Gázvezetőképesség

A gázok általában jó dielektrikumok (pl. tiszta, nem ionizált levegő). Ha azonban a gázok szerves és szervetlen részecskékkel kevert nedvességet tartalmaznak, és egyszerre ionizálódnak, akkor elektromos áramot vezetnek.

Minden gázban, még mielőtt elektromos feszültséget kapcsolnának rájuk, mindig van bizonyos mennyiségű elektromosan töltött részecske – elektronok és ionok –, amelyek véletlenszerű hőmozgásban vannak. Ezek lehetnek töltött gázrészecskék, valamint szilárd és folyadékok töltött részecskéi – például a levegőben található szennyeződések.

A gáznemű dielektrikumban elektromosan töltött részecskék képződését a külső energiaforrások (külső ionizátorok) gázionizációja okozza: kozmikus és napsugarak, a Föld radioaktív sugárzása stb.

A gázok elektromos vezetőképessége elsősorban ionizációjuk mértékétől függ, amely többféleképpen is végrehajtható. Általában a gázok ionizációja a semleges gázmolekulából származó elektronok felszabadulásának eredményeként megy végbe.

A gázmolekulából felszabaduló elektron a gáz intermolekuláris terében keveredik, és itt a gáz típusától függően viszonylag hosszú "függetlenséget" tud fenntartani mozgásában (például ilyen gázokban a hidrogénsokk H2 , nitrogén n2) vagy éppen ellenkezőleg, gyorsan behatol egy semleges molekulába, negatív ionná (például oxigénné) alakítva azt.

A gázok ionizációjának legnagyobb hatását röntgen-, katód- vagy radioaktív anyagok által kibocsátott sugárzással érjük el.

Nyáron a légköri levegő a napfény hatására nagyon intenzíven ionizálódik. A levegőben lévő nedvesség lecsapódik az ionjaira, így a legkisebb elektromossággal töltött vízcseppek keletkeznek. Végül egyedi, elektromosan töltött vízcseppekből alakulnak ki villámlással kísért zivatarfelhők, pl. a légköri elektromosság elektromos kisülései.

A külső ionizátorok gázionizálásának folyamata az, hogy az energia egy részét átadják a gázatomoknak. Ebben az esetben a vegyértékelektronok további energiát kapnak, és elkülönülnek atomjaiktól, amelyek pozitív töltésű részecskékké - pozitív ionokká - válnak.

A kialakult szabad elektronok hosszú ideig megőrizhetik függetlenségüket a gázban (például hidrogénben, nitrogénben) való mozgástól, vagy egy idő után elektromosan semleges atomokhoz, gázmolekulákhoz kapcsolódhatnak, negatív ionokká alakítva azokat.

Az elektromosan töltött részecskék gázban való megjelenését az is okozhatja, hogy a fémelektródák felületéről elektronok szabadulnak fel hevítéskor vagy sugárzási energiának kitéve.Zavart hőmozgás közben az ellentétes töltésű (elektronok) és pozitív töltésű (ionok) részecskék egyesülnek egymással, és elektromosan semleges atomokat és gázmolekulákat képeznek. Ezt a folyamatot javításnak vagy rekombinációnak nevezik.

Ha a fémelektródák (korongok, golyók) közé egy térfogatú gáz van bezárva, akkor amikor elektromos feszültséget kapcsolnak az elektródákra, elektromos erők hatnak a gáz töltött részecskéire - az elektromos térerősségre.

Ezen erők hatására az elektronok és ionok egyik elektródáról a másikra mozognak, elektromos áramot hozva létre a gázban.

A gáz áramerőssége annál nagyobb, minél több különböző dielektrikumú töltött részecske keletkezik benne időegység alatt, és minél nagyobb sebességre tesznek szert az elektromos térerők hatására.

Nyilvánvaló, hogy az adott térfogatú gázra alkalmazott feszültség növekedésével az elektronokra és ionokra ható elektromos erők növekednek. Ebben az esetben a töltött részecskék sebessége és ezért a gázban lévő áram növekszik.

Az áram nagyságának változását a gáztérfogatra adott feszültség függvényében grafikusan egy volt-amper karakterisztikának nevezett görbe formájában fejezzük ki.

