткнення між ними можна оцінити за формулою (7.41), якщо в ній масу електрона m замінити наведеною масою. Цей час називається електронним часом релаксації , пропорційно квадратному кореню з маси електрона .

Так само визначається іонний час релаксації, протягом якого встигає встановлюватися розподіл за енергіям між іонами через зіткнень з-поміж них: .

При зіткненні електронів з іонами швидка частка передає повільній лише незначну частку своєї енергії, що у середньому відповідає частці порядку від початкової енергії швидкої частки. Для вирівнювання енергій потрібен релаксаційний час більше, ніж . Таким чином,

. (7.45)

З (7.45) випливає:

.

Якщо плазму надати самій собі, спочатку встановиться максвелловское розподіл швидкостей електронів, потім іонів. Виникає квазірівноважний стан, у якому електрони матимуть температуру T e , а іони – температуру T i . У цьому T e ¹ T i . У цьому випадку плазму називають неізотермічною або двотемпературною. Потім у результаті обміну енергіями між електронами та іонами встановиться максвелловський розподіл для всієї плазми, що характеризується загальною температурою електронів та іонів (ізотермічна плазма).

Коли плазма знаходиться в електричному полі, то в ній починає існувати електричний струм і виділятися тепло джоулева. При цьому енергію від поля отримують майже виключно електрони як рухливі частки. Іони нагріваються головним чином за рахунок енергії, яку вони одержують від "гарячих" електронів при кулонівських взаємодіях з ними. Так як останній процес відбувається порівняно повільно, то температура електронів у плазмі виявляється вищою за температуру іонів. Відмінність між ними може бути дуже значною. Так було в позитивному стовпі тліючого розряду при тисках близько 0,1 мм рт.ст. температура електронів може досягати 50 000 С і вище, тоді як температура іонів не перевищує кількох сотень градусів.

Основний практичний інтерес, який представляє фізика плазми, пов'язаний із вирішенням проблеми керованого термоядерного синтезу. Для того, щоб у речовині почалися досить інтенсивні термоядерні реакції, його необхідно нагріти до температури в кілька кеВ або десятків кеВ, а при таких температурах будь-яка речовина перебуває в стані плазми. Найбільш перспективними "робочими речовинами" для термоядерного реактора є ізотопи водню: дейтерій та тритій. Термоядерну реакцію синтезу легше отримати над чистому дейтерії, а його суміші з тритієм. Повна кількість дейтерію в океанах ~ 4×10 13 т, що еквівалентно енергії ~ 10 20 кВт×років (повна споживана на всій земній кулі потужність становить ~ 10 10 кВт). Тритій як радіоактивний елемент у природних умовах не зустрічається, а виходить штучно. У майбутніх термоядерних реакторах витрата тритію має з надлишком поповнюватися відтворенням (регенерацією) його в результаті опромінення Li 6 нейтронами, що виходять у самих термоядерних реакторах.

Так як термоядерні реакції повинні відбуватися порівняно плавно і повільно, виникає необхідність досить тривалого утримання гарячої плазми в обмеженому обсязі робочої камери і ізоляції її від стінок цієї камери. І тому пропонується використовувати магнітну термоізоляцію, тобто. поміщати плазму в сильне магнітне поле, що перешкоджає іонам та електронам переміщатися у поперечному напрямку та йти на стінки камери.

Необхідна вимога, якій повинен задовольняти будь-який термоядерний реактор, полягає в тому, щоб енергія, що виділяється в ядерних реакціях, надмірно компенсувала витрати енергії від зовнішніх джерел. Основними джерелами втрат енергії є гальмівне випромінювання електронів при кулонівських зіткненнях останніх, а також магнітогальмівне (циклотронне або бетатронне) випромінювання, що виникає внаслідок прискореного руху електронів у магнітному полі. Для термоядерних реакцій, що самопідтримуються, потрібно нагріти плазму до деякої "критичної" температури (~50 кеВ). У цьому повинен виконуватися так званий критерій Лоусона (nt>10 16 з/см 3), де n – концентрація іонів плазми (одного знака), а t – середній час утримання плазми.

Основна труднощі, що стоїть на шляху створення керованого термоядерного синтезу, пов'язана з отриманням спокійної або стійкої плазми. Справа в тому, що через дальнодіючий характер кулонівських сил у плазмі відбуваються різні колективні процеси, наприклад мимоволі виникають шуми і коливання, що роблять плазму нестійкою. Основні зусилля під час вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу спрямовані придушення цих нестійкостей.