Przewodnictwo gazu

Gazy są zwykle dobrymi dielektrykami (np. czyste, niezjonizowane powietrze). Jeśli jednak gazy zawierają wilgoć zmieszaną z cząstkami organicznymi i nieorganicznymi i są jednocześnie zjonizowane, wówczas przewodzą prąd.

We wszystkich gazach, nawet zanim zostanie do nich przyłożone napięcie elektryczne, zawsze znajduje się pewna ilość naładowanych elektrycznie cząstek — elektronów i jonów — które są w losowym ruchu termicznym. Mogą to być naładowane cząstki gazu, jak również naładowane cząstki ciał stałych i cieczy — zanieczyszczenia znajdujące się np. w powietrzu.

Powstawanie cząstek naładowanych elektrycznie w gazowych dielektrykach jest spowodowane jonizacją gazów z zewnętrznych źródeł energii (jonizatory zewnętrzne): promieni kosmicznych i słonecznych, promieniowania radioaktywnego Ziemi itp.

Przewodnictwo elektryczne gazów zależy głównie od stopnia ich jonizacji, co można przeprowadzić na różne sposoby. Ogólnie rzecz biorąc, jonizacja gazów następuje w wyniku uwolnienia elektronów z cząsteczki gazu obojętnego.

Elektron uwolniony z cząsteczki gazu miesza się w przestrzeni międzycząsteczkowej gazu i tutaj w zależności od rodzaju gazu może utrzymywać stosunkowo długą „niezależność” swojego ruchu (przykładowo w takich gazach szok wodorowy H2 , azot n2) lub wręcz przeciwnie, szybko penetrują obojętną cząsteczkę, zamieniając ją w jon ujemny (na przykład tlen).

Największy efekt jonizacji gazów uzyskuje się poprzez naświetlanie ich promieniami rentgenowskimi, katodowymi lub promieniami emitowanymi przez substancje radioaktywne.

Powietrze atmosferyczne latem jest bardzo intensywnie jonizowane pod wpływem promieni słonecznych. Wilgoć w powietrzu skrapla się na swoich jonach, tworząc najmniejsze kropelki wody naładowane elektrycznością. Ostatecznie chmury burzowe, którym towarzyszą błyskawice, powstają z pojedynczych naładowanych elektrycznie kropelek wody, tj. wyładowania elektryczne atmosfery.

Proces jonizacji gazu przez zewnętrzne jonizatory polega na przekazywaniu części energii atomom gazu. W tym przypadku elektrony walencyjne zyskują dodatkową energię i zostają oddzielone od swoich atomów, które stają się dodatnio naładowanymi cząstkami — jonami dodatnimi.

Utworzone wolne elektrony mogą przez długi czas zachować niezależność od ruchu w gazie (na przykład w wodorze, azocie) lub po pewnym czasie przyłączać się do elektrycznie obojętnych atomów i cząsteczek gazu, zamieniając je w jony ujemne.

Pojawienie się cząstek naładowanych elektrycznie w gazie może być również spowodowane uwolnieniem elektronów z powierzchni metalowych elektrod, gdy są one ogrzewane lub wystawione na działanie energii promieniowania.Podczas zaburzonego ruchu termicznego niektóre cząstki naładowane przeciwnie (elektrony) i dodatnio (jony) łączą się ze sobą i tworzą elektrycznie obojętne atomy i cząsteczki gazu. Ten proces nazywa się naprawą lub rekombinacją.

Jeśli objętość gazu jest zamknięta między metalowymi elektrodami (dyskami, kulkami), to po przyłożeniu napięcia elektrycznego do elektrod, siły elektryczne będą działać na naładowane cząstki w gazie - natężenie pola elektrycznego.

Pod działaniem tych sił elektrony i jony będą przemieszczać się z jednej elektrody na drugą, wytwarzając prąd elektryczny w gazie.

Prąd w gazie będzie tym większy, im więcej naładowanych cząstek o różnym dielektryku powstaną w nim w jednostce czasu i tym większą prędkość uzyskują pod działaniem sił pola elektrycznego.

Oczywiste jest, że wraz ze wzrostem napięcia przyłożonego do danej objętości gazu, siły elektryczne działające na elektrony i jony rosną. W tym przypadku prędkość naładowanych cząstek, a tym samym prąd w gazie, wzrasta.

Zmiana wielkości prądu w funkcji napięcia przyłożonego do objętości gazu jest przedstawiona graficznie w postaci krzywej zwanej charakterystyką woltamperową.

