1. Искровой разряд

Искровой разряд возникает при высоком напряжении (несколько киловольт) при давлении порядка атмосферного. При этом возникает «канал» сильно ионизированного газа, по которому и распространяется ток. При этом газ в канале сильно нагревается, резко возрастает его давление, и, расширяясь, газ создает звуковые волны, вызывающие треск (если искра малых размеров) или гром (если искра в виде молнии).

Искровой разряд сопровождается ярким свечением и громким звуком, возникающим вследствие расширения сильно разогретого воздуха, а также излучением электромагнитных волн различных частот (радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения).

2. Коронный разряд

Коронный разряд возникает, если давление газа близко к атмосферному, и есть сильное неоднородное электрическое поле. Оно существует вблизи заострённых частей проводников, подключенных к высоковольтным источникам тока, а также находящихся во влажном атмосферном воздухе во время грозы.

Коронный разряд сопровождается слабым свечением и небольшим шумом.

3. Дуговой разряд

Дуговой разряд возникает, если металлические или угольные электроды, которые присоединены к полюсам источника постоянного напряжения, сначала соединить, а потом развести на небольшое расстояние. При достаточно большой напряженности поля между электродами появляется светящаяся дуга раскалённого и поэтому высокоионизированного газа. Дуговой разряд сопровождается сильным нагреванием газа (до нескольких тысяч градусов), поэтому концы электродов и сама дуга испускают ослепительный свет. КПД превращения электроэнергии в свет намного выше, чем у наилучших ламп накаливания. Поэтому там, где требуются очень мощные и яркие источники света, например в прожекторах, дуговой разряд применяется очень часто.

4. Тлеющий разряд

Тлеющий разряд возникает, если давление газа низкое (от сотых долей до нескольких мм.рт.ст.) и напряжение на электродах порядка нескольких сотен вольт. Он представляет собой слабое свечение газа, заметное только в тёмном помещении или в тёмное время суток. Тлеющий разряд применяется в светящихся трубках рекламы, заполненных неоном, аргоном, в лампах дневного света. Важнейшее современное применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света – газовых лазерах.

Образование химически активных частиц в плазме

Высокие концентрации химически активных частиц, включая заряженные частицы и фотоны — характер-ное свойство плазмохимических систем. В плазмохимической системе такие частицы определяют не только протекание химических реакций, но все физико-мимические свойства плазмы.

Суммарная скорость химических превращений в системах, со-держащих активные частицы, определяется главным образом ба-лансом этих частиц, т. е. скоростями их генерации и распада. Рассмотрим основные процессы образования и гибели колебательно- и электронно-возбужденных молекул, свобод-ных атомов и радикалов, заряженных частиц.

Колебательное возбуждение молекул

Эффективный механизм возбуждения колебаний молекул электронным ударом заключается в прилипании электрона к молекуле с образованием неустойчивого отрицательного иона. Ион распадается с отрывом электрона и образованием молекулы в колебательно-возбужденном состоянии. Такой процесс эффективен в узком диапазоне энергий электронов (1-2 эВ), его максимальное сечение достигает 10^-16 – 10^-15 см²

Колебательное возбуждение может возникнуть и при соударениях тяжелых частиц за счет кинетической энергии их относительного движения, и в результате обмена колебательными квантами.

Вероятности этих процессов в зависимости от колебательного квантового числа и температуры изменяются в широких пределах: 10^-5 – 10^-2.

Электронное возбуждение атомов и молекул

Образование молекул в электронно-возбужденном состоянии может происходить при взаимодействии невозбужденных или уже возбужденных молекул с электронами, тяжелыми частицами и фотонами. Если исходное состояние молекулы не возбужденное, процесс возбуждения называют прямым. Если же исходное со-стояние — возбужденное и лежит ниже или выше конечного, говорят, соответственно о ступенчатых и каскадных процессах.

Источником необходимой для возбуждения энергии может быть не только кинетическая энергия относительного движения частиц и энергия фотона, но и их внутренняя энергии (электронная или колебательная). В случае атомных газов набор процессов меньше из-за отсутствия колебательных степеней свободы. Вклад разных энергий может сильно различаться в зависимости от конкретных условий в плазме.

Прямое электронное возбуждение электронным ударом в общих чертах имеет одинаковый характер для атомов и молекул.

Диссоциация молекул в неравновесной плазме

В условиях неравновесной плазмы более эффективными оказываются процессы, протекающие под действием электронного удара. При этом распад молекул может протекать как в результате возбуждений электронных состояний молекул, так и при возбуждении колебательных уровней основного электронного состояния.

Прямая диссоциация молекул путем электронного возбуждения их ударами электронов существенна лишь в плазме при давлениях ниже 100 Па

Ход процесса зависит от соотношения потенциальных кривых основного и возбужденного состояний. Приведем одну из таких кривых в качестве примера.

На данном рисунке верхнее состояние - отталкивательное. Переход в это состояние всегда приводит к распаду молекулы. Этот процесс характерен для диссоциации водорода.

Другим одностадийным процессом, ведущим к распаду молекул, является диссоциативный захват электронов. Он наблюдается для всех электроотрицательных газов, но является основным кана-лом распада молекул, по-видимому, только в случае галогенов и некоторых галогенпроизводных, например:

Cl₂ + e  Cl^- + Cl

Ионизация молекул в неравновесной плазме

Ионизация молекул электронным ударом во многом подобна электронному возбуждению. Процесс может протекать при участии молекул, находящихся в основном состоянии, или уже возбужденных (прямая и ступенчатая ионизация). Прямая ионизация преоб-ладает в плазме при низких давлениях (100 Па) и малых сте-пенях ионизации. С ростом давления и концентрации заряженных частиц возрастает роль ступенчатой ионизации электронным уда-ром, а также других процессов ионизации, идущих с участием возбужденных частиц. Так, при соударениях возбужденных тяжелых частиц возможен процесс ассоциативной ионизации:

A_l + B_n  AB_m  AB_l⁺ + e^-

При столкновении двух тяжелых частиц, в частном случае атомов А и В, образуется нестабильная мо-лекула АВ_m, которая может распа-даться с образованием молекуляр-ного иона и электрона. По этой же схеме, но в обратном направлении протекает процесс диссоциативной ион-электронной рекомбинации, являющийся часто основным каналом гибели заряженных частиц в объеме неравновесной плазмы.

Образование отрицательных ионов при столкновениях электронов с молекулами

Столкновение электрона с молекулой может привести к образованию отрицательного иона при диссоциации молекулы на ионную пару:

AB + e^-  A⁺ + B^- + e^-

или в результате прилипания электрона.

Первый процесс требует большой затраты энергии и в усло-виях низкотемпературной плазмы, как правило, несуществен.

Процесс захвата электрона нейтральной молекулой можно рассматривать как переход между двумя состояниями молекулярного отрицательного иона. В начальном состоянии один из электронов находится на несвязывающей орбитали, так что кривая потенциальной энергии системы совпадает с кривой потенциальной энергии молекулы в невозбужденном состоянии. Результат процесса зависит от соотношения между потенциальными кривыми начального и конечного состояний.