Проводљивост гаса

Гасови су обично добри диелектрици (нпр. чист, нејонизовани ваздух). Међутим, ако гасови садрже влагу помешану са органским и неорганским честицама и истовремено су јонизовани, онда проводе електричну енергију.

У свим гасовима, чак и пре него што се на њих примени електрични напон, увек постоји одређена количина електрично наелектрисаних честица — електрона и јона — које су у насумичном топлотном кретању. То могу бити наелектрисане честице гаса, као и наелектрисане честице чврстих материја и течности — нечистоће које се налазе, на пример, у ваздуху.

Формирање електрично наелектрисаних честица у гасовитим диелектрицима је узроковано јонизацијом гаса из спољашњих извора енергије (спољних јонизатора): космичких и сунчевих зрака, радиоактивног зрачења Земље итд.

Електрична проводљивост гасова зависи углавном од степена њихове јонизације, која се може извршити на различите начине. Генерално, јонизација гасова настаје као резултат ослобађања електрона из неутралног молекула гаса.

Електрон ослобођен из молекула гаса меша се у међумолекуларном простору гаса и овде, у зависности од врсте гаса, може да одржава релативно дугу „независност“ свог кретања (нпр. код таквих гасова, водонични удар Х2 , азот н2) или, напротив, брзо продиру у неутрални молекул, претварајући га у негативни јон (на пример, кисеоник).

Највећи ефекат јонизације гасова постиже се њиховим зрачењем рендгенским зрацима, катодним зрацима или зрацима које емитују радиоактивне супстанце.

Атмосферски ваздух лети се веома интензивно јонизује под утицајем сунчеве светлости. Влага у ваздуху се кондензује на његовим јонима, формирајући најмање капљице воде напуњене струјом. На крају се од појединачних електрично наелектрисаних капљица воде формирају грмљавински облаци праћени муњама, тј. електрична пражњења атмосферског електрицитета.

Процес јонизације гаса спољним јонизаторима је да они преносе део енергије на атоме гаса. У овом случају, валентни електрони добијају додатну енергију и одвајају се од својих атома, који постају позитивно наелектрисане честице — позитивни јони.

Формирани слободни електрони могу дуго да одржавају своју независност од кретања у гасу (на пример, у водонику, азоту) или се после неког времена везују за електрично неутралне атоме и молекуле гаса, претварајући их у негативне јоне.

Појава електрично наелектрисаних честица у гасу може бити узрокована и ослобађањем електрона са површине металних електрода када се загреју или изложе енергији зрачења.Док су у поремећеном термичком кретању, неке од супротно наелектрисаних (електрони) и позитивно наелектрисаних (јони) честица се уједињују једна са другом и формирају електрично неутралне атоме и молекуле гаса. Овај процес се назива поправка или рекомбинација.

Ако је запремина гаса затворена између металних електрода (дискова, куглица), онда када се на електроде примени електрични напон, електричне силе ће деловати на наелектрисане честице у гасу - јачину електричног поља.

Под дејством ових сила, електрони и јони ће се кретати са једне електроде на другу, стварајући електричну струју у гасу.

Струја у гасу ће бити већа, што се у њему у јединици времена формира више наелектрисаних честица са различитим диелектриком и што већу брзину добијају под дејством сила електричног поља.

Јасно је да како се напон примењен на дату запремину гаса повећава, електричне силе које делују на електроне и јоне се повећавају. У овом случају се повећава брзина наелектрисаних честица, а самим тим и струја у гасу.

Промена величине струје у функцији напона примењеног на запремину гаса се графички изражава у облику криве која се назива волт-амперска карактеристика.

Струјна-напонска карактеристика за гасовити диелектрик

Струјно-напонска карактеристика показује да у области слабих електричних поља, када су електричне силе које делују на наелектрисане честице релативно мале (област И на графикону), струја у гасу расте пропорционално вредности примењеног напона. . У овој области струја се мења према Омовом закону.

Како се напон даље повећава (подручје ИИ), пропорционалност између струје и напона се прекида. У овом региону струја проводљивости не зависи од напона. Овде се енергија акумулира од наелектрисаних честица гаса — електрона и јона.

Са даљим повећањем напона (област ИИИ), брзина наелектрисаних честица нагло расте, услед чега се често сударају са честицама неутралног гаса. Током ових еластичних судара, електрони и јони преносе део своје акумулиране енергије на честице неутралног гаса. Као резултат тога, електрони се уклањају из својих атома. У овом случају се формирају нове електрично наелектрисане честице: слободни електрони и јони.

Због чињенице да се летеће наелектрисане честице врло често сударају са атомима и молекулима гаса, формирање нових електрично наелектрисаних честица се дешава веома интензивно. Овај процес се назива јонизација ударног гаса.

У области ударне јонизације (област ИИИ на слици), струја у гасу брзо расте са најмањим повећањем напона. Процес ударне јонизације у гасовитим диелектрицима је праћен наглим смањењем запреминског отпора гаса и повећањем тангента диелектричног губитка.

Природно, гасовити диелектрици се могу користити на напонима нижим од оних вредности при којима се јавља процес ударне јонизације. У овом случају, гасови су веома добри диелектрици, где је запремински специфични отпор веома висок (1020 ома)к цм) а тангент угла диелектричног губитка је веома мали (тгδ ≈ 10-6).Због тога се гасови, посебно ваздух, користе као диелектрици у на пример кондензаторима, кабловима пуњеним гасом и високонапонски прекидачи.

Улога гаса као диелектрика у електроизолационим конструкцијама

У било којој изолационој конструкцији, ваздух или други гас је у извесној мери присутан као елемент изолације. Проводници надземних водова (ВЛ), сабирнице, трансформаторски терминали и различити високонапонски уређаји међусобно су одвојени празнинама, једини изолациони медијум у коме је ваздух.

Повреда диелектричне чврстоће таквих структура може настати како кроз уништавање диелектрика од којег су направљени изолатори, тако и као резултат пражњења у ваздуху или на површини диелектрика.

За разлику од квара изолатора, који доводи до његовог потпуног квара, површинско пражњење обично није праћено кваром. Дакле, ако је изолациона конструкција направљена тако да је површински напон преклапања или пробојни напон у ваздуху мањи од пробојног напона изолатора, онда ће стварна диелектрична чврстоћа таквих конструкција бити одређена диелектричном чврстоћом ваздуха.

У наведеним случајевима, ваздух је релевантан као медијум природног гаса у коме се налазе изолационе конструкције. Поред тога, ваздух или други гас се често користи као један од главних изолационих материјала за изолацију каблова, кондензатора, трансформатора и других електричних уређаја.

Да би се обезбедио поуздан и несметан рад изолационих конструкција, неопходно је знати како различити фактори утичу на диелектричну чврстоћу гаса, као што су облик и трајање напона, температура и притисак гаса, природа гаса. електрично поље итд.

Погледајте на ову тему: Врсте електричног пражњења у гасовима