ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ
Молния, когда за малые доли секунды протекают громадные токи, а на их пути возникают высокое давление и ударные волны; яркий свет электросварочного аппарата; привычный нам свет неоновых реклам; шипение и потрескивание вблизи опор высоковольтных линий — все это явления, сопровождающие различные типы газового разряда.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Напряжение на ее электродах порядка 1000 В, а давление неона 5—7 мм рт. ст. Электрический ток разряда переносит электроны и положительные ионы, рождающиеся при столкновении быстрых электронов с нейтральными атомами. Электроны ускоряются в области катода (рис. 1). Чтобы ионизировать нейтральный атом, электрон должен обладать необходимой для этого энергией. Если путь электрона между двумя последовательными столкновениями с молекулами газа достаточно велик, то энергия электрона оказывается достаточной для ионизации газа. Это условие выполняется при малом давлении. Положительные ионы движутся к катоду и, в свою очередь, выбивают из него электроны. Таким образом, тлеющий разряд оказывается самостоятельным — ток через газ протекает без внешних ионизаторов.
Между электродами сварочного аппарата протекает другой тип разряда — дуговой. Его ослепительное свечение вспыхивает между электродами, если их удалять друг от друга, когда они подключены к мощному источнику тока. Нагретый светящийся газ «провисает» между горизонтальными электродами. По этой причине русский ученый В. В. Петров, впервые изучивший это явление еще в 1802 г., назвал его электрической дугой.
Сила тока в дуге достигает десятков тысяч ампер, а напряжение между электродами равно нескольким десяткам вольт. Высокая проводимость между электродами дуги поддерживается потоком электронов, испускаемых нагретым катодом, и термической ионизацией газа — при высокой температуре атомы, сталкиваясь друг с другом, теряют электроны и становятся носителями электрического тока. Дуговой разряд используется не только в электросварке. Он горит в ртутных лампах высокого давления — самых ярких источниках света, после лазеров и импульсных ламп.
В молнии, во вспышке импульсной лампы и многих других процессах, когда через газовый промежуток протекает за короткое время ограниченное количество электричества, происходит искровой разряд. В этом процессе напряженность электрического поля достигает пробивного значения Епр для данного газа. Значение Епр для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20° С около 30 кВ/ см. Искровой пробой развивается поэтапно. Вначале в объеме газа образуется стример — сильно ионизированный проводящий канал, возникающий из отдельных электронных лавин (рис. 2). Свободный электрон, появившийся в газе, например, в результате фотоионизации, если напряженность электрического поля Е достаточно высока, успевает ускориться до энергии, достаточной для ионизации атомов на пути, меньшем его длины свободного пробега — среднего расстояния между последовательными соударениями электрона с атомами газа. В этом случае рождается лавина электронов и ионизированных атомов. Отдельные лавины перекрывают друг друга, и образуется стример. У молнии размеры стримера достигают 10 км по длине и 40 см по диаметру. При атмосферном давлении воздуха между шаровыми электродами искровой разряд происходит при определенной напряженности электрического поля (рис. 3). На этом принципе основан высоковольтный искровой вольтметр, который используют при измерении напряжений в несколько миллионов вольт.
Для коронного разряда характерны возбуждение и ионизация газовых молекул вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Здесь напряженность электрического поля достигает величины Епр, и газ светится, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи. Потери ограничивают до допустимого предела, избегая острых углов, малых радиусов у тонконесущих элементов.
Для процессов термоядерного синтеза, получения интенсивных токов многозарядных ионов, большую роль играет газовый разряд в магнитном поле (рис.4). В общем можно сказать, что газовым разрядом называют прохождение электрического тока через газы. Здесь рассказывалось о видах самостоятельного газового разряда, когда носители электрического тока рождаются под действием электрического поля. Если же ток в газе переносят носители, образовавшиеся благодаря внешнему воздействию, например электромагнитному ионизирующему излучению или прохождению через газ продуктов распада атомных ядер, то газовый разряд называют несамостоятельным. В этом случае при устранении внешнего ионизатора ток через газ прекращается. В ионизационных камерах и газовых счетчиках быстрых заряженных частиц протекает именно этот вид газового разряда.
