Понятие электрического разряда в газах включает все случаи перемещения в газах под действием электрического поля заряженных частиц (электронов и ионов), возникших в результате ионизационных процессов. Обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в нем свободных зарядов — электронов и ионов.
Газ, состоящий только из нейтральных молекул, совершенно не проводит электрического тока, т. е. является идеальным диэлектриком. В реальных условиях за счет воздействия естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение Солнца, космические лучи, радиоактивное излучение Земли и т. п.) в газе всегда имеется некоторое количество свободных зарядов — ионов и электронов, которые сообщают ему определенную электропроводность.
Мощность естественных ионизаторов очень мала: в результате их воздействия в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в каждом кубическом сантиметре, что соответствует приращению объемной плотности зарядов ро=1,6-19 Кл/(см3 х с). Такое же количество зарядов подвергается ежесекундно рекомбинации. Числе зарядов в 1 см3 воздуха при этом остается постоянным и равным 500—1000 парам ионов.
Таким образом, если к пластинам плоского воздушного конденсатора с расстоянием S между электродами приложить напряжение, то в цепи установится ток, плотность которого J=2poS = 3,2х10-19 S А/см2.
Применение искусственных ионизаторов во много раз увеличивает плотность тока в газе. Например, при освещении газового промежутка ртутно-кварцевой лампой плотность тока в газе возрастает до 10 - 12 А/см2, при наличии искрового разряда вблизи ионизируемого объема создаются токи порядка 10-10 А/см2 и т. д.
Рассмотрим зависимость тока, проходящего через газовый промежуток с однородным электрическим полем, от величины приложенного напряжения (рис. 1).
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика газового разряда
Вначале по мере увеличения напряжения ток в промежутке возрастает за счет того, что все большее количество зарядов попадает под действием электрического поля на электроды (участок OA). На участке АВ ток практически не меняется, так как все образующиеся за счет внешних ионизаторов заряды попадают на электроды. Величина тока насыщения Is определяется интенсивностью воздействующего на промежуток ионизатора.
При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает (участок ВС), что свидетельствует об интенсивном развитии процессов ионизации газа под действием электрического поля. При напряжении U0 происходит резкое увеличение тока в промежутке, который при этом теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник.
Явление, при котором между электродами газового промежутка возникает канал высокой проводимости, называют электрическим пробоем (пробой в газе часто называют электрическим разрядом, имея в виду весь процесс образования пробоя).
Электрический разряд, соответствующий участку ОАВС характеристики, называют несамостоятельным, так как на этом участке ток в газовом промежутке определяется интенсивностью воздействующего ионизатора. Разряд на участке после точки С называют самостоятельным, так как ток разряда на этом участке зависит только от параметров самой электрической цепи (ее сопротивления и мощности источника питания) и для его поддержания не требуется образования заряженных частиц за счет внешних ионизаторов. Напряжение Uo при котором начинается самостоятельный разряд, называют начальным напряжением.
Формы самостоятельного разряда в газах в зависимости от условий, в которых протекает разряд, могут быть различными.
При малых давлениях, когда из-за небольшого числа молекул газа в единице объема промежуток не может приобрести большую проводимость, возникает тлеющий разряд. Плотность тока при тлеющем разряде невелика (1—5 мА/см2), разряд охватывает все пространство между электродами.
Рис. 2. Тлеющий разряд в газе
При давлениях газа, близких к атмосферному и выше, в случае, если мощность источника питания невелика или напряжение прикладывается к промежутку на короткое время, имеет место искровой разряд. Примером искрового разряда является разряд в виде молнии. При длительном действии напряжения искровой разряд имеет вид искр, последовательно возникающих между электродами.
Рис. 3. Искровой разряд
В случае значительной мощности источника питания искровой разряд переходит в дуговой, при котором через промежуток может протекать ток, достигающий сотен и тысяч ампер. Такой ток способствует разогреву канала разряда, увеличению его проводимости, и в результате происходит дальнейшее увеличение тока. Так как этот процесс требует для своего завершения некоторого времени, то при кратковременном приложении напряжения искровой разряд в дуговой не переходит.
Рис. 4. Дуговой разряд
В резконеоднородных полях самостоятельный разряд начинается всегда в виде коронного разряда, который развивается только в той части газового промежутка, где напряженность поля наиболее высока (около острых краев электродов). При коронном разряде между электродами не возникает сквозного канала высокой проводимости, т. е. промежуток сохраняет свои изолирующие свойства. При дальнейшем увеличении приложенного напряжения коронный разряд переходит в искровой или дуговой.
Коронный разряд — вид стационарного электрического разряда в газе достаточной плотности, возникающего в сильном неоднородном электрическом поле. Ионизация и возбуждение нейтральных частиц газа лавинами электронов локализованы в ограниченной зоне (чехол короны или зона ионизации) сильного электрического поля вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Бледноголубое или фиолетовое свечение газа в зоне ионизации по аналогии с ореолом солнечной короны дало повод к названию данного вида разряда.
Помимо излучения в видимой, ультрафиолетовой (главным образом), а также в более коротковолновой частях спектра, коронный разряд сопровождается движением частиц газа от коронирующего электрода — т. н. «электрическим ветром», шелестящим шумом, иногда радиоизлучением, химия, реакциями (например, образованием озона и окислов азота воздуха).
Рис. 5. Коронный разряд в газе
Закономерности возникновения электрического разряда в различных газах одинаковы, разница заключается в значениях коэффициентов, характеризующих процесс.