Искровой разряд

Искровой разряд — это форма электрического разряда в газе, возникающая при достаточно высоком напряжении и характеризующаяся образованием яркого, быстро исчезающего канала проводимости (искры) между электродами. Искровой разряд относится к несамостоятельным разрядам, так как для его поддержания требуется внешний источник ионизации, однако в момент пробоя газ становится проводящим за счёт ударной ионизации, создаваемой самим электрическим полем. В отличие от дугового разряда, искровой разряд является кратковременным и импульсным, а его температура в канале может достигать десятков тысяч градусов Цельсия.

Физическая природа и механизм возникновения

Искровой разряд возникает в результате пробоя газового промежутка между двумя электродами, когда напряжённость электрического поля превышает критическое значение для данного газа и давления. Этот процесс описывается законом Пашена, который устанавливает зависимость напряжения пробоя от произведения давления газа и расстояния между электродами. При атмосферном давлении и расстоянии в несколько миллиметров напряжение пробоя воздуха составляет порядка 3–30 кВ, в зависимости от формы электродов и влажности.

Механизм развития искры включает несколько стадий:

1. Начальная ионизация — под действием внешних факторов (космическое излучение, естественный радиационный фон) в газе появляются свободные электроны.
2. Лавина электронов — электрон, ускоряясь в электрическом поле, сталкивается с нейтральными атомами, выбивая из них новые электроны. Число электронов растёт лавинообразно (лавина Таунсенда).
3. Образование стримера — при достижении критической плотности заряда (порядка 10⁸ электронов) возникает плазменный канал — стример, который быстро (за 10⁻⁸–10⁻⁷ с) прорастает от катода к аноду или наоборот.
4. Пробой — стример замыкает электроды, ток резко возрастает, температура в канале поднимается до 10 000–30 000 °C, газ ионизируется полностью, и возникает яркая вспышка.

После пробоя, если источник напряжения не поддерживает ток, разряд прекращается. Если же источник способен обеспечить длительный ток (например, от мощного трансформатора), искровой разряд может перейти в дуговой.

Характеристики искрового разряда

Основные параметры искрового разряда включают:

• Напряжение пробоя — минимальное напряжение, при котором возникает искра. Для воздуха при нормальных условиях и расстоянии 1 мм оно составляет около 3 кВ.
• Длительность разряда — от десятков наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от ёмкости цепи и сопротивления.
• Ток в канале — может достигать сотен ампер в импульсе, но длительность протекания мала.
• Температура — в центральной части канала до 30 000 °C, что вызывает интенсивное ультрафиолетовое и видимое излучение.
• Спектр излучения — содержит линии ионизированных атомов газов, входящих в состав среды (например, азота и кислорода в воздухе).

Виды искровых разрядов

Искровые разряды классифицируют по условиям возникновения и форме проявления:

• Единичная искра — возникает при размыкании цепи или при подаче одиночного высоковольтного импульса. Пример — искра в выключателе или зажигалке.
• Искровой разряд в газах — наблюдается в газоразрядных трубках, молниеотводах, свечах зажигания.
• Молния — гигантский искровой разряд в атмосфере, возникающий между облаками или между облаком и землёй. Длина канала молнии может достигать нескольких километров, ток — до 200 кА, а температура — до 30 000 °C.
• Коронный разряд — хотя обычно рассматривается отдельно, иногда его относят к слабым формам искрового разряда; возникает при высокой напряжённости поля на острых электродах, но без полного пробоя промежутка.

Применение искрового разряда

Искровой разряд нашёл широкое применение в технике и науке благодаря своим свойствам.

Зажигание горючих смесей

Наиболее известное применение — в двигателях внутреннего сгорания. Свеча зажигания создаёт искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь в цилиндре. Напряжение на свече составляет 10–30 кВ, длительность искры — 1–2 мс. Аналогично искра используется в газовых плитах, колонках и горелках.

Электроэрозионная обработка

В промышленности искровой разряд применяется для электроэрозионной обработки металлов (электроискровая обработка). Импульсы тока между электродом-инструментом и заготовкой вызывают локальное плавление и испарение материала, что позволяет создавать отверстия, пазы и сложные формы в твёрдых сплавах.

Измерение высоких напряжений

Искровые промежутки используются в качестве измерительных устройств — разрядников, которые позволяют определить пиковое напряжение по расстоянию пробоя. Например, шаровой разрядник является эталонным средством для измерения импульсных напряжений.

Защита от перенапряжений

Искровые разрядники (грозозащитные, вентильные) применяются в электрических сетях для защиты оборудования от перенапряжений, вызванных ударами молнии или коммутационными процессами. При превышении напряжения разрядник пробивается, отводя ток в землю.

Генерация плазмы и ультрафиолета

Искровые разряды используются в спектроскопии для возбуждения атомов, в лазерах на парах металлов (например, в эксимерных лазерах), а также в ультрафиолетовых лампах для дезинфекции.

Искровой разряд в природе

В природе наиболее ярким проявлением искрового разряда является молния. Молния возникает в грозовых облаках, когда электрическое поле между разноимённо заряженными областями достигает пробойного напряжения (порядка 3·10⁶ В/м). Процесс развития молнии включает стадию лидера (слабо светящийся канал, распространяющийся ступенями) и главного разряда (мощный обратный удар). Температура в канале молнии достигает 30 000 °C, что вызывает взрывное расширение воздуха и гром.

Кроме молний, искровые разряды наблюдаются при землетрясениях (сейсмические огни), при извержениях вулканов, а также в пылевых бурях (трибоэлектрические искры).

Опасность и меры предосторожности

Искровой разряд представляет значительную опасность:

• Пожаро- и взрывоопасность — искра может воспламенить горючие газы, пары или пыль. Взрывоопасные зоны (например, на нефтеперерабатывающих заводах, в шахтах) требуют применения искробезопасного оборудования.
• Электрический удар — высокое напряжение, необходимое для возникновения искры, смертельно опасно для человека.
• Электромагнитные помехи — искровой разряд генерирует широкополосные радиопомехи, которые могут нарушать работу электроники.

Для защиты от искровых разрядов применяются заземление, экранирование, ограничители перенапряжений, а также использование вакуумных или масляных выключателей вместо воздушных.

Интересные факты

• Впервые искровой разряд в лабораторных условиях наблюдал и описал Михаил Ломоносов в 1753 году при изучении атмосферного электричества.
• Длина искры в воздухе при напряжении 1 МВ может достигать примерно 1 метра (при нормальных условиях).
• Искровой разряд используется в копировальной технике (лазерные принтеры и копиры) для переноса тонера на бумагу.
• В некоторых видах зажигалок (пьезоэлектрических) искра создаётся за счёт механического удара по пьезокристаллу, генерирующему высокое напряжение.

Источники

• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987.
• Пашен Ф. Закон Пашена и пробой газов. — В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. — М.: Янус-К, 2000.
• Кессельман В. С. Электрические разряды в газах. — М.: Высшая школа, 1982.
• Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: Физматлит, 2001.
• ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 1 кВ и выше. Общие методы испытаний.