5.5. Самостійний розряд при нормальному і великих тисках

Розрізняють кілька форм самостійного газового розряду при нормальному (атмосферному) і великих тисках, а саме: коронний, китичний, іскровий і дуговий розряди.

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що перебуває в дуже неоднорідному електричному полі, наприклад, поблизу вістер або проводів ліній високої напруги. При коронному розряді іонізація і світіння газу відбувається лише поблизу коронуючих електродів. Коли коронує катод (корона негативна), електрони, які спричиняють ударну іонізацію молекул газу, вириваються із катода позитивними іонами під час його бомбардування. Якщо коронує анод (корона позитивна), то електрони виникають внаслідок фотоіонізації поблизу анода. Корона – шкідливе явище. Воно супроводжується витіканням струму і втратою електричної енергії. Щоб зменшити коронування, збільшують кривизни провідників, а їхні поверхні виготовляють гладенькими.

При підвищеній напрузі коронний розряд на вістрі набуває вигляду світлих ліній, які виходять з вістря і перемежовуються в часі. Ці лінії мають зломи і вигини і нагадують китицю, внаслідок чого такий розряд називають китичним.

При досить великій напрузі між електродами коронний розряд перетворюється в іскровий.

Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток – каналів, що розгалужуються (рис 5.4); вони пронизують розрядний проміжок і зникають, замінюючись новими. Дослідження показали, що канали іскрового розряду починають зростати іноді від позитивного, іноді від негативного електродів, а інколи навіть від якоїсь точки між електродами. Це пояснюється тим, що ударна іонізація при іскровому розряді відбувається не по всьому об’єму, а по окремих каналах, які проходять в тих місцях, де концентрація іонів випадково виявилась найбільшою. Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим світінням газу, тріском або громом. Всі ці явища викликаються електронними та іонними явищами, які проходять в іскрових каналах і призводять до великого збільшення тиску, що досягає сотень атмосфер, і підвищення температури до 10000^о С.

При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, яке називають ерозією. Це явище використовують в електроіскровому методі різання, свердлінні та інших видах точної обробки металів.

Іскровий проміжок використовують як запобіжник від перенапруг в електричних лініях передач (наприклад, у телефонних лініях). Якщо поблизу лінії проходить сильний короткочасний струм, то в проводах цієї лінії індукуються напруги і струми, які можуть зруйнувати установку і є небезпечними для життя людей. Щоб запобігти цьому, використовують спеціальні запобіжники (рис. 5.5), які складаються з двох зігнутих електродів, один з яких приєднано до лінії, а інший заземлено. Якщо потенціал лінії відносно землі дуже зростає, то між електродами виникає іскровий розряд, який разом з нагрітим повітрям піднімається вгору, видовжується й обривається.

Електричну іскру використовують для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого є дві металеві кулі з полірованими поверхнями. Кулі розсовують і на них подають різницю потенціалів, яку вимірюють. Потім кулі зближують доти, поки між ними не виникне іскра. Знаючи діаметр куль, відстань між ними, тиск, температуру і вологість повітря, знаходять різницю потенціалів між кулями за спеціальними таблицями. За цим методом різницю потенціалів порядку десятків тисяч вольт можна вимірювати з точністю до кількох процентів.

Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка. Це гігантський іскровий розряд електрики між хмарами або між хмарою і Землею.

Здебільшого (90-95%) блискавка як розряд відбувається між хмарами і Землею. У хмарах є і негативні і позитивні заряди, розміщені в різних частинах хмари. Найчастіше негативні заряди на нижній частині хмари, відстань від якої до поверхні Землі 1-2 км. Позитивні заряди розміщуються на протилежній частині хмари, хоча можуть бути і значно складніші розподіли зарядів. У нижній частині хмари, де напруженість електричного поля досягає при певній концентрації зарядів критичного значення, починається іонізація, виникають електронні лавини, а потім – області підвищеної провідності (стримери), які є розгалуженими електропровідними каналами. Вони зливаються один з одним і створюють початок яскравого термоіонізованого каналу з великою провідністю, який називають лідером. Утворення лідера відбувається стрибкоподібно – із зупинками на десятки мілісекунд. Після завершення розвитку лідера блискавки починається друга її стадія, яку називають зворотною або основною. На шляху, прокладеному лідером, в його каналі виникає яскраве світіння, яке супроводжується різким збільшенням сили струму, що поширюється від Землі до хмари. При цьому в каналі повітря дуже нагрівається і виникають ударні звукові хвилі – грім. Діаметр каналу східчастого лідера від 2 мм до 5 м. Канал оточений короною, діаметр якої 9-12 м. Лідер блискавки виносить негативні заряди хмари у напрямі до Землі, де вони нейтралізуються позитивними зарядами. Після завершення розвитку основної стадії світіння каналу його провідність поступово зменшується і канал розпадається. Цим і завершується цикл явищ, які характеризують блискавку.

