§ 31. Типи газового розряду

Розряд у газах може відбуватися по-різному. Це залежить від властивостей і стану газу, особливостей електродів та їх розміщення, прикладеної до електродів напруги. Розрізняють кілька головних розрядів у газах: іскровий, коронний, дуговий і тліючий.

Іскровий розряд. Розглянемо джерело високої напруги, наприклад електронний перетворювач напруги або електрофорну машину. Напруга між їхніми електродами може досягати 25— 30 кВ. Розсунемо електроди джерела високої напруги так, щоб розряд не відбувався. Поки напруга невелика, газовий проміжок між електродами є достатнім ізолятором. Однак за великої напруги достатньо незначної кількості електронів, щоб виникла електронна й іонна лавини. Невелика кількість електронів завжди є у атмосферному повітрі унаслідок різних випромінювань. Збільшуючи напругу на електродах, можна викликати електронну й іонну лавини. У сухому повітрі розряд у вигляді іскри — іскровий розряд — виникає між плоскими електродами, розташованими на відстані 1 см, за напруги близько 30 кВ. Якщо форма електродів кругла чи загострена, у вологому повітрі іскровий розряд може відбуватися за менших напруг і більших відстаней між електродами. У лабораторних умовах іскровий розряд можна одержати, застосовуючи електрофорну машину або високовольтний перетворювач (мал. 2.113).

Гігантським іскровим розрядом є блискавка (мал. 2.114). Під час руху і утворення дощових хмар крапельки ту-

ману електризуються. Негативно заряджені краплі найчастіше скупчуються в нижній частині хмари, а позитивно заряджені — у верхній. Як наслідок, різні хмари й частини хмар можуть бути різнойменно зарядженими. Заряд хмари впливає на вільні заряди, наявні в Землі, і під негативно зарядженою хмарою поверхня Землі, наприклад, набуває позитивного заряду. Коли напруженість поля між хмарою і поверхнею Землі або між двома хмарами і навіть між шарами однієї хмари стає досить великою, відбувається потужний іскровий розряд (мал. 2.115).

Сила струму в блискавці може становити сотні тисяч ампер (зазвичай 100 000—200 000 А), а напруга — сотні мільйонів вольт. Грім, що виникає після блискавки, це наслідок швидкого розширення повітря за рахунок його нагрівання. У каналі блискавки повітря за частки секунди нагрівається до високої температури і швидко розширюється. Це і спричиняє потужні звукові хвилі.

Коронний розряд. Унаслідок виникнення іонної й електронної лавин не завжди з’являється іскровий розряд, може бути й розряд іншого типу — коронний розряд.

Коронний розряд — це самостійний газовий розряд, що виникає в дуже неоднорідних полях. Головною його особливістю є те, що іонізаційні процеси відбуваються лише поблизу електрода з великою кривиною поверхні. Це може бути кінчик

обірваної жили проводу лінії електропередачі, загострене вістря, з’єднане з полюсом джерела високої напруги та ін. Простір біля таких електродів характеризується неоднорідністю і високою напруженістю електричного поля.

Коли напруженість електричного поля досягає граничного для повітря значення (близько 30 кВ/см), навколо електрода виникає слабке світіння у вигляді оболонки або корони (звідси й походить назва). Світіння супроводжується шиплячим звуком та потріскуванням. Можна помітити невеликі іскрові розряди, що поширюються від вістря або кульки електрода.

Коронний розряд можна бачити на дротах й інших частинах високовольтних ліній електропередач (мал. 2.116).

Перед сильними грозами інколи спостерігають “вогні святого Ельма”. Найчастіше таке світіння помічали на щоглах кораблів під час штормів (мал. 2.117). Святий Ельм вважається заступником моряків, а мерехтливі вогники під час бурі — щасливим знаком, що давав команді надію на порятунок. Звідси й походить їхня назва. Вогні святого Ельма — це коронні розряди, що мають форму світних пучків, які виникають на гострих кінцях високих предметів (вежі, щогли, гострі вершини скель, хрести церков, верхівки дерев і навіть кінчики багнетів солдат). Коли наближаються грозові хмари, що несуть великі електричні заряди, виникають сильні електричні поля. Особливо значною стає напруженість електричного поля біля високих і загострених предметів із великою кривиною поверхонь. Це й спричинює появу “вогнів святого Ельма”.

