Дуговой разряд
 
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
 

Дуговой разряд

Дуговой разряд, один из типов стационарного электрического разряда в газах. Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо в 1808—09 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда был дугообразно изогнут, что и обусловило название Д. р.

загрузка...

  Формированию Д. р. предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами — разрядном промежутке. Длительность этого процесса (время установления Д. р.) обычно ~ 10-6—10-4 сек в зависимости от давления и рода газа, длины разрядного промежутка, состояния поверхностей электродов и т.д. Д. р. получают, ионизуя газ в разрядном промежутке (например, с помощью вспомогательного, так называемого поджигающего электрода). В др. случаях для получения Д. р. разогревают один или оба электрода до высокой температуры либо раздвигают сомкнутые на короткое время электроды. Д. р. может также возникнуть в результате пробоя электрического разрядного промежутка при кратковременном резком повышении напряжения между электродами. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим Д. р., является искровой разряд.

  Типичные параметры Д. р. Для Д. р. характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа — от менее 10-5 мм рт. ст. до сотен атм; разность потенциалов между электродами Д. р. может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт (высоковольтный Д. р.). Д. р. может протекать не только при постоянном, но и при переменном напряжении между электродами. Однако полупериод переменного напряжения обычно намного больше времени установления Д. р., что позволяет рассматривать каждый электрод в течение одного полупериода как катод, а в следующем полупериоде — как анод. Отличительными особенностями всех форм Д. р. (тесно связанными с характером эмиссии электронов из катода в этом типе разряда) являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение в Д. р. обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 в); плотность тока на катоде составляет 102—107 а/см2. При столь большой плотности тока сила тока в Д. р. обычно также велика — порядка 1—10 a и выше, а в некоторых формах Д. р. достигает многих сотен и тысяч ампер. Однако существуют и Д. р. с малой силой тока (например, Д. р. с ртутным катодом может гореть при токах 0,1 a и ниже).

  Электронная эмиссия в Д. р. Коренное отличие Д. р. от др. типов стационарного электрического разряда в газе заключается в характере элементарных процессов, происходящих на катоде и в прикатодной области. Если в тлеющем разряде и отрицательном коронном разряде имеет место вторичная электронная эмиссия, то в Д. р. электроны вылетают из катода в процессах термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии (называется также туннельной эмиссией). Когда в Д. р. происходит только первый из этих процессов, его называют термоэмиссионным. Интенсивность термоэмиссии определяется температурой катода; поэтому для существования термоэмиссионного Д. р. необходимо, чтобы катод или отдельные его участки были разогреты до высокой температуры. Такой разогрев осуществляют, подключая катод к вспомогательному источнику энергии (Д. р. с внешним накалом; Д. р. с искусственным подогревом). Термоэмиссионный Д. р. возникает и в том случае, когда температуру катода в достаточной степени повышают удары положительных ионов, образующихся в разрядном промежутке и ускоряемых электрическим полем по направлению к катоду. Однако чаще при Д. р. без искусственного подогрева интенсивность термоэлектронной эмиссии слишком мала для поддержания разряда, и значительную роль играет процесс автоэлектронной эмиссии. Сочетание этих двух видов эмиссии носит название термоавтоэмиссии.

  Автоэлектронная эмиссия из катода требует существования у его поверхности сильного электрического поля. Такое поле в Д. р. создаётся объёмным зарядом положительных ионов, удалённым от катода на расстояние порядка длины свободного пробега этих ионов (10-6—10-4 см). Расчёты показывают, что автоэлектронная эмиссия не может самостоятельно поддерживать Д. р. и всегда в той или иной степени сопровождается термоэлектронной эмиссией. Вследствие сложности исследования процессов в тонком прикатодном слое при высоких плотностях тока экспериментальных данных о роли автоэлектронной эмиссии в Д. р. накоплено ещё недостаточно. Теоретический же анализ пока не может удовлетворительно объяснить все явления, наблюдаемые в различных формах Д. р.

  Связь между характеристиками Д. р. и процессами эмиссии. Слой, в котором возникает электрическое поле, вызывающее автоэлектронную эмиссию, настолько тонок, что не создаёт большого падения разности потенциалов у катода. Однако для того чтобы это поле было достаточно сильным, плотность объёмного заряда ионов у катода, а следовательно, и плотность ионного тока должны быть велики. Термоэлектронная эмиссия также может происходить при малой кинетической энергии ионов у катода (т. е. при малом катодном падении), но требует в этих условиях высокой плотности тока — катод нагревается тем сильнее, чем больше число бомбардирующих его ионов. Т. о., отличительные черты Д. р. (малое катодное падение и высокая плотность тока) обусловлены характером прикатодных процессов.

  Плазма Д. р. Разрядный промежуток Д. р. заполняет плазма, состоящая из электронов, ионов, нейтральных и возбуждённых атомов и молекул рабочего газа и вещества электродов. Средние энергии частиц различного сорта в плазме Д. р. могут быть разными. Поэтому, говоря о температуре Д. р., различают ионную температуру, электронную температуру и температуру нейтральной компоненты. В случае равенства этих температур плазму называют изотермической.

