§ 78. Виды самостоятельного разряда в газах

Определения и обозначения

Самостоятельный разряд в газе — разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора благодаря процессам внутри газа. Ионизатор — источник, создающий в газе заряженные частицы, например электрон или ион. Когда внешнее воздействие убирают, разряд не исчезает, если заряды продолжают возникать за счёт самого процесса. Это определение помогает отличить самостоятельный разряд от несамостоятельного, которому ионизатор необходим постоянно.

Тлеющий разряд — самостоятельный разряд при сравнительно низком давлении и небольшом токе, обычно сопровождающийся свечением газа. Свет появляется потому, что частицы газа получают энергию при столкновениях и затем испускают её в виде излучения. При таком разряде свечение может быть заметно в значительной части газоразрядной трубки, а не только в одной яркой точке. Это понятие важно для описания свечения в газоразрядных приборах.

Искровой разряд — кратковременный разряд, возникающий при сильном электрическом поле и сопровождающийся яркой вспышкой. Сильное поле вызывает пробой газа: в нём быстро появляется проводящий путь из заряженных частиц. Однако сама вспышка ещё не означает, что ток будет продолжаться долго. Определение позволяет отличить короткую искру от длительного разряда, поддерживаемого источником.

Дуговой разряд — длительный разряд с большой силой тока, поддерживаемый нагреванием электродов и газа. Нагретые электроды могут испускать электроны, а горячий газ лучше проводит ток. Поэтому разряд способен продолжаться, пока источник обеспечивает необходимый ток и условия для нагрева. Это определение связывает длительность дуги с её физическим механизмом, а не только с ярким свечением.

Как это устроено

Чтобы разряд продолжался после удаления внешнего ионизатора, внутри газа должно постоянно появляться достаточно новых зарядов. Электрическое поле разгоняет электроны, и при столкновениях с атомами или молекулами они могут выбивать из них другие электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией: в результате появляются свободные электроны и положительные ионы. Часть частиц достигает электродов и может вызвать вторичную эмиссию — выход новых электронов с поверхности электрода, что тоже поддерживает ток.

Вид разряда определяется не одним параметром, потому что давление, поле и сила тока влияют на движение и столкновения частиц по-разному. При изменении давления меняется расстояние, которое электрон проходит между столкновениями, а значит, и то, насколько сильно он успевает разогнаться. Напряжённость поля задаёт силу, действующую на заряд: слишком слабого поля может не хватить для эффективной ионизации. Сила тока показывает, сколько заряда проходит через газ за единицу времени, и особенно важна для нагрева и длительного поддержания разряда.

Тлеющий разряд возникает в разреженном газе, когда приложенное поле ускоряет электроны между столкновениями и позволяет им возбуждать или ионизировать частицы. Возбуждённая частица — это атом или молекула, получившие дополнительную энергию; при возвращении в обычное состояние они излучают свет. Заряженные частицы движутся по всему промежутку между электродами, а столкновения происходят в разных его частях, поэтому свечение распределяется по объёму газа. Оно может быть неодинаковым по яркости, но не сводится к одной короткой вспышке.

Искровой разряд появляется, когда напряжённость поля становится достаточной для пробоя газа. Электроны ускоряются и ионизируют новые частицы, а возникший проводящий канал быстро пропускает импульс тока и ярко светится. Если источник не способен поддерживать ток, после разряда накопленный заряд расходуется, ток падает и проводимость канала уменьшается. Поэтому искра обычно прекращается быстро, хотя в момент пробоя ток может быть значительным.

Дуговой разряд поддерживается иначе: большой ток сильно нагревает газ и электроды. Нагрев способствует появлению электронов и сохраняет проводящее состояние газа, поэтому разряд не обрывается сразу после пробоя. Коронный разряд возникает там, где поле особенно неоднородно: например, около острия проводника силовые линии расположены плотнее и напряжённость велика. В этой области газ ионизируется и светится, хотя весь промежуток между проводниками может не стать проводящим.

Сравнение видов самостоятельного разряда в газах

При сравнении сначала найдите условие возникновения, затем проверьте длительность и величину тока. Яркость сама по себе не позволяет определить вид разряда: и искра, и дуга могут ярко светиться. Для коронного разряда особенно важен признак неоднородного поля около проводника.

