9. Электрические разряды в газах

В обычных условиях любой газ, будь то воздух или пары серебра, является изолятором. Для того, чтобы под действием электрического поля возник ток, требуется каким-то способом ионизировать молекулы газа. Внешние проявления и характеристики разрядов в газе чрезвычайно разнообразны, что объясняется широким диапазоном параметров и элементарных процессов, определяющих прохождения тока через газ. К первым относятся состав и давление газа, геометрическая конфигурация разрядного пространства, частота внешнего электрического поля, сила тока и т.п., ко вторым - ионизация и возбуждение атомов и молекул газа, рекомбинационные удары второго рода, упругое рассеяние носителей заряда, различные виды эмиссии электронов. Такое многообразие управляемых факторов создает предпосылки для весьма широкого применения газовых разрядов.

Потенциалом ионизации называется энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или иона.

Фотоионизация атомов. Атомы могут ионизироваться при поглощении квантов света, энергия которых равна потенциалу ионизации атома или превосходит ее.

Поверхностная ионизация. Адсорбированный атом может покинуть нагретую поверхность как в атомном, так и в ионизованном состоянии. Для ионизации необходимо, чтобы работа выхода с поверхности была больше энергии ионизации уровня валентного электрона адсорбированного атома (щелочные металлы на вольфраме и платине).

Процессы ионизации используются не только для возбуждения различных видов газовых разрядов, но и для интенсификации различных химических реакций и для управления потоками газов с помощью электрических и магнитных полей.

А.С. N 444818: Способ нагрева стали в окислительной атмосфере, отличающийся тем, что с целью снижения обезуглероживания, в процессе нагрева используют ионизированные атмосферы.

А.С. 282684: Способ измерения малых потоков газа, выпускаемых в вакуумный объем, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, газ перед запуском ионизируют и формируют в однородный полный пучок, а затем вводят ионный пучок в вакуумный объем, где его нейтрализуют на металлической мишени, и по току ионного пучка судят о величине газового потока.

Обычно газовый разряд происходит между проводящими электродами, создающими граничную конфигурацию электрического поля и играющими значительную роль в качестве источников и стоков заряженных частиц. Однако наличие электродов необязательно (высокочастотный тороидальный заряд).

При достаточно больших давлениях и длинах разрядного промежутка основную роль в возникновении и протекании разряда играет газовая среда. Поддержание разрядного тока определяется поддерживанием равновесной ионизации газа, происходящей при малых токах за счет процессов каскадной ионизации, а при больших токах - за счет термической ионизации.

При уменьшении давления газа и длины разрядного промежутка все большую роль играют процессы на электродах. При P =0,02..0,4 мм.рт.ст/см процессы на электродах становятся определяющими.

При малых разрядных токах между холодными электродами и достаточно однородном поле основным типом разряда является тлеющий разряд, характеризующийся значительным (50 – 400 В) катодным падением потенциала. Катод в этом типе разряда испускает электроны под действием заряженных частиц и световых квантов, а тепловые явления не играют роли в поддержании разряда.

Патент США 3 533 434: В устройстве, предназначенном для считывания информации с перфорированного носителя, используются лампы тлеющего разряда, имеющие невысокую стоимость, и, кроме того, обладающие высокой надежностью. Освещение ламп через перфорации носителя информации источником пульсирующего света вызывает зажигание некоторых из них, продолжающееся и после исчезновения светового импульса. Таким образом, лампы тлеющего разряда обеспечивают хранение информации и не требуют дополнительного запоминающего устройства.

Примесь молекулярных газов в разрядном промежутке при коронном разряде приводит к образованию страт, т.е. расположенных поперек градиента электрического поля темных и светлых полос.

Тлеющий разряд в сильно неоднородном электрическом поле и значительном ( P> 100 мм.рт.ст.) давлении называют коронным. Ток коронного разряда имеет характер импульсов, вызываемых электронными лавинами. Частота появления импульсов 10-100 кГц.

Дуговой разряд наблюдается при силе тока не менее нескольких ампер. Для этого типа разряда характерно малое (до 10 В) катодное падение потенциала и высокая плотность тока. Для дугового разряда существенна высокая электронная эмиссия катода и термическая ионизация в плазменном столбе. Спектр дуги обычно содержит линии материала катода.

А.с. 226 729: Способ выпрямления переменного тока с помощью газоразрядного промежутка с полым катодом при низком давлении газа, соответствующим области левой ветви кривой Пашена, отличающийся тем, что с целью повышения выпрямленного тока и уменьшения падения напряжения в течении проводящей части периода, при положительном потенциале на аноде систему "анод - полый катод" переводить в режим дугового разряда.

Искровой разряд начинается с образования стример - самораспространяющихся электронных лавин, образующих проводящий канал между электродами. Вторая стадия искрового разряда - главный разряд - происходит вдоль канала, образованного стримером, а по своим характеристикам близка к дуговому разряду, ограниченному во времени емкостью электродов и недостаточностью питания. При давлении 1 атм. материал и состояние электродов не оказывает влияния на пробивное напряжение в этом виде разряда.

Расстояние между сферическими электродами, соответствующее возникновению искрового пробоя, весьма часто служит для измерения высокого напряжения.

А.с. 272 663: Способ определения размера макрочастиц с подачей их на заряженную поверхность, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, определяют интенсивность световой вспышки, сопровождающей электрический пробой между заряженной поверхностью и приближающейся к ней частицей, и по интенсивности судят о размере частицы.

Факельный разряд - особый вид высокочастотного одноэлектродного разряда. При давлениях, близких к атмосферному или выше его, факельный разряд имеет форму пламени свечи. Этот вид разряда может существовать при частотах 10 МГц, при достаточной мощности источника.

При изучении заряженного острия наблюдается интересный эффект - так называемое стекание зарядов с острия. В действительности никакого стекания нет. Механизм этого явления следующий: имеющиеся в воздухе в небольшом количестве свободные заряды вблизи острия разгоняются и, ударяясь об атомы газа, ионизируют их. Создается область пространственного заряда, откуда ионы того же знака, что и острие, выталкиваются полем, увлекая за собой атомы газа. Поток атомов и ионов создает впечатление стекания зарядов. При этом острие разряжается, и одновременно получает импульс, направленный против острия.

Несколько примеров на применение коронного разряда:

А.с. 485 282: Устройство для кондиционирования воздуха, содержащее корпус с поддоном и патрубками для подвода и отвода воздуха и размещенный в корпусе теплообменник с каналами, орошаемыми со стороны одного из потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения степени охлаждения воздуха путем интенсификации испарения коронирующие воды, по оси орошаемых каналов теплообменника установлены электроды, прикрепленные к имеющему заземление корпусу с помощью изоляторов и подключенные к отрицательному полюсу источника напряжения.

А.С. 744429: Измеритель диаметра проволоки тоньше пятидесяти микрон с помощью коронного разряда. Как известно, коронный разряд в виде светящегося кольца возникает вокруг проводника, если к проводнику приложить высокое напряжение. При определении сечения проводника коронный разряд будет иметь вполне определенные характеристики. Стоит изменить сечение, тотчас изменяется и характеристика коронного разряда.