Conductibilitatea gazului

Gazele sunt de obicei dielectrice bune (de exemplu, aer curat, neionizat). Cu toate acestea, dacă gazele conțin umiditate amestecată cu particule organice și anorganice și sunt ionizate în același timp, atunci conduc electricitatea.

În toate gazele, chiar înainte de a le aplica o tensiune electrică, există întotdeauna o anumită cantitate de particule încărcate electric - electroni și ioni - care se află în mișcare termică aleatorie. Acestea pot fi particule încărcate de gaz, precum și particule încărcate de solide și lichide - impurități găsite, de exemplu, în aer.

Formarea particulelor încărcate electric în dielectricii gazoși este cauzată de ionizarea gazelor din surse de energie externe (ionizatori externi): razele cosmice și solare, radiațiile radioactive ale Pământului etc.

Conductivitatea electrică a gazelor depinde în principal de gradul de ionizare a acestora, care poate fi realizat în diferite moduri. În general, ionizarea gazelor are loc ca urmare a eliberării de electroni dintr-o moleculă de gaz neutru.

Un electron eliberat dintr-o moleculă de gaz se amestecă în spațiul intermolecular al gazului și aici, în funcție de tipul de gaz, poate menține o „independență” relativ lungă a mișcării sale (de exemplu, în astfel de gaze, șocul cu hidrogen H2). , azot n2) sau, dimpotrivă, pătrund rapid într-o moleculă neutră, transformând-o într-un ion negativ (de exemplu, oxigen).

Cel mai mare efect de ionizare a gazelor se realizează prin iradierea lor cu raze X, cu raze catodice sau cu raze emise de substanțe radioactive.

Aerul atmosferic vara este ionizat foarte intens sub influența razelor solare. Umiditatea din aer se condensează pe ionii săi, formând cele mai mici picături de apă încărcate cu electricitate. În cele din urmă, norii de tunete însoțiți de fulgere se formează din picături individuale de apă încărcate electric, adică. descărcări electrice de electricitate atmosferică.

Procesul de ionizare a gazului de către ionizatori externi este că aceștia transferă o parte din energie atomilor de gaz. În acest caz, electronii de valență câștigă energie suplimentară și sunt separați de atomii lor, care devin particule încărcate pozitiv - ioni pozitivi.

Electronii liberi formați își pot menține independența față de mișcarea într-un gaz pentru o lungă perioadă de timp (de exemplu, în hidrogen, azot) sau, după un timp, se pot atașa de atomi și molecule de gaz neutre din punct de vedere electric, transformându-i în ioni negativi.

Apariția particulelor încărcate electric într-un gaz poate fi cauzată și de eliberarea de electroni de pe suprafața electrozilor metalici atunci când aceștia sunt încălziți sau expuși la energie radiantă.În timpul mișcării termice perturbate, unele dintre particulele încărcate opus (electroni) și încărcate pozitiv (ioni) se unesc între ele și formează atomi și molecule de gaz neutre din punct de vedere electric. Acest proces se numește reparare sau recombinare.

Dacă un volum de gaz este închis între electrozii metalici (discuri, bile), atunci când electrozilor li se aplică o tensiune electrică, forțele electrice vor acționa asupra particulelor încărcate din gaz - puterea câmpului electric.

Sub acțiunea acestor forțe, electronii și ionii se vor deplasa de la un electrod la altul, creând un curent electric într-un gaz.

Curentul din gaz va fi mai mare, cu cât în ​​el se formează mai multe particule încărcate cu dielectric diferit pe unitatea de timp și cu atât o viteză mai mare pe care o dobândesc sub acțiunea forțelor câmpului electric.

Este clar că pe măsură ce tensiunea aplicată unui anumit volum de gaz crește, forțele electrice care acționează asupra electronilor și ionilor cresc. În acest caz, viteza particulelor încărcate și, prin urmare, curentul în gaz crește.

Modificarea mărimii curentului în funcție de tensiunea aplicată volumului de gaz este exprimată grafic sub forma unei curbe numită caracteristică volt-ampere.

