11 класс
§ 12. Различные типы самостоятельного разряда. Плазма
Тлеющий разряд.
Электроны могут приобрести энергию, необходимую для совершения ионизации, не только при увеличении напряжения между электродами, но, как следует из формулы 
, и за счет увеличения длины свободного пробега электронов. Этого можно достигнуть путём разрежения газа.
Для наблюдения разряда в разреженных газах удобно использовать стеклянную трубку длиной около полуметра с двумя электродами (анодом А и катодом К) и с патрубком для откачивания воздуха (рис. 2.21).
Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт (электрической машине или высоковольтному выпрямителю). Если мы начнём откачивать воздух из трубки, то вскоре появится ток, что можно обнаружить по свечению воздуха в трубке. При давлении порядка 100 мм рт. ст. между электродами возникает разряд в виде светящейся змейки (в воздухе — малинового цвета, в других газах — иных цветов), соединяющей оба электрода. По мере дальнейшей откачки воздуха светящаяся змейка расширяется, и свечение постепенно заполняет почти всю трубку.
При давлении порядка 1—2 мм рт. ст. и ниже наблюдается тлеющий разряд.
В нём отчётливо выделяются четыре области (рис. 2.22): а — катодное тёмное пространство; б — тлеющее (отрицательное) свечение; в — фарадеево тёмное пространство; г — положительный столб разряда. Первые три области находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда.
Тлеющий разряд применяют в трубках для рекламы. Например, оранжево-красное свечение возникает при наполнении трубки неоном (рис. 2.23).
В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в газовых лазерах.
Коронный разряд.
При атмосферном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (около остриёв, проводов линий высокого напряжения и т. д.), наблюдается разряд, светящаяся область которого часто напоминает корону. Поэтому его называют коронным. Плотность заряда на поверхности проводника тем выше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна, поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле. Когда его напряжённость превысит 3 ∙ 10 6 В/м, наступает газовый разряд. При такой большой напряжённости ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении.
Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов (например, верхушках деревьев, мачт кораблей) вспыхивают похожие на кисточки конусы света. C давних времён это свечение называют огнями святого Эльма.
При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода. Для того чтобы уменьшить потери в линии электропередачи (ЛЭП), связанные с коронным разрядом, каждый провод в ЛЭП с напряжением 500 кВ расщепляют на три. В более высоковольтных ЛЭП каждый провод расщепляют на несколько составляющих.
Искровой разряд.
При большой напряжённости электрического поля между электродами (около 3 ∙ 10 6 В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд. При этом в газе появляются каналы ионизированного газа — стримеры, имеющие вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей. Нити пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется значительное количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повышается. Расширяясь, газ излучает звуковые волны, сопровождающие разряд. После пробоя разрядного промежутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вследствие его ионизации резко возрастает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т. д. В образовании искрового разряда наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.
В технике искровой разряд используют, например, для зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для электроискровой обработки металлов и др.
Пример гигантского искрового разряда — молния (рис. 2.24).
Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землёй. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землёй — миллиарда вольт. Продолжительность молниевых разрядов составляет от миллионной доли секунды до нескольких секунд, а их протяжённость — от сотен метров до сотен километров.
Дуговой разряд.
Электрический разряд в воздухе при атмосферном давлении можно получить и при небольшой разности потенциалов между электродами. Если в качестве электродов взять два угольных стержня, привести в соприкосновение и приложить напряжение 30—50 В, то по получившейся замкнутой цепи будет протекать сильный ток. Так как в месте соприкосновения электродов сопротивление велико, то в соответствии с законом Джоуля — Ленца здесь выделяется наибольшее количество теплоты, и концы угольных стержней раскаляются. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними возникает столб ярко светящегося газа — электрическая дуга 1 (рис. 2.25).
1 Электрическая дуга может возникнуть не только между угольными, но и между металлическими электродами.
Проводимость газа в этом случае высока и при атмосферном давлении, так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико. Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах — нескольких сотен ампер при разности потенциалов всего лишь порядка 50 В. Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. В. В. Петровым.
Высокая температура катода при горении дуги поддерживается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается из-за соударений молекул с ионами и электронами, ускоряемыми внешним электрическим полем. Поэтому происходит термическая ионизация газа. Нa положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубление — кратер. Температура в кратере при атмосферном давлении достигает 4000 °C, а при давлении 2 ∙ 106 Пa — превышает 7000 °C.
Дуговой разряд имеет разнообразные технические применения. В 1876 г. русский инженер Павел Николаевич Яблочков (1847—1894) впервые применил его для уличного освещения. В настоящее время дуговой разряд используют в качестве источника света в прожекторах, проекционных и киноаппаратах, маяках. В электрометаллургии для плавки металлов применяют электропечи (рис. 2.26), в которых источником энергии является дуговой разряд.
На электрической дуге основана сварка металлических деталей — дуговая электросварка. Её технология была разработана русскими изобретателями Николаем Николаевичем Бенардосом (1842—1905) в 1885 г. и Николаем Гавриловичем Славяновым (1854 —1897) в 1890 г. Электросварка находит применение в машиностроении, при прокладке трубопроводов, при строительстве зданий, мостов и других сооружений.
Плазма.
Вещество в области газового разряда находится в особом агрегатном состоянии, называемом плазмой. Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Плазма в целом является электрически нейтральной системой.
Слабоионизированной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы — ионосфера. Солнце, горячие звёзды и некоторые межзвёздные облака — это полностью ионизированная плазма, которая образуется при высокой температуре.
Низкотемпературной принято считать плазму с температурой T = 105 К, а высокотемпературной — с T ≈ 106 - 108 К и более. Это условное разделение связано с особой важностью использования высокотемпературной плазмы в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (УТС).
Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать её как особое четвёртое агрегатное состояние вещества. Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда. Ионизация атомов межзвёздной среды производится излучением звёзд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли, образуя радиационные пояса Земли и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния (рис. 2.27).
Вопросы:
1. При каких условиях возникает:
а) тлеющий разряд;
б) коронный разряд;
в) искровой разряд;
г) дуговой разряд?
2. Где используют тлеющий разряд?
3. Приведите примеры проявления коронного разряда.
4. Как возникает молния?
5. Какие технические применения находит дуговой разряд?
6. Что называют плазмой? Какими свойствами она обладает?
Вопросы для обсуждения:
1. Почему электроскоп, находящийся недалеко от пламени газовой горелки, разряжается очень быстро?
2. Если баллон неоновой лампы потереть, то можно заметить, что лампа некоторое время светится. Почему?
3. Почему катод электронной лампы быстро разрушается, если внутри её находится небольшое количество воздуха?