Разбор задач

При решении задач о разрядах полезно сначала выделить описанные условия, а потом сопоставить их с признаками каждого вида. Не следует выбирать ответ только по наличию свечения: оно встречается у нескольких разрядов. Ниже показано, как рассуждать по давлению, току, длительности и форме электрического поля.

Задача 1

При низком давлении в газоразрядной трубке возникает свечение, а ток остаётся небольшим. Определите вид разряда.

1. Отмечаем пониженное давление в трубке: это характерное условие тлеющего разряда.
2. Сопоставляем ток с признаками: он небольшой, а не большой, как при дуговом разряде.
3. Свечение газа согласуется с тлеющим разрядом; одна лишь яркость здесь не является главным критерием.

Ответ: в трубке возник тлеющий разряд. Решение опирается на сочетание низкого давления и небольшого тока, а свечение служит дополнительным признаком.

Задача 2

Между электродами при увеличении напряжения появляется краткая яркая вспышка. Объясните, какой разряд возник и почему он прекращается.

1. Увеличение напряжения усиливает электрическое поле между электродами.
2. Когда поле становится достаточно сильным, газ пробивается: заряженные частицы создают проводящий канал.
3. Краткая яркая вспышка указывает на искровой разряд, а не на устойчивую дугу.
4. После импульса ток прекращается, если источник не поддерживает его на уровне, необходимом для нагрева газа и электродов.

Ответ: возник искровой разряд. Он прекращается, когда импульс тока исчерпан и проводящий канал перестаёт поддерживаться.

Задача 3

Сравните условия возникновения разряда вблизи острия проводника и между электродами, подключёнными к источнику, способному поддерживать большой ток.

1. У острия поле неоднородное и особенно сильное рядом с поверхностью, поэтому там может возникнуть коронный разряд.
2. Для короны характерно локальное возникновение: пробой не обязательно охватывает весь промежуток между проводниками.
3. Источник, способный поддерживать большой ток, создаёт условия для нагрева газа и электродов.
4. Если в промежутке при этом установился длительный большой ток, речь идёт о дуговом разряде.

Ответ: около острия возникает коронный разряд, а между электродами при поддержании большого тока может возникнуть дуговой. Различие определяется распределением поля и тем, поддерживает ли источник длительный ток.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что самостоятельный разряд вообще не требует условий. Так думают, потому что в названии подчёркнуто отсутствие внешнего ионизатора, но внутри газа должны продолжаться ионизация и процессы эмиссии на электродах. Проверка: спросите себя, откуда берутся новые электроны после удаления внешнего источника ионизации.

• Ошибка — путать искровой и дуговой разряды из-за яркого свечения. Оба разряда могут светиться, но искра кратковременна, а дуга поддерживается большим током и нагреванием. Проверка: выясните, продолжается ли ток после вспышки и способен ли источник поддерживать его длительно.

• Ошибка — считать коронный разряд пробоем всего промежутка между электродами. Причина путаницы в том, что корона тоже связана с ионизацией газа, однако возникает прежде всего в сильном неоднородном поле около проводника. Проверка: определите, где именно сосредоточено поле и распространяется ли проводящий канал через весь промежуток.

• Ошибка — считать, что тлеющий разряд обязательно возникает при атмосферном давлении. Обычно его связывают с газоразрядными трубками, где давление понижено, а ток сравнительно мал. Проверка: сопоставьте давление и ток с условиями тлеющего разряда, не опираясь только на вид свечения.

Связь с другими темами

Для понимания разрядов нужно знать, как электрическое поле действует на заряженные частицы и как происходит ионизация газа. Эти знания объясняют, почему электроны разгоняются, а столкновения создают новые носители тока. В дальнейшем представление о разрядах помогает разбираться в работе газоразрядных приборов и электрической дуги, а также объяснять молнию. Знание условий появления коронного разряда важно для понимания мер защиты высоковольтного оборудования.

Что запомнить

• Самостоятельный разряд поддерживается процессами внутри газа и на электродах.
• Ударная ионизация играет важную роль в развитии газового разряда.
• Тлеющий разряд характерен для пониженного давления и небольшого тока.
• Искровой разряд кратковременен и возникает при пробое газа сильным полем.
• Дуговой разряд длительный и сопровождается большим током и нагреванием.
• Коронный разряд возникает в сильном неоднородном поле около проводника.