Caracteristica curent-tensiune pentru un dielectric gazos

Caracteristica curent-tensiune arată că în regiunea câmpurilor electrice slabe, atunci când forțele electrice care acționează asupra particulelor încărcate sunt relativ mici (aria I din grafic), curentul din gaz crește proporțional cu valoarea tensiunii aplicate. . În această zonă, curentul se modifică conform legii lui Ohm.

Pe măsură ce tensiunea crește în continuare (regiunea II), proporționalitatea dintre curent și tensiune este întreruptă. În această regiune, curentul de conducere nu depinde de tensiune. Aici, energia este acumulată din particulele de gaz încărcate - electroni și ioni.

Odată cu o creștere suplimentară a tensiunii (regiunea III), viteza particulelor încărcate crește brusc, drept urmare ele se ciocnesc adesea cu particulele de gaz neutru. În timpul acestor ciocniri elastice, electronii și ionii transferă o parte din energia lor acumulată către particulele de gaz neutru. Ca rezultat, electronii sunt scoși din atomii lor. În acest caz, se formează noi particule încărcate electric: electroni și ioni liberi.

Datorită faptului că particulele încărcate zburătoare se ciocnesc foarte des cu atomii și moleculele gazului, formarea de noi particule încărcate electric are loc foarte intens. Acest proces se numește ionizare gaz de șoc.

În regiunea de ionizare a impactului (regiunea III din figură), curentul din gaz crește rapid cu cea mai mică creștere a tensiunii. Procesul de ionizare prin impact în dielectricii gazoși este însoțit de o scădere bruscă a rezistenței de volum a gazului și de o creștere a tangenta de pierderi dielectrice.

Desigur, dielectricii gazoși pot fi utilizați la tensiuni mai mici decât acele valori la care are loc procesul de ionizare prin impact. În acest caz, gazele sunt dielectrice foarte bune, unde rezistența specifică de volum este foarte mare (1020 ohmi) x cm) și tangenta unghiului de pierdere dielectrică este foarte mică (tgδ ≈ 10-6).Prin urmare, gazele, în special aerul, sunt utilizate ca dielectrici în condensatoare de exemplu, cabluri umplute cu gaz și întreruptoare de înaltă tensiune.

Rolul gazului ca dielectric în structurile electroizolante

În orice structură izolatoare, aerul sau alt gaz este prezent într-o oarecare măsură ca element de izolație. Conductoarele liniilor aeriene (VL), barele colectoare, terminalele transformatorului și diferitele dispozitive de înaltă tensiune sunt separate între ele prin goluri, singurul mediu izolator în care este aerul.

Încălcarea rigidității dielectrice a unor astfel de structuri poate apărea atât prin distrugerea dielectricului din care sunt fabricați izolatorii, cât și ca urmare a descărcării în aer sau pe suprafața dielectricului.

Spre deosebire de defectarea izolatorului, care duce la defectarea completă a acestuia, descărcarea de suprafață nu este de obicei însoțită de defecțiune. Prin urmare, dacă structura izolatoare este realizată în așa fel încât tensiunea de suprapunere a suprafeței sau tensiunea de rupere în aer să fie mai mică decât tensiunea de rupere a izolatorilor, atunci rezistența dielectrică reală a acestor structuri va fi determinată de rezistența dielectrică a aerului.

În cazurile de mai sus, aerul este relevant ca mediu de gaz natural în care se află structurile izolante. În plus, aerul sau alt gaz este adesea folosit ca unul dintre principalele materiale izolante pentru izolarea cablurilor, condensatoarelor, transformatoarelor și a altor dispozitive electrice.

Pentru a asigura o funcționare fiabilă și fără probleme a structurilor izolatoare, este necesar să se cunoască modul în care diverși factori afectează rezistența dielectrică a unui gaz, cum ar fi forma și durata tensiunii, temperatura și presiunea gazului, natura gazului. câmp electric etc.

Vezi pe acest subiect: Tipuri de descărcări electrice în gaze