Gassledningsevne

Gasser er vanligvis gode dielektriske stoffer (f.eks. ren, ikke-ionisert luft). Men hvis gassene inneholder fuktighet blandet med organiske og uorganiske partikler og er ionisert samtidig, så leder de elektrisitet.

I alle gasser, selv før en elektrisk spenning påføres dem, er det alltid en viss mengde elektrisk ladede partikler – elektroner og ioner – som er i tilfeldig termisk bevegelse. Dette kan være ladede partikler av gass, så vel som ladede partikler av faste stoffer og væsker - urenheter som for eksempel finnes i luften.

Dannelsen av elektrisk ladede partikler i gassformig dielektrikum er forårsaket av gassionisering fra eksterne energikilder (eksterne ionisatorer): kosmiske og solstråler, radioaktiv stråling fra jorden, etc.

Den elektriske ledningsevnen til gasser avhenger hovedsakelig av graden av deres ionisering, som kan utføres på forskjellige måter. Generelt skjer ionisering av gasser som et resultat av frigjøring av elektroner fra et nøytralt gassmolekyl.

Et elektron frigjort fra et gassmolekyl blander seg i det intermolekylære rommet til gassen, og her kan det, avhengig av typen gass, opprettholde en relativt lang "uavhengighet" av bevegelsen (for eksempel i slike gasser, hydrogensjokket H2 , nitrogen n2) eller tvert imot, raskt trenge inn i et nøytralt molekyl, og gjøre det om til et negativt ion (for eksempel oksygen).

Den største effekten av ionisering av gasser oppnås ved å bestråle dem med røntgenstråler, katodestråler eller stråler som sendes ut av radioaktive stoffer.

Atmosfærisk luft om sommeren er svært intensivt ionisert under påvirkning av sollys. Fuktighet i luften kondenserer på ionene, og danner de minste vanndråpene ladet med elektrisitet. Etter hvert dannes tordenskyer ledsaget av lyn fra individuelle elektrisk ladede vanndråper, d.v.s. elektriske utladninger av atmosfærisk elektrisitet.

Prosessen med gassionisering av eksterne ionisatorer er at de overfører en del av energien til gassatomene. I dette tilfellet får valenselektronene ekstra energi og separeres fra atomene deres, som blir positivt ladede partikler - positive ioner.

De dannede frie elektronene kan opprettholde sin uavhengighet fra bevegelse i en gass i lang tid (for eksempel i hydrogen, nitrogen) eller etter en tid feste seg til elektrisk nøytrale atomer og gassmolekyler og gjøre dem om til negative ioner.

Utseendet til elektrisk ladede partikler i en gass kan også være forårsaket av frigjøring av elektroner fra overflaten av metallelektroder når de varmes opp eller utsettes for strålingsenergi.Mens de er i forstyrret termisk bevegelse, forenes noen av de motsatt ladede (elektronene) og positivt ladede (ionene) partiklene med hverandre og danner elektrisk nøytrale atomer og gassmolekyler. Denne prosessen kalles reparasjon eller rekombinasjon.

Hvis et gassvolum er innelukket mellom metallelektroder (skiver, kuler), vil elektriske krefter virke på de ladede partiklene i gassen når en elektrisk spenning påføres elektrodene - den elektriske feltstyrken.

Under påvirkning av disse kreftene vil elektroner og ioner bevege seg fra en elektrode til en annen, og skape en elektrisk strøm i en gass.

Strømmen i gassen vil være større, jo flere ladede partikler med forskjellig dielektrikum dannes i den per tidsenhet og jo større hastighet får de under påvirkning av de elektriske feltkreftene.

Det er klart at når spenningen påført et gitt volum gass øker, øker de elektriske kreftene som virker på elektroner og ioner. I dette tilfellet øker hastigheten til de ladede partiklene og derfor strømmen i gassen.

Endringen i størrelsen på strømmen som funksjon av spenningen påført gassvolumet uttrykkes grafisk i form av en kurve kalt volt-ampere-karakteristikk.

