Дуговий розряд
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Дуговий розряд

Дуговий розряд, один з типів стаціонарного електричного розряду в газах . Вперше спостерігався між двома вугільними електродами в повітрі в 1802 Ст Ст Петровим і незалежно в 1808—09 Р. Деві . Струмовий канал цього, що світиться розряду був дугоподібно зігнутий, що і зумовило назву Д. р.

загрузка...

  Формуванню Д. р. передує короткий нестаціонарний процес в просторі між електродами — розрядному проміжку. Тривалість цього процесу (час встановлення Д. р.) зазвичай ~ 10 -6 —10 -4 сік залежно від тиску і роду газу, довжини розрядного проміжку, стану поверхонь електродів і т.д. Д. р. отримують, іонізуя газ в розрядному проміжку (наприклад, за допомогою допоміжного, так званого запалювального електроду). У ін. випадках для здобуття Д. р. розігрівають один або обидва електроди до високої температури або розсовують зімкнуті на короткий час електроди. Д. р. може також виникнути в результаті пробою електричного розрядного проміжку при короткочасному різкому підвищенні напруги між електродами. Якщо пробій відбувається при тиску газу, близькому до атмосферного, то нестаціонарним процесом, передуванням Д. р., є іскровий розряд .

  Типові параметри Д. р. Для Д. р. характерна надзвичайна різноманітність форм, що приймаються ним: він може виникати практично при будь-якому тиску газу — від менш 10 -5 мм рт. ст. до сотень атм ; різниця потенціалів між електродами Д. р. може набувати значень від декількох вольт до декількох тисяч вольт (високовольтний Д. р.). Д. р. може протікати не лише при постійній, але і при змінній напрузі між електродами. Проте напівперіод змінної напруги звичайний набагато більше часу встановлення Д. р., що дозволяє розглядати кожен електрод протягом одного напівперіоду як катод, а в наступному напівперіоді — як анод. Відмітними особливостями всіх форм Д. р. (тісно пов'язаними з характером емісії електронів з катода в цьому типові розряду) є мала величина катодного падіння і висока щільність струму на катоді. Катодне падіння в Д. р. зазвичай порядку іонізаційного потенціалу робочого газу або ще нижче (1—10 в ); щільність струму на катоді складає 10 2 —10 7 а/см 2 . При настільки великій щільності струму сила струму в Д. р. зазвичай також великий — порядка 1—10 а і вище, а в деяких формах Д. р. досягає багатьох сотень і тисяч ампер. Проте існують і Д. р. з малою силою струму (наприклад, Д. р. з ртутним катодом може горіти при струмах 0,1 а і нижче).

  Електронна емісія в Д. р. Корінна відмінність Д. р. від ін. типів стаціонарного електричного розряду в газі полягає в характері елементарних процесів, що відбуваються на катоді і в прікатодной області. Якщо в тліючому розряді і негативному коронному розряді має місце вторинна електронна емісія, то в Д. р. електрони вилітають з катода в процесах термоелектронній емісії і автоелектронній емісії (називається також тунельною емісією ). Коли в Д. р. відбувається лише перший з цих процесів, його називають термоемісійним. Інтенсивність термоемісії визначається температурою катода; тому для існування термоемісійного Д. р. необхідно, щоб катод або окремі його ділянки були розігріті до високої температури. Таке розігрівання здійснюють, підключаючи катод до допоміжного джерела енергії (Д. р. із зовнішнім напруженням; Д. р. з штучним підігріванням). Термоемісійний Д. р. виникає і у тому випадку, коли температуру катода достатньою мірою підвищують удари позитивних іонів, що утворюються в розрядному проміжку і прискорюваних електричним полем по напряму до катода. Проте частіше при Д. р. без штучного підігрівання інтенсивність термоелектронної емісії дуже мала для підтримки розряду, і значну роль грає процес автоелектронної емісії. Поєднання цих двох видів емісії носить назва термоавтоеміссиі.

  Автоелектронна емісія з катода вимагає існування в його поверхні сильного електричного поля. Таке поле в Д. р. створюється об'ємним зарядом позитивних іонів віддаленим від катода на відстань порядку довжини вільного пробігу цих іонів (10 -6 —10 -4 см ). Розрахунки показують, що автоелектронна емісія не може самостійно підтримувати Д. р. і завжди в тій або іншій мірі супроводиться термоелектронною емісією. Унаслідок складності дослідження процесів в тонкому прікатодном шарі при високій щільності струму експериментальних даних про роль автоелектронної емісії в Д. р. накопичено ще недостатньо. Теоретичний же аналіз доки не може задовільно пояснити всі явища, спостережувані в різних формах Д. р.

  Зв'язок між характеристиками Д. р. і процесами емісії. Шар, в якому виникає електричне поле, що викликає автоелектронну емісію, настільки тонкий, що не створює великого падіння різниці потенціалів в катода. Проте для того, щоб це поле було досить сильним, щільність об'ємного заряду іонів в катода, а отже, і щільність іонного струму мають бути великі. Термоелектронна емісія також може відбуватися при малій кінетичній енергії іонів в катода (тобто при малому катодному падінні), але вимагає в цих умовах високої щільності струму — катод нагрівається тим сильніше, чим більше число бомбардуючих його іонів. Т. о., відмінні риси Д. р. (мале катодне падіння і висока щільність струму) обумовлені характером прікатодних процесів.

