Газовый разряд

Газовый разряд — это совокупность электрических, оптических и тепловых явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газообразную среду. В отличие от проводников (металлов, электролитов) и полупроводников, газ в нормальном состоянии является диэлектриком, то есть не содержит свободных носителей заряда. Для возникновения газового разряда необходимо ионизировать газ — создать в нём свободные электроны и ионы. Процесс ионизации может быть вызван внешними факторами (ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, радиоактивность, нагрев) или сильным электрическим полем. В зависимости от условий (давление газа, состав, напряжение, форма электродов) газовые разряды делятся на несколько типов, каждый из которых имеет свои характеристики и области применения.

История изучения

Первые наблюдения газового разряда относятся к XVII—XVIII векам, когда исследователи (например, Отто фон Герике) получали искры при трении стеклянного шара. В 1745 году была изобретена лейденская банка, позволившая получать более мощные искровые разряды. В 1800 году Алессандро Вольта создал первый гальванический элемент, что дало возможность изучать разряды при постоянном токе.

В 1830-х годах Майкл Фарадей систематически исследовал электрические разряды в газах при пониженном давлении. Он открыл тёмное пространство Фарадея — область между катодом и положительным столбом разряда. В 1858 году Юлиус Плюккер и Иоганн Гейслер разработали газоразрядные трубки (трубки Гейслера), которые стали основой для изучения спектров газов.

В 1869 году Иоганн Гитторф описал катодные лучи, а в 1897 году Джозеф Джон Томсон определил их природу — поток электронов. В 1900-х годах развитие газоразрядных технологий привело к созданию газоразрядных ламп, неоновых вывесок, рентгеновских трубок и газовых лазеров. В XX веке газовые разряды стали основой для плазменных технологий, включая плазменные панели и плазменную резку.

Физические основы

Газовый разряд возникает, когда электрическое поле в газе превышает определённый порог, необходимый для начала ионизации. Основные процессы:

• Ударная ионизация — электрон, разогнанный полем, сталкивается с нейтральным атомом или молекулой и выбивает из него ещё один электрон, создавая положительный ион.
• Фотоионизация — поглощение фотона с энергией, достаточной для отрыва электрона.
• Термическая ионизация — при высокой температуре (например, в дуге) атомы сталкиваются с такой энергией, что электроны отрываются самопроизвольно.
• Эмиссия с электродов — электроны могут вырываться из катода за счёт фотоэффекта (фотоэлектронная эмиссия), термоэлектронной эмиссии (нагретый катод) или бомбардировки ионами (вторичная эмиссия).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) газового разряда имеет сложную форму и включает несколько режимов: тёмный разряд, тлеющий разряд, дуговой разряд и искровой разряд.

Классификация газовых разрядов

Газовые разряды классифицируют по нескольким признакам: давлению газа, напряжению, силе тока, форме электродов, типу ионизации.

По давлению

• При низком давлении (менее 1 мм рт. ст.) — разряд имеет характерный вид с тёмными и светящимися областями (тлеющий разряд). Пример: неоновые лампы, газоразрядные трубки.
• При атмосферном давлении — разряд может быть искровым (молния), дуговым (сварка) или коронным (высоковольтные линии электропередач).
• При высоком давлении (сотни атмосфер) — разряд переходит в дуговой режим с высокой плотностью тока и ярким свечением.

По типу ионизации

• Несамостоятельный разряд — для поддержания тока требуется внешний ионизатор (например, ультрафиолетовое излучение). При прекращении внешнего воздействия ток исчезает.
• Самостоятельный разряд — ток поддерживается за счёт процессов, происходящих в самом газе (ударная ионизация, эмиссия с катода). К самостоятельным относятся тлеющий, дуговой, искровой и коронный разряды.

