ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д

ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д, са­мо­стоя­тель­ный ква­зи­ста­цио­нар­ный элек­трич. раз­ряд в га­зе, го­ря­щий прак­ти­че­ски при лю­бых дав­ле­ни­ях га­за, пре­вы­шаю­щих 0,01–1 Па (10^–4–10^–2 мм рт. ст.), при по­сто­ян­ной или ме­няю­щей­ся с низ­кой час­то­той (до 10³ Гц) раз­но­сти по­тен­циа­лов ме­ж­ду элек­тро­да­ми. Для Д. р. ха­рак­тер­ны вы­со­кая плот­ность то­ка на ка­то­де (10²–10⁸ А/см²) и низ­кое ка­тод­ное па­де­ние по­тен­циа­ла, не пре­вы­шаю­щее эф­фек­тив­ный по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции сре­ды в раз­ряд­ном про­ме­жут­ке. Впер­вые Д. р. ме­ж­ду дву­мя уголь­ны­ми элек­тро­да­ми в воз­ду­хе на­блю­да­ли в 1802 В. В. Пет­ров и не­за­ви­си­мо от не­го в 1808 Г. Дэ­ви. Све­тя­щий­ся то­ко­вый ка­нал это­го раз­ря­да при го­ри­зон­таль­ном рас­по­ло­же­нии элек­тро­дов под дей­ст­ви­ем кон­век­тив­ных по­то­ков изо­гнут ду­го­об­раз­но, от­сю­да и на­зва­ния – Д. р., элек­трич. ду­га.

Для боль­шин­ст­ва Д. р. при боль­шой плот­но­сти то­ка на ка­то­де воз­ни­ка­ет ма­лое очень яр­кое пят­но, пе­ре­ме­щаю­щее­ся по всей по­верх­но­сти ка­то­да. Темп-ра в пят­не мо­жет дос­ти­гать темп-ры ки­пе­ния (или воз­гон­ки) ма­те­риа­ла ка­то­да. Зна­чит. роль в ме­ха­низ­ме под­дер­жа­ния то­ка Д. р. иг­ра­ет тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия. Над ка­тод­ным пят­ном об­ра­зу­ет­ся слой по­ло­жи­тель­но­го объ­ём­но­го за­ря­да, обес­пе­чи­ваю­ще­го ус­ко­ре­ние эми­ти­руе­мых элек­тро­нов до энер­гий, дос­та­точ­ных для удар­ной ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул га­за. По­сколь­ку этот слой очень тон­кий (мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на), он соз­да­ёт вы­со­кую на­пря­жён­ность по­ля у по­верх­но­сти ка­то­да, осо­бен­но у мик­ро­не­од­но­род­но­стей, по­это­му су­ще­ст­вен­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся и ав­то­элек­трон­ная эмис­сия, и тер­мо­ав­то­элек­трон­ная эмис­сия. Вы­со­кая плот­ность то­ка и «пе­ре­ско­ки» пят­на с точ­ки на точ­ку соз­да­ют ус­ло­вия для взрыв­ной элек­трон­ной эмис­сии.

От зо­ны ка­тод­но­го па­де­ния по­тен­циа­ла до ано­да рас­по­ло­жен т. н. по­ло­жи­тель­ный столб. На ано­де обыч­но фор­ми­ру­ет­ся яр­кое анод­ное пят­но, в ко­то­ром темп-ра по­верх­но­сти поч­ти та­кая же, как и в ка­тод­ном. В не­ко­то­рых ви­дах Д. р. при то­ках в де­сят­ки ам­пер на ка­то­де и ано­де воз­ни­ка­ют фа­ке­лы в ви­де плаз­мен­ных струй, вы­ле­таю­щих с боль­шой ско­ро­стью пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти элек­тро­дов. При то­ках 100–300 А воз­ни­ка­ют до­ба­воч­ные фа­ке­лы, об­ра­зуя пу­чок плаз­мен­ных струй. На­гре­тый до вы­со­кой темп-ры и ио­ни­зо­ван­ный газ в стол­бе пред­став­ля­ет со­бой плаз­му. Элек­тро­про­вод­ность плаз­мы мо­жет быть очень вы­со­кой, но обыч­но она на неск. по­ряд­ков ни­же элек­тро­про­вод­но­сти ме­тал­лов.

При кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных час­тиц бо­лее 10¹⁸ см^–3 со­стоя­ние плаз­мы ино­гда мож­но счи­тать близ­ким к рав­но­вес­но­му. При мень­ших плот­но­стях, вплоть до 10¹⁵ см^–3, мо­жет воз­ник­нуть со­стоя­ние ло­каль­но­го тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия (ЛТР), ко­гда в ка­ж­дой точ­ке плаз­мы все ста­ти­стич. рас­пре­де­ле­ния близ­ки к рав­но­вес­ным при од­ном зна­че­нии темп-ры, ко­то­рая раз­лич­на в раз­ных точ­ках. Ис­клю­че­ние в этом слу­чае со­став­ля­ет лишь из­лу­че­ние плаз­мы: оно да­ле­ко от рав­но­вес­но­го и оп­ре­де­ля­ет­ся со­ста­вом плаз­мы и ско­ро­стя­ми ра­ди­ац. про­цес­сов. При ог­ра­ни­чен­ных раз­ме­рах стол­ба Д. р. да­же в плот­ной плаз­ме на оси стол­ба со­стоя­ние ЛТР на­ру­ша­ет­ся за счёт ра­ди­ац. по­терь. Это вы­ра­жа­ет­ся в силь­ном от­кло­не­нии со­ста­ва плаз­мы и на­се­лён­но­стей воз­бу­ж­дён­ных уров­ней от их рав­но­вес­ных зна­че­ний. Ки­не­ти­ка плаз­мы в стол­бе Д. р. при вы­со­ких плот­но­стях оп­ре­де­ля­ет­ся в осн. про­цес­са­ми со­уда­ре­ний, а по ме­ре сни­же­ния плот­но­сти (уда­ле­ния от оси) всё боль­шую роль иг­ра­ют ра­ди­ац. про­цес­сы.

Диа­метр стол­ба Д. р. оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми ба­лан­са воз­ни­каю­щей и те­ряе­мой энер­гии. С рос­том то­ка или дав­ле­ния ме­ня­ют­ся ме­ха­низ­мы по­терь, обу­слов­лен­ные те­п­ло­про­вод­но­стью га­за, ам­би­по­ляр­ной диф­фу­зи­ей, ра­ди­ац. про­цес­са­ми и др. При та­ких сме­нах мо­жет про­ис­хо­дить са­мо­сжа­тие (кон­трак­ция) стол­ба (см. Кон­тра­ги­ро­ван­ный раз­ряд).

В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий го­ре­ния Д. р. его па­ра­мет­ры ме­ня­ют­ся в ши­ро­ких пре­де­лах. Клас­сич. при­мер Д. р. – раз­ряд по­сто­ян­но­го то­ка, сво­бод­но го­ря­щий в воз­ду­хе ме­ж­ду уголь­ны­ми элек­тро­да­ми. Его ти­пич­ные па­ра­мет­ры: ток от 1 А до со­тен ам­пер, рас­стоя­ние ме­ж­ду элек­тро­да­ми от мил­ли­мет­ров до не­сколь­ких сан­ти­мет­ров, темп-ра плаз­мы ок. 7000 К, темп-ра анод­но­го пят­на ок. 3900 К.

Д. р. при­ме­ня­ет­ся как ла­бо­ра­тор­ный ис­точ­ник све­та и в тех­ни­ке (ду­го­вые уголь­ные лам­пы). Д. р. с уголь­ным ано­дом, про­свер­лён­ным и за­пол­нен­ным ис­сле­дуе­мы­ми ве­ще­ст­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся в спек­траль­ном ана­ли­зе руд, ми­не­ра­лов, со­лей и т. п. Д. р. при­ме­ня­ет­ся в плаз­мо­тро­нах, ду­го­вых пе­чах для вы­плав­ки ме­тал­лов, при элек­тро­свар­ке, в разл. элек­трон­ных и ос­ве­тит. при­бо­рах. Т. н. ва­ку­ум­ная ду­га, ко­то­рая за­жи­га­ет­ся в ва­куу­ме и го­рит в парáх ме­тал­ла, ис­па­рив­ше­го­ся с ка­то­да, ис­поль­зу­ет­ся в ва­ку­ум­ных вы­со­ко­вольт­ных вы­клю­ча­те­лях.