§ 83. Тихий разряд. Корона.

Как уже было разъяснено выше (см. §§ 78, 81 и 82), стадия тихого разряда через газы возникает всякий раз, когда электриче­ская сила достигает такого значения, при котором начинается иони­зация газа за счет расщепления его нейтральных молекул доста­точно быстро движущимися ионами. Если мы имеем дело с одно­родным электрическим полем, что в некоторых специальных слу­чаях может быть осуществлено, то возникает тихий разряд во всем объеме газа. Но обычно в связи с большею или меньшею неодно­родностью электрического поля, обусловленного главным образом формою электродов, тихий разряд появляется сначала там, где раньше всего достигается так называемое критическое значение силы электрического поля. Численная величина этой электрической силы, обратной по знаку градиенту потенциала, обычно выражается в вольтах или киловольтах на сантиметр. Так, в случае воздуха при нормальном давлении и 20° С критический градиент потенциала может быть принят равным электрической прочности воздуха при этих условиях, т. е. 30 киловольтам на сантиметр (см. § 71, д).

Если давление не равно атмосферному, то критический гра­диент потенциала можно найти, пользуясь результатами опытов Пашена, из которых можно заключить, что отношение критиче­ского градиента потенциала к давлению газа есть величина при­близительно постоянная. Зависимость эта хотя и не вполне точна, но во всяком случае дает практически достаточно хорошие резуль­таты. Таким образом, повышая, например, давление воздуха до

274

10 атмосфер, мы повышаем вместе с тем критический градиент потенциала до порядка 300 киловольт на сантиметр и т. д. В связи с этим во многих электротехнических устройствах, в особенности высоковольтных, может быть с успехом применяем воздух или вообще какой-либо газ под высоким давлением в качестве весьма прочного диэлектрика или изолятора. По этой именно причине А. А. Чернышев применил высокие давления газа в камере, в ко­торой он располагал свой высоковольтный абсолютный электрометр (см. § 68). В последнее время проявляется тенденция к тому, чтобы заменить масло газом под высоким давлением в высоковольтных трансформаторах, выключателях и т. п. Следует иметь в виду, что указанное выше значение критического градиента потенциала для воздуха в нормальных условиях (30 киловольт на сантиметр) не соот­ветствует действительности при очень малых расстояниях между электродами. Это замечание имеет место и в отношении всех во­обще газов и для различных давлений газа.

Если один из электродов, между которыми ток идет через газо­образную среду, представляет собою острие, обращенное к дру­гому электроду, имеющему форму плоской пластины, то электри­ческая сила при некоторой разности потенциалов между ними будет во много раз больше у острия, чем у плоского электрода; и чем острие совершеннее, тем эта разница будет больше. В связи с этим явление тихого разряда может, как известно, возникнуть у конца острия и при сравнительно небольшой величине напря­жения между рассматриваемыми двумя электродами. Замечательно при этом, что в данном случае и во многих других аналогичных случаях режим тихого разряда, возникающий у электрода с боль­шой кривизной поверхности, обычно получается вполне устойчи­вым, если только полное напряжение, действующее в цепи, -не чрезмерно велико, хотя и сохраняет постоянную величину. Дело в том, что объем газа, непосредственно прилегающий к концу острия и сильно ионизированный благодаря начавшемуся в нем тихому разряду, как бы „затупляет" острие, добавляя к нему сильно проводящую область, внешняя пограничная поверхность которой имеет сравнительно с острием малую кривизну. Вне этой погра­ничной поверхности, если, повторяем, полное напряжение между электродами не чрезмерно велико, электрическая сила будет меньше критической, и явление тихого разряда дальше указанной границы не распространяется. Тихий разряд у концов острий и вообще у всех резко очерченных, острых углов на поверхности проводя­щего тела общеизвестен как в искусственной обстановке, которую мы можем создать на опыте, так и в естественных условиях, когда интенсивность атмосферных электрических явлений достаточно ве­лика. Во всех этих случаях тихий разряд сопровождается слабым свечением газа и своеобразным шумом. Вместе с тем обычно на­блюдается еще так называемый электрический ветер, обусловли­ваемый более или менее интенсивным движением частиц газа (воз­духа), заряженных тем же знаком, что и электрод-острие, и увлекаемых от острия действием электрического поля.

