Электри́ческие разря́ды в га́зах (газовые разряды), прохождение электрического тока через газы, сопровождающееся возникновением и поддержанием ионизованного состояния газа под действием электрического поля. Термин «разряд» возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, содержащую газовый промежуток, что происходит, когда напряжение превышает порог пробоя промежутка. Ныне термин употребляют в более широком смысле.

Существует много видов электрических разрядов в газах в зависимости от характера приложенного поля (постоянное, переменное, импульсное, ВЧ, СВЧ электрическое поле), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п.

Разряды в постоянном поле

Законы прохождения электрического тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; лишь в редких случаях они подчиняются закону Ома. Их электрические свойства описывают вольт-амперной характеристикой. Если в стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом, ввести два электрода, подключённые к источнику постоянного напряжения, то даже при небольшом напряжении ${(V\,<\,100\,В)}$ сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока, порядка ${10^{–15} А}$. Ток создаётся «вытягиванием» полем на электроды зарядов, образующихся под действием космических лучей и естественной радиоактивности. Если облучать газ рентгеновским или радиоактивным источником, ток повысится до ${10^{–6} А}$. Вольт-амперная характеристика газовых разрядов.Вольт-амперная характеристика газовых разрядов.При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответствует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внешним источником) – участок ${AB}$ на рисунке.

Такие разряды и ток, которые существуют только при действии постороннего ионизующего агента или, например, благодаря электронной эмиссии, вызванной накаливанием катода, называются несамостоятельными.

При некотором напряжении, зависящем от рода газа, давления ${p}$ и расстояния между электродами ${d}$, происходит пробой газа и зажигается самостоятельный разряд, который не нуждается в постороннем источнике ионизации. Пробой газа начинается от случайных или искусственно впрыскиваемых начальных электронов, которые набирают в электрическом поле энергию, а затем теряют её на возбуждение и ионизацию атомов. В результате ионизации вместо одного энергичного электрона появляются два медленных, они снова набирают энергию и т. д. – развивается электронная лавина. За ${10^{–7}–10^{–3}}$ с ток возрастает на несколько порядков.

Дальнейший ход процесса зависит от ряда условий. При небольших давлениях (${10^{–1}–10}$ мм ртутного столба) и очень большом электрическом сопротивлении внешней цепи, ограничивающем ток величиной ${10^{–6}}$ А, зажигается тёмный (таунсендовский) разряд (участок ${BC}$); при несколько меньших сопротивлениях – тлеющий разряд (участок ${DEF}$). Для последнего характерны ток ${10^{–6}–10^{–1} А}$ (в трубках радиуса около ${1 см}$) и напряжение ${10^{2}–10^{3} В}$. При большом межэлектродном расстоянии образуется однородный светящийся столб (положительный столб разряда), представляющий собой плазму. Плазма тлеющего разряда неравновесная, электронная температура ${\textit{Т}_{е}≈ (1–3)·10^{4}\: К}$ значительно больше газовой температуры ${\textit{Т} ≈ 300–1000\: К}$; степень ионизации плазмы тлеющего разряда низкая (${10^{–8}–10^{–6}}$), в ${10^{2}–10^{4}}$ раз меньше термодинамически равновесной, отвечающей $\textit{Т}_{е}$.

Если давление порядка атмосферного, сопротивление малó, а источник тока мощный, то вскоре после пробоя зажигается дуговой разряд (дуга), для которого характерны сильный ток, низкое напряжение (${10–100 В}$) (участок ${GH})$, ярко светящийся столб. В дуге выделяется большая мощность, поэтому длительно поддерживать дугу в замкнутом сосуде можно только при специальном охлаждении. Дугу часто зажигают в открытом воздухе. В дуговом разряде плазма чаще всего равновесная, с ${\textit{Т}_{е}≈ 10^{4}\: К}$ и соответствующей таким температурам степенью ионизации. Какой разряд образуется после пробоя, зависит от давления, напряжения и сопротивления.

Среди стационарных самостоятельных разрядов в постоянном поле наиболее важные и распространённые – тлеющий и дуговой. Они различаются механизмами катодной эмиссии, обеспечивающей возможность протекания постоянного тока, поскольку основными носителями тока являются электроны. В тлеющем разряде катод холодный. Электроны вырываются из него положительными ионами (и фотонами). В дуговом разряде катод разогревается сильным током и происходит термоэлектронная эмиссия. В резко неоднородных полях, усиленных около острий, проводов линий электропередачи, возникает коронный разряд (корона) – самостоятельный и слаботочный. Среди быстротечных сильноточных разрядов особенно важен искровой разряд. Он возникает обычно при давлении около ${1 \,атм}$, ${d > 1–5 \,см}$ и достаточно высоком напряжении, превышающем напряжение зажигания короны, если поле сильно неоднородное. Искровой пробой газа происходит в результате возникновения и быстрого развития тонких плазменных каналов от одного электрода к другому (стримеров и лидеров); затем получается как бы короткое замыкание цепи высокопроводящим искровым каналом. Одна из форм искрового разряда – молния. В коронном и искровом разрядах катодная эмиссия особой роли не играет.

Разряды в переменных полях

В большинстве разрядов в быстропеременных полях роль электродных процессов несущественна, потому эти разряды можно классифицировать по состоянию плазмы разряда и по частоте электрического поля. По характеру ионизационного состояния газа в разряде можно различить пробой, поддержание электрическим полем неравновесной плазмы, поддержание равновесной плазмы. По частоте электрического поля, вызывающего газовые разряды, выделяют: низкочастотные и не слишком кратковременные импульсные разряды; высокочастотные разряды с частотами поля ${10^{5}–10^{8} Гц}$; сверхвысокочастотные разряды с частотами поля ${10^{9}–10^{11} Гц}$; оптические разряды от далёкого ИК- до УФ-диапазона.

Применения

Газовые разряды применяют в различных газоразрядных приборах (в том числе в разрядных источниках света, электронных диодах с газовым наполнением, тиратронах, ртутных выпрямителях, озонаторах), в качестве стабилизаторов напряжения в счётчиках Гейгера, в антенных переключателях, магнитогидродинамических генераторах. Широко используются электродуговая сварка, электродуговые печи для плавки металлов, дуговые коммутаторы. Получили большое распространение генераторы плотной равновесной низкотемпературной плазмы с ${T ≈ 10^{4}\:К}$, ${p ≈ 1 \, атм}$ – плазмотроны (дуговые, индукционные, СВЧ). В них продуванием холодного газа через соответствующий разряд получают плазменную струю. Тлеющий и ёмкостный высокочастотный разряды используют для создания активной среды в лазерах различной мощности – от мВт до многих кВт, в плазмохимии. Эти и другие многочисленные приложения, а также использование результатов исследований электрических разрядов в газах в технике высоких напряжений поставило физику газового разряда в ряд наук, которые служат фундаментом современной техники.