Charakterystyka prądowo-napięciowa gazowego dielektryka

Z charakterystyki prądowo-napięciowej wynika, że ​​w obszarze słabych pól elektrycznych, gdy siły elektryczne działające na naładowane cząstki są stosunkowo małe (pole I na wykresie), prąd w gazie rośnie proporcjonalnie do wartości przyłożonego napięcia . W tym obszarze prąd zmienia się zgodnie z prawem Ohma.

W miarę dalszego wzrostu napięcia (obszar II) proporcjonalność między prądem a napięciem zostaje zerwana. W tym obszarze prąd przewodzenia nie zależy od napięcia. Tutaj energia jest gromadzona z naładowanych cząstek gazu - elektronów i jonów.

Przy dalszym wzroście napięcia (obszar III) prędkość naładowanych cząstek gwałtownie wzrasta, w wyniku czego często zderzają się one z cząstkami gazu obojętnego. Podczas tych zderzeń sprężystych elektrony i jony przekazują część zgromadzonej energii cząsteczkom gazu obojętnego. W rezultacie elektrony są usuwane z atomów. W tym przypadku powstają nowe naładowane elektrycznie cząstki: wolne elektrony i jony.

Ze względu na to, że latające naładowane cząstki bardzo często zderzają się z atomami i cząsteczkami gazu, powstawanie nowych cząstek naładowanych elektrycznie zachodzi bardzo intensywnie. Proces ten nazywany jest jonizacją gazu uderzeniowego.

W obszarze jonizacji uderzeniowej (obszar III na rysunku) prąd w gazie gwałtownie rośnie przy najmniejszym wzroście napięcia. Procesowi jonizacji udarowej w gazowych dielektrykach towarzyszy gwałtowny spadek rezystancji skrośnej gazu i wzrost tangens strat dielektrycznych.

Naturalnie gazowe dielektryki mogą być stosowane przy napięciach niższych niż te wartości, przy których zachodzi proces jonizacji uderzeniowej. W tym przypadku bardzo dobrymi dielektrykami są gazy, których rezystancja objętościowa jest bardzo duża (1020 omów)x cm), a tangens kąta strat dielektrycznych jest bardzo mały (tgδ ≈ 10-6).Dlatego gazy, zwłaszcza powietrze, są stosowane jako dielektryki, na przykład w kondensatorach, kablach wypełnionych gazem i wyłączniki wysokiego napięcia.

Rola gazu jako dielektryka w konstrukcjach elektroizolacyjnych

W każdej konstrukcji izolacyjnej powietrze lub inny gaz występuje w pewnym stopniu jako element izolacji. Przewody linii napowietrznych (VL), szyny zbiorcze, zaciski transformatora i różne urządzenia wysokiego napięcia są oddzielone od siebie szczelinami, jedynym medium izolującym, w którym jest powietrze.

Naruszenie wytrzymałości dielektrycznej takich konstrukcji może nastąpić zarówno poprzez zniszczenie dielektryka, z którego wykonane są izolatory, jak iw wyniku wyładowania w powietrzu lub na powierzchni dielektryka.

W przeciwieństwie do przebicia izolatora, które prowadzi do jego całkowitej awarii, wyładowaniu powierzchniowemu zwykle nie towarzyszy uszkodzenie. Dlatego, jeśli konstrukcja izolacyjna jest wykonana w taki sposób, że napięcie nakładania się powierzchni lub napięcie przebicia w powietrzu jest mniejsze niż napięcie przebicia izolatorów, to rzeczywista wytrzymałość dielektryczna takich struktur będzie określona przez wytrzymałość dielektryczną powietrza.

W powyższych przypadkach powietrze jest istotne jako medium gazu ziemnego, w którym znajdują się konstrukcje izolacyjne. Ponadto powietrze lub inny gaz jest często używany jako jeden z głównych materiałów izolacyjnych do izolacji kabli, kondensatorów, transformatorów i innych urządzeń elektrycznych.

Aby zapewnić niezawodne i bezawaryjne działanie konstrukcji izolacyjnych, konieczna jest wiedza o tym, jak różne czynniki wpływają na wytrzymałość dielektryczną gazu, takie jak postać i czas trwania napięcia, temperatura i ciśnienie gazu, charakter pole elektryczne itp.

Zobacz w tym temacie: Rodzaje wyładowań elektrycznych w gazach