Электрический разряд в газах¶

Электрический разряд — это процесс протекания электрического тока через вещество (газ, жидкость, твёрдое тело или вакуум), сопровождающийся изменением физического состояния среды и, как правило, выделением энергии в виде света, тепла или звука. В узком смысле под электрическим разрядом чаще всего понимают разряд в газе — совокупность явлений, возникающих при прохождении тока через ионизированный газ. В отличие от металлов, где ток обеспечивается движением электронов, в газах носителями заряда выступают свободные электроны и положительные и отрицательные ионы, образующиеся в результате ионизации.

¶Физическая природа разряда

Для возникновения разряда необходимо наличие свободных носителей заряда и электрического поля, которое приводит их в направленное движение. В обычных условиях газы являются диэлектриками, поскольку их молекулы электрически нейтральны. Ионизация газа может происходить под действием внешних факторов: ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей, космических лучей, нагрева, а также при соударениях заряженных частиц с нейтральными атомами. Последний механизм, называемый ударной ионизацией, играет ключевую роль в развитии самостоятельного разряда.

Процесс развития разряда описывается вольт-амперной характеристикой промежутка. При малых напряжениях ток мал и определяется скоростью образования ионов внешним ионизатором — такой разряд называют несамостоятельным. При достижении напряжения пробоя число носителей заряда лавинообразно нарастает, и разряд становится самостоятельным, то есть способным поддерживаться без внешнего ионизатора. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение тока, называется напряжением пробоя или напряжением зажигания разряда.

¶Классификация разрядов

В зависимости от давления газа, характера электродов, рода тока и внешних условий различают несколько основных форм газового разряда.

¶Тлеющий разряд

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях газа (обычно от долей паскаля до нескольких килопаскалей) и относительно небольших токах (10⁻⁵–10⁻¹ А). Характерная особенность — наличие чередующихся тёмных и светящихся областей между катодом и анодом (астоново тёмное пространство, катодное свечение, фарадеево тёмное пространство, положительный столб). Свечение газа обусловлено рекомбинацией ионов и электронов и возбуждением атомов. Тлеющий разряд широко применяется в газоразрядных лампах, неоновой рекламе, лазерах на газовых смесях.

¶Дуговой разряд

Дуговой разряд характеризуется большими токами (от единиц ампер до тысяч ампер) и низким напряжением между электродами (порядка десятков вольт). Возникает при атмосферном и повышенном давлении. Ключевую роль играет термоэлектронная эмиссия с раскалённого катода и термическая ионизация газа. Дуга сопровождается высокой температурой (до 6000–10000 К в столбе) и ярким свечением. Впервые наблюдался В. В. Петровым в 1802 году. Используется в электросварке, плазменной резке, дуговых печах, ксеноновых лампах.

¶Искровой разряд

Искровой разряд — кратковременный, импульсный разряд, возникающий при высоком напряжении и давлении газа, близком к атмосферному. Имеет форму ярких извилистых каналов — искр, которые быстро сменяют друг друга. Сопровождается звуковым эффектом (треском) из-за резкого расширения газа. Примеры — молния, разряд в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания, искровые разрядники. При мощных искровых разрядах канал нагревается до десятков тысяч градусов.

¶Коронный разряд

Коронный разряд возникает в сильно неоднородных электрических полях, обычно у электродов с малым радиусом кривизны (острия, тонкие провода) при атмосферном давлении. Ионизация и свечение происходят лишь в тонком слое вблизи электрода, тогда как остальной промежуток остаётся неионизированным. Коронный разряд наблюдается вокруг линий электропередачи (потери энергии на корону), на мачтах кораблей (огни святого Эльма). Применяется в электрофильтрах для очистки газов, в копировальных аппаратах и лазерных принтерах для переноса тонера.

¶Импульсный разряд

Импульсный разряд — кратковременный разряд с длительностью от наносекунд до миллисекунд, формируемый при быстром приложении высокого напряжения. Используется в импульсных лазерах, мощных генераторах электромагнитных импульсов, для получения плазмы в термоядерных установках.

¶Разряды в вакууме и жидкостях

В вакууме (при давлениях ниже 10⁻³ Па) разряд возможен за счёт эмиссии электронов с катода под действием сильного электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или бомбардировки катода ионами. Такой разряд называют вакуумным пробоем. В жидкостях разряд сопровождается образованием газовых пузырей, в которых и происходит основной пробой. Эти явления используются в коммутационной аппаратуре и импульсной технике.

¶Применение электрических разрядов

Электрические разряды находят широчайшее применение в науке и технике:

• Осветительная техника: люминесцентные лампы (тлеющий разряд в парах ртути), натриевые лампы, ксеноновые лампы-вспышки.
• Сварочное производство: дуговая сварка металлов, плазменная резка.
• Электроэнергетика: коммутационные аппараты, разрядники для защиты от перенапряжений, молниеотводы.
• Электроника: газоразрядные индикаторы, стабилитроны (бареттеры), газовые лазеры (гелий-неоновый, эксимерный, азотный).
• Обработка материалов: электроэрозионная обработка металлов, нанесение покрытий методом напыления в тлеющем разряде.
• Медицина: плазменная стерилизация инструментов, коагуляция тканей, обработка ран низкотемпературной плазмой.
• Экология: электрофильтры для улавливания пыли и аэрозолей, озонирование воды и воздуха (коронный разряд).

¶Природные разряды

Наиболее известный природный электрический разряд — молния, представляющая собой гигантский искровой разряд между облаками или облаком и землёй. Напряжение между облаком и землёй может достигать сотен миллионов вольт, ток — десятков тысяч ампер. К природным разрядам также относят огни святого Эльма (коронный разряд в атмосфере), спрайты и эльфы — высотные разряды над грозовыми облаками, а также полярные сияния, которые возникают при прохождении заряженных частиц солнечного ветра через верхние слои атмосферы.

¶Опасность и защита

Электрические разряды представляют серьёзную опасность для человека и оборудования. Прохождение тока через тело человека может вызвать фибрилляцию сердца, ожоги и летальный исход. Для защиты применяются заземление, изоляция токоведущих частей, устройства защитного отключения, ограничители перенапряжений. В высоковольтной технике используются специальные разрядники, отводящие опасные импульсы в землю. При работе с электроустановками соблюдаются строгие правила техники безопасности.

¶Исследования и история

Систематическое изучение электрических разрядов началось в XVIII–XIX веках. М. В. Ломоносов и Г. Рихман исследовали атмосферное электричество. В. В. Петров в 1802 году открыл электрическую дугу. В 1850-х годах Г. Гейслер создал первые газоразрядные трубки. Дж. Дж. Томсон в 1897 году, изучая катодные лучи в тлеющем разряде, открыл электрон. В XX веке развитие физики плазмы и газового разряда привело к созданию газовых лазеров, плазменных технологий и управляемого термоядерного синтеза, где разряд используется для нагрева и удержания плазмы.