Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"

Электрический разряд в газах

Электри'ческий разря'д в га'зах, прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Э. р. в г., причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Э. р. в г. подчиняются Ома закону лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольтамперной характеристики (рис. 1 и 3 ).

  Газы становятся электропроводными при их ионизации . Если Э. р. в г. происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Э. р. в г., продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

  Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе, начинается «тихий разряд». При повышении разности потенциалов (напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок кривой OA на рис. 1 ), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок кривой AB ), и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС ). При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕ на рис. 1 ). В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа и напряжённости электрического поля в пространстве, занимаемом разрядом.

  Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, космические лучи , потоки фотонов (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

  Переход несамостоятельного Э. р. в г. в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Е на кривой рис. 1 ) и называется электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение U₃ называется напряжением зажигания (см. Зажигания потенциал ). В случае однородного поля оно зависит от сорта газа и от произведения давления газа р на расстояние между электродами d (см. рис. 2 и ст. Пашена закон ). Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (несколько мм рт. ст. ). При более высоком давлении (например, при атмосферном) лавинное усиление Э. р. в г. приводит к возникновению электрического пространственного заряда , что меняет характер процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных плазмой ) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются стримерами . Время образования стримеров очень мало (около 10^-7 сек ).

  После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

  Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок в на рис. 3 ), является тлеющий разряд . Главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда, это: 1 – катодное тёмное пространство; 2 — тлеющее свечение; 3 – фарадеево тёмное пространство; 4 — положительный столб. Области 1 —3 находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в которой происходит резкое падение потенциала (катодное падение ), связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1 —2. В области 2 электроны, ускоренные в области 1 , производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

  Стационарность в положительном столбе объясняется взаимной компенсацией процессов образования и потерь заряженных частиц. Образование таких частиц происходит при ионизации атомов и молекул в результате столкновений с ними электронов. К потерям заряженных частиц приводит амбиполярная диффузия к стенке сосуда, ограничивающего разрядный объём, и следующая за этим рекомбинация. Диффузионные потоки, направленные не к стенке, а вдоль разрядного тока, часто ведут к образованию в положительном столбе своеобразных «слоев» (обычно движущихся).

  При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится аномальным (рис. 3 ) и начинается стягивание (контракция) положительного столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется дуговым разрядом . С возрастанием тока электропроводность столба повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер (рис. 3 ). Следует отметить, что хотя он может «гореть» в широком диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается при давлении порядка атмосферного.

  Во всех случаях особую важность представляет участок перехода между столбом разряда и электродами, причём ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная связь между катодом и положительным столбом обеспечивается за счёт сильного катодного падения. В самостоятельном дуговом разряде в результате сильного локального нагрева катода появляются т. н. катодные пятна. В них обычно происходит термоэлектронная эмиссия или более сложная эмиссия электронов из облака испаряющегося материала катода. Процесс эмиссии из катода дугового разряда в настоящее время (1978) ещё не до конца понят и интенсивно исследуется.

  Все рассмотренные выше Э. р. в г. происходят под действием постоянного электрического напряжения. Однако газовые разряды могут протекать и под действием переменного электрического напряжения. Такие разряды имеют стационарный характер, если частота переменного напряжения достаточно высока (или, наоборот, настолько низка, что полупериод переменного напряжения во много раз больше времени установления разряда, так что каждый электрод просто попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером может служить высокочастотный (ВЧ) Э. р. в г. ВЧ-разряд может «гореть» даже при отсутствии электродов (безэлектродный разряд ). Переменное электрическое поле создаёт в определённом объёме плазму и сообщает электронам энергию, достаточную для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла потери заряженных частиц вследствие диффузии и рекомбинации. Внешний вид и характеристики ВЧ-разрядов зависят от рода газа, его давления, частоты переменного поля и подводимой мощности. Элементарные процессы на поверхности твёрдого тела (металла или изолятора разрядной камеры) играют определённую роль только в процессе «поджига» разряда. Стационарный ВЧ-разряд подобен положительному столбу тлеющего разряда.

  Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные) Э. р. в г. Они возникают по большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например у заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов. Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа нестационарного разряда – коронный разряд и искровой разряд .

