Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

заряды. Например, в темном катодном пространстве оказывается больше положительных зарядов — ионов, потому что электроны значительно легче ионов и электрические силы «выметают» их быстрее, чем ионы. В результате число ионов преобладает над числом электронов и в данном месте возникает положительный пространственный заряд.

Возникают пространственные заряды и в других частях разряда.

Сказанного достаточно для того, чтобы понять сложность поведения зарядов в тлеющем разряде.

Тлеющий разряд привлекает внимание многих ученых. Он давно поставлен на службу человеку. Поэтому, когда вы слышите слова «тлеющий разряд», не думайте, что плазма этого разряда способна только «тлеть», не принося никакой пользы. Нет, она способна «работать» ничуть не меньше и не хуже, чем плазма других, более мощных разрядов.

Коронный разряд

Современная техника часто пользуется электрическими напряжениями в десятки и в сотни тысяч вольт. Появление устройств на такие напряжения столкнуло специалистов с интересным явлением. Оно выражалось в том, что около металлических деталей, особенно заостренных, находящихся под высоким напряжением, появлялся светящийся слой ионизированного газа — своеобразная корона. Сомнений быть не могло: на этих деталях возникал электрический разряд.

Разряд этот без всякого на то «разрешения» расходовал драгоценные киловатт-часы электроэнергии, мешал правильной работе тех или иных установок.

Чтобы успешно бороться с каким-либо вредным явлением, нужно хорошо его изучить. Ученые справились с этой задачей, и сейчас с коронным разрядом не только успешно борются, но и в определенных случаях заставляют его приносить пользу.

Что же удалось узнать про коронный разряд?

Оказывается, этот разряд возникает только тогда, когда электрическое поле в разрядном промежутке очень неравномерно, искажено. Для этого один или оба электрода должны быть заострены, или, как говорят, должны иметь малый радиус кривизны. Кроме того, в отличие от тлеющего разряда давление газа должно быть достаточно большим.

Предположим, мы решили получить коронный разряд в воздухе. Для этого возьмем обыкновенный шаровой разрядник, в котором один шар заменим конусообразным острием.

Подключив к этим электродам источник высокого напряжения, начнем постепенно увеличивать напряжение, приложенное к разрядному промежутку.

Амперметр, еще до появления разряда, покажет очень небольшой ток. Это возник так называемый тихий разряд. Электрические силы, появившиеся в пространстве катод — анод, создали движение ионов и электронов-одиночек, возникающих, например, под влиянием космических лучей. Тихий разряд почти невидим, в нем еще нет плазмы.

Но вот прибавили напряжение. На острие появляется светящаяся точка. С ростом напряжения она все больше и больше увеличивается, все ярче и ярче начинает светиться. Этот слой плазмы с острыми язычками, прилепившийся к электроду, и есть корона.

Около острия электрические силовые линии сгущены, поле здесь сильнее действует на заряженные частицы. Благодаря этому электроны оказываются в состоянии ионизировать газ и образовывать лавины зарядов. Вне коронирующего слоя ионизации газа нет.

Как же там образуется ток? Кто выполняет роль переносчиков зарядов?

Делают это ионы, либо положительные, либо отрицательные, в зависимости от того, какой электрод коронирует. Коронный разряд, полученный по схеме, изображенной на рисунке, возникает у катода, так как именно катод заострен. В непосредственной близости от острия в светящемся слое плазмы происходит ионизация молекул и атомов газа. Положительные ионы притягиваются к острию, а электроны устремляются за пределы плазмы к шару-аноду. Они «прилипают» к нейтральным молекулам и образуют отрицательные ионы. Эти ионы и являются переносчиками зарядов в сторону анода.

Если оба электрода заострены, то в разрядном промежутке образуется встречное движение ионов того и другого знака.

Коронный разряд потребляет ток небольшой величины. Если увеличивать напряжение, питающее коронный разряд, то между электродами начнут прыгать искры. Коронный разряд переходит в искровой или даже в дуговой.

Однако может быть и так: если электроды размещены близко друг от друга или если они не заострены, то никакими ухищрениями коронный разряд получить не удастся. При достаточно большом напряжении сразу начнется искровой разряд. Или дуговой, если источник тока обладает необходимой мощностью.

Знание законов возникновения и существования коронного разряда позволило создать аппараты и приборы, которые стали выполнять работу, недоступную другим видам электрических разрядов.

Плазма в переменном поле

До сих пор мы говорили о разрядах, питаемых током постоянным. Электроды при этих разрядах имеют вполне определенное назначение. Один из них — катод — служит «пристанью» для положительных зарядов, а второй — анод — для отрицательных. Существующее между ними электрическое поле действует на заряды в одном определенном направлении и с вполне определенной силой. «Узор» силовых линий в нем почти неизменен.

Ученые задались вопросом: что будет, если разрядную трубку питать не постоянным, а переменным током? Будет ли в этом случае возникать плазма, а если и будет, то чем она отличается от плазмы, полученной при постоянном токе?

Сейчас на все эти вопросы наукой получены ответы, хотя в целом высокочастотные разряды пока исследованы меньше, чем разряды на постоянном токе.

Когда трубка подключена к источнику переменного тока, электроды непрерывно меняются своими ролями. Если в данный момент один электрод, например, левый, является катодом, а второй, правый, — анодом, то тотчас с переменой направления тока на обратное левый электрод станет анодом, а правый — катодом. Такая смена «ролей» происходит с той частотой, с какой изменяется направление тока в цепи.

От частоты и зависит поведение плазмы в разряде.

Если трубка питается током низкой частоты, не превышающей, скажем, 500 герц, то разряд почти ничем не отличается от разряда на постоянном токе. Заряды при каждой вспышке разряда успевают перестроиться и на короткое время найти «положенные» места. Правда, наблюдая за разрядом, мы не увидим ни катодных, ни анодных его частей, потому что наш глаз воспринимает свечение как прямого, так и обратного разряда. А специальные приборы — стробоскопы — позволяют рассматривать разряд в течение каждого полупериода изменения тока.

Но картина резко меняется, если частота питающего тока достигает сотен тысяч и миллионов герц. Обычно этот ток вырабатывают специальные ламповые генераторы, или, иными словами, генераторы радиоволн.

Ток в разрядном промежутке настолько быстро изменяется по величине и направлению, что заряженные частицы, особенно ионы, не успевают занимать положенные места и лишь совершают колебания под действием быстропеременных электрических сил.

Такой высокочастотный разряд имеет свои особенности, свой «рельеф».

В тлеющем высокочастотном разряде, например, положительный столб занимает середину трубки. С обеих его сторон располагается по одному темному фарадееву пространству, а около каждого электрода можно увидеть катодные части разряда. Создается впечатление, что из двух обычных разрядов на постоянном токе получили один высокочастотный.

В тлеющем разряде на постоянном токе большую роль играли электроны, выбитые из катода. Здесь этого нет. Катод почти