У лабораторних умовах коронний розряд можна одержати на розведених електродах електрофорної машини, загостреному електроді високовольтного джерела напруги.

У лініях електропередачі унаслідок виникнення коронного розряду відбуваються значні втрати електричної енергії. Тому ведеться постійний нагляд за лініями електропередач з метою недопущення утворення коронних розрядів.

Електрична дуга. У 1802 р. вперше було описано дуговий розряд або електричну дугу російським вченим В.В. Петровим (1761 —1834 рр.). Він встановив наступне: якщо зіткнути приєднані до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля, а потім злегка розсунути, то між вуглинами виникне яскраве полум’я, а кінці вуглин розжаряться так, що випромінюватимуть сліпуче світло.

Найпростіший прилад для одержання електричної дуги складається з двох електродів — спеціально виготовлених вугільних стрижнів. Електричну дугу між двома електродами в повітрі за атмосферного тиску утворюють таким чином. У разі збільшення напруги між двома електродами до певного значення в повітрі між ними виникає лавинний розряд — пробій. Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами. Щоб стався пробій електроди наближають один до одного. Для початкової іонізації повітря між електродами і “запалюванням” дуги застосовують місцеве нагрівання електрода (катода), а також підвищення напруженості поля.

Нагрівання електрода забезпечується зведенням на короткий час кінців електродів. При цьому в місці дотику виділяється тепло, що зумовлюється значним опором. З розігрітого катода вилітають електрони. Прискорюючись електричним полем, вони іонізують атоми і молекули газу. Це спричиняє іскровий розряд — пробій. Унаслідок іонізації у проміжку між електродами повітря набуває властивостей провідника. Опір повітряного проміжку між електродами зменшується, а сила струму зростає. За достатньої потужності джерела напруги, іскрові розряди між електродами перетворюються на дуговий розряд.

Сила струму дугового розряду збільшується до десятків ампер. Температура в проміжку між електродами підвищується до 5000 °С і більше. Унаслідок взаємодії електродів із плазмою відбувається їхнє подальше нагрівання, плавлення і випаровування. Найгарячішим є заглиблення, яке утворюється на аноді. Його називають кратером. Для підтримання і запалювання дуги достатньо порівняно невеликої напруги 40—50 В.

Спостерігати дугу можна лише через темне скло. Дуговий розряд являє собою плазмове утворення, яке складається з майже повністю іонізованого газу, і має вигляд дуги (мал. 2.118).

Електрична дуга — джерело дуже потужного теплового, світлового, ультрафіолетового випромінювання. Випромінювання, що виникають під час дугового розряду, можуть викликати опіки шкіри, руйнування сітківки ока. Тому не можна дивитися незахищеними очима на електричну дугу, яка виникає під час електрозварювання різних конструкцій.

Дуговий розряд використовують для зварювання металів. У 1953 р. у Києві було побудовано перший у світі суцільнозварний міст через річку Дніпро довжиною більш як 1,5 км. Безпосередню участь у проектуванні та будівництві моста брав академік, Герой України Є.О. Патон (1870—1953 рр.), іменем якого і названо цю споруду. Українські вчені зробили значний внесок у техніку і технологію електрозварювання. В Україні діє найбільший в світі науково-технічний центр в галузі зварювання та електрометалургії. Його головною організацією є Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона, який з 1953 р. очолює Б.Є. Патон — відомий український вчений в галузі електрозварювання (народився в 1918 р. у м. Києві).

Дуга — потужне джерело світла. Дуговий розряд використовують у прожекторах, проекційних апаратах. Оскільки дуговий

розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти і високою температурою, його використовують в електрометалургії для виплавляння сталі та інших металів.

