Gasledningsförmåga

Gaser är vanligtvis bra dielektrika (t.ex. ren, icke-joniserad luft). Men om gaserna innehåller fukt blandad med organiska och oorganiska partiklar och joniseras samtidigt så leder de elektricitet.

I alla gaser, även innan en elektrisk spänning appliceras på dem, finns det alltid en viss mängd elektriskt laddade partiklar – elektroner och joner – som är i slumpmässig termisk rörelse. Dessa kan vara laddade partiklar av gas, såväl som laddade partiklar av fasta ämnen och vätskor - föroreningar som till exempel finns i luften.

Bildandet av elektriskt laddade partiklar i gasformiga dielektrika orsakas av gasjonisering från externa energikällor (externa jonisatorer): kosmiska och solstrålar, radioaktiv strålning från jorden, etc.

Gasernas elektriska ledningsförmåga beror huvudsakligen på graden av deras jonisering, vilket kan utföras på olika sätt. I allmänhet sker jonisering av gaser som ett resultat av frigörandet av elektroner från en neutral gasmolekyl.

En elektron som frigörs från en gasmolekyl blandas i gasens intermolekylära utrymme, och här kan den, beroende på typen av gas, upprätthålla ett relativt långt "oberoende" av sin rörelse (till exempel i sådana gaser, vätechocken H2 , kväve n2) eller tvärtom snabbt penetrera en neutral molekyl och omvandla den till en negativ jon (till exempel syre).

Den största effekten av jonisering av gaser uppnås genom att bestråla dem med röntgenstrålar, katodstrålar eller strålar som emitteras av radioaktiva ämnen.

Atmosfärisk luft på sommaren joniseras mycket intensivt under påverkan av solljus. Fukt i luften kondenserar på dess joner och bildar de minsta vattendroppar laddade med elektricitet. Så småningom bildas åskmoln åtföljda av blixtar av enskilda elektriskt laddade vattendroppar, d.v.s. elektriska urladdningar av atmosfärisk elektricitet.

Processen för gasjonisering av externa jonisatorer är att de överför en del av energin till gasatomerna. I det här fallet får valenselektronerna ytterligare energi och separeras från sina atomer, som blir positivt laddade partiklar - positiva joner.

De bildade fria elektronerna kan bibehålla sitt oberoende från rörelse i en gas under lång tid (till exempel i väte, kväve) eller efter en tid fästa sig vid elektriskt neutrala atomer och gasmolekyler och förvandla dem till negativa joner.

Uppkomsten av elektriskt laddade partiklar i en gas kan också orsakas av att elektroner frigörs från ytan på metallelektroder när de värms upp eller utsätts för strålningsenergi.Medan de befinner sig i störd termisk rörelse förenas några av de motsatt laddade (elektronerna) och positivt laddade (jonerna) partiklarna med varandra och bildar elektriskt neutrala atomer och gasmolekyler. Denna process kallas reparation eller rekombination.

Om en volym gas är innesluten mellan metallelektroder (skivor, kulor), då när en elektrisk spänning appliceras på elektroderna, kommer elektriska krafter att verka på de laddade partiklarna i gasen - den elektriska fältstyrkan.

Under inverkan av dessa krafter kommer elektroner och joner att flytta från en elektrod till en annan, vilket skapar en elektrisk ström i en gas.

Strömmen i gasen blir större, ju fler laddade partiklar med olika dielektrikum bildas i den per tidsenhet och desto högre hastighet får de under inverkan av de elektriska fältkrafterna.

Det är tydligt att när spänningen som appliceras på en given volym gas ökar, ökar de elektriska krafterna som verkar på elektroner och joner. I detta fall ökar hastigheten för de laddade partiklarna och därför strömmen i gasen.

Förändringen av strömmens storlek som funktion av spänningen som appliceras på gasvolymen uttrycks grafiskt i form av en kurva som kallas volt-ampere-karakteristiken.

Ström-spänningskarakteristik för ett gasformigt dielektrikum

Ström-spänningskarakteristiken visar att i området med svaga elektriska fält, när de elektriska krafterna som verkar på de laddade partiklarna är relativt små (area I i grafen), ökar strömmen i gasen i proportion till värdet av den pålagda spänningen . På detta område ändras nuvarande enligt Ohms lag.

När spänningen ökar ytterligare (region II), bryts proportionaliteten mellan ström och spänning. I denna region beror inte ledningsströmmen på spänningen. Här ackumuleras energi från laddade gaspartiklar - elektroner och joner.

Med en ytterligare ökning av spänningen (region III) ökar hastigheten för laddade partiklar kraftigt, vilket resulterar i att de ofta kolliderar med neutrala gaspartiklar. Under dessa elastiska kollisioner överför elektroner och joner en del av sin ackumulerade energi till neutrala gaspartiklar. Som ett resultat tas elektroner bort från sina atomer. I det här fallet bildas nya elektriskt laddade partiklar: fria elektroner och joner.

På grund av att de flygande laddade partiklarna kolliderar väldigt ofta med gasens atomer och molekyler sker bildningen av nya elektriskt laddade partiklar mycket intensivt. Denna process kallas chockgasjonisering.

I stötjoniseringsområdet (region III i figuren) ökar strömmen i gasen snabbt med den minsta ökningen av spänningen. Slagjoniseringsprocessen i gasformiga dielektrika åtföljs av en kraftig minskning av gasens volymmotstånd och en ökning av dielektrisk förlusttangens.

Naturligtvis kan gasformiga dielektrika användas vid spänningar som är lägre än de värden där stötjoniseringsprocessen sker. I detta fall är gaser mycket bra dielektrika, där den volymspecifika resistansen är mycket hög (1020 ohm)x cm) och tangenten för den dielektriska förlustvinkeln är mycket liten (tgδ ≈ 10-6).Därför används gaser, särskilt luft, som dielektrikum i exempelvis kondensatorer, gasfyllda kablar och högspänningsbrytare.

Gasens roll som dielektrikum i elektriska isolerande strukturer

I varje isolerande struktur finns luft eller annan gas i viss utsträckning som ett element av isolering. Ledarna för luftledningar (VL), samlingsskenor, transformatorterminaler och olika högspänningsanordningar är separerade från varandra av gap, det enda isoleringsmediet i vilket luft är.

Brott mot den dielektriska hållfastheten hos sådana strukturer kan ske både genom förstörelsen av dielektrikumet från vilket isolatorerna är gjorda och som ett resultat av urladdning i luften eller på ytan av dielektriket.

Till skillnad från isolatornedbrytning, vilket leder till fullständigt fel, åtföljs ytutsläpp vanligtvis inte av fel. Därför, om den isolerande strukturen är gjord på ett sådant sätt att ytöverlappningsspänningen eller genombrottsspänningen i luft är mindre än genombrottsspänningen för isolatorerna, kommer den faktiska dielektriska styrkan hos sådana strukturer att bestämmas av luftens dielektriska styrka.

I ovanstående fall är luft relevant som naturgasmedium där de isolerande strukturerna är placerade. Dessutom används ofta luft eller annan gas som ett av de huvudsakliga isoleringsmaterialen för att isolera kablar, kondensatorer, transformatorer och andra elektriska apparater.

För att säkerställa tillförlitlig och problemfri drift av isolerande strukturer är det nödvändigt att veta hur olika faktorer påverkar en gass dielektriska hållfasthet, såsom spänningens form och varaktighet, gasens temperatur och tryck, arten av gasen. elektriska fält etc.

Se om detta ämne: Typer av elektrisk urladdning i gaser