Gas geleidbaarheid

Gassen zijn meestal goede diëlektrica (bijvoorbeeld schone, niet-geïoniseerde lucht). Als de gassen echter vocht bevatten vermengd met organische en anorganische deeltjes en tegelijkertijd geïoniseerd zijn, dan geleiden ze elektriciteit.

In alle gassen is er, zelfs voordat er een elektrische spanning op wordt toegepast, altijd een bepaalde hoeveelheid elektrisch geladen deeltjes - elektronen en ionen - die in willekeurige thermische beweging zijn. Dit kunnen geladen gasdeeltjes zijn, maar ook geladen deeltjes van vaste stoffen en vloeistoffen - onzuiverheden die bijvoorbeeld in de lucht worden aangetroffen.

De vorming van elektrisch geladen deeltjes in gasvormige diëlektrica wordt veroorzaakt door gasionisatie van externe energiebronnen (externe ionisatoren): kosmische en zonnestralen, radioactieve straling van de aarde, enz.

De elektrische geleidbaarheid van gassen hangt voornamelijk af van de mate van ionisatie, die op verschillende manieren kan worden uitgevoerd. Over het algemeen vindt de ionisatie van gassen plaats als gevolg van het vrijkomen van elektronen uit een neutraal gasmolecuul.

Een elektron dat vrijkomt uit een gasmolecuul vermengt zich in de intermoleculaire ruimte van het gas, en hier kan het, afhankelijk van het type gas, een relatief lange "onafhankelijkheid" van zijn beweging behouden (bijvoorbeeld in dergelijke gassen, de waterstofschok H2 , stikstof n2) of, integendeel, snel een neutraal molecuul binnendringen en het in een negatief ion veranderen (bijvoorbeeld zuurstof).

Het grootste effect van ionisatie van gassen wordt bereikt door ze te bestralen met röntgenstralen, kathodestralen of stralen die worden uitgezonden door radioactieve stoffen.

Atmosferische lucht wordt in de zomer zeer intensief geïoniseerd onder invloed van zonlicht. Vocht in de lucht condenseert op zijn ionen en vormt de kleinste waterdruppeltjes die zijn geladen met elektriciteit. Uiteindelijk worden onweerswolken vergezeld van bliksem gevormd uit individuele elektrisch geladen waterdruppeltjes, d.w.z. elektrische ontladingen van atmosferische elektriciteit.

Het proces van gasionisatie door externe ionisatoren is dat ze een deel van de energie overbrengen naar de gasatomen. In dit geval krijgen de valentie-elektronen extra energie en worden ze gescheiden van hun atomen, die positief geladen deeltjes worden - positieve ionen.

De gevormde vrije elektronen kunnen lange tijd onafhankelijk blijven van beweging in een gas (bijvoorbeeld in waterstof, stikstof) of zich na enige tijd hechten aan elektrisch neutrale atomen en gasmoleculen, waardoor ze in negatieve ionen veranderen.

Het verschijnen van elektrisch geladen deeltjes in een gas kan ook worden veroorzaakt door het vrijkomen van elektronen van het oppervlak van metalen elektroden wanneer deze worden verwarmd of blootgesteld aan stralingsenergie.Tijdens een verstoorde thermische beweging verenigen sommige van de tegengesteld geladen (elektronen) en positief geladen (ionen) deeltjes zich met elkaar en vormen elektrisch neutrale atomen en gasmoleculen. Dit proces wordt reparatie of recombinatie genoemd.

Als een hoeveelheid gas is ingesloten tussen metalen elektroden (schijven, ballen), dan zullen, wanneer een elektrische spanning op de elektroden wordt aangelegd, elektrische krachten inwerken op de geladen deeltjes in het gas - de elektrische veldsterkte.

Onder invloed van deze krachten zullen elektronen en ionen van de ene elektrode naar de andere gaan, waardoor een elektrische stroom in een gas ontstaat.

De stroom in het gas zal groter zijn, hoe meer geladen deeltjes met verschillend diëlektricum er per tijdseenheid in worden gevormd en hoe groter de snelheid die ze krijgen onder invloed van de elektrische veldkrachten.

Het is duidelijk dat naarmate de spanning die wordt toegepast op een bepaald gasvolume toeneemt, de elektrische krachten die op elektronen en ionen werken toenemen. In dit geval neemt de snelheid van de geladen deeltjes en dus de stroom in het gas toe.