275

Явление тихого разряда нередко имеет место при так назы­ваемых перенапряжениях в современных высоковольтных устрой­ствах передачи электрической энергии. Особенно часто мы встре­чаемся с тихим разрядом у проводов линии передачи, когда ненор­мально повышенное напряжение между проводами сопровождается достижением критического значения электрической силы у их по­верхности. В темноте провода в этом случае кажутся окруженными некоторой светящейся цилиндрической оболочкой, которая, носит название короны. Все, что было сказано выше о тихом разряде у конца острия, полностью применимо и к короне. Так как образование этой короны вокруг проводов линии передачи, а также поддержание ее требуют известного расхода электрической энер­гии, то совершенно очевидно, что допускать ее в качестве нор­мального явления ни в коем случае не следует. В связи с этим правильный расчет проводов линии должен учитывать возможность появления короны, и всегда необходимо так подбирать диаметр провода, чтобы при нормальном напряжении между проводами элек­трическая сила у их поверхности была несколько менее критиче­ской. В то же время при ненормальных режимах, сопровождаемых перенапряжением, появление короны может оказаться весьма по­лезным фактором, поглощающим избыток энергии, связанный с пере­напряжением и стремящимся благодаря этому привести систему к нормальным условиям работы. Поэтому целесообразно при вы­боре диаметра проводов линии передачи не слишком далеко ухо­дить от того, что соответствует критическому напряжению. Явле­ние короны было тщательно изучено Пиком, который обследовал его и теоретически и экспериментально. Как показывает расчет, принимая во внимание вышеприведенное значение критического градиента потенциала для воздуха в нормальных условиях (30 кило­вольт на сантиметр), критическое напряжение между проводами трехфазной линии передачи мы можем с достаточною для прак­тики точностью выразить следующим образом в действующих киловольтах:

E_k=71rlnd/r,

где r есть радиус провода, a d—расстояние между осями прово­дов. Явление короны сильно искажает форму кривой зарядного тока, так как тихий разряд имеет место только в течение той части периода, во время которой мгновенное значение градиента потенциала у поверхности проводов превышает 30 киловольт на сантиметр.

Опыт показывает, что интенсивное расщепление нейтральных молекул, возникающее при ионизации газа во время тихого раз­ряда, сопровождается во многих случаях явлениями, имеющими химический характер. Когда, например, тихий разряд происходит в воздухе или в атмосфере кислорода, то наблюдается образова­ние озона О₃, т. е. переход двухатомных молекул кислорода в трех­атомные. При этом в зависимости от обстановки и степени интен-

276

сивности тихого разряда образование озона происходит с большей или меньшей скоростью. На практике весьма распространены озо­наторы, представляющие собою приборы, в которых используется именно тихий разряд для получения озона, необходимого для целого ряда приложений, как-то: стерилизация воды, некоторые химиче­ские производства, беление тканей и т. д. Существует много раз­личных конструкций озонаторов. Все они включают в себе той или иной формы камеру, в которой происходит тихий разряд и через которую при помощи специальных насосов прогоняется воздух или кислород. В большинстве конструкций этого рода с целью дости­жения устойчивости режима тихого разряда между разрядными элек­тродами, приключенными к цепи переменного тока, располагают пластины из диэлектрика (например, из стекла), достаточно проч­ного для того, чтобы при данном, применяемом в схеме, напряже­нии он не мог быть пробит. При озонировании воздуха, т. е. смеси кислорода с азотом, кроме озона, могут образовываться еще окислы азота, которые при наличии водяных паров дают азотистую и азотную кислоту. Это явление в некоторых случаях может быть очень опасно. Например, в пазах динамомашин высокого напряже­ния образующиеся нитраты способны разрушать изоляцию и самые провода. Во избежание этого в машинах высокого напряжения пазы с проводами заполняют сплошь изоляционной массой. Эти вред­ные явления также в корне устраняются в новейших конструкциях электрических генераторов, работающих в атмосфере водорода. В последнее время начинают применять тихий разряд, помимо производства озона, в качестве возбудителя при многих других газовых реакциях, между прочим, для получения легких углеводородов (бензинов) путем расщепления молекул тяжелых углеводородов, пары которых для этой цели пропускаются через специальные ка­меры, где происходит тихий разряд. Во всяком случае, техническое применение тихого разряда для возбуждения и надлежащего напра­вления некоторых газовых реакций имеет большое будущее.