ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ РАЗРЯ́ДЫ В ГА́ЗАХ

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ РАЗРЯ́ДЫ В ГА́ЗАХ (га­зо­вые раз­ря­ды), про­хо­ж­де­ние элек­трич. то­ка че­рез га­зы, со­про­во­ж­даю­щее­ся воз­ник­но­ве­ни­ем и под­дер­жа­ни­ем ио­ни­зо­ван­но­го со­стоя­ния га­за под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля. Тер­мин «раз­ряд» воз­ник от обо­зна­че­ния про­цес­са раз­ряд­ки кон­ден­са­то­ра че­рез цепь, со­дер­жа­щую га­зо­вый про­ме­жу­ток, что про­ис­хо­дит, ко­гда на­пря­же­ние пре­вы­ша­ет по­рог про­боя про­ме­жут­ка. Ны­не тер­мин упот­реб­ля­ют в бо­лее ши­ро­ком смыс­ле.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го ви­дов Э. р. в г. в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра при­ло­жен­но­го по­ля (по­сто­ян­ное, пе­ре­мен­ное, им­пульс­ное, ВЧ, СВЧ элек­трич. по­ле), от дав­ле­ния га­за, фор­мы и рас­по­ло­же­ния элек­тро­дов и т. п.

Разряды в постоянном поле

Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AB – несамостоятельный разряд; BC – тёмный (таунсендовский) разряд; DE – нормальный тлеющий разряд; EF – аномальный тлеющий разр...

За­ко­ны про­хо­ж­де­ния элек­трич. то­ка че­рез га­зы зна­чи­тель­но слож­нее, чем че­рез ме­тал­лы и элек­тро­ли­ты; лишь в ред­ких слу­ча­ях они под­чи­ня­ют­ся за­ко­ну Ома. Их элек­трич. свой­ст­ва опи­сы­ва­ют вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­кой. Ес­ли в стек­лян­ную труб­ку, на­пол­нен­ную к.-л. га­зом, вве­сти два элек­тро­да, под­клю­чён­ные к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния, то да­же при не­боль­шом на­пря­же­нии (V<100 В) сверх­чув­ст­ви­тель­ный при­бор за­ре­ги­ст­ри­ру­ет про­те­ка­ние очень сла­бо­го то­ка, по­ряд­ка 10^–15 А. Ток соз­да­ёт­ся «вы­тя­ги­ва­ни­ем» по­лем на элек­тро­ды за­ря­дов, об­ра­зую­щих­ся под дей­ст­ви­ем кос­мич. лу­чей и ес­теств. ра­дио­ак­тив­но­сти. Ес­ли об­лу­чать газ рент­ге­нов­ским или ра­дио­ак­тив­ным ис­точ­ни­ком, ток по­вы­сит­ся до 10^–6 А. При по­вы­ше­нии на­пря­же­ния ток сна­ча­ла воз­рас­та­ет, за­тем дос­ти­га­ет на­сы­ще­ния (че­му со­от­вет­ст­ву­ет пол­ное вы­тя­ги­ва­ние всех за­ря­дов, об­ра­зуе­мых внеш­ним ис­точ­ни­ком) – уча­сток AB на рис. Та­кие раз­ря­ды и ток, ко­то­рые су­ще­ст­ву­ют толь­ко при дей­ст­вии по­сто­рон­не­го ио­ни­зую­ще­го аген­та или, напр., бла­го­да­ря элек­трон­ной эмис­сии, вы­зван­ной на­ка­ли­ва­ни­ем ка­то­да, на­зы­ва­ют­ся не­са­мо­стоя­тель­ны­ми.

При не­ко­то­ром на­пря­же­нии, за­ви­ся­щем от ро­да га­за, дав­ле­ния р и рас­стоя­ния ме­ж­ду элек­тро­да­ми d, про­ис­хо­дит про­бой га­за и за­жи­га­ет­ся са­мо­стоя­тель­ный раз­ряд, ко­то­рый не ну­ж­да­ет­ся в по­сто­рон­нем ис­точ­ни­ке ио­ни­за­ции. Про­бой га­за на­чи­на­ет­ся от слу­чай­ных или ис­кус­ст­вен­но впры­ски­вае­мых на­чаль­ных элек­тро­нов, ко­то­рые на­би­ра­ют в элек­трич. по­ле энер­гию, а за­тем те­ря­ют её на воз­бу­ж­де­ние и ио­ни­за­цию ато­мов. В ре­зуль­та­те ио­ни­за­ции вме­сто од­но­го энер­гич­но­го элек­тро­на по­яв­ля­ют­ся два мед­лен­ных, они сно­ва на­би­ра­ют энер­гию и т. д. – раз­ви­ва­ет­ся ла­ви­на элек­трон­ная. За 10^–7–10^–3 с ток воз­рас­та­ет на неск. по­ряд­ков.