По форме

• Тлеющий разряд — возникает при низком давлении (0,1–10 мм рт. ст.) и малых токах (до 1 А). Характеризуется наличием катодного тёмного пространства, отрицательного свечения, фарадеева тёмного пространства и положительного столба. Цвет свечения зависит от газа: неон — оранжево-красный, аргон — сине-фиолетовый, гелий — жёлто-розовый.
• Дуговой разряд — возникает при высоких токах (от 1 А до тысяч ампер) и низком напряжении (10–50 В). Электроды сильно нагреваются, катод испускает электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Используется в электросварке, плазменной резке, дуговых печах.
• Искровой разряд — кратковременный, импульсный разряд, возникающий при высоком напряжении (десятки киловольт). Сопровождается яркой вспышкой и звуком (треск). Пример: молния, искра в свече зажигания.
• Коронный разряд — возникает в неоднородном электрическом поле (например, у острия или тонкого провода) при высоком напряжении. Свечение имеет вид короны вокруг электрода. Применяется в электрофильтрах, озонаторах, копировальных аппаратах.
• Барьерный разряд — возникает между двумя электродами, разделёнными диэлектриком (стекло, керамика). Используется в плазменных панелях, озонаторах, для синтеза озона.

Применение

Газовые разряды нашли широкое применение в науке, технике и быту.

Освещение и индикация

• Газоразрядные лампы (неоновые, аргоновые, ксеноновые, ртутные) используются для декоративного освещения, рекламы, подсветки. Неоновые лампы — низкого давления, дают характерное оранжево-красное свечение. Ртутные лампы высокого давления (ДРЛ) — для уличного освещения.
• Люминесцентные лампы — разряд в парах ртути при низком давлении вызывает ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет люминофором на стенках трубки.
• Плазменные панели — каждый пиксель представляет собой микроскопическую газоразрядную ячейку с ксеноном или неоном, которая при подаче напряжения излучает ультрафиолет, возбуждающий люминофор.

Сварка и резка

• Электродуговая сварка — дуговой разряд между электродом и свариваемой деталью плавит металл. Используется в строительстве, машиностроении, судостроении.
• Плазменная резка — дуговой разряд в струе газа (воздух, аргон) создаёт плазму с температурой до 30 000 °C, которая разрезает металл.

Электротехника

• Газоразрядные разрядники — устройства для защиты от перенапряжений (например, в линиях электропередач, телефонных линиях). При превышении напряжения возникает искровой разряд, который шунтирует ток.
• Газоразрядные стабилитроны — стабилизируют напряжение в цепях постоянного тока (например, неоновые стабилитроны).

Научные исследования

• Спектроскопия — газовые разряды используются для получения спектров излучения газов, что позволяет определять их состав.
• Плазменные технологии — газовые разряды создают плазму, которая используется в плазменной химии, для синтеза наноматериалов, в плазменных двигателях (ионные двигатели для космических аппаратов).
• Лазеры — газовые лазеры (гелий-неоновый, аргоновый, углекислотный) работают на основе газового разряда.

Медицина

• Плазменная стерилизация — низкотемпературная плазма, создаваемая газовым разрядом, используется для стерилизации медицинских инструментов.
• Плазменная коагуляция — аргоновый разряд используется для остановки кровотечений и удаления тканей.

Экология

• Электрофильтры — коронный разряд используется для очистки промышленных газов от пыли и аэрозолей.
• Озонаторы — барьерный разряд в воздухе или кислороде синтезирует озон, который применяется для очистки воды и воздуха.

Интересные факты

• Молния — это гигантский искровой разряд в атмосфере, длина которого может достигать нескольких километров, а сила тока — до 200 000 А.
• Северное сияние (полярное сияние) — это тлеющий разряд в верхних слоях атмосферы (на высоте 100–400 км), вызванный потоком заряженных частиц от Солнца.
• Первая газоразрядная лампа (неоновая) была изобретена в 1910 году французским инженером Жоржем Клодом.
• В газоразрядных лампах низкого давления (например, в неоновых вывесках) используется инертный газ, который не вступает в химические реакции с электродами, что обеспечивает долгий срок службы.
• Дуговой разряд впервые был получен в 1802 году русским физиком Василием Петровым, который описал «электрическую дугу» между двумя угольными электродами.

Источники

• Физическая энциклопедия. Том 1. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — С. 456–460.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976. — Глава 16.
• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987. — 592 с.
• Энциклопедия «Кругосвет»: статья «Газовый разряд».
• ГОСТ 15093-90. Разрядники газовые. Общие технические условия.