ГАЗДАРДАҒЫ ЭЛЕКТР РАЗРЯДТАРЫ, газдық разрядтар – электр тогының газ күйін өзгерте отырып осы газды орта арқылы өтуі. Газдың бастапқы күйін анықтайтын шарттардың көптігі (құрамы, қысымы т.б.), газға, материалдарға, электродтардың пішіні мен орналасуына, газда пайда болатын электр өрісінің сырт көрінісіне сыртқы ықпалдар газдардағы электр разрядтарының түрлерінің көп болуына әкеп соқтырады, сонымен қатар олардың заңдары электр тогының металдардан және электролиттен өтуі кезіндегі заңдармен салыстырғанда күрделі болады. Газдардағы электр разрядтары сырттан аз потенциалдар айырымы түсірілгенде ғана Ом заңына бағынады, сондықтан электр разрядтарының қасиеттері вольтамперлік сипаттамалар бойынша айғақталады.
Газда металл мен сұйықтағыдай еркін зарядтар (электрондар мен иондар) болмайды. Газдар негізінен, бейтарап атомдар мен молекулалардан құралғандықтан, олар қалыпты жағдайда электр тогын өткізбейтін диэлектриктер болып табылады. Сондықтан газдағы электр тогы металл өткізгіштер мен электролиттердегі токқа мүлде ұқсамайтын ерекше құбылыстар тудырады. Газдар иондалу нәтижесінде электрөткізгіштік қасиетке ие болады. Егер газдардағы электр разрядтары тек сыртқы әсерлер (сыртқы иондауыш) арқылы тудырылатын болса, ол тәуелді разряд деп аталады. Сыртқы иондауыш әсерін тоқтатқаннан соң да газдағы разряд жалғаса беретін болса, ол тәуелсіз дербес разряд делінеді.
179
Газдағы анод пен катод арасындағы потенциалдар айырымы аз шама болған кездегі тәуелді разряд тыныш (тынық) разряд деп аталған. Потенциалдар айырымы (U) артқан кезде тыныш разрядтың ток күші (і) ең алдымен кернеуге пропорционал артады (1-сызбада, ОА қисық сызығы), сонан соң токтың артуы баяулайды
(АВ қисық сызығы) және уақыт бірлігінде иондау-
1-сызба. Тыныш разрядтың вольт-амперлік сипатта- ыш әсерінен пайда болған зарядталған бөлшектердің масы барлығы, әлгі уақыт аралығында катод пен анодқа
«сіңіп» кеткенде кернеу артқанмен ток күші артпайды (ВС аралығы). Кернеу әрі қарай артқан кезде ток қайтадан артады және тыныш разряд тасқынды тәуелсіз разрядқа ауысады (СЕ аралығы). Газ қысымы атмосфералық қысыммен теңескен кезде тыныш разряд пайда болады. Сыртқы иондауыш ретінде радиоактивтік сәулелер, ғарыштық сәулелер, жарық, шапшаң электрондар шоқтары, т.б. пайдаланылады. Тәуелді разрядтардың дербес разрядқа ауысуы электр тогының шұғыл күшеюімен сипатталады (Е нүктесі) және газдың электрлік тесіп өтуі деп аталады. Бұған сәйкес кернеу оталдыру кернеуі (Uоm) деп аталған. Егер газдың қысымы төмен болса (бірнеше мм сынап бағанына тең) электрлік тесіп өтуден соң солғын разряд пайда болады.
Жоғары қысымда (мысалы, атмосфералық қысымда) газдағы электр разрядының тасқынды күшеюі кеңістіктік зарядтың пайда болуына әкеп соқтырады, бұл тесіп өту үрдісінің (процесінің) сипатын өзгертеді. Электродтар аралығында осындай бір немесе бірнеше жіңішке өткізгіш (плазмаға толған) арналар пайда болады, бұлар стримерлер (ағылшын сөзі) деп аталған. Стримерлердің пайда болу уақыты өте қысқа мерзімге (жуық шамамен 10–7 сек) тең. Қысқа мерзімді ауысу үрдісінен кейін газдың дербес разряды тұрақ- ты разрядқа ауысады. Әдет- те бұл разряд жабық (тұйық) оқ- шауланған ыдыста (әйнек неме- се керамика) жүзеге асырылады.
Газдағы ток екі электродтың: теріс зарядты катод пен оң зарядты анодтың аралығында өтеді. Төменгі қысымда және аз ток күшімен (2-сызбадағы в 2-сызба. Разрядтың вольт-амперлік сипаттамасы:
аб – тасқынды тәуелді; бвг – солғын (қалыпты және
аралығы) өтетін газ разрядының аномалды); гд – доғалық (ток ампер өлшеммен)
негізгілерінің бірі – солғын разряд. Солғын разрядты сипаттайтын төрт аймақ: катодтық к ү ң г і р т к е ң і с т і к, солғын (немесе теріс) жарқыл, фарадейлік к ү ң- г і р т к е ң і ст і к, о ң б а ғ а н. Осылардың алғашқы үш аймағы катодқа жақын орналасып, разрядтың катодтық бөлігін құрайды, бұл аймақтарда кенеттен потенциалдар түсуі (катодтық түсу) байқалады.