Даль­ней­ший ход про­цес­са за­ви­сит от ря­да ус­ло­вий. При не­боль­ших дав­ле­ниях (10^–1–10 мм рт.ст.) и очень боль­шом элек­трич. со­про­тив­ле­нии внеш­ней це­пи, ог­ра­ни­чи­ваю­щем ток ве­ли­чи­ной 10^–6 А, за­жи­га­ет­ся тём­ный (та­ун­сен­дов­ский) раз­ряд (уча­сток BC на рис.); при не­сколь­ко мень­ших со­про­тив­ле­ни­ях – тлею­щий раз­ряд (уча­сток DEF). Для по­след­не­го ха­рак­тер­ны ток 10^–6–10^–1 А (в труб­ках ра­диу­са ок. 1 см) и на­пря­же­ние 10²–10³ В. При боль­шом ме­жэ­лек­трод­ном рас­стоя­нии об­ра­зу­ет­ся од­но­род­ный све­тя­щий­ся столб (по­ло­жи­тель­ный столб раз­ря­да), пред­став­ляю­щий со­бой плаз­му. Плаз­ма тлею­ще­го раз­ря­да не­рав­но­вес­ная, элек­трон­ная темп-pa Т_е≈(1–3)·10⁴ К зна­чи­тель­но боль­ше га­зо­вой темп-ры Т≈300–1000 К; сте­пень ио­ни­за­ции плаз­мы тлею­ще­го раз­ря­да низ­кая (10^–8–10^–6), в 10²–10⁴ раз мень­ше тер­мо­ди­на­ми­че­ски рав­но­вес­ной, от­ве­чаю­щей Т_е.

Ес­ли дав­ле­ние по­ряд­ка ат­мо­сфер­но­го, со­про­тив­ле­ние малó, а ис­точ­ник то­ка мощ­ный, то вско­ре по­сле про­боя за­жи­га­ет­ся ду­го­вой раз­ряд (ду­га), для ко­то­ро­го ха­рак­тер­ны силь­ный ток, низ­кое на­пря­же­ние (10–100 В) (уча­сток GH на рис.), яр­ко све­тя­щий­ся столб. В ду­ге вы­де­ля­ет­ся боль­шая мощ­ность, по­это­му дли­тель­но под­дер­жи­вать ду­гу в замк­ну­том со­су­де мож­но толь­ко при спец. ох­ла­ж­де­нии. Ду­гу час­то за­жи­га­ют в от­кры­том воз­ду­хе. В ду­го­вом раз­ря­де плаз­ма ча­ще все­го рав­но­вес­ная, с Т_е≈10⁴ К и со­от­вет­ст­вую­щей та­ким темп-рам сте­пе­нью ио­ни­за­ции. Ка­кой раз­ряд об­ра­зу­ет­ся пос­ле про­боя, за­ви­сит от дав­ле­ния, на­пря­же­ния и со­про­тив­ле­ния.

Сре­ди ста­цио­нар­ных са­мо­сто­ят. раз­ря­дов в по­сто­ян­ном по­ле наи­бо­лее важ­ные и рас­про­стра­нён­ные – тлею­щий и ду­го­вой. Они раз­ли­ча­ют­ся ме­ха­низ­ма­ми ка­тод­ной эмис­сии, обес­пе­чи­ваю­щей воз­мож­ность про­те­ка­ния по­сто­ян­но­го то­ка, по­сколь­ку осн. но­си­те­ля­ми то­ка яв­ля­ют­ся элек­тро­ны. В тлею­щем раз­ря­де ка­тод хо­лод­ный. Элек­тро­ны вы­ры­ва­ют­ся из не­го по­ло­жит. ио­на­ми (и фо­то­нами). В ду­го­вом раз­ря­де ка­тод ра­зо­гре­ва­ет­ся силь­ным то­ком и про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия. В рез­ко не­од­но­род­ных по­лях, уси­лен­ных око­ло ост­рий, про­во­дов ли­ний элек­тро­пе­ре­да­чи, воз­ни­ка­ет ко­рон­ный раз­ряд (ко­ро­на) – са­мо­стоя­тель­ный и сла­бо­точ­ный. Сре­ди бы­ст­ро­теч­ных силь­но­точ­ных раз­ря­дов осо­бен­но ва­жен ис­кро­вой раз­ряд. Он воз­ни­ка­ет обыч­но при дав­ле­нии ок. 1 атм, d>1–5 см и дос­та­точ­но вы­соком на­пря­же­нии, пре­вы­шаю­щем на­пря­же­ние за­жи­га­ния ко­ро­ны, ес­ли по­ле силь­но не­од­но­род­ное. Ис­кро­вой про­бой га­за про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те воз­ник­но­ве­ния и бы­ст­ро­го раз­ви­тия тон­ких плаз­мен­ных ка­на­лов от од­но­го элек­тро­да к дру­го­му (стри­ме­ров и ли­де­ров); за­тем по­лу­ча­ет­ся как бы ко­рот­кое за­мы­ка­ние це­пи вы­со­ко­про­во­дя­щим ис­кро­вым ка­на­лом. Од­на из форм ис­кро­во­го раз­ря­да – мол­ния. В ко­рон­ном и ис­кро­вом раз­ря­дах ка­тод­ная эмис­сия осо­бой ро­ли не иг­ра­ет.

Разряды в переменных полях

В боль­шин­ст­ве раз­ря­дов в быс­тро­пе­ре­мен­ных по­лях роль элек­трод­ных про­цес­сов не­су­ще­ст­вен­на, по­то­му эти раз­ря­ды мож­но клас­си­фи­ци­ро­вать по со­стоя­нию плаз­мы раз­ря­да и по час­то­те элек­трич. по­ля. По ха­рак­те­ру ио­ни­за­ци­он­но­го со­стоя­ния га­за в раз­ря­де мож­но раз­ли­чить про­бой, под­дер­жа­ние элек­трич. по­лем не­рав­но­вес­ной плаз­мы, под­дер­жа­ние рав­но­вес­ной плаз­мы. По час­то­те элек­трич. по­ля, вы­зы­ваю­ще­го га­зо­вые раз­ря­ды, вы­де­ля­ют: низ­ко­час­тот­ные и не слиш­ком крат­ко­вре­мен­ные им­пульс­ные раз­ря­ды; вы­со­ко­час­тот­ные раз­ря­ды с час­то­та­ми по­ля 10⁵–10⁸ Гц; сверх­вы­со­ко­час­тот­ные раз­ря­ды с час­то­та­ми по­ля 10⁹–10¹¹ Гц; оп­ти­че­ские раз­ря­ды от да­лё­ко­го ИК- до УФ-диа­па­зо­на.

Применения

Га­зо­вые раз­ря­ды при­ме­ня­ют в разл. га­зо­раз­ряд­ных при­бо­рах (в т. ч. в раз­ряд­ных ис­точ­ни­ках све­та, элек­трон­ных дио­дах с га­зо­вым на­пол­не­ни­ем, ти­ра­тро­нах, ртут­ных вы­пря­ми­те­лях, озо­на­то­рах), в ка­че­ст­ве ста­би­ли­за­то­ров на­пря­же­ния в счёт­чи­ках Гей­ге­ра, в ан­тен­ных пе­ре­клю­ча­те­лях, маг­ни­то­гид­ро­ди­на­мич. ге­не­ра­то­рах. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся элек­тро­ду­го­вая свар­ка, элек­тро­ду­го­вые пе­чи для плав­ки ме­тал­лов, ду­го­вые ком­му­та­то­ры. По­лу­чи­ли боль­шое рас­про­стра­не­ние ге­не­ра­то­ры плот­ной рав­но­вес­ной низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы с T≈10⁴·К, p≈1 атм – плаз­мо­тро­ны (ду­го­вые, ин­дук­ци­он­ные, СВЧ). В них про­ду­ва­ни­ем хо­лод­но­го га­за че­рез со­от­вет­ст­вую­щий раз­ряд по­лу­ча­ют плаз­мен­ную струю. Тлею­щий и ём­ко­ст­ный вы­со­ко­час­тот­ный раз­ря­ды ис­поль­зу­ют для соз­да­ния ак­тив­ной сре­ды в ла­зе­рах разл. мощ­но­сти – от мВт до мно­гих кВт, в плаз­мо­хи­мии. Эти и др. мно­го­числ. при­ло­же­ния, а так­же ис­поль­зо­ва­ние ре­зуль­та­тов ис­сле­до­ва­ний Э. р.в г. в тех­ни­ке вы­со­ких на­пря­же­ний по­ста­ви­ло фи­зи­ку га­зо­во­го раз­ря­да в ряд на­ук, ко­то­рые слу­жат фун­да­мен­том совр. тех­ни­ки.