De verandering in de grootte van de stroom als functie van de spanning die op het gasvolume wordt toegepast, wordt grafisch uitgedrukt in de vorm van een curve die de volt-ampère-karakteristiek wordt genoemd.

Stroom-spanningskarakteristiek voor een gasvormig diëlektricum

De stroom-spanningskarakteristiek laat zien dat in het gebied van zwakke elektrische velden, wanneer de elektrische krachten die op de geladen deeltjes werken relatief klein zijn (gebied I in de grafiek), de stroom in het gas evenredig toeneemt met de waarde van de aangelegde spanning . In dit gebied verandert de stroom volgens de wet van Ohm.

Naarmate de spanning verder toeneemt (gebied II), wordt de evenredigheid tussen stroom en spanning verbroken. In dit gebied is de geleidingsstroom niet afhankelijk van de spanning. Hier wordt energie verzameld uit geladen gasdeeltjes - elektronen en ionen.

Bij een verdere toename van de spanning (gebied III) neemt de snelheid van geladen deeltjes sterk toe, waardoor ze vaak in botsing komen met neutrale gasdeeltjes. Tijdens deze elastische botsingen dragen elektronen en ionen een deel van hun geaccumuleerde energie over aan neutrale gasdeeltjes. Hierdoor worden elektronen van hun atomen ontdaan. Hierbij worden nieuwe elektrisch geladen deeltjes gevormd: vrije elektronen en ionen.

Doordat de rondvliegende geladen deeltjes zeer vaak botsen met de atomen en moleculen van het gas, vindt de vorming van nieuwe elektrisch geladen deeltjes zeer intensief plaats. Dit proces wordt schokgasionisatie genoemd.

In het impactionisatiegebied (gebied III in de figuur) neemt de stroom in het gas snel toe met de kleinste toename in spanning. Het impactionisatieproces in gasvormige diëlektrica gaat gepaard met een scherpe afname van de volumeweerstand van het gas en een toename van diëlektrische verlies tangens.

Uiteraard kunnen gasvormige diëlektrica worden gebruikt bij spanningen die lager zijn dan die waarden waarbij het impactionisatieproces plaatsvindt. In dit geval zijn gassen zeer goede diëlektrica, waarbij de volumespecifieke weerstand erg hoog is (1020 ohm) x cm) en de tangens van de diëlektrische verlieshoek erg klein is (tgδ ≈ 10-6).Daarom worden gassen, met name lucht, gebruikt als diëlektrica in bijvoorbeeld condensatoren, met gas gevulde kabels en hoogspanningsstroomonderbrekers.

De rol van gas als diëlektricum in elektrische isolatieconstructies

In elke isolerende constructie is lucht of ander gas tot op zekere hoogte aanwezig als isolatie-element. De geleiders van bovengrondse lijnen (VL), rails, transformatorterminals en verschillende hoogspanningsapparaten zijn van elkaar gescheiden door openingen, het enige isolatiemedium waarin lucht is.

Schending van de diëlektrische sterkte van dergelijke structuren kan zowel optreden door de vernietiging van het diëlektricum waaruit de isolatoren zijn gemaakt, als als gevolg van ontlading in de lucht of op het oppervlak van het diëlektricum.

In tegenstelling tot het doorbreken van de isolator, wat leidt tot volledig falen, gaat oppervlakteontlading meestal niet gepaard met falen. Daarom, als de isolerende structuur zo is gemaakt dat de oppervlakte-overlappingsspanning of doorslagspanning in lucht lager is dan de doorslagspanning van de isolatoren, dan zal de werkelijke diëlektrische sterkte van dergelijke structuren worden bepaald door de diëlektrische sterkte van lucht.

In de bovenstaande gevallen is lucht relevant als aardgasmedium waarin de isolerende structuren zich bevinden. Bovendien wordt lucht of een ander gas vaak gebruikt als een van de belangrijkste isolatiematerialen om kabels, condensatoren, transformatoren en andere elektrische apparaten te isoleren.

Om een ​​betrouwbare en probleemloze werking van isolerende constructies te garanderen, is het noodzakelijk om te weten hoe verschillende factoren de diëlektrische sterkte van een gas beïnvloeden, zoals de vorm en duur van de spanning, de temperatuur en druk van het gas, de aard van de elektrisch veld, enz.

Zie over dit onderwerp: Soorten elektrische ontlading in gassen