  Несамостоятельный Д. р. Несамостоятельным называется Д. р. с искусственным подогревом катода, поскольку поддержание такого разряда нельзя осуществить за счёт его собственной энергии: при выключении внешнего источника накала он гаснет. Разряд легко зажигается без вспомогательных поджигающих электродов. Повышение напряжения такого Д. р. вначале усиливает его ток до величины, определяемой интенсивностью термоэлектронной эмиссии из катода при данной температуре накала. Затем вплоть до некоторого критического напряжения ток остаётся почти постоянным (так называемый свободный режим). Когда напряжение превышает критическое, характер эмиссии из катода меняется: существенную роль в ней начинают играть фотоэффект и вторичная электронная эмиссия (энергия положительных ионов становится достаточной для выбивания электронов из катода). Это приводит к резкому возрастанию тока разряда — он переходит в несвободный режим.

  При определённых условиях Д. р. с искусственным подогревом продолжает устойчиво гореть, когда напряжение между электродами понижают до значений, меньших не только ионизационного потенциала рабочего газа, но и наименьшего его потенциала возбуждения. Эту форму Д. р. называют низковольтной дугой. Её существование обусловлено возникновением вблизи катода максимума потенциала, превышающего потенциал анода и близкого к первому потенциалу возбуждения газа, вследствие чего становится возможной ступенчатая ионизация (см. Ионизация).

  Самостоятельный Д. р. Поддержание такого Д. р. осуществляется за счёт энергии самого разряда. На тугоплавких катодах (вольфрам, молибден, графит) самостоятельный Д. р. носит чисто термоэмиссионный характер — бомбардировка положительными ионами нагревает катод до очень высокой температуры. Вещество легкоплавкого катода интенсивно испаряется при Д. р.; испарение охлаждает катод, и его температура не достигает значений, при которых разряд может поддерживаться одной термоэлектронной эмиссией — наряду с ней происходит автоэлектронная эмиссия.

  Самостоятельный Д. р. может существовать как при крайне малых давлениях газа (так называемые вакуумные дуги), так и при высоких давлениях. Плазму самостоятельного Д. р. низкого давления отличает неизотермичность: ионная температура лишь ненамного превышает температуру нейтрального газа в пространстве, окружающем область разряда, в то время как электронная температура достигает десятков тысяч градусов, а в узких трубках и при больших токах — сотен тысяч. Объясняется это тем, что более подвижные электроны, получая энергию от электрического поля, не успевают передать её тяжёлым частицам в редких столкновениях.

  В Д. р. высокого давления плазма изотермична (точнее — квазиизотермична, т. к., хотя температуры всех компонент равны, температура в разных участках столба Д. р. не одинакова). Эта форма Д. р. характеризуется значительной силой тока (от 10 до 103 а) и высокой температурой плазмы (порядка 104 К). Наибольшие температуры в таком Д. р. достигаются при охлаждении дуги потоком жидкости или газа — токовый канал «охлаждаемой дуги» становится тоньше и при той же величине тока нагревается сильнее. Именно эту форму Д. р. называют электрической дугой — под действием направленных извне или конвекционных, вызванных самим разрядом, потоков газа токовый канал Д. р. изгибается.

  Катодные пятна. Самостоятельный Д. р. на легкоплавких катодах отличает то, что термоавтоэмиссия электронов происходит в нём лишь с небольших участков катода — так называемых катодных пятен. Малые размеры этих пятен (менее 10-2 см) обусловлены пинч-эффектом — стягиванием токового канала его собственным магнитным полем. Плотность тока в катодном пятне зависит от материала катода и может достигать десятков тысяч а/см2. Поэтому в катодных пятнах происходит интенсивная эрозия — из них вылетают струи паров вещества катода со скоростью порядка 106 см/сек. Катодные пятна образуются и при Д. р. на тугоплавких катодах, если давление рабочего газа меньше примерно 102 мм рт. cт. При более высоких давлениях термоавтоэмиссионный Д. р. с хаотически перемещающимися по катоду катодными пятнами переходит в термоэмиссионный Д. р. без катодного пятна.

  Применения Д. р. Д. р. широко применяется в дуговых печах для выплавки металлов, в газоразрядных источниках света, при электросварке, служит источником плазмы в плазматронах. Различные формы Д. р. возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрического тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных выключателях электрических и т.п.). Д. р. с искусственным подогревом катода используется в люминесцентных лампах, газотронах, тиратронах, ионных источниках и источниках электронных пучков.

  Лит.: Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Кесаев И. Г., Катодные процессы электрической дуги, М., 1968; Финкельнбург В., Meккep Г., Электрические дуги и термическая плазма, пер.(перевод) с нем.(немецкий), М., 1961; Энгель А., Ионизованные газы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1959; Капцов Н. А., Электрические явления в газах и вакууме, М.—Л., 1947.

  А. К. Мусин.