  При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, потому что сильная неоднородность электрического поля, обусловливающая её, существует только в непосредственной близости от проводов и остриёв. Коронный разряд представляет собой многократно повторяющийся процесс поджига, который распространяется на ограниченное расстояние от проводника – до области, где напряжённость поля уже недостаточна для поддержания разряда. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою. Этот Э. р. в г. имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвляющихся, заполненных ионизованным газом (плазмой), нитей-каналов, которые пронизывают промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла и ярким свечением. Он проходит следующие стадии: резкое умножение числа электронов в сильно неоднородном поле близ проводника (электрода) в результате последовательных актов ионизации, начинаемых немногими, случайно возникшими свободными электронами; образование электронных лавин; переход лавин в стримеры под действием пространственного заряда, когда плотность заряженных частиц в головной части каждой лавины превысит некоторую критическую. Совместное действие пространственного заряда, ионизующих электронов и фотонов в «головке» стримера приводит к увеличению скорости развития разряда. Примером естественного искрового разряда является молния , длина которой может достигать нескольких км, а максимальная сила тока – нескольких сотен тысяч ампер.

  К настоящему времени (1970-е гг.) все виды Э. р. в г. исследуются и применяются во многих областях науки и техники. Тлеющий, дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении газовых лазеров . Плазматроны , в которых основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых полупроводников и металлов. Мощные плазматроны используются в качестве реакторов в плазмохимии . На применении искрового разряда основаны прецизионные методы электроискровой обработки . При фокусировке лазерного светового излучения происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный ВЧ-разряду и искре), называется лазерной искрой. Мощные, сильноточные разряды в водороде служили первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу .

  В системе естественных наук изучение Э. р. в г. занимает место в физике плазмы. При Э. р. в г. образуется низкотемпературная плазма, для которой характерна малая степень ионизации. В отличие от высокотемпературной (полностью ионизованной) плазмы, в низкотемпературной плазме атомы или молекулы нейтрального газа играют важную роль. Электроны, ионы и нейтральные частицы «мягко» взаимодействуют. Вследствие этого может возникнуть термодинамически неравновесная ситуация, при которой электроны, ионы и нейтральный газ имеют разные температуры. Эта ситуация ещё более усложняется, если в балансе энергии Э. р. в г. нельзя пренебречь световым излучением (например, в сильноточных дуговых разрядах). В таких случаях низкотемпературную плазму необходимо описывать с помощью кинетической теории плазмы.

  Лит.: Энгель А., Штенбек М., Физика и техника электрического разряда в газах, пер. с нем., т. 1—2, М. – Л., 1935—1936; Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Капцов Н. А., Электроника, 2 изд., М., 1956; Мик Дж. М., Крэгс Дж., Электрический пробой в газах, пер. с англ., М., 1960; Браун С., Элементарные процессы в плазме газового разряда, [пер. с англ.], М., 1961; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред. С. В. Дресвина, М., 1972; Райзер Ю. П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974.

  М. Штеенбек, Л. Ротхардт (ГДР).

Рис. 3. Вольамперная характеристика разряда: аб – несамостоятельного лавинного; бвг – тлеющего; гд – дугового.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика тихого разряда.

Рис. 2. Кривые Пашена для различных газов. По оси абсцисс отложены произведения p × d в мм рт. ст . × мм , по оси ординат – напряжение пробоя U₃ в вольтах .

Электрический ракетный двигатель

Электри'ческий раке'тный дви'гатель (ЭРД), ракетный двигатель (РД), в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата (обычно солнечные или аккумуляторные батареи). Достоинство ЭРД – в их высоком удельном импульсе (удельной тяге) благодаря большой скорости истечения рабочего тела (РТ), достигающей 10—100 км/сек. По удельному импульсу ЭРД многократно превосходят химические ракетные двигатели , у которых скорость истечения РТ не превышает 4,5 км /сек. По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические, электростатические (ионные, коллоидные) и электромагнитные (плазменные).

  В электротермических РД электрическая энергия используется для нагрева РТ с целью обращения его в газ с температурой 1000—5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В качестве РТ используются вещества с малой молекулярной массой (например, водород, аммиак, гидразин), нагреваемые при помощи поверхностных нагревателей (рис. 1 ), дугового разряда (рис. 2 ) или (в экспериментальных ЭРД) высокочастотного электромагнитного поля. Удельный импульс электротермического РД составляет 1,5—10 (кн ·сек )/кг, плотность тяги (отношение тяги к поперечному сечению реактивной струи) 0,3—3 Мн/м², время работы от нескольких ч до нескольких сотен ч.

