електропровідність газів

У всіх газах ще до впливу на них електричної напруги завжди є деяка кількість електрично заряджених частинок - електронів і іонів, які знаходяться в безладному тепловому русі. Це можуть бути заряджені частинки газу, а також заряджені частинки твердих і рідких речовин - домішок, що знаходяться, наприклад, в повітрі.

Освіта електрично заряджених частинок в газоподібних діелектриках викликається іонізацією газу зовнішніми джерелами енергії (зовнішніми ионизаторами). космічними і сонячними променями, радіоактивними випромінюваннями Землі і ін.

Процес іонізації газу зовнішніми ионизаторами полягає в тому, що вони повідомляють частина енергії атомам газу. При цьому валентні електрони набувають додаткову енергію і відокремлюються від своїх атомів, які перетворюються в позитивно заряджені частинки - позитивні іони.

Утворилися вільні електрони можуть довго зберігати самостійність руху в газі (наприклад, в водні, азоті) або через деякий час вони приєднуються до електрично нейтральних атомів і молекул газу, перетворюючи їх в негативно заряджені іони.

Поява електрично заряджених частинок в газі може бути також викликано виходом електронів з поверхні металевих електродів при їх нагріванні або впливі на них променевої енергії. Перебуваючи в безладному тепловому русі, деяка частина протилежно заряджених (електронів) і позитивно заряджених (іонів) частинок возз'єднується один з одним і утворює електрично нейтральні атоми і молекули газу. Цей процес називається відновленням або рекомбинацией.

Якщо між металевими електродами (диски, кулі) укласти якийсь обсяг газу, то при додатку до електродів електричної напруги на заряджені частинки в газі будуть діяти електричні сили - напруженості електричного поля.

Під дією цих сил електрони у і іони будуть переміщатися від одного електрода до іншого, створюючи електричний струм в газі.

Струм в газі буде тим більше, ніж різного діелектрика більше заряджених частинок утворюється в ньому в одиницю часу і чим більшу швидкість набувають вони під дією сил електричного поля.

Ясно, що з підвищенням напруги, прикладеного до даного обсягу газу, електричні сили, що діють на електрони і іони, збільшуються. При цьому швидкість заряджених частинок, а отже, і струм в газі зростають.

Зміна величини струму в залежності від напруги, прикладеного до обсягу газу, виражається графічно у вигляді кривої, яку називають вольтамперної характеристикою.

Вольтамперная характеристика для газоподібного діелектрика

Вольтамперная характеристика показує, що в області слабких електричних полів, коли електричні сили, що діють на заряджені частинки, відносно невеликі (область I на графіку), струм в газі зростає пропорційно величині прикладеної напруги. У цій області зміна струму відбувається відповідно до закону Ома.

З подальшим зростанням напруги (область II) пропорційність між струмом і напругою порушується. У цій області струм провідності не залежить від напруги. Тут відбувається накопичення енергії зарядженими частинками газу - електронами і іонами.

З подальшим же підвищенням напруги (область III) швидкість заряджених частинок різко зростає, внаслідок чого відбуваються часті зіткнення їх з нейтральними частинками газу. При цих пружних зіткненнях електрони і іони передають частину накопиченої ними енергії нейтральним частинкам газу. В результаті електрони відокремлюються від своїх атомів. При цьому утворюються нові електрично заряджені частинки: вільні електрони і іони.

З огляду на те що летять заряджені частинки соударяются з атомами і молекулами газу дуже часто, утворення нових електрично заряджених частинок відбувається досить інтенсивно. Цей процес називається ударною іонізацією газу.

В області ударної іонізації (область III на малюнку) струм в газі інтенсивно зростає при найменшому підвищенні напруги. Процес ударної іонізації в газоподібних діелектриках супроводжується різким зменшенням величини питомого об'ємного опору газу і зростанням тангенса кута діелектричних втрат.

Природно, що газоподібні діелектрики можуть використовуватися при напружених, менших тих значень, при яких виникає процес ударної іонізації. В цьому випадку гази є дуже хорошими діелектриками, у яких питомий об'ємний опір дуже велике (1020 ом х см), а тангенс кута діелектричних втрат дуже малий (tg # 948; ≈ 10 - 6). Тому гази, зокрема повітря, використовуються в якості діелектриків в зразкових конденсаторах, газонаповнених кабелях і високовольтних вимикачах.

Роль газу ка діелектрика в електроізоляційних конструкціях

У будь-ізоляційної конструкції в якості елемента ізоляції присутній в тій чи іншій мірі повітря або будь-якої іншої газ. Провід повітряних ліній (ПЛ), шини розподільних пристроїв, висновки трансформаторів і різних апаратів високої напруги відокремлені один від одного проміжками, єдиною ізолюючої середовищем в яких є повітря.

Порушення електричної міцності таких конструкцій може статися як шляхом пробою діелектрика, з якого виготовлені ізолятори, так і в результаті розряду в повітрі або уздовж поверхні діелектрика. На відміну від пробою ізолятора, який призводить до повного виходу його з ладу, розряд уздовж поверхні зазвичай пошкодженням не супроводжується. Отже, якщо ізоляційну конструкцію виконати таким чином, щоб напруга перекриття по поверхні або розрядні напруги в повітрі були менше пробивних напруг ізоляторів, то фактична електрична міцність таких конструкцій буде визначатися електричною міцністю повітря.

У зазначених вище випадках повітря має значення як природна газове середовище, в якій знаходяться ізоляційні конструкції. Поряд з цим повітря або інший газ часто застосовується в якості одного з основних ізоляційних матеріалів при виконанні ізоляції кабелів, конденсаторів, трансформаторів та інших електричних апаратів.

Для забезпечення надійної та безаварійної роботи ізоляційних конструкцій необхідно знати, як впливають на електричну міцність газу різні фактори, такі, як форма і тривалість дії напруги, температура і тиск газу, характер електричного поля і т. П.