2. Теория электрического газового разряда

2.1. Типичные разряды в постоянном электрическом поле

Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа вызывается внешними ионизаторами, то процесс прохождения электрического тока через газ называется несамостоятельным газовым разрядом.

При небольших напряжениях плотность тока j в разряде пропорциональна напря­женности поля Е:

J=en₀(u₊+u_-)E, где u₊ и u_- — подвижности положительных и отрицательных ионов, n₀ — число пар электронов и одновалентных положительных ионов в единице объема, е — абсолютное значение заряда электрона. В интервале давлений от 10^-4 до 10² атм u₊ и u_- обратно пропорциональны давлению газа. При дальнейшем увеличении напряженности поля Е концентрация ионов в разряде убывает и линейная зависимость силы тока от напряжения нарушается.

Максимальная сила тока I_H , возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения. При этом все ионы, возникающие в газе, достигают электродов: I_H=eN₀ где N₀ – максимальное число пар одновалентных ионов, образующихся в 1 сек в газе под действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд.

Электрический разряд в газе, продолжающийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Свободные электрические заряды, необходимые для поддержания такого разряда, возникают главным образом в результате ударной ионизации молекул газа под действием электронов (объемная ионизация) и выбивания электронов из катода при бомбардировке его положительными ионами (поверхностная ионизация). Ударную ионизацию молекул газа положительными ионами нужно учитывать только в случае достаточно сильных полей. Вырывание электронов из катода может также происходить вследствие его нагрева (термоэлектронная эмиссия) и внешнего фотоэффекта, связанного со свечением разряда (фотоэлектронная эмиссия).

Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем газа и происходит при напряжении зажигания U_H (напряжение пробоя). Согласно приближенной теории Таунсенда условие зажигания самостоятельного разряда в газе между плоскими электродами имеет вид

(e^ad –1)=1,

где d — расстояние между электродами, а - коэффициент объемной ионизации газа электронами, равный среднему значению количества актов ионизации, производимых одним электроном на пути единичной длины,  — коэффициент поверхностной ионизации, равный среднему числу электронов, выбиваемых из катода одним положительным ионом. Для данного газа и материала катода

где d — давление газа, U — напряжение между электродами. Таким образом, напряжение зажигания U_З зависит от произведения pd (закон Пашена).

При нормальном и больших давлениях наблюдаются несколько типов газового разряда: кистевой, коронный, искровой и дуговой.

Коронный разряд возникает в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле, т. е. около электродов с малыми радиусами кривизны поверхности (например, около остриев, проводов линий высокого напряжения и т. п.). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят только в сравнительно небольшой области, прилегающей к электроду с малым радиусом кривизны поверхности и называемой коронирующим слоем. Соответствующий электрод называют коронирующим электродом. Остальную часть разрядного промежутка, находящуюся за пределами коронирующего слоя (или двух слоев, если коронируют оба электрода), называют внешней («темной») областью коронного разряда.

В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие объемную ионизацию газа, выбиваются из катода положительными ионами. Если коронирует анод (положительная корона), то электроны возникают вблизи анода благодаря фотоионизации газа под действием излучения коронирующего слоя. Во внешней области разряда проводимость газа сравнительно невелика, так как осуществляется только за счет заряженных частиц одного знака, поступающих в нее из коронирующего слоя. Поэтому сила тока в коронном разряде, в отличие от других видов самостоятельного разряда, определяется не сопротивлением внешней части цепи, а сопротивлением внешней области разряда.

При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид светящейся кисти — системы выходящих из острия и перемежающихся во времени тонких светящихся линий, имеющих изломы и изгибы. Такой разряд называют кистевым.

Если напряжение между электродами становится равным напряжению искрового перекрытия U_И , то коронный разряд переходит в искровой. При прочих равных условиях U_И для положительной короны меньше, чем для

от U_К до U_И при которых осуществляется коронный разряд, сокращается. При значении d_кр (критическое расстояние) U_И становится равным U_К. Если d<d_кр то U_И<U_К и коронный разряд вообще не может возникнуть.

Искровой разряд имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей — каналов ионизованного газа, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты и ярким свечением газа. Явления, характеризующие такой разряд, вызываются электронными и ионными лавинами, возникающими в искровых каналах, где давление увеличивается до сотен атмосфер, а температура повышается до 10⁴ °С. Примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 см до 25 см. Длина молнии достигает нескольких километров при максимальной силе тока импульса молнии, достигающей сотен тысяч ампер.

Дуговой разряд происходит при большой плотности тока и при напряжении между электродами порядка нескольких десятков вольт. Он является результатом интенсивного испускания термоэлектронов раскаленным катодом. Электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа. Поэтому электрическое сопротивление газового промежутка между электродами дуги невелико. При увеличении силы тока дугового разряда проводимость газового промежутка настолько сильно возрастает, что напряжение между электродами дуги падает (падающая волыпамперная характеристика). Температура катода (при атмосферном давлении) достигает 3000°С. Бомбардировка электронами анода создает в нем углубление — кратер дуги с температурой около 4000° С (при р = 760 мм рт. ст.). Температура газа в канале электрической дуги 5000-6000° С. Если дуговой разряд происходит при сравнительно низкой температуре катода (например ртутная дуговая лампа), то основную роль играет холодная эмиссия электронов из катода.