  В электростатическом (ионном) РД вначале производится ионизация РТ, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объёмного заряда и, истекая, создают тягу (рис. 3 ). Различают электростатические РД с поверхностной ионизацией и объёмной ионизацией (электронным ударом); в качестве РТ в первых используется легко ионизируемый цезий, во вторых – любые вещества с большой атомной массой (например, висмут). Вместо ионов в электростатических РД могут ускоряться заряженные (например, за счёт контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли. Такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 10—20 кв (для ионных РД – 2—7 кв ) при плотности тока в несколько ма/см². Удельный импульс электростатических РД 15—100 (кн ·сек )/кг, плотность тяги 30—50 н/м², время работы – 1 год и более.

  В электромагнитном РД рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещенных электрическом и магнитном полях. Различают ЭРД с внешним и собственным магнитным полем. К первым относятся классические Е-Н ускорители плазмы и т. н. холловские ЭРД с замкнутым дрейфом электронов; во-вторых, магнитное поле создаётся током, протекающим в ускоряемой плазме; они подразделяются на импульсные и квазистационарные ЭРД. Рабочий цикл импульсного ЭРД соответствует периоду электрического пробоя РТ (обычно фторопласта), при котором создаётся плазма; начальный потенциал пробоя – несколько кв, удельный импульс 40—100 (кн ·сек )/кг, плотность тяги 10^-9 —10^-8н/м², число циклов ЭРД достигает 1 млн. В квазистационарном ЭРД с целью создания сильного магнитного поля через РТ пропускается ток силой в десятки ка и напряжением в десятки в. Удельный импульс составляет 30—50 (кн ·сек )/кг, плотность тяги несколько кн/м², время работы – десятки ч. О типах плазменных ЭРД и методах создания плазмы в них см. в ст. Плазменные ускорители .

  Ограниченное применение ЭРД связано с необходимостью большого расхода электроэнергии (10—100 квт на 1 н тяги). Из-за наличия бортовой энергоустановки (и др. вспомогательных систем), а также из-за малой плотности тяги аппарат с ЭРД имеет малое ускорение. Поэтому ЭРД могут быть использованы только в космических летательных аппаратах (КЛА), совершающих полёт либо в условиях слабых гравитационных полей, либо на околопланетных орбитах. Они применяются для ориентации, коррекции орбит КЛА и др. операций, не требующих больших затрат энергии. Электростатические, плазменные холловские и др. ЭРД рассматриваются как перспективные в качестве основных двигателей КЛА. Из-за малой отбрасываемой массы РТ время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА.

  Идея использования электрической энергии для получения тяги выдвигалась ещё К. Э. Циолковским и другими пионерами космонавтики. В 1916—17 Р. Годдард (США) подтвердил опытами реальность этой идеи. В 1929—33 В. П. Глушко (СССР) создал экспериментальный ЭРД. В 1964 в СССР на КЛА типа «Зонд» испытаны плазменные импульсные РД, в 1966—71 на КЛА «Янтарь» – ионные РД, в 1972 на КЛА «Метеор» – плазменные квазистационарные РД. Различные типы ЭРД испытаны начиная с 1964 в США: в баллистическом, а затем в космическом полёте (на аппаратах АТС, СЕРТ-2 и др.). Работы в этой области ведутся также в Великобритании, Франции, ФРГ, Японии.

  Лит.: Корлисс У. Р., Ракетные двигатели для космических полетов, пер. с англ., М., 1962; Штулингер Э., Ионные двигатели для космических полетов, пер. с англ.. М., 1966; Гильзин К. А., Электрические межпланетные корабли, 2 изд., М., 1970; Гуров А. Ф., Севрук Д. Д., Сурнов Д. Н., Конструкция и расчет на прочность космических электроракетных двигателей, М., 1970; Фаворский О. Н., Фишгойт В, В., Янтовский Е. И., Основы теории космических электрореактивных двигательных установок, М., 1970; Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П., Электрические ракетные двигатели, М., 1975.

  Ю. М. Трушин.

Рис. 3. Схема электростатического (ионного) двигателя: 1 – подвод рабочего тела; 2 – ионизатор; 3 – пучок ионов; 4 – фокусирующий электрод; 5 – ускоряющий электрод; 6 – замедляющий электрод; 7 – нейтрализатор; 8 – основной источник энергии; 9 – вспомогательный источник энергии.

Рис. 1. Схема электротермического двигателя с поверхностным нагревателем: 1 – подвод рабочего тела; 2 – камера нагрева и сопло (вольфрам); 3 – нагревающий элемент (вольфрамовая проволока): 4 – опора нагревающего элемента. Рис. 2. Схема электротермического двигателя с нагревом при помощи дугового разряда: 1 – подвод рабочего тела; 2 – катод (вольфрам); 3 – анод (вольфрам); 4 – сопло (вольфрам); 5 – резьбовая втулка.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"