Газовий розряд
Газовий розряд — явище протікання електричного струму в газах. Газ складається із нейтральних атомів і молекул, тому для забезпечення електропровідності необхідне виникнення носіїв заряду — іонізація. Джерелом іонізації може бути зовнішнє опромінення високоенергетичними фотонами — ультрафіолетовими, рентгенівськими чи гамма-променями. Іонізація може виникнути також у сильному електричному полі, або ж за рахунок зіткнень із прискореними носіями заряду (ударна іонізація). Додатковим джерелом носіїв заряду може бути поверхнева іонізація, наприклад термоелектронна емісія з катоду.
При малих зовнішніх електричних полях провідність газів зумовлена зовнішніми джерелами іонізації. Розряд, який виникає в таких умовах, називають несамостійним розрядом.
Розряди, які виникають у сильних електричних полях за рахунок іонізації, що виникає при протіканні струму, називаються самостійними газовими розрядами.
Типи газових розрядів
Розрізняють такі типи самостійних газових розрядів:
Гази стають електропровідними при їх іонізації . Якщо Е. р. в р. відбувається лише при виклакаючій і підтримуючій іонізацію зовнішній дії (при дії т.з. зовнішніх іонізаторів), його називають несамостійним газовим розрядом. Е. р. в р., що продовжується і після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним.
Коли іонізація газу відбувається при безперервній дії зовнішнього іонізатора і малому значенні різниці потенціалів між анодом і катодом в газі, починається «тихий розряд». При підвищенні різниці потенціалів (напруга) сила струму тихого розряду спершу збільшується пропорційно напрузі (ділянка кривої OA на мал. 1 ), потім зростання струму із зростанням напруги сповільнюється (ділянка кривої AB ) , і коли всі заряджені частки, що виникли під дією іонізатора в одиницю часу, вирушають за той же час на катод і на анод, посилення струму із зростанням напруги не відбувається (ділянка ВС ) . При подальшому зростанні напруги струм знову зростає і тихий розряд переходить в несамостійний лавинний розряд (ділянка СЕ на мал. 1 ). В цьому випадку сила струму визначається як інтенсивністю дії іонізатора, так і газовим посиленням, яке залежить від тиску газу і напруженості електричного поля в просторі, займаному розрядом.
Тихий розряд спостерігається при тиску газу порядку атмосферного. Зовнішніми іонізаторами можуть бути: природне радіоактивне випромінювання, космічні промені, потоки фотонів (сильне світлове опромінення), пучки швидких електронів і т. д. Іонізатори двох останніх типів використовуються (переважно в імпульсному режимі) в газових лазерах.
Перехід несамостійного Е. р. в р. в самостійний характеризується різким посиленням електричного струму (точка Е на кривій мал. 1 ) і називається електричним пробоєм газу. Відповідна напруга U 3 називається напругою запалення (див. Запалення потенціал ) . В разі однорідного поля воно залежить від сорту газу і від твору тиску газу р на відстань між електродами d (див. мал. 2 і ст. Пашена закон ) . Розряд після лавинного пробою набуває форми тліючого розряду, якщо тиск газу низький (декілька мм рт. ст. ) . При вищому тиску (наприклад, при атмосферному) лавинне посилення Е. р. в р. приводить до виникнення електричного просторового заряду, що міняє характер процесу пробою. Утворюється один або декілька вузьких провідних (заповнених плазмою ) каналів, витікаючих від одного з електродів. Такі канали називаються стримерами . Час утворення стримерів дуже мало (біля 10-7 с.) .
Після короткого перехідного процесу самостійний газовий розряд стає стаціонарним. Зазвичай такий розряд здійснюють в закритій ізолювальній посудині (скляній або керамічній). Струм в газі тече між двома електродами: негативним катодом і позитивним анодом.