Разрядтауыш ток артқан кезде қалыпты солғын разряд аномальды (ауытқыған) болады да оң бағанға топтала бастайды. Баған ыдыстың қабырғасынан ажырайтын болады, онда зарядталған бөлшектердің қосымша шығындалу үрдісі басталады (көлемдегі рекомбинация). Бұл құбылыстың тууына зарядталған бөлшектердің тығыздығының артуы себеп болады. Разрядтауыш ток арта түскенде катодтағы ток катодтық даққа топталады және катодтық потенциал шұғыл түрде төмендейді де солғын разряд доғалық разрядқа секірісті түрде ауысады. Бағанның электрөткізгіштігі жоғарылайды, вольт-амперлік сипаттама төмендейді (г нүктесі). Доғалық разряд газдың кең алқапты қысымында «оталғанымен» қолданыста атмосфералық қысымда жүзеге асырылады.
Жоғарыда қарастырылған газдардағы электр разрядтары тұрақты токтың әсерлерінен жүзеге асырылған. Газ разрядтары айнымалы электр кернеуінің әсерімен де жүзеге асады. Бұл разрядтардың тұрақты сипаты болуы үшін айнымалы кернеудің жиілігі жеткілікті жоғары болуы тиіс (немесе керісінше, айнымалы кернеудің жарты периоды разрядтың пайда болуынан қаншалықты артық болса, айнымалы кернеудің жиілігі соншалықты төмен болады, әрбір электродтың алмакезек катод және анод болуы қажет. Бұл разрядқа жоғары жиілікті разряд мысал бола алады. Жоғары жиілікті разряд электродтар жоқ болса да «оталатын» болады. Бұл электродсыз разряд деп аталған. Айнымалы электр өрісі белгілі көлемде плазма тудырады және зарядталған бөлшектердің диффузия мен рекомбинация салдарынан шығындаған энергиясының орнын толтыру мақсатында, электродтардың иондауға жұмсаған энергиясы үшін, оларға энергия береді. Жоғары жиілікті разрядтардың сыртқы пішіні мен сипаттамасы газдың тегіне, оның қысымына, айнымалы өрістің жиілігіне және әсер етуші қуатқа тәуелді болады. Тұрақты жоғары жиілікті разрядтың бағаны солғын разрядтың бағанына ұқсас.
Негізгі сипаттамалары уақытқа тәуелді болмайтын орныққан разрядтан өзге орнықпаған электрлік разрядтар да болады. Олар әдетте күшті біртексіз өрістерде, мысалы, ұштары үшкірленген өткізгіштер мен электродтарда пайда болады. Әлгіндей денелердің төңірегінде өрістің кернеулігінің шамасы және оның біртексіздігі соншалықты үлкен болғандықтан6 газ молекулалары электрондардың соққысынан иондалады. Орнықпаған разрядтың маңыздылары – тәж разряды мен ұшқындық разряд.
181 Тәж разряды кезіндегі иондалу тесіп өтуге жол бермейді, себебі электр өрісінің күшті біртексіздігі өткізгіш пен үшкірленген ұштыққа жақын орналасады. Тәж разряды көптеген рет қайталанбалы оталу болып табылады. Ұшқындық разрядтың тәж разрядынан айырмашылығы сол, ол тесіп өтуге әкеп соқтырады. Бұл разряд үзік-үзік жарық иір-иір (зигзак) тарамдалған иондалған газ толған жіп секілді арналарға ұқсас түрде болады. Ұшқындық разряд кезінде көп мөлшерлі жылу бөлінеді және өте күшті жарқырайтын болады.
Ұшқындық разрядқа ұзындығы бірнеше километрге созылатын, ток күші бірнеше жүздеген А болатын найзағай табиғи мысал болады. Газдардағы электр разрядтарының барлық түрлері зерттелуде және газ лазерлерін қоздыру кезінде пайдаланылады. Доғалық немесе жоғары жиілікті разрядтар плазматрондардың негізгі жұмыстық үрдістерінің (процестерінің) ең бастысы болып табылады. Ұшқындық разрядтар электрлік-ұшқындық өңдеулердің өте дәл әдістерінің негізіне алынған. Лазерлік жарық сәулені фокустау кезінде ауаны тесіп өту және электродсыз разрядталу (жоғары жиілікті разрядқа және ұшқынға ұқсас) пайда болады. Сутегіндегі қуатты күшті токты разрядтар басқарылмалы термоядролық синтезге бағытталған алғашқы кадамдар болды.
Газдардағы электр разрядтарын зерттеу плазма физикасында ерекше орын алған. Осы электр разряды кезінде төменгі температуралы плазма пайда болады, бұл плазманың иондалу дәрежесі аз. Осы плазманың жоғары температуралы (түгелдей иондалған) плазмадан айырмашылығы сол, төменгі температуралы плазмадағы бейтарап газдың атомдарының немесе молекулаларының маңызы зор. Бейтарап бөлшектердің электрондары, иондары (сол сәтте) өзара «жұмсақ» әсерлесе алады. Осының нәтижесінде термодинамикалық тепе-теңсіздік жайттың тууы мүмкін, сол кезде электрондардың, иондардың және бейтарап газдың температуралары әртүрлі болады.