Áram-feszültség karakterisztika gáznemű dielektrikumra

Az áram-feszültség karakterisztika azt mutatja, hogy a gyenge elektromos terek tartományában, amikor a töltött részecskékre ható elektromos erők viszonylag kicsik (a grafikonon az I. terület), a gázban lévő áram a rákapcsolt feszültség értékével arányosan nő. . Ezen a területen az áramerősség Ohm törvénye szerint változik.

A feszültség további növekedésével (II. régió) az áram és a feszültség arányossága megszakad. Ebben a tartományban a vezetési áram nem függ a feszültségtől. Itt az energia töltött gázrészecskékből - elektronokból és ionokból - halmozódik fel.

A feszültség további növekedésével (III. régió) a töltött részecskék sebessége meredeken növekszik, aminek következtében gyakran ütköznek semleges gázrészecskékkel. E rugalmas ütközések során az elektronok és ionok felhalmozott energiájuk egy részét semleges gázrészecskéknek adják át. Ennek eredményeként az elektronok leválaszthatók atomjaikról. Ilyenkor új elektromosan töltött részecskék keletkeznek: szabad elektronok és ionok.

Tekintettel arra, hogy a repülő töltött részecskék nagyon gyakran ütköznek a gáz atomjaival és molekuláival, az új, elektromosan töltött részecskék képződése nagyon intenzíven megy végbe. Ezt a folyamatot sokkgáz-ionizációnak nevezik.

Az ütközési ionizációs tartományban (az ábrán a III. tartomány) a gázban lévő áramerősség a legkisebb feszültségnövekedéssel gyorsan növekszik. A gáznemű dielektrikumokban az ütési ionizációs folyamatot a gáz térfogati ellenállásának meredek csökkenése és növekedése kíséri. dielektromos veszteség érintő.

Természetesen a gáznemű dielektrikumok olyan feszültségeknél is használhatók, amelyek alacsonyabbak, mint azoknál az értékeknél, amelyeknél az ütközési ionizációs folyamat végbemegy. Ebben az esetben a gázok nagyon jó dielektrikumok, ahol a térfogat fajlagos ellenállás nagyon nagy (1020 ohm)x cm), és a dielektromos veszteségszög tangense nagyon kicsi (tgδ ≈ 10-6).Ezért gázokat, különösen levegőt használnak dielektrikumként például kondenzátorokban, gázzal töltött kábelekben és nagyfeszültségű megszakítók.

A gáz, mint dielektrikum szerepe az elektromos szigetelő szerkezetekben

Minden szigetelő szerkezetben a levegő vagy más gáz bizonyos mértékig szigetelőelemként jelen van. A légvezetékek (VL), a gyűjtősínek, a transzformátorkapcsok és a különböző nagyfeszültségű készülékek vezetőit rések választják el egymástól, az egyetlen szigetelő közeg a levegő.

Az ilyen szerkezetek dielektromos szilárdságának megsértése előfordulhat mind a dielektrikum megsemmisülése révén, amelyből a szigetelők készülnek, mind a levegőben vagy a dielektrikum felületén történő kisülés következtében.

A szigetelő meghibásodásával ellentétben, amely annak teljes meghibásodásához vezet, a felületi kisülés általában nem jár meghibásodással. Ezért, ha a szigetelő szerkezetet úgy készítik el, hogy a felületi átfedési feszültség vagy a levegőben lévő áttörési feszültség kisebb, mint a szigetelők áttörési feszültsége, akkor az ilyen szerkezetek tényleges dielektromos szilárdságát a levegő dielektromos szilárdsága határozza meg.

A fenti esetekben a levegőnek van jelentősége földgáz közegként, amelyben a szigetelő szerkezetek találhatók. Ezenkívül a levegőt vagy más gázt gyakran használják az egyik fő szigetelőanyagként kábelek, kondenzátorok, transzformátorok és más elektromos eszközök szigetelésére.

A szigetelő szerkezetek megbízható és problémamentes működéséhez tudni kell, hogy a különböző tényezők hogyan befolyásolják a gáz dielektromos szilárdságát, mint például a feszültség formája és időtartama, a gáz hőmérséklete és nyomása, a gáz jellege. elektromos mező stb.

Lásd ebben a témában: Az elektromos kisülés típusai gázokban