Kaasunjohtavuus

Kaasut ovat yleensä hyviä dielektrisiä aineita (esim. puhdas, ionisoimaton ilma). Jos kaasut kuitenkin sisältävät kosteutta sekoitettuna orgaanisten ja epäorgaanisten hiukkasten kanssa ja ovat samanaikaisesti ionisoituneita, ne johtavat sähköä.

Kaikissa kaasuissa on aina tietty määrä sähköisesti varautuneita hiukkasia - elektroneja ja ioneja -, jotka ovat satunnaisessa lämpöliikkeessä, jopa ennen kuin niihin kytketään sähköjännite. Nämä voivat olla varautuneita kaasuhiukkasia sekä kiinteiden aineiden ja nesteiden varautuneita hiukkasia - esimerkiksi ilmassa olevia epäpuhtauksia.

Sähköisesti varautuneiden hiukkasten muodostuminen kaasumaisissa eristeissä johtuu kaasun ionisaatiosta ulkoisista energialähteistä (ulkoisista ionisoijista): kosmisista ja auringon säteistä, maan radioaktiivisesta säteilystä jne.

Kaasujen sähkönjohtavuus riippuu pääasiassa niiden ionisaatioasteesta, joka voidaan suorittaa eri tavoin. Yleensä kaasujen ionisoituminen tapahtuu elektronien vapautumisen seurauksena neutraalista kaasumolekyylistä.

Kaasumolekyylistä vapautuva elektroni sekoittuu kaasun molekyylien välisessä tilassa ja voi tässä kaasutyypistä riippuen säilyttää suhteellisen pitkän "riippumattomuuden" liikkeestään (esim. sellaisissa kaasuissa vetyshokki H2 , typpi n2) tai päinvastoin, tunkeutuu nopeasti neutraaliin molekyyliin muuttamalla sen negatiiviseksi ioniksi (esimerkiksi hapeksi).

Kaasujen suurin ionisaatiovaikutus saavutetaan säteilyttämällä niitä röntgensäteillä, katodisäteillä tai radioaktiivisten aineiden säteillä.

Kesällä ilmakehän ilma ionisoituu erittäin voimakkaasti auringonvalon vaikutuksesta. Ilman kosteus tiivistyy ioneihinsa muodostaen pienimpiä sähköllä varattuja vesipisaroita. Lopulta ukkospilvet, joihin liittyy salama, muodostuvat yksittäisistä sähköisesti varautuneista vesipisaroista, ts. ilmakehän sähkön sähköpurkaukset.

Kaasun ionisaatioprosessi ulkoisilla ionisoijilla on, että ne siirtävät osan energiasta kaasuatomeille. Tässä tapauksessa valenssielektronit saavat lisäenergiaa ja erotetaan atomeistaan, joista tulee positiivisesti varautuneita hiukkasia - positiivisia ioneja.

Muodostuneet vapaat elektronit voivat säilyttää riippumattomuutensa liikkeestä kaasussa pitkään (esimerkiksi vedyssä, typessä) tai jonkin ajan kuluttua kiinnittyä sähköisesti neutraaleihin atomeihin ja kaasumolekyyleihin muuttaen ne negatiivisiksi ioneiksi.

Sähköisesti varautuneiden hiukkasten esiintyminen kaasussa voi johtua myös elektronien vapautumisesta metallielektrodien pinnalta, kun niitä kuumennetaan tai altistetaan säteilyenergialle.Häiriöidyssä lämpöliikkeessä osa vastakkaisesti varautuneista (elektronit) ja positiivisesti varautuneista (ionit) hiukkasista yhdistyy toisiinsa ja muodostaa sähköisesti neutraaleja atomeja ja kaasumolekyylejä. Tätä prosessia kutsutaan korjaamiseksi tai rekombinaatioksi.

Jos metallielektrodien (kiekkojen, pallojen) väliin on suljettu määrä kaasua, silloin kun elektrodeihin kohdistetaan sähköjännite, kaasussa oleviin varautuneisiin hiukkasiin vaikuttavat sähkövoimat - sähkökentän voimakkuus.

Näiden voimien vaikutuksesta elektronit ja ionit siirtyvät elektrodilta toiselle luoden sähkövirran kaasuun.

Kaasun virta on sitä suurempi, mitä enemmän siihen muodostuu varautuneita hiukkasia, joilla on eri dielektrisyys, aikayksikössä ja sitä suuremman nopeuden ne saavuttavat sähkökenttävoimien vaikutuksesta.

On selvää, että kun tiettyyn kaasutilavuuteen kohdistettu jännite kasvaa, elektroneihin ja ioneihin vaikuttavat sähkövoimat kasvavat. Tässä tapauksessa varautuneiden hiukkasten nopeus ja siten kaasussa oleva virta kasvavat.