Тліючий розряд. Ще одним з типів самостійного розряду є тліючий розряд. Тліючий розряд спостерігається в газах за низьких тисків (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпчика) за напруг у сотні і тисячі вольт. Для дослідження тліючого розряду використовують скляну трубку з двома металевими електродами, з якої можна відкачувати повітря. Електроди приєднують до джерела постійного струму з напругою кілька тисяч вольт

(мал. 2.119). Якщо відстань між електродами 20—40 см, розряд не спостерігають. Прикладена напруга, навіть 20—25 кВ, недостатня, щоб відбувся електричний пробій такого газового проміжку. Трубку з’єднують з насосом і починають відкачувати повітря. Коли тиск газу достатньо знизиться, в проміжку між електродами трубки виникає свічення. Спочатку це свічення має вигляд тонкого шнура бузкового кольору. В міру відкачування повітря і зниження тиску в трубці свічення заповнює майже увесь об’єм між анодом і катодом. Коли тиск досягає кількох десятих міліметра ртутного стовпчика розряд виглядає приблизно так, як показано на мал. 2.120.

У тліючому розряді можна виділити дві основні частини: темний катодний простір — проміжок біля катода, в якому немає свічення; світний стовп, що займає майже увесь простір трубки аж до анода. Цю частину розряду називають позитивним або анодним стовпом. За ще менших тисків він поділяється на окремі проміжки — страти.

Щоб зіткнення електрона або іона з нейтральним атомом або молекулою спричинило їх іонізацію, необхідно, щоб

ці частинки мали достатню кінетичну енергію. Відстань між електродами трубки досить велика. Тому навіть за напруги між ними у кілька кіловольт напруженість поля порівняно незначна. Сили електричного поля не встигають розігнати електрони й іони до таких швидкостей, щоб під час зіткнення з нейтральним атомом вони могли вибити з нього електрон. Тому струм у трубці відсутній. У разі зниження тиску (відкачуванні повітря) відстань між атомами і молекулами газу зростає настільки, що вільні електрони й іони, які завжди є в газі, під дією сил електричного поля встигають до зіткнення з атомом набути великих швидкостей. Кінетична енергія цих частинок стає достатньою для іонізації нейтральних атомів. Зіткнення електронів з атомами спричиняє не лише іонізацією, а й випромінювання. Так виникає тліючий розряд.

Майже усе свічення, що спостерігається під час розряду, створює позитивний стовп. Колір свічення залежить від газу, яким заповнена трубка. Трубки з тліючим розрядом широко використовують як джерела світла. Для освітлення застосовують газосвітні лампи, в яких розряд відбувається в парах ртуті. При цьому під час газового розряду утворюється ультрафіолетове випромінювання. Скляні стінки трубки його не пропускають. Зсередини вони вкриті люмінесцентною речовиною, яка ультрафіолетове випромінювання перетворює на біле світло. Такі лампи одержали назву ламп денного світла або енергозберігальні лампи. Вони у кілька разів економіч-

ніші від ламп розжарення: можуть працювати значно довше, споживають менше електроенергії, забезпечуючи яскравіше освітлення (мал. 2.121).

Газосвітні лампи застосовують в декоративних цілях, зокрема в неонових рекламах, в електронних приладах та ін. Трубкам можна надати обриси літер, узорів, різних фігур. Наповнені різними газами вони дають свічення різного кольору. На мал. 2.122 показані відтворені за допомогою газосвітних трубок позначення відповідних газів.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Опишіть як відбувається іскровий розряд.

2.    Що являє собою електрична дуга. Чому для запалення електричної дуги електроди мають контактувати?

3.    Який розряд називають тліючим? Опишіть умови, за яких він відбувається та процес його утворення.

4.    Що являє собою коронний розряд? За яких умов він відбувається?

ЗАСТОСУВАННЯ ГАЗОВОГО РОЗРЯДУ В ТЕХНІЦІ

Різні типи газового розряду та їх наслідки широко використовують і враховують у сучасній електротехніці, радіотехніці та інших галузях техніки і промислового виробництва. У § 31 ви ознайомилися з деякими застосуваннями розряду в газах. Розглянемо ще кілька прикладів застосування різних типів газового розряду.

Іскрова обробка матеріалів. Іскровий розряд широко застосовується у техніці. З його допомогою ініціюють вибухи і процеси горіння, вимірюють високі напруги. Його використовують для високоточної обробки металів.

