Дуговой разряд

ДУГОВОЙ РАЗРЯД, самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 0,01-1 Па (10-4-10-2 мм ртутного столба), при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Для дугового разряда характерны высокая плотность тока на катоде (102-108 А/см²) и низкое катодное падение потенциала, не превышающее эффективный потенциал ионизации среды в разрядном промежутке. Впервые дуговой разряд между двумя угольными электродами в воздухе наблюдали в 1802 году В. В. Петров и независимо от него в 1808 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков изогнут дугообразно, отсюда и названия - дуговой разряд, электрическая дуга.

Для большинства дуговых разрядов при большой плотности тока на катоде возникает малое очень яркое пятно, перемещающееся по всей поверхности катода. Температура в пятне может достигать температуры кипения (или возгонки) материала катода. Значительная роль в механизме поддержания тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного объёмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Поскольку этот слой очень тонкий (меньше длины свободного пробега электрона), он создаёт высокую напряжённость поля у поверхности катода, особенно у микронеоднородностей, поэтому существенными оказываются и автоэлектронная эмиссия, и термоавтоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока и «перескоки» пятна с точки на точку создают условия для взрывной электронной эмиссии.

От зоны катодного падения потенциала до анода расположен так называемый положительный столб. На аноде обычно формируется яркое анодное пятно, в котором температура поверхности почти такая же, как и в катодном. В некоторых видах дугового разряда при токах в десятки ампер на катоде и аноде возникают факелы в виде плазменных струй, вылетающих с большой скоростью перпендикулярно поверхности электродов. При токах 100-300 А возникают добавочные факелы, образуя пучок плазменных струй. Нагретый до высокой температуры и ионизованный газ в столбе представляет собой плазму. Электропроводность плазмы может быть очень высокой, но обычно она на несколько порядков ниже электропроводности металлов.

При концентрации заряженных частиц более 10¹⁸ см^-3 состояние плазмы иногда можно считать близким к равновесному. При меньших плотностях, вплоть до 10¹⁵ см^-3, может возникнуть состояние локального термодинамического равновесия (ЛТР), когда в каждой точке плазмы все статистические распределения близки к равновесным при одном значении температуры, которая различна в разных точках. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного и определяется составом плазмы и скоростями радиационных процессов. При ограниченных размерах столба дугового разряда даже в плотной плазме на оси столба состояние ЛТР нарушается за счёт радиационных потерь. Это выражается в сильном отклонении состава плазмы и населённостей возбуждённых уровней от их равновесных значений. Кинетика плазмы в столбе дугового разряда при высоких плотностях определяется в основном процессами соударений, а по мере снижения плотности (удаления от оси) всё большую роль играют радиационные процессы.

Диаметр столба дугового разряда определяется условиями баланса возникающей и теряемой энергии. С ростом тока или давления меняются механизмы потерь, обусловленные теплопроводностью газа, амбиполярной диффузией, радиационными процессами и др. При таких сменах может происходить самосжатие (контракция) столба (смотри Контрагированный разряд).

В зависимости от условий горения дугового разряда его параметры меняются в широких пределах. Классический пример дугового разряда - разряд постоянного тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от 1 А до сотен ампер, расстояние между электродами от миллиметров до нескольких сантиметров, температура плазмы около 7000 К, температура анодного пятна около 3900 К.

Дуговой разряд применяется как лабораторный источник света и в технике (дуговые угольные лампы). Дуговой разряд с угольным анодом, просверлённым и заполненным исследуемыми веществами, используется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т.п. Дуговой разряд применяется в плазмотронах, дуговых печах для выплавки металлов, при электросварке, в различных электронных и осветительных приборах. Так называемая вакуумная дуга, которая зажигается в вакууме и горит в парах металла, испарившегося с катода, используется в вакуумных высоковольтных выключателях.

Лит.: Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968; Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М., 1971; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд. М., 1992.