Електр і чний разр я д у р а зах, проходження електричного струму через газове середовище під дією електричного поля, що супроводжується зміною стану газу. Різноманіття умов, що визначають початковий стан газу (склад, тиск і т. Д.), Зовнішніх впливів на газ, форм, матеріалу і розташування електродів, геометрії виникає в газі електричного поля і т. П. Призводить до того, що існує безліч видів Е . р. в м, причому його закони складніше, ніж закони проходження електричного струму в металах і електролітах. Е. р. в м підкоряються Ома закону лише при дуже малій прикладеної ззовні різниці потенціалів, тому їх електричні властивості описують за допомогою вольтамперної характеристики (Рис. 1 і 3).
Гази стають електропровідними при їх іонізації . Якщо Е. р. в м відбувається тільки при яскравому і підтримує іонізацію зовнішньому впливі (при дії т. н. зовнішніх іонізаторів), його називають несамостійним газовим розрядом. Е. р. в м, що триває 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 (напруги) сила струму тихого розряду спершу збільшується пропорційно напрузі (ділянка кривої OA на рис. 1), потім зростання струму з ростом напруги сповільнюється (ділянка кривої AB), і коли все заряджені частинки, що виникли під дією іонізатора в одиницю часу, йдуть за той же час на катод і на анод, посилення струму з ростом напруги не відбувається (ділянка ВС). При подальшому зростанні напруги струм знову зростає і тихий розряд переходить в несамостійний лавинний розряд (ділянка СЕ на рис. 1). В цьому випадку сила струму визначається як інтенсивністю впливу 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 ионизаторами 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 м в самостійний характеризується різким посиленням електричного струму (точка Е на кривій рис. 1) і називається електричним пробоєм газу. Відповідне напруга U 3 називається напругою запалювання (див. запалювання потенціал ). У разі однорідного поля воно залежить від сорту газу і від твору тиску газу р на відстань між електродами d (див. Рис. 2 і ст. Пашена закон ). Розряд після лавинного пробою приймає форму тліючого розряду, якщо тиск газу низько (кілька мм рт. Ст.). При більш високому тиску (наприклад, при атмосферному) лавинне посилення Е. р. в м призводить до виникнення електричного просторового заряду , Що змінює характер процесу пробою. Утворюється один або кілька вузьких провідних (заповнених плазмою ) Каналів, що виходять від одного з електродів. Такі канали називаються стримерами . Час освіти стримеров дуже мало (близько 10-7 сек).
Після короткого перехідного процесу самостійний газовий розряд стає стаціонарним. Зазвичай такий розряд здійснюють в закритому изолирующем посудині (скляному або керамічному). 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 рис. 3), є тліючий розряд . Головні чотири області розрядного простору, характерні для тліючого розряду, це: 1 - катодний темний простір; 2 - тліюче світіння; 3 - фарадєєво темний простір; 4 - позитивний стовп. Області 1 - 3 знаходяться поблизу катода і утворюють катодну частину розряду, в якій відбувається різке падіння потенціалу ( катодного 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 світіння обумовлене рекомбинацией іонів і електронів в нейтральні атоми або молекули. Для позитивного стовпа розряду унаслідок постійної і великої концентрації електронів характерні незначне падіння потенціалу в ньому, світіння, яке викликається поверненням збуджених молекул (атомів) газу в основний стан (стан з найнижчою можливою енергією), і велика електропровідність.
Стационарность в позитивному стовпі пояснюється взаємної компенсацією процесів освіти і втрат заряджених частинок. Утворення таких частинок відбувається при іонізації атомів і молекул в результаті зіткнень з ними електронів. До втрат заряджених частинок призводить амбіполярна дифузія до стінки судини, що обмежує розрядний об'єм, і наступна за цим рекомбінація. Дифузійні потоки, спрямовані не так до стінки, а вздовж розрядного струму, часто ведуть до утворення в позитивному стовпі своєрідних «шарів» (зазвичай рухаються).
При збільшенні розрядного струму звичайний тліючий розряд стає аномальним (рис. 3) і починається стягання (контракция) позитивного стовпа. Стовп відривається від стінок посудини, в ньому починає відбуватися додатковий процес втрати заряджених частинок (рекомбінація в обсязі). Передумовою цього є висока щільність заряджених частинок. 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, вольтамперная характеристика дугового розряду набуває падаючий характер (рис. 3). Слід зазначити, що хоча він може «горіти» в широкому діапазоні тисків газу та інших умов, в більшості випадків дугового розряд спостерігається при тиску порядку атмосферного.