Якщо відстань між електродами невелика, іскровий розряд викликає специфічне руйнування електродів — ерозію. Це явище використовується в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металів. При зближенні електродів між ними виникає розряд, і електроди поступово руйнуються. Один з електродів — робочий інструмент, а другий — оброблювана заготовка. Електроди занурюють у рідкий діелектрик (дистильована вода, гас). У зоні дії розряду відбувається миттєве закипання рідини, і частина матеріалу руйнується під дією мікровибухів пари робочого середовища. Робочий інструмент, потрібної форми, виготовляють з міді або латуні. Твердість заготовки не має значення. Так, з великою точністю можна виготовляти деталі складної форми, проробляти отвори у найтвердіших металах та їхніх сплавах (мал. 2.123).

Іскровий проміжок використовують як запобіжник від перенапруги в лініях електричних передач (мал. 2.124).

Електричне очищення газів (електрофільтри). Існує безліч виробництв, відходи яких забруднюють атмосферу, зокрема — викиди спалювання палива.

Повітря в скляній посудині, наповненій димом, раптом робиться зовсім прозорим, очищується від часточок диму, якщо внести в неї гострі металеві електроди, з’єднані з елек-трофорною машиною. Причина цього — коронний розряд у газі. На очищенні повітря від речовин, що його забруднюють, за допомогою коронного розряду ґрунтується робота електростатичних фільтрів. Такі фільтри здатні ефективно очищати повітря від самого дрібного пилу, кіптяви, аерозолів. Тому електрофільтри широко використовують у промисловості.

Найчастіше фільтри являють собою набір металевих пластин, між якими натягнуті металеві дротини. Між дротами і пластинами створюється велика напруга (у промислових установках до декількох десятків кіловольтів). На дротинах виникає коронний розряд. Забруднене повітря вентиляторами продувається між пластинами. Частинки пилу іонізуються, притягуються до пластин, перетворюючись на нейтральні атоми осідають на них (мал. 2.125). Час від часу електроди потрібно струшувати.

Можливість виникнення коронного розряду доводиться враховувати під час проектування та прокладання високовольтних ліній електропередач. Унаслідок утворення коронного розряду спостерігаються втрати в передачі електричної енергії. Щоб коронні розряди не виникали, дроти й інші струмопро-відні частини ліній електропередач мають бути певного діаметра.

Важливою галуззю застосування тліючого розряду є газові лазери (мал. 2.126).

Застосування дугового розряду. Унаслідок високої температури електроди дуги випускають сліпуче світло. За цим показником електрична дуга є одним із кращих джерел світла і більш економічна, ніж найкращі лампи розжарення.

Електрична дуга також застосовується для зварювання металевих деталей (дугове електрозварювання). Нині її широко застосовують у промислових електропечах. У світовій промисловості близько 90 % інструментальної сталі і майже всі спеціальні сталі виплавляють в електричних печах.

Цікавим випадком дуги є ртутна дуга, що горить у кварцовій трубці, — так звана кварцова лампа. У цій лампі дуговий розряд відбувається не в повітрі, а в атмосфері ртутної пари, для цього в лампу вводять невелику кількість ртуті, а повітря викачують. Ртутна дуга випромінює надзвичайно багато невидимого ультрафіолетового проміння, що чинить сильний хімічний і фізіологічний вплив. Ртутні лампи широко застосовують під час лікування різних хвороб, а також як потужне джерело ультрафіолетових променів.

Микола Миколайович Бенардос (1842—1905 рр.) — всесвітньо відомий винахідник, творець електричного дугового зварювання. Народився на півдні України (село Бенардо-совка). Навчався в Київському університеті. Починаючи з

1865 р. запатентував понад дві сотні винаходів і проектів. У 1882 р. він запропонував винайдений ним “спосіб з’єднання і роз’єднання металів безпосередньою дією електричного струму”. Йому належить пріоритет у винаході зварювання дугою, зварювання в струмені газу, дугового різання як у звичайних умовах, так і під водою.

Значення для прогресу винаходу М.М. Бенардоса, удосконаленого інженером М. Славяновим, настільки велике, що у 1981 р. за рішенням ЮНЕСКО світовим співтовариством відзначався 100-літній ювілей винайдення зварювання. До цього ювілею у м. Фастові (Київської обл.), де він помер, йому встановлено пам’ятник.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко