§ 48. Виды самостоятельного разряда. Плазма

Определения и обозначения

Самостоятельный газовый разряд — электрический разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, то есть источника, создающего в газе заряженные частицы. Его поддерживают процессы ионизации внутри самого газа. Это отличие помогает понять, почему ток не исчезает сразу после выключения внешнего источника ионизации.

Искровой разряд — кратковременный разряд, возникающий при пробое газа сильным электрическим полем. Пробой означает, что газ начинает проводить ток, а между электродами образуется узкий яркий канал из заряженных частиц. По вспышке и краткости такого разряда его можно отличить от устойчивого свечения.

Коронный разряд — разряд вблизи острых или тонких участков проводника, где электрическое поле особенно велико. Он возникает в окружающем газе рядом с проводником, но не обязательно распространяется через весь промежуток до другого электрода. Это определение важно, чтобы не путать корону с полным пробоем газа.

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором есть свободные электроны и положительные ионы. Несмотря на присутствие заряженных частиц, большие объёмы плазмы обычно электрически нейтральны: заряды разных знаков компенсируют друг друга. Наличие подвижных зарядов объясняет, почему плазма способна проводить ток.

Как это устроено

В газе всегда могут появляться отдельные заряженные частицы, например под действием внешнего ионизатора. Если электрическое поле достаточно сильное, оно разгоняет электроны; сталкиваясь с атомами, быстрые электроны могут выбивать из них новые электроны. Так возникают ионы и дополнительные электроны, которые продолжают ионизировать газ. Этот процесс называют ударной ионизацией, а его развитие помогает поддерживать ток.

Одной ионизации недостаточно, если заряженные частицы быстро исчезают. Электроны и ионы могут достигать электродов или соединяться друг с другом, вновь образуя нейтральные атомы; последнее явление называется рекомбинацией. Для самостоятельного разряда образование новых частиц должно компенсировать их уход и рекомбинацию. Если компенсации нет, число носителей тока уменьшается и разряд затухает.

Разряды различаются условиями, при которых ток возникает и поддерживается, а также яркостью и длительностью. Искровой разряд краток и связан с пробоем газа; дуговой — яркий и может долго поддерживаться между электродами. Тлеющий разряд обычно возникает в разреженном газе и проявляется сравнительно слабым свечением при небольшом токе. Коронный разряд ограничен областью сильного поля у поверхности проводника и может сопровождаться слабым свечением.

Чтобы возникла искра, напряжение между электродами должно создать достаточно сильное поле в газе. Сначала ускоренные электроны ионизируют атомы, затем растёт число заряженных частиц и формируется узкий проводящий канал — путь для тока через газ. В канале происходит яркая вспышка, иногда слышен треск. Искра прекращается, когда меняются условия пробоя: например, падает напряжение или разрывается проводящий канал, и поддерживать ток становится невозможно.

Плазма образуется, когда часть атомов газа теряет электроны или газ ионизируется сильнее. В результате в нём появляются свободные электроны и положительные ионы, которые могут двигаться под действием электрического поля и переносить заряд. Если в достаточно большом объёме количество зарядов разных знаков в среднем сбалансировано, плазма квазинейтральна — почти нейтральна в целом, хотя отдельные частицы заряжены. Поэтому способность плазмы проводить ток не противоречит её общей электрической нейтральности.

Виды самостоятельного газового разряда и их особенности

Сначала определите, где именно проходит разряд: через весь промежуток или только возле проводника. Затем сравните его длительность и видимые признаки с таблицей. Примеры помогают связать физические условия с наблюдаемым явлением, но для определения важны прежде всего особенности самого разряда.

Разбор задач

1. Короткая вспышка между электродами

Между электродами возникла короткая яркая вспышка с характерным треском. Нужно определить вид разряда и объяснить, почему он прекратился. Здесь важны сразу два признака: яркая вспышка и кратковременность.

1. Сопоставим наблюдение с видами разряда. Короткая яркая вспышка, сопровождаемая треском, характерна для искрового разряда.
2. Искра возникает, когда сильное поле пробивает газ и формирует проводящий канал. По этому каналу некоторое время проходит ток.
3. Разряд прекращается, когда условия уже не позволяют поддерживать канал и ток: например, меняется напряжение между электродами. Значит, краткость вспышки связана с прекращением пробоя, а не с тем, что любой газовый ток обязательно должен быть коротким.

