11.2. Виды самостоятельного разряда

Обобщение условий и причин возникновения самостоятельного разряда в газах позволяет выделить основные виды подобного процесса. К основным видам самостоятельного разряда относятся: тлеющий разряд, искровый разряд, коронный разряд, дуговой разряд.

Тлеющий разряд. Тлеющим разрядом обычно называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

Возьмем стеклянную трубку длиной 30-50 см, в которую впаяны два электрода (рис. 11.3). Приложим напряжение в несколько сот вольт. При атмосферном давлении такое напряжение недостаточно для пробоя газа. Откачивая газ, при давлении около 50 мм рт. ст. возникает самостоятельный разряд в виде светящегося шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При давлении 2-3 мм рт. ст. свечение заполняет всю трубку. При давлении порядка 0,1-0,01 мм рт. ст. разряд имеет вид, изображенный на схематическом рисунке (рис. 11.3). На рис. 11.3 так же представлено примерное распределение потенциала U в трубке. Сложная структура тлеющего разряда имеет следующие характерные признаки (рис. 11.3).

1. – астоново темное пространство. Ширина астонова темного пространства (порядка десятых долей мм) обратно пропорциональна давлению газа и уменьшается с увеличением плотности тока. В этой области разряда электроны, исходящие из катода, еще не успели приобрести скорости, достаточной для возбуждения атомов и молекул газа.

2. – катодный слой. В этой области происходит возбуждение атомов и молекул газа ударами электронов, но еще нет ионизации. Свечение объясняется переходом в нормальное состояние возбужденных атомов и молекул.

3. – темное катодное пространство. В этой части пространства тлеющего разряда начинается ионизация атомов и молекул газа и нарастание электронных лавин. Возможность ионизации уменьшает вероятность возбуждения атомов, с чем связано ослабление свечения газа. Созданные в этой области разряда положительные ионы обеспечивают необходимую эмиссию электронов с катода.

4. – отрицательное тлеющее свечение. Свечение резко ограничено со стороны катода и постепенно ослабевает при продвижению к аноду. Свечение обусловлено рекомбинацией электронов с положительными ионами, а также квантовыми переходами возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни.

5. – фарадеево темное пространство. Область тлеющего разряда, в которую не долетают быстрые электроны электронных лавин.

Перечисленные пять областей называются катодными частями разряда. В них происходят все процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда.

6. – положительное свечение (положительный столб разряда). Обычно простирается до самого анода. При некоторых условиях между положительным столбом и анодом может находиться темное анодное пространство, а на самой поверхности анода – анодное свечение. Положительный столб иногда разделяется на отдельные чередующиеся светлые и темные полосы – страты. Тогда разряд называется сложным. Наличие положительного столба несущественно для поддержания разряда. В очень коротких трубках положительный столб отсутствует. Для положительного столба характерна высокая степень ионизации и связанная с ней высокая проводимость. Свечение в положительном столбе происходит в основном за счет рекомбинации электронов и положительных ионов.

Искровой разряд. Искровой разряд характеризуется прерывистой формой даже при использовании источников постоянного тока. Он возникает в газе при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. По внешнему виду искровой разряд представляет собой поток ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 11.4). Эти полоски называются искровыми каналами. Потенциал зажигания искрового разряда очень высок. Например, для сухого воздуха при давлении 1 атм и расстоянии между электродами 10 мм пробивное напряжение порядка 30 кВ. После того, как разрядный промежуток "пробит" искровым каналом, сопротивление этого промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. В результате прохождения импульса тока (до нескольких сотен килоампер) через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1-1,0 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе – образование цилиндрической ударной волны. Возникновением ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии.

В настоящее время общепринятой считается стримерная теория искрового разряда. Электронная лавина, зарождаясь вблизи катода, ионизирует и возбуждает атомы и молекулы газа. Световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скоростью света, сами производят ионизацию газа и дают начало новым электронным лавинам. Во всем объеме разрядного промежутка появляются скопления ионизированного газа – стримеры. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют проводящий мостик из стримеров. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования значительно меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояния от катода к аноду.

Дуговой разряд. Искровой разряд от мощного источника при уменьшении расстояния между электродами переходит из прерывистого режима в непрерывный – возникает новая форма разряда, называемая дуговым разрядом. При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Электрическая дуга, горящая при атмосферном давлении, чаще получается между специальными угольными электродами. Во время горения расстояние между электродами дуги порядка 5 мм при токе 10-20 А и напряжении между ними 40-50 В. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление, называемое кратером. Кратер наиболее горячее место дуги. Его температура при атмосферном давлении достигает 4000⁰С, а при давлении в 90 атм превышает 7000⁰С (выше температуры границы фотосферы Солнца). В электрических дугах с металлическими электродами температура меньше (2000-2500⁰С) из-за высокой теплопроводности электродов и быстрого испарения металлов, требующего большого количества тепла. Дуговой разряд поддерживается главным образом за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. С возрастанием разрядного тока сопротивление дуги R сильно уменьшается из-за увеличения термоэлектронной эмиссии с катода и ионизации газа в разрядном промежутке. При этом сопротивление R убывает сильнее, чем возрастает ток I. Вследствие этого, с увеличением тока I напряжение на разрядном промежутке U = R I не возрастает, а убывает. Такая вольтамперная характеристика называется падающей. Поэтому для поддержания устойчивого горения дуги включают последовательно балластное сопротивление. При случайном уменьшении тока напряжение на балластном сопротивлении падает, а на газоразрядном промежутке увеличивается, чем и обеспечивается стабильное горение дуги.

Коронный разряд. Вокруг электрода, обладающего большой кривизной (тонкая проволочка, острие), при напряженности электрического поля порядка 3*10⁴ В/м возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название разряда. Если корона возникает вокруг отрицательного электрода, то она называется отрицательной. В противоположном случае корона называется положительной. Механизм возникновения разряда в этих двух случаях разный. В случае отрицательной короны положительные ионы, образуемые электронными лавинами, ускоряются в сильно неоднородном электрическом поле вблизи катода. Попадая на катод, они выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Выбитые электроны, отталкиваясь от катода, порождают новые электронные лавины. Так как электрическое поле убывает быстро при удалении от острого катода, то на некотором расстоянии электронные лавины обрываются, электроны попадают в "темную" область и там прилипают к нейтральным молекулам газа. Образовавшиеся отрицательные ионы и являются основными носителями тока в "темной" области. В "темной" области разряд носит несамостоятельный характер. В положительной короне электронные лавины порождаются электронами, возникающими вблизи анода при объемной ионизации газа фотонами, излучаемыми коронирующим слоем. Они зарождаются на внешней границе коронирующего слоя и распространяются к положительному электроду. Положительные ионы, двигаясь через "темную" область к катоду, образуют пространственный заряд, ограничивающий силу разрядного тока.

Корона иногда возникает в естественных условиях под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, мачт и т.п. Это явление в старину получило название огней святого Эльма. Коронные разряды являются источниками значительных радиопомех.