У багатьох випадках слідом за описаним процесом по шляху утвореного в атмосфері каналу відбувається розвиток повторних блискавок. При цьому блискавка розвивається завдяки зарядам, розміщеним у більш високих шарах хмари. Лідери повторної і наступної блискавок поширюються неперервно з середньою швидкістю 10⁶ м/с. За характером світіння їх називають стрілоподібними. Кількість повторних блискавок може досягати кількох десятків.

Сила струму в блискавці досить велика – від 10⁴ до 5∙10⁵ А, а напруга між хмарою і Землею перед виникненням блискавки досягає 10⁸ - 10⁹ В. Оскільки тривалість окремого розряду блискавки є дуже малою (близько 10^-6 с), то заряд, перенесений нею, невеликий і становить від кількох до 350 Кулон.

Окрім звичайних блискавок, іноді виникають кульові блискавки. Кульова блискавка – світне утворення в повітрі здебільшого сферичної форми, діаметр якої близько 30 см, середній час життя – 10 с. Кульова блискавка спостерігається як зовні в атмосфері, так і в приміщенні, рухається як горизонтально, так і вертикально зі швидкістю від 1 до 10 м/с. Наприкінці свого існування вона може вибухнути або спокійно погаснути. Інтенсивність світіння кульової блискавки в середньому еквівалентна світінню електричної лампи потужністю 100 Вт. Це світіння нестаціонарне, може мати різний колір. Кульова блискавка буває оточена світінням, з неї можуть вилітати іскри. Вона має електричні властивості і часто є генератором радіостатичного випромінювання. Складність і багатогранність явища кульової блискавки не дають можливості відтворить його в лабораторних умовах і дослідити фізичні процеси виникнення, існування і згасання кульової блискавки.

Якщо добути іскровий розряд від потужного джерела струму, а потім поступово зменшувати відстань між електродами, то переривистий розряд стає неперервним, тобто виникає новий вид розряду, який називають дуговим. При цьому сила струму різко зростає, а напруга на розрядному проміжку падає до кількох десятків вольт.

Дуговий розряд можна утворити, минаючи іскровий. Для цього електроди зближають до їх дотикання. У місцях контакту виникає великий електричний опір. Внаслідок цього виділяється значна кількість теплоти і електроди розжарюються. Якщо тепер електроди розвести на певну відстань, то між ними виникає електрична дуга, яка випромінює яскраве біле світло. Саме так у 1802 р. В.В. Петров відкрив дуговий розряд.

Встановлено, що основною причиною дугового розряду є інтенсивне випромінювання термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем і утворюють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому опір газового проміжку між електродами (опір дуги) порівняно малий.

Якщо за рахунок зменшення опору зовнішнього кола збільшити силу струму дугового розряду, то провідність газового проміжку настільки сильно зросте, що напруга між електродами дуги зменшиться. Тому кажуть, що електрична дуга має спадну вольт-амперну характеристику. При атмосферному тиску температура катода досягає 3000˚С. Електрони, бомбардуючи анод, утворюють у ньому заглибину (кратер) і нагрівають його. Температура кратера близько 4000˚С, а при великих тисках повітря (до 20 атм.) досягає 6000-7000˚С, тому в ньому відбувається інтенсивна термоіонізація.

У ряді випадків дуговий розряд відбувається і при порівняно низькій температурі катода (наприклад, у ртутній дуговій лампі).