У всіх випадках особливу важливість представляє ділянку переходу між стовпом розряду і електродами, причому ситуація у катода складніше, ніж у 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. Н. катодні плями. У них зазвичай відбувається термоелектронна емісія або більш складна емісія електронів з хмари випаровується матеріалу катода. Процес емісії з катода дугового розряду в даний час (1978) ще не до кінця зрозумілий і інтенсивно досліджується.
Всі розглянуті вище Е. р. в м відбуваються під дією постійного електричного напруги. Однак 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 високочастотний (ВЧ) Е. р. в м ВЧ-розряд може «горіти» навіть при відсутності електродів ( безелектродний розряд ). Змінне електричне поле створює в певному обсязі плазму і повідомляє електронам енергію, достатню для того, щоб вироблена ними іонізація заповнювала втрати заряджених частинок внаслідок 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 позитивного стовпа тліючого розряду.
Крім стаціонарних розрядів, основні характеристики яких не залежать від часу, існують нестаціонарні (імпульсні) Е. р. в м Вони виникають здебільшого в сильно неоднорідних або змінних в часі полях, наприклад у загострених і викривлених поверхонь провідників і електродів. Величина напруженості поля і ступінь його неоднорідності поблизу таких тел настільки великі, що відбувається ударна іонізація електронами молекул газу. Два важливих типу 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 тільки в безпосередній близькості від проводів і острієв. Коронний розряд являє собою постійно повторювані процес 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 м має вигляд переривчастих яскравих зигзагоподібних розгалужуються, заповнених іонізованним газом (плазмою), ниток-каналів, які пронизують проміжок між електродами і зникають, змінюючись новими. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості тепла і яскравим світінням. Він проходить наступні стадії: різке множення числа електронів в сильно неоднорідному полі поблизу провідника (електрода) в результаті послідовних актів іонізації, починаємо небагатьма, випадково виникли вільними електронами; освіту електронних лавин; перехід лавин в стримери під дією просторового заряду, коли щільність заряджених частинок 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 декількох км, а максимальна сила струму - кількох сотень тисяч ампер.
До теперішнього часу (1970-ті рр.) Всі види Е. р. в м досліджуються і застосовуються в багатьох областях науки і техніки. Тліючий, дугового і імпульсні розряди використовуються при порушенні газових лазерів . плазматрони , В яких основним робочим процесом служить дугового або ВЧ-розряд, є важливими пристроями в ряді областей техніки, зокрема при отриманні особливо чистих напівпровідників і металів. Потужні плазматрони використовуються в якості реакторів в плазмохімії . На застосуванні іскрового розряду засновані прецизійні методи електроіскровий обробки . При фокусуванні лазерного світлового випромінювання відбувається пробій повітря в фокусі і виникає безелектродний розряд (подібний ВЧ-розряду і іскрі), називається лазерною іскрою. Потужні, сільноточние розряди в водні служили першими кроками на шляху до керованого термоядерного синтезу .
В системі природничих наук вивчення Е. р. в м займає місце у фізиці плазми. При Е. р. в м утворюється низькотемпературна плазма, для якої характерна мала ступінь іонізації. На відміну від високотемпературної (повністю іонізованої) плазми, в низькотемпературній плазмі атоми або молекули нейтрального газу відіграють важливу роль. Електрони, іони і нейтральні частинки «м'яко» взаємодіють. Внаслідок цього може виникнути термодинамічно нерівноважна ситуація, при якій електрони, іони і нейтральний газ мають різні температури. Ця ситуація ще більше ускладнюється, якщо в балансі енергії Е. р. в м можна знехтувати світловим випромінюванням (наприклад, в потужнострумових дугових розрядах). У таких випадках низькотемпературну плазму необхідно описувати за допомогою кінетичної теорії плазми.
Літ .: Енгель А., Штенбек М., Фізика і техніка електричного розряду в газах, пер. з нім., т. 1-2, М. - Л., 1935-1936; Грановський В. Л., Електричний струм в газі. Сталий струм, М., 1971; Капцов Н. А., Електроніка, 2 вид., М., 1956; Мік Дж. М., Крегс Дж., Електричний пробій в газах, пер. з англ., М., 1960; Браун С., Елементарні процеси в плазмі газового розряду, [пер. з англ.], М., 1961; Фізика і техніка низькотемпературної плазми, під ред. С. В. Дресвіна, М., 1972; Райзер Ю. П., Лазерна іскра і поширення розрядів, М., 1974.
М. Штеенбек, Л. Ротхардт (НДР).
Мал. 3. Вольамперная характеристика розряду: аб - несамостійного лавинного; БВГ - тліючого; гд - дугового.
Мал. 1. Вольтамперная характеристика тихого розряду.
Мал. 2. Криві Пашена для різних газів. По осі абсцис відкладені твори p × d в мм рт. ст. × мм, по осі ординат - напруга пробою U3 в вольтах.