Ответ: это искровой разряд. Он прекратился, потому что проводящий канал после пробоя перестал поддерживать ток при изменившихся условиях.

2. Свечение только у острия

У острия проводника в воздухе видно слабое свечение, но весь промежуток до другого проводника не светится. Требуется назвать разряд и определить область наиболее сильного поля. Отсутствие свечения по всему промежутку помогает отличить местный разряд от полного пробоя.

1. Сравним признаки с определениями. Если разряд появляется только возле острого участка проводника, это коронный разряд.
2. У острия электрическое поле особенно велико, потому что заряд сосредоточивается на малой области поверхности. Именно рядом с этой областью газ ионизируется и может начать светиться.
3. В остальной части промежутка поле может оказаться недостаточным для пробоя газа. Поэтому корона не означает, что весь промежуток стал проводящим.

Ответ: это коронный разряд. Наиболее сильное поле находится у острия проводника, поэтому разряд ограничивается областью рядом с ним.

3. Сравнение тлеющего и дугового разрядов

Нужно сравнить тлеющий и дуговой разряды по условиям возникновения и характеру тока, а затем указать, какой применяют для сварки. Не следует выбирать ответ только по тому, светится газ или нет: оба разряда могут быть заметны. Нужно учесть, насколько устойчив разряд и каков ток.

1. Тлеющий разряд обычно возникает в разреженном газе и проявляется характерным свечением при сравнительно небольшом токе. Его можно встретить в газоразрядных лампах.
2. Дуговой разряд поддерживается между электродами и отличается ярким устойчивым каналом и большим током. Такие свойства позволяют передавать тепло, необходимое для соединения металлов.
3. Сопоставим применение с признаками. Для сварки нужен интенсивный и длительный нагрев, поэтому подходит дуговой разряд, а не слабый тлеющий.

Ответ: тлеющий разряд обычно протекает в разреженном газе при сравнительно небольшом токе; дуговой — яркий, устойчивый и сопровождается большим током. Для сварки используют дуговой разряд.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что самостоятельный разряд поддерживается внешним ионизатором. Так можно подумать, потому что внешний источник часто помогает заряженным частицам появиться вначале. Проверьте себя: если ионизатор выключили, а разряд продолжается, новые частицы должны возникать благодаря процессам внутри газа.

Ошибка: называть любой газовый разряд искровым. Искра заметна и запоминается, поэтому её признаки иногда переносят на все явления прохождения тока через газ. Проверьте, краток ли разряд и связан ли он с пробоем: длительное свечение или разряд только у поверхности проводника могут быть другими видами.

Ошибка: путать коронный разряд с пробоем всего промежутка. Свечение возле электрода может показаться началом искры, однако само по себе оно не доказывает, что весь газ стал проводящим. Проверьте, где именно наблюдается разряд: у острия — корона, по всему промежутку — пробой.

Ошибка: считать плазму обычным нейтральным газом без заряженных частиц. Плазма действительно может быть нейтральна в целом, поэтому легко спутать нейтральность с отсутствием зарядов. Проверьте определение: в плазме есть свободные электроны и положительные ионы, а нейтральность означает компенсацию их суммарных зарядов.

Связь с другими темами

Чтобы понять разряд, нужно знать, что электрический ток в газе создают направленно движущиеся заряженные частицы, а ионизация образует свободные электроны и ионы. Эти знания связаны с темой электрической безопасности: разряды при высоком напряжении опасны, а молниезащита помогает уменьшить риск поражения. Разные виды разряда применяют в газоразрядных лампах и при сварке. Плазму изучают также в физике и астрономии.

Что запомнить

• Самостоятельный разряд продолжается без внешнего ионизатора.
• Ударная ионизация при столкновениях электронов помогает поддерживать разряд.
• Искровой разряд кратковременен и связан с пробоем газа.
• Дуговой, тлеющий и коронный разряды отличаются условиями возникновения и проявлениями.
• Коронный разряд возникает в области сильного поля у поверхности проводника.
• Плазма содержит свободные электроны и ионы и проводит электрический ток.
• Плазма в целом электрически нейтральна, если заряды компенсируют друг друга.