  Плазма Д. р. Розрядний проміжок Д. р. заповнює плазма, що складається з електронів, іонів, нейтральних і збуджених атомів і молекул робочого газу і речовини електродів. Середні енергії часток різного сорту в плазмі Д. р. можуть бути різними. Тому кажучи про температуру Д. р., розрізняють іонну температуру, електронну температуру і температуру нейтральної компоненти. В разі рівності цих температур плазму називають ізотермічною.

  Несамостійний Д. р. Несамостійним називається Д. р. з штучним підігріванням катода, оскільки підтримку такого розряду не можна здійснити за рахунок його власної енергії: при виключенні зовнішнього джерела напруження він гасне. Розряд легко запалюється без допоміжних запалювальних електродів. Підвищення напруги такого Д. р. спочатку підсилює його струм до величини, визначуваною інтенсивністю термоелектронної емісії з катода при даній температурі напруження. Потім аж до деякої критичної напруги струм залишається майже постійним (так званий вільний режим). Коли напруга перевищує критичне, характер емісії з катода міняється: істотну роль в ній починають грати фотоефект і вторинна електронна емісія (енергія позитивних іонів стає достатньою для вибивання електронів з катода). Це приводить до різкого зростання струму розряду — він переходить в скований режим.

  За певних умов Д. р. з штучним підігріванням продовжує стійко горіти, коли напругу між електродами знижують до значень, менших не лише іонізаційного потенціалу робочого газу, але і найменшого його потенціалу збудження. Цю форму Д. р. називають низьковольтною дугою. Її існування обумовлене виникненням поблизу катода максимуму потенціалу, що перевищує потенціал анода і близького до першого потенціалу збудження газу, унаслідок чого стає можливою ступінчаста іонізація (див. Іонізація ).

  Самостійний Д. р. Підтримка такого Д. р. здійснюється за рахунок енергії самого розряду. На тугоплавких катодах (вольфрам, молібден, графить) самостійний Д. р. носить чисто термоемісійний характер — бомбардування позитивними іонами нагріває катод до дуже високої температури. Речовина легкоплавкого катода інтенсивно випаровується при Д. р.; випар охолоджує катод, і його температура не досягає значень, при яких розряд може підтримуватися однією термоелектронною емісією — поряд з нею відбувається автоелектронна емісія.

  Самостійний Д. р. може існувати як при украй малому тиску газу (так звані вакуумні дуги), так і при високому тиску. Плазму самостійного Д. р. низького тиску відрізняє нєїзотермічность: іонна температура лише ненамного перевищує температуру нейтрального газу в просторі, що оточує область розряду, тоді як електронна температура досягає десятків тисяч градусів, а у вузьких трубках і при великих струмах — сотень тисяч. Пояснюється це тим, що рухливіші електрони, отримуючи енергію від електричного поля, не встигають передати її важким часткам в рідких зіткненнях.

  В Д. р. високого тиску плазма ізотермічна (точніше — квазіїзотермічна, т. до., хоча температури всіх компонент рівні, температура в різних ділянках стовпа Д. р. не однаковий). Ця форма Д. р. характеризується значною силою струму (від 10 до 10 3 а ) і високою температурою плазми (порядку 10 4 До ). Найбільші температури в такому Д. р. досягаються при охолоджуванні дуги потоком рідини або газу — струмовий канал «охолоджуваної дуги» стає тоншим і при тій же величині струму нагрівається сильніше. Саме цю форму Д. р. називають електричною дугою — під дією направлених ззовні або конвекційних, викликаних самим розрядом, потоків газу струмовий канал Д. р. згинається.

  Катодні плями. Самостійний Д. р. на легкоплавких катодах відрізняє те, що термоавтоеміссия електронів відбувається в нім лише з невеликих ділянок катода — так званих катодних плям. Малі розміри цих плям (менш 10 -2 см ) обумовлені пінч-ефектом — стяганням струмового каналу його власним магнітним полем. Щільність струму в катодній плямі залежить від матеріалу катода і може досягати десятків тисяч а/см 2 . Тому в катодних плямах відбувається інтенсивна ерозія — з них вилітають струмені пари речовини катода із швидкістю порядку 10 6 см/сек . Катодні плями утворюються і при Д. р. на тугоплавких катодах, якщо тиск робочого газу менше приблизно 10 2 мм рт. ст. При вищому тиску термоавтоеміссионний Д. р. з катодними плямами, що хаотично переміщаються по катоду, переходить в термоемісійний Д. р. без катодної плями.

  Вживання Д. р. Д. р. широко застосовується в дугових печах для виплавки металів, в газорозрядних джерелах світла, при електрозварюванню, служить джерелом плазми в плазматронах . Різні форми Д. р. виникають в газонаповнених і вакуумних перетворювачах електричного струму (ртутних випрямлячах струму, газових і вакуумних вимикачах електричних і т.п.). Д. р. з штучним підігріванням катода використовується в люмінесцентних лампах, газотронах, тиратронах, іонних джерелах і джерелах електронних пучків.

  Літ.: Електричний струм в газі. Сталий струм, М., 1971; Кесаєв І. Р., Катодні процеси електричної дуги, М., 1968; Фінкельнбург Ст, Meккep Р., Електричні дуги і термічна плазма, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1961; Енгель А., Іонізованниє гази, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1959; Капцов Н. А., Електричні явища в газах і вакуумі, М-коді.—Л., 1947.

  А. До. Мусин.