Залежно від природи електронної емісії на катоді електричну дугу називають термоелектронною (температура катода кілька тисяч градусів) або автоелектронною чи дугою з холодним катодом.

Дуговий розряд має досить широке практичне застосування. Цей розряд найпотужніший, тому в техніці використовують саме його теплову дію. Вперше електричну дугу використав для електрозварювання М.М.Бернардов ще у 1882р.. Праці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України є провідними у світовій науці з питань використання дугового розряду. Висока температура дугового розряду дає змогу використати його в дуговій печі. Тепер дугові печі застосовують в деяких галузях промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, одержання карбіду кальцію, окису азоту тощо. Дуговий розряд лежить в основі роботи ртутних випрямлячів, які перетворюють змінний електронний струм у струм постійного напряму, джерелом світла (прожекторів, ламп) тощо.

Частково або повністю іонізований газ, у якому густини негативних і позитивних зарядів практично однакові, називають плазмою. Взагалі, можна вважати, що плазма – це суміш вільних електронів, позитивних та негативних іонів і нейтральних атомів (або молекул). Залежно від ступеня іонізації α розрізняють слабко іонізовану (α становить частки процентів), помірно іонізовану (α – кілька процентів) і повністю іонізовану плазму. Розрізняють низькотемпературну і високотемпературну плазми. Низькотемпературною називають плазму з так званою іонною температурою Т_і ≤ 10⁵ К, а високотемпературною – плазму з Т_і ≈ 10⁶ – 10⁸ К і більше. Від звичайних газів плазма відрізняється взаємодією як між частинками, так і взаємодією всієї плазми із зовнішніми полями. Кулонівська взаємодія між зарядженим частинками плазми надає їй властивостей пружного середовища.

Плазма – найбільш поширений стан речовини у природі. Сонце і зорі можна розглядати як гігантські згустки гарячої плазми. Зовнішня поверхня земної атмосфери вкрита оболонкою плазми – іоносферою. За межами іоносфери в навколоземному просторі містяться так звані радіаційні пояси, які є своєрідними плазмовими утвореннями. На практиці плазму спостерігають під час газових розрядів (позитивний стовп тліючого розряду, канал іскрового розряду, дуговий розряд тощо). Таку плазму називають газорозрядною. Це здебільшого високоіонізований газ.

В нейтральній газорозрядній плазмі концентрації електронів і позитивних іонів однакові, і сумарний просторовий заряд дорівнює нулю. Швидкості теплового руху електронів плазми задовольняють закон Максвелла (див. [7]). Під дією електричного поля електрони повільно переміщуються до анода. Проте пружні зіткнення, яких зазнають електрони в плазмі, хаотично змінюють напрям їхніх швидкостей. Тому енергія, якої надає електронам електричне поле, підсилює їхній тепловий рух, завдяки чому середня кінетична енергія електронів у газорозрядній плазмі дуже велика. Вона може досягати, залежно від природи плазми, десятки електрон-вольт і значно перевищує середню енергію теплового руху іонів і нейтральних частинок газу. Температура електронного газу в плазмі, що відповідає цій енергії, досягає десятків тисяч градусів і значно перевищує дійсну температуру газу.

У плазмі безперервно відбуваються два процеси, які взаємно компенсують один одного, – термоіонізація і рекомбінація. Газорозрядна плазма стійка тільки при наявності електричного поля, що прискорює електрони. Припинення дії електричного поля призводить майже до миттєвого зникнення газорозрядної плазми в результаті рекомбінації електронів та позитивних іонів.

Високоіонізована плазма необхідна для здійснення роботи іоних двигунів, іоних генераторів, магнітогідродинамічних генераторів струму тощо. При надвисоких температурах порядку мільйонів градусів атоми газу повністю іонізуються, тобто розпадаються на електрони і ядра. Властивості такої плазми і способи її одержання набули останнім часом великого значення у зв’язку з проблемою здійснення керованих термоядерних реакцій. Це питання розглядається у курсі ядерної фізики.

Більш детально з теорією електричного струму в газах можна ознайомитись за посібниками [1] та [7].