Газовый разряд

Форма и взаимное расположение электродов, режим их работы (подвод мощности, характер охлаждения и другие параметры) определяют тип протекающего в них разряда. Каждому типу соответствует определенное состояние ионизированного газа, который характеризуется температурой, электропроводностью, спектрами излучения и поглощения и т. п. Более того, оказывается, что состояние некоторого элемента ионизированного газа для конкретного типа разряда существенно зависит от того, в какой области разрядного промежутка содержится этот элемент, и от его расстояния до электрода.

В связи с этим различают не только типы разрядов, но и области разрядного промежутка, принадлежащих к тому же типу разряда.

Тлеющий разряд

Самым простым и наиболее изученным типом разряда, в котором газ находится в неравновесном состоянии, является тлеющий разряд. Он наблюдается в газах при низких давлениях (около 103 Па и меньше).

Тлеющим разрядом называют самостоятельный разряд, в котором освобождения электронов из катода происходит в результате бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.

В отличие от газа катодной части разряда, газ положительного столба характеризуется высокой степенью пространственной однородности параметров. Характерной особенностью положительного столба является то, что отношение напряженности электрического поля к плотности газа и средняя энергия электронов устанавливаются независимо от силы тока, проходящего во время разряда, и от приложенного к электродам напряжения.

Разряд в молекулярном газе

Разряд в атомарном газе значительно отличается от разряда в молекулярном газе. Это связано с наличием в них колебательных и вращательных степеней свободы. Наличие этих дополнительных степеней свободы определяет основные свойства разряда в молекулярных газах и делает широкое применение разряда этого типа в различных лазерных, плазмохимических и других установках.

Создание неуравновешенного состояния молекулярного газа с помощью газового разряда позволяет применять его для ускорения химических реакций.

Ведущая роль в исследованиях подобного рода принадлежит ученым Физического института (Москва), которые работали под руководством академика Г. Басова (р. 1922 г.). Например, ими было изучено прохождения в неравновесных условиях реакции окисления азота, который используется для получения достаточно важного компонента многих химико-технологических процессов - азотной кислоты. В равновесных условиях эта реакция может происходить только при нагревании смеси азота и кислорода до температуры более 1000 С, что требует энергетических затрат около 20 эВ в расчете на одну образовавшуюся молекулу NО. При неравновесном колебательном возбуждении газа в условиях газового разряда затраты энергии уменьшаются почти в семь раз. Газоразрядная технология извлечения оксида азота широко внедрена в химическое производство.

Восстановление оксида углерода

Примером химического процесса, осуществление которого в неравновесных условиях газового разряда может дать значительный экономический эффект, является процесс восстановления оксида углерода с углекислого газа

2СО2 = 2СО + О2.

Эта реакция достаточно важна для развития водородной энергетики, поскольку оксид углерода может быть использован при синтезе из воды водорода как топлива, продукты сгорания которого совсем не вредны для окружающей среды. В равновесных условиях СО2 активно распадается при температурах газа около 3-4 тыс. градусов, и на добычу одной молекулы СО нужно затратить энергию более 12 эВ. При газовом разряде энергетические затраты в два раза меньше. Технология разложения углекислого газа с помощью газового разряда разрабатывалась на основе исследований, выполненных в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва) под руководством академика В. А. Лекеросиновая (1936).

Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!

Тест по теме «Газовый разряд»