15.12. Положительный столб дугового стационарного разряда.

Повышение плотности газ в разрядном промежутке, или увеличение напряжения между электродами приводит к переходу от режима тлеющего разряда к аномальному тлеющему разряду, а затем к дуговому разряду. Сущность положительного столба дугового разряда заключается в следующем – это объем термически равновесной плазмы, которая описывается уравнением неразрывности, уравнением движения плазмы и уравнением эволюции температуры

,

где - радиационный вынос энергии. Основные теории дугового разряда были получены Эленбассом и Геллером. Получены основные закономерности дуг в неорганических средах:

• Вольт – амперная характеристика – падающая. Для стабилизации разряда включается балластное сопротивление.

• При больших токах, собственное магнитное поле дуги сжимает плазму (пинч - эффект).

• Радиус канала увеличивается при увеличении разрядного тока. Плотность тока возрастает по логарифмическому закону. При этом напряженность электрического поля уменьшается.

• Температура резко изменяется на периферии плазмы.

Катодные пятна и вакуумная дуга. Катоды дуговых разрядов можно разбить на два класса: термокатоды (горячие катоды) и холодные катоды.

В термокатодах толщина прикатодного слоя небольшая. Структура слоя чувствительна к шероховатости поверхности катода и наличию пленок на нем. Высокий уровень энерговыделения приводит к плавлению и испарению катода. При этом происходят интенсивные термо-электро-химические реакции. В катоде возникают кристаллы, ориентированные вдоль текущего тока. Вблизи катода образуется многослойная структура. В зависимости от величины тока, возможны два режима: «с катодным пятном», и в «диффузионном режиме».

Дугу с холодным катодом обычно зажигают в результате кратковременного контакта подвижного анода с катодом. В месте контакта происходит сильный разогрев электродов, происходит испарение материала электродов, пары ионизуются, и зажигается дуга. Если катод разогревается до температуры, которая обеспечивает разрядный ток за счет термоэмиссии. При этом формируется стационарная эмитирующая область с малой скоростью эрозии. Если разогрев катода целиком не обеспечивает разрядный ток, то на катоде возникают мелкие концентрированные токовые центры.. Для эффективного испарения металла катода энергия должна быть сконцентрированной. При токе и давлении катодные пятна образуются даже на тугоплавких металлах. На легкоплавких металлах пятна образуются при любых давлениях и токах. Пятна вызывают сильную (взрывную) эрозию материала катода. В зависимости от величины разрядного тока, катодные пятна могут быть неподвижными и движущимися достаточно быстро (скорость может достигать нескольких десятков метров в секунду). Наиболее любопытен последний режим.

Состояние теории быстро перемещающихся катодных пятен.

В настоящее время теория, описывающая процессы в катодных пятнах вакуумной дуги находится в весьма неудовлетворительном состоянии, несмотря на его большую практическую важность. Это можно объяснить уникальной сложностью явлений, протекающих в катодных пятнах. Отметим некоторые «загадочные явления», не имеющие объяснения. 1). Вольт – амперные характеристики металлических вакуумных дуг возрастающие (у большинства дуг они убывающие).

2). Если создать магнитное поле, касательное к поверхности жидкого ртутного катода, то создается сила , действующая на ток. Однако пятно движется в противоположном направлении. Этот эффект был обнаружен Штарком (1903 г.) и до сих пор нет даже качественного объяснения такого «странного» поведения катодного пятна.

3). Нет объяснения причин деления пятен.

4). Не ясно - почему пятна перемещаются, а не «стоят» на одном месте.

5). При импульсном пробое вакуумного промежутка с заостренным катодом (такая ситуация может моделировать процесс в катодном пятне, имеются микроскопические выступы на поверхности массивных катодов) происходит взрывная эмиссия. Возникает резкое нарастание тока после некоторой задержки от момента приложения напряжения, при этом обязательно происходит взрыв кончика острия и выброс плазменного сгустка – катодного факела (явление обнаружено Г.А. Месяцем 1966 г.).

6). Наблюдается «кватование» разрядного тока в отдельной ячейке. Ток может изменяться в узких пределах . При то разряд погасает. Если , происходит разделение пятна на два.

Такое положение, безусловно, связано с крайней сложностью и запутанностью картины явления. В процессах, протекающих в катодных пятнах, тесно переплетаются твердотельные, поверхностные, межфазные, плазменные, электрические и тепловые явления. Особо следует подчеркнуть сильную нелинейность явления при одновременном влиянии сильной диссипации и дисперсии. Открытые (имеется поступление энергии в систему) нелинейные диссипативные системы обладают способностью «самоорганизации» - образованию объемных упорядоченных структур.

Не смотря на такое состояние, многие аспекты статической стадии процесса, имеют удовлетворительное объяснение и рассчитываются в разумном согласии с экспериментом.

15.12. Искровой и коронный разряды. Искровой разряд возникает при выполнении условия , где - давление (оно порядка атмосферного при возникновении искрового разряда), - длина искрового промежутка и при напряжении электрического поля порядка десятков и сотен киловольт. Грандиозной формой искрового разряда является молния. Благодаря резкому выделению джоулева тепла происходит формирование ударной волны (резкое повышение давления, которое воспринимается как удар). Возможно образование стримеров («прорастание» тонкого ионизированного канала между электродами)

В технических приложениях явление используется в разрядниках для измерения напряжения. Разрядник представляет собой шары фиксированных диаметров. Система отградуирована по напряжению, реализующему искровой пробой.

Коронный разряд – слаботочный слабосветящийся разряд в окрестности острых проводящих предметов в области резко неоднородного электрического поля.