Gasledningsevne

Gasser er normalt gode dielektriske stoffer (fx ren, ikke-ioniseret luft). Men hvis gasserne indeholder fugt blandet med organiske og uorganiske partikler og ioniseres på samme tid, så leder de elektricitet.

I alle gasser, selv før en elektrisk spænding påføres dem, er der altid en vis mængde elektrisk ladede partikler – elektroner og ioner – som er i tilfældig termisk bevægelse. Disse kan være ladede partikler af gas, såvel som ladede partikler af faste stoffer og væsker - urenheder, der for eksempel findes i luften.

Dannelsen af ​​elektrisk ladede partikler i gasformige dielektrika er forårsaget af gasionisering fra eksterne energikilder (eksterne ionisatorer): kosmiske og solstråler, radioaktiv stråling fra Jorden mv.

Gassers elektriske ledningsevne afhænger hovedsageligt af graden af ​​deres ionisering, som kan udføres på forskellige måder. Generelt sker ionisering af gasser som et resultat af frigivelse af elektroner fra et neutralt gasmolekyle.

En elektron frigivet fra et gasmolekyle blander sig i gassens intermolekylære rum, og her kan den, afhængigt af typen af ​​gas, opretholde en relativt lang "uafhængighed" af sin bevægelse (for eksempel i sådanne gasser, brintchokket H2 , nitrogen n2) eller tværtimod hurtigt trænge ind i et neutralt molekyle og omdanne det til en negativ ion (for eksempel oxygen).

Den største effekt af ionisering af gasser opnås ved at bestråle dem med røntgenstråler, katodestråler eller stråler udsendt af radioaktive stoffer.

Atmosfærisk luft om sommeren er meget intensivt ioniseret under påvirkning af sollys. Fugt i luften kondenserer på sine ioner og danner de mindste vanddråber ladet med elektricitet. Til sidst dannes tordenskyer ledsaget af lyn af individuelle elektrisk ladede vanddråber, dvs. elektriske udladninger af atmosfærisk elektricitet.

Processen med gasionisering af eksterne ionisatorer er, at de overfører en del af energien til gasatomerne. I dette tilfælde får valenselektronerne yderligere energi og adskilles fra deres atomer, som bliver positivt ladede partikler - positive ioner.

De dannede frie elektroner kan bevare deres uafhængighed af bevægelse i en gas i lang tid (for eksempel i brint, nitrogen) eller efter nogen tid binde sig til elektrisk neutrale atomer og gasmolekyler og omdanne dem til negative ioner.

Forekomsten af ​​elektrisk ladede partikler i en gas kan også være forårsaget af frigivelse af elektroner fra overfladen af ​​metalelektroder, når de opvarmes eller udsættes for strålingsenergi.Mens de er i forstyrret termisk bevægelse, forenes nogle af de modsat ladede (elektroner) og positivt ladede (ioner) partikler med hinanden og danner elektrisk neutrale atomer og gasmolekyler. Denne proces kaldes reparation eller rekombination.

Hvis et volumen af ​​gas er indesluttet mellem metalelektroder (skiver, kugler), så når en elektrisk spænding påføres elektroderne, vil elektriske kræfter virke på de ladede partikler i gassen - den elektriske feltstyrke.

Under påvirkning af disse kræfter vil elektroner og ioner bevæge sig fra en elektrode til en anden, hvilket skaber en elektrisk strøm i en gas.

Strømmen i gassen vil være større, jo flere ladede partikler med forskelligt dielektrikum dannes i den pr. tidsenhed, og jo større hastighed opnår de under påvirkning af de elektriske feltkræfter.

Det er klart, at efterhånden som spændingen påført et givet volumen gas stiger, stiger de elektriske kræfter, der virker på elektroner og ioner. I dette tilfælde øges hastigheden af ​​de ladede partikler og derfor strømmen i gassen.

Ændringen i strømmens størrelse som funktion af den spænding, der påføres gasvolumenet, udtrykkes grafisk i form af en kurve kaldet volt-ampere-karakteristikken.