Strøm-spenningskarakteristikk for et gassformig dielektrikum

Strøm-spenningskarakteristikken viser at i området med svake elektriske felt, når de elektriske kreftene som virker på de ladede partiklene er relativt små (område I i grafen), øker strømmen i gassen proporsjonalt med verdien av den påførte spenningen . På dette området endres gjeldende i henhold til Ohms lov.

Når spenningen øker ytterligere (region II), brytes proporsjonaliteten mellom strøm og spenning. I dette området er ikke ledningsstrømmen avhengig av spenningen. Her akkumuleres energi fra ladede gasspartikler - elektroner og ioner.

Med en ytterligere økning i spenningen (region III) øker hastigheten til ladede partikler kraftig, som et resultat av at de ofte kolliderer med nøytrale gasspartikler. Under disse elastiske kollisjonene overfører elektroner og ioner noe av sin akkumulerte energi til nøytrale gasspartikler. Som et resultat blir elektroner strippet fra atomene deres. I dette tilfellet dannes nye elektrisk ladede partikler: frie elektroner og ioner.

På grunn av det faktum at de flygende ladede partiklene kolliderer veldig ofte med gassens atomer og molekyler, skjer dannelsen av nye elektrisk ladede partikler svært intensivt. Denne prosessen kalles sjokkgass-ionisering.

I støt-ioniseringsområdet (region III i figuren) øker strømmen i gassen raskt med den minste spenningsøkningen. Slagioniseringsprosessen i gassformig dielektrikk er ledsaget av en kraftig reduksjon i volummotstanden til gassen og en økning i dielektrisk tap-tangens.

Naturligvis kan gassformige dielektriske stoffer brukes ved spenninger som er lavere enn de verdiene hvor ioniseringsprosessen skjer. I dette tilfellet er gasser veldig gode dielektrikum, der den volumspesifikke motstanden er veldig høy (1020 ohm)x cm) og tangenten til den dielektriske tapsvinkelen er veldig liten (tgδ ≈ 10-6).Derfor brukes gasser, spesielt luft, som dielektrikum i for eksempel kondensatorer, gassfylte kabler og høyspenningsbrytere.

Rollen til gass som et dielektrikum i elektriske isolerende strukturer

I enhver isolerende struktur er luft eller annen gass tilstede i en viss grad som et element av isolasjon. Lederne til luftledninger (VL), samleskinner, transformatorterminaler og forskjellige høyspentenheter er atskilt fra hverandre med hull, det eneste isolasjonsmediet som er luft.

Brudd på den dielektriske styrken til slike strukturer kan oppstå både ved ødeleggelse av dielektrikumet som isolatorene er laget av, og som et resultat av utladning i luften eller på overflaten av dielektrikumet.

I motsetning til isolatorsammenbrudd, som fører til fullstendig feil, er overflateutslipp vanligvis ikke ledsaget av feil. Derfor, hvis den isolerende strukturen er laget på en slik måte at overflateoverlappingsspenningen eller nedbrytningsspenningen i luft er mindre enn nedbrytningsspenningen til isolatorene, vil den faktiske dielektriske styrken til slike strukturer bli bestemt av luftens dielektriske styrke.

I de ovennevnte tilfellene er luft aktuelt som naturgassmedium der isolasjonskonstruksjonene er plassert. I tillegg brukes ofte luft eller annen gass som et av de viktigste isolasjonsmaterialene for å isolere kabler, kondensatorer, transformatorer og andre elektriske enheter.

For å sikre pålitelig og problemfri drift av isolasjonskonstruksjoner, er det nødvendig å vite hvordan ulike faktorer påvirker den dielektriske styrken til en gass, for eksempel formen og varigheten av spenningen, temperaturen og trykket til gassen, arten av gassen. elektrisk felt, etc.

Se om dette emnet: Typer elektrisk utladning i gasser