Virran suuruuden muutos kaasutilavuuteen syötetyn jännitteen funktiona ilmaistaan ​​graafisesti käyrän muodossa, jota kutsutaan voltti-ampeeri-ominaiskäyräksi.

Kaasumaisen dielektrin virta-jänniteominaisuus

Virta-jännite-ominaiskäyrä osoittaa, että heikkojen sähkökenttien alueella, kun varautuneisiin hiukkasiin vaikuttavat sähkövoimat ovat suhteellisen pieniä (kuvaajan alue I), kaasun virta kasvaa suhteessa käytetyn jännitteen arvoon. . Tällä alueella virta muuttuu Ohmin lain mukaan.

Kun jännite kasvaa edelleen (alue II), virran ja jännitteen suhteellisuus katkeaa. Tällä alueella johtavuusvirta ei riipu jännitteestä. Täällä energiaa kertyy varautuneista kaasuhiukkasista - elektroneista ja ioneista.

Jännitteen noustessa edelleen (alue III) varautuneiden hiukkasten nopeus kasvaa jyrkästi, minkä seurauksena ne usein törmäävät neutraalien kaasuhiukkasten kanssa. Näiden elastisten törmäysten aikana elektronit ja ionit siirtävät osan kertyneestä energiastaan ​​neutraaleihin kaasuhiukkasiin. Tämän seurauksena elektronit irrotetaan atomeistaan. Tällöin muodostuu uusia sähköisesti varautuneita hiukkasia: vapaita elektroneja ja ioneja.

Johtuen siitä, että lentävät varautuneet hiukkaset törmäävät hyvin usein kaasun atomien ja molekyylien kanssa, uusien sähköisesti varautuneiden hiukkasten muodostuminen tapahtuu erittäin intensiivisesti. Tätä prosessia kutsutaan shokkikaasuionisaatioksi.

Törmäysionisaatioalueella (kuvassa alue III) kaasun virta kasvaa nopeasti pienimmällä jännitteen nousulla. Törmäysionisaatioprosessiin kaasumaisissa eristeissä liittyy kaasun tilavuusvastuksen jyrkkä lasku ja dielektrisen häviön tangentti.

Luonnollisesti kaasumaisia ​​eristeitä voidaan käyttää jännitteillä, jotka ovat pienempiä kuin arvot, joilla iskuionisaatioprosessi tapahtuu. Tässä tapauksessa kaasut ovat erittäin hyviä eristeitä, joiden tilavuusominaisvastus on erittäin korkea (1020 ohmia)x cm) ja dielektrisen häviökulman tangentti on hyvin pieni (tgδ ≈ 10-6).Siksi kaasuja, erityisesti ilmaa, käytetään eristeinä esimerkiksi kondensaattoreissa, kaasutäytteisissä kaapeleissa ja suurjännitekatkaisijat.

Kaasun rooli dielektrisenä sähköä eristävissä rakenteissa

Missä tahansa eristävässä rakenteessa ilmaa tai muuta kaasua on jossain määrin läsnä eristyselementtinä. Ilmajohtojen (VL), kiskojen, muuntajan liittimien ja erilaisten suurjännitelaitteiden johtimet on erotettu toisistaan ​​rakoilla, joiden ainoa eristysaine on ilma.

Tällaisten rakenteiden dielektrisen lujuuden rikkominen voi tapahtua sekä sen eristeen tuhoutumisesta, josta eristimet on valmistettu, että purkautumisen seurauksena ilmaan tai eristeen pinnalle.

Toisin kuin eristimen rikkoutuminen, joka johtaa sen täydelliseen rikkoutumiseen, pintapurkaus ei yleensä liity vikaan. Siksi, jos eristävä rakenne on tehty siten, että pinnan limitysjännite tai läpilyöntijännite ilmassa on pienempi kuin eristimien läpilyöntijännite, tällaisten rakenteiden todellinen dielektrinen lujuus määräytyy ilman dielektrisen lujuuden mukaan.

Edellä mainituissa tapauksissa ilma on merkityksellinen maakaasuväliaineena, jossa eristävät rakenteet sijaitsevat. Lisäksi ilmaa tai muuta kaasua käytetään usein yhtenä pääeristemateriaalina kaapeleiden, kondensaattoreiden, muuntajien ja muiden sähkölaitteiden eristämiseen.

Eristysrakenteiden luotettavan ja häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi on tiedettävä, miten erilaiset tekijät vaikuttavat kaasun dielektriseen lujuuteen, kuten jännitteen muoto ja kesto, kaasun lämpötila ja paine, kaasun luonne. sähkökenttä jne.

Katso tästä aiheesta: Sähköpurkaustyypit kaasuissa