Одним з основних типів газового розряду, що формується, як правило, при низькому тиску і малому струмі (ділянка в на мал. 3 ), є тліючий розряд . Головні чотири області розрядного простору, характерні для тліючого розряду, це: 1 — катодний темний простір; 2 — тліюче свічення; 3 — фарадеєвий темний простір; 4 — позитивний стовп. Області 1 — 3 знаходяться поблизу катода і утворюють катодну частину розряду, в якій відбувається різке падіння потенціалу ( катодне падіння ) , пов'язане з великою концентрацією позитивних іонів на кордоні областей 1 — 2. В області 2 електрони, прискорені в області 1 , виробляють інтенсивну ударну іонізацію. Тліюче свічення обумовлене рекомбінацією іонів і електронів в нейтральні атоми або молекули. Для позитивного стовпа розряду унаслідок постійної і великої концентрації електронів характерні незначне падіння потенціалу в нім, свічення, що викликається поверненням збуджених молекул (атомів) газу в основний стан (стан з найнижчою можливою енергією), і велика електропровідність.
Стаціонарність в позитивному стовпі пояснюється взаємною компенсацією процесів утворення і втрат заряджених часток. Утворення таких часток відбувається при іонізації атомів і молекул в результаті зіткнень з ними електронів. До втрат заряджених часток приводить амбіполярна дифузія до стінки судини, що обмежує розрядний об'єм, і наступна за цим рекомбінація. Дифузійні потоки, направлені не до стінки, а уздовж розрядного струму, часто ведуть до утворення в позитивному стовпі своєрідних «шарів» (зазвичай рухомих).
При збільшенні розрядного струму звичайний тліючий розряд стає аномальним (мал. 3) і починається стягання (контракція) позитивного стовпа. Стовп відривається від стінок судини, в нім починає відбуватися додатковий процес втрати заряджених часток (рекомбінація в об'ємі). Передумовою цього є висока щільність заряджених часток. При подальшому підвищенні розрядного струму газ нагрівається настільки, що стає можливою його термічна іонізація. Зіткнення між атомами або молекулами в цьому випадку настільки сильні, що відбувається відщеплення електронів. Такий розряд називається дуговим розрядом . Із зростанням струму електропровідність стовпа підвищується, вольтамперна характеристика дугового розряду набуває спадного характеру ( мал. 3 ). Слід зазначити, що хоча він може «горіти» в широкому діапазоні тиску газу і інших умов, в більшості випадків дуговий розряд спостерігається при тиску порядку атмосферного.
У всіх випадках особливу важливість представляє ділянка переходу між стовпом розряду і електродами, причому ситуація в катода складніше, ніж в анода. При тліючому розряді безперервний зв'язок між катодом і позитивним стовпом забезпечується за рахунок сильного катодного падіння. У самостійному дуговому розряді в результаті сильного локального нагріву катода з'являються т.з. катодні плями. У них зазвичай відбувається термоелектронна емісія або складніша емісія електронів з хмари матеріалу катода, що випаровується. Процес емісії з катода дугового розряду в даний час (1978) ще не до кінця зрозумів і інтенсивно досліджується.
Всі розглянуті вище Е. р. в р. відбуваються під дією постійної електричної напруги. Проте газові розряди можуть протікати і під дією змінної електричної напруги. Такі розряди мають стаціонарний характер, якщо частота змінної напруги досить висока (або, навпаки, настільки низька, що напівперіод змінної напруги у багато разів більше часу встановлення розряду, так що кожен електрод просто поперемінно служить катодом і анодом). Типовим прикладом може служити високочастотному (ВЧ) Е. р. в р. ВЧ-розряд може «горіти» навіть за відсутності електродів ( безелектродний розряд ) . Змінне електричне поле створює в певному об'ємі плазму і повідомляє електрони енергію, достатню для того, щоб вироблювана ними іонізація заповнювала втрати заряджених часток унаслідок дифузії і рекомбінації. Зовнішній вигляд і характеристики ВЧ-розрядів залежать від роду газу, його тиску, частоти змінного поля і потужності, що підводиться. Елементарні процеси на поверхні твердого тіла (металу або ізолятора розрядної камери) грають певну роль лише в процесі «підпалу» розряду. Стаціонарний ВЧ-розряд подібний до позитивного стовпа тліючого розряду.
