Газопроводимост

Газовете обикновено са добри диелектрици (например чист, нейонизиран въздух). Ако обаче газовете съдържат влага с примес на органични и неорганични частици и в същото време са йонизирани, тогава те провеждат електричество.

Във всички газове, дори преди да бъде приложено електрическо напрежение към тях, винаги има определено количество електрически заредени частици — електрони и йони, които са в произволно топлинно движение. Това могат да бъдат заредени частици газ, както и заредени частици от твърди и течни вещества — примеси, открити например във въздуха.

Образуването на електрически заредени частици в газообразни диелектрици се причинява от йонизация на газ от външни източници на енергия (външни йонизатори): космически и слънчеви лъчи, радиоактивно излъчване на Земята и др.

Електрическата проводимост на газовете зависи главно от степента на тяхната йонизация, която може да се извърши по различни начини. По принцип йонизацията на газовете се извършва в резултат на отделянето на електрони от неутрална молекула газ.

Електрон, освободен от молекула на газ, се смесва в междумолекулното пространство на газа и тук, в зависимост от вида на газа, той може да поддържа относително дълга „независимост“ от движението си (например при такива газове водородният удар H2, азот н2) или, обратно, бързо проникват в неутрална молекула, превръщайки я в отрицателен йон (например в кислород).

Най-голям ефект от йонизацията на газовете се постига чрез облъчването им с рентгенови лъчи, катодни лъчи или лъчи, излъчвани от радиоактивни вещества.

Атмосферният въздух през лятото е много интензивно йонизиран под въздействието на слънчева светлина. Влагата във въздуха се кондензира върху неговите йони, образувайки най -малките капчици вода, заредени с електричество. В крайна сметка от отделни електрически заредени капчици вода се образуват гръмотевични облаци, придружени от мълния, т.е. електрически разряди на атмосферно електричество.

Процесът на йонизация на газ от външни йонизатори е, че те предават част от енергията на газовите атоми. В този случай валентните електрони придобиват допълнителна енергия и са отделени от своите атоми, които се превръщат в положително заредени частици — положителни йони.

Образуваните свободни електрони могат да поддържат независимостта си от движение в газ за дълго време (например във водород, азот) или след известно време се прикрепят към електрически неутрални атоми и газови молекули, превръщайки ги в отрицателни йони.

Появата на електрически заредени частици в газ може да бъде причинена и от отделянето на електрони от повърхността на металните електроди, когато те се нагряват или излагат на лъчиста енергия. Докато са в нарушено топлинно движение, някои от противоположно заредените (електрони) и положително заредени (йони) частици се обединяват помежду си и образуват електрически неутрални атоми и газови молекули. Този процес се нарича възстановяване или рекомбинация.

Ако обем газ е затворен между металните електроди (дискове, топки), тогава когато се приложи електрическо напрежение към електродите, електрическите сили ще действат върху заредените частици в газа — силата на електрическото поле.

Под действието на тези сили електрони и йони ще се движат от един електрод на друг, създавайки електрически ток в газ.

Токът в газа ще бъде толкова по -голям, колкото повече заредени частици с различен диелектрик се образуват в него за единица време и толкова по -голяма скорост те придобиват под действието на силите на електрическото поле.

Ясно е, че с увеличаване на напрежението, приложено към даден обем газ, електрическите сили, действащи върху електрони и йони, се увеличават. В този случай скоростта на заредените частици и следователно токът в газа се увеличава.

Промяната в големината на тока в зависимост от напрежението, приложено към обема на газа, се изразява графично под формата на крива, наречена волта-амперна характеристика.

Характеристика на токово напрежение за газообразен диелектрик

Характеристиката токово напрежение показва, че в областта на слабите електрически полета, когато електрическите сили, действащи върху заредените частици, са относително малки (област I в графиката), токът в газа се увеличава пропорционално на стойността на приложеното напрежение . В тази област промяната на тока става според закона на Ом.

При по -нататъшно увеличаване на напрежението (област II) се нарушава пропорционалността между тока и напрежението. В тази област токът на проводимост не зависи от напрежението. Тук енергията се натрупва от заредени газови частици — електрони и йони.

С по -нататъшно увеличаване на напрежението (област III) скоростта на заредените частици рязко се увеличава, в резултат на което те често се сблъскват с неутрални газови частици. По време на тези еластични сблъсъци електроните и йоните пренасят част от натрупаната си енергия в неутрални газови частици. В резултат на това електроните се отделят от техните атоми. В този случай се образуват нови електрически заредени частици: свободни електрони и йони.

Поради факта, че летящите заредени частици се сблъскват много често с атомите и молекулите на газа, образуването на нови електрически заредени частици се случва много интензивно. Този процес се нарича йонизация на ударен газ.

В областта на йонизация на удар (област III на фигурата), токът в газа се увеличава бързо с най -малкото увеличаване на напрежението. Процесът на ударна йонизация в газообразни диелектрици е придружен от рязко намаляване на обемното съпротивление на газа и увеличаване на тангенс на диелектрични загуби.

Естествено, газообразните диелектрици могат да се използват при напрежения, по -ниски от тези стойности, при които протича процесът на йонизация на удара. В този случай газовете са много добри диелектрици, при които специфичното обемно съпротивление е много високо (1020 ома)x cm), а тангенсата на ъгъла на диелектрични загуби е много малка (tgδ ≈ 10-6). Следователно, газовете, по-специално въздухът, се използват като диелектрици в примерни кондензатори, напълнени с газ кабели и прекъсвачи за високо напрежение.

Ролята на газа като диелектрик в електрическите изолационни конструкции

Във всяка изолационна конструкция въздух или друг газ присъства до известна степен като елемент на изолация. Проводниците на въздушни линии (VL), разпределителни шини, клеми на трансформатори и различни високоволтови устройства са разделени един от друг с пролуки, единствената изолационна среда в която е въздухът.

Нарушаването на диелектричната якост на такива конструкции може да възникне както чрез разрушаване на диелектрика, от който са направени изолаторите, така и в резултат на разряд във въздуха или по повърхността на диелектрика.

За разлика от разрушаването на изолатора, което води до пълната му повреда, изхвърлянето по повърхността обикновено не е придружено от повреда. Следователно, ако изолационната конструкция е направена по такъв начин, че напрежението на повърхностното припокриване или напрежението на изпускане във въздуха да е по -малко от пробивното напрежение на изолаторите, тогава действителната диелектрична якост на такива конструкции ще се определя от диелектричната якост на въздух.

В горните случаи въздухът има значение като среда от природен газ, в която са разположени изолационните конструкции. Наред с това въздухът или друг газ често се използва като един от основните изолационни материали за изолация на кабели, кондензатори, трансформатори и други електрически устройства.

За да се осигури надеждна и безпроблемна работа на изолационните конструкции, е необходимо да се знае как различни фактори влияят върху диелектричната якост на газ, като формата и продължителността на напрежението, температурата и налягането на газа, естеството на електрическо поле и др.

Вижте по тази тема: Видове електрически разряд в газове