Strømspændingskarakteristik for et gasformigt dielektrikum

Strøm-spændingskarakteristikken viser, at i området med svage elektriske felter, når de elektriske kræfter, der virker på de ladede partikler, er relativt små (område I i grafen), stiger strømmen i gassen proportionalt med værdien af ​​den påførte spænding . På dette område ændres strømmen efter Ohms lov.

Når spændingen stiger yderligere (område II), brydes proportionaliteten mellem strøm og spænding. I dette område afhænger ledningsstrømmen ikke af spændingen. Her akkumuleres energi fra ladede gaspartikler - elektroner og ioner.

Med en yderligere stigning i spændingen (område III) øges hastigheden af ​​ladede partikler kraftigt, som et resultat af, at de ofte kolliderer med neutrale gaspartikler. Under disse elastiske kollisioner overfører elektroner og ioner noget af deres akkumulerede energi til neutrale gaspartikler. Som et resultat fjernes elektroner fra deres atomer. I dette tilfælde dannes nye elektrisk ladede partikler: frie elektroner og ioner.

På grund af det faktum, at de flyvende ladede partikler meget ofte kolliderer med gassens atomer og molekyler, sker dannelsen af ​​nye elektrisk ladede partikler meget intensivt. Denne proces kaldes chokgasionisering.

I stødioniseringsområdet (område III i figuren) stiger strømmen i gassen hurtigt med den mindste stigning i spændingen. Slagioniseringsprocessen i gasformige dielektrika er ledsaget af et kraftigt fald i gassens volumenmodstand og en stigning i dielektrisk tab tangens.

Naturligvis kan gasformige dielektriske stoffer bruges ved spændinger, der er lavere end de værdier, ved hvilke stødioniseringsprocessen finder sted. I dette tilfælde er gasser meget gode dielektrika, hvor den volumenspecifikke modstand er meget høj (1020 ohm)x cm), og tangenten af ​​den dielektriske tabsvinkel er meget lille (tgδ ≈ 10-6).Derfor bruges gasser, især luft, som dielektrikum i f.eks. kondensatorer, gasfyldte kabler og højspændingsafbrydere.

Gassens rolle som dielektrikum i elektriske isolerende strukturer

I enhver isolerende struktur er luft eller anden gas til stede i et vist omfang som et element af isolering. Lederne af luftledninger (VL), samleskinner, transformerterminaler og forskellige højspændingsenheder er adskilt fra hinanden af ​​mellemrum, det eneste isoleringsmedium, hvori er luft.

Krænkelse af den dielektriske styrke af sådanne strukturer kan forekomme både gennem ødelæggelsen af ​​det dielektriske, hvorfra isolatorerne er lavet, og som et resultat af udladning i luften eller på overfladen af ​​dielektrikumet.

I modsætning til isolatornedbrud, som fører til dens fuldstændige fejl, er overfladeudladning normalt ikke ledsaget af fejl. Derfor, hvis den isolerende struktur er lavet på en sådan måde, at overfladeoverlapningsspændingen eller gennembrudsspændingen i luft er mindre end isolatorernes gennembrudsspænding, så vil den faktiske dielektriske styrke af sådanne strukturer blive bestemt af luftens dielektriske styrke.

I ovenstående tilfælde er luft relevant som naturgasmedium, hvori de isolerende konstruktioner er placeret. Derudover bruges luft eller anden gas ofte som et af de vigtigste isoleringsmaterialer til at isolere kabler, kondensatorer, transformere og andre elektriske enheder.

For at sikre pålidelig og problemfri drift af isolerende strukturer er det nødvendigt at vide, hvordan forskellige faktorer påvirker en gass dielektriske styrke, såsom formen og varigheden af ​​spændingen, gassens temperatur og tryk, arten af ​​gassen. elektrisk felt osv.

Se om dette emne: Typer af elektrisk udladning i gasser