Окрім стаціонарних розрядів, основні характеристики яких не залежать від часу, існують нестаціонарні (імпульсні) Е. р. в р. Вони виникають здебільше в сильно неоднорідних або змінних в часі полях, наприклад в загострених і викривлених поверхонь провідників і електродів. Величина напруженості поля і міра його неоднорідності поблизу таких тіл настільки великі, що відбувається ударна іонізація електронами молекул газу. Два важливі типи нестаціонарного розряду — коронний розряд і іскровий розряд .
При коронному розряді іонізація не приводить до пробою, тому що сильна неоднорідність електричного поля, що обумовлює її, існує лише в безпосередній близькості від дротів і острієв. Коронним розрядом є процес, що багато разів повторюється, підпалу, який поширюється на обмежену відстань від провідника — до області, де напруженість поля вже недостатня для підтримки розряду. Іскровий розряд, на відміну від коронного, приводить до пробою. Цей Е. р. в р. має вигляд переривистих яскравих що зиґзаґоподібних розгалужуються, заповнених іонізованим газом (плазмою), ниток-каналів, які пронизують проміжок між електродами і зникають, змінявшись новими. Іскровий розряд супроводиться виділенням великої кількості тепла і яскравим свіченням. Він проходить наступні стадії: різке множення числа електронів в сильно неоднорідному полі поблизу провідника (електроду) в результаті послідовних актів іонізації, що починаються небагатьма, випадково виниклими вільними електронами; утворення електронної лавини; перехід лавини в стримери під дією просторового заряду, коли щільність заряджених часток в головній частині кожної лавини перевищить деяку критичну. Спільна дія просторового заряду, іонізующих електронів і фотонів в «голівці» стримера приводить до збільшення швидкості розвитку розряду. Прикладом природного іскрового розряду є блискавка, довжина якої може досягати декілька км, а максимальна сила струму — декількох сотень тисяч ампер.
До теперішнього часу (1970-ті рр.) всі види Е. р. в р. досліджуються і застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Тліючий, дуговий і імпульсні розряди використовуються при збудженні газових лазерів. Плазмотрони, в яких основним робочим процесом служить дуговий або ВЧ(висока частота) -розряд, є важливими пристроями у ряді областей техніки, в частковості при здобутті особливо чистих напівпровідників і металів. Потужні плазмотрони використовуються як реактори в плазмохімії . На вживанні іскрового розряду засновані прецизійні методи електроіскрової обробки . При фокусуванні лазерного світлового випромінювання відбувається пробій повітря у фокусі і виникає безелектродний розряд (подібний ВЧ(висока частота) -розряду і іскрі), називається лазерною іскрою. Потужні, високострумові розряди у водні служили першими кроками на шляху до керованого термоядерному синтезу .
В системі природних наук вивчення Е. р. в р. займає місце у фізиці плазми. При Е. р. в р. утворюється низькотемпературна плазма, для якої характерна мала міра іонізації. На відміну від високотемпературної (повністю іонізованої) плазми, в низькотемпературній плазмі атоми або молекули нейтрального газу грають важливу роль. Електрони, іони і нейтральні частки «м'яко» взаємодіють. Внаслідок цього може виникнути термодинамічно нерівноважна ситуація, при якій електрони, іони і нейтральний газ мають різні температури. Ця ситуація ще більш ускладнюється, якщо в балансі енергії Е. р. в р. не можна нехтувати світловим випромінюванням (наприклад, в високострумових дугових розрядах). У таких випадках низькотемпературну плазму необхідно описувати за допомогою кінетичної теорії плазми.
Див. також
- Коефіцієнт іонізації
- Закон Пашена
- Фігури Ліхтенберга