Prevodnost plina

Plini so običajno dobri dielektriki (npr. čist, neioniziran zrak). Če pa plini vsebujejo vlago, pomešano z organskimi in anorganskimi delci in so hkrati ionizirani, potem prevajajo elektriko.

V vseh plinih, še preden je nanje priključena električna napetost, vedno obstaja določena količina električno nabitih delcev – elektronov in ionov – ki so v naključnem toplotnem gibanju. To so lahko nabiti delci plina, pa tudi nabiti delci trdnih snovi in ​​tekočin - nečistoče, ki jih najdemo na primer v zraku.

Nastanek električno nabitih delcev v plinastih dielektrikih povzroča ionizacija plina iz zunanjih virov energije (zunanji ionizatorji): kozmični in sončni žarki, radioaktivno sevanje Zemlje itd.

Električna prevodnost plinov je odvisna predvsem od stopnje njihove ionizacije, ki jo lahko izvedemo na različne načine. Na splošno se ionizacija plinov pojavi kot posledica sproščanja elektronov iz nevtralne molekule plina.

Elektron, ki se sprosti iz molekule plina, se zmeša v medmolekulskem prostoru plina in tu lahko glede na vrsto plina ohrani razmeroma dolgo "neodvisnost" svojega gibanja (npr. v takih plinih vodikov udar H2 , dušik n2) ali , nasprotno, hitro prodrejo v nevtralno molekulo in jo spremenijo v negativni ion (na primer kisik).

Največji učinek ionizacije plinov dosežemo z obsevanjem z rentgenskimi žarki, katodnimi žarki ali žarki, ki jih oddajajo radioaktivne snovi.

Atmosferski zrak se poleti pod vplivom sončne svetlobe zelo intenzivno ionizira. Vlaga v zraku kondenzira na svojih ionih in tvori najmanjše vodne kapljice, nabite z elektriko. Sčasoma iz posameznih električno nabitih vodnih kapljic nastanejo nevihtni oblaki, ki jih spremlja strela, t.j. električni izpusti atmosferske elektrike.

Proces ionizacije plina z zunanjimi ionizatorji je, da prenesejo del energije na atome plina. V tem primeru valenčni elektroni pridobijo dodatno energijo in se ločijo od svojih atomov, ki postanejo pozitivno nabiti delci - pozitivni ioni.

Nastali prosti elektroni lahko dolgo časa ohranijo svojo neodvisnost od gibanja v plinu (na primer v vodiku, dušiku) ali se čez nekaj časa pritrdijo na električno nevtralne atome in molekule plina ter jih spremenijo v negativne ione.

Pojav električno nabitih delcev v plinu lahko povzroči tudi sproščanje elektronov s površine kovinskih elektrod, ko so te segrete ali izpostavljene sevalni energiji.Med motenim toplotnim gibanjem se nekateri nasprotno nabiti (elektroni) in pozitivno nabiti (ioni) delci med seboj združijo in tvorijo električno nevtralne atome in molekule plina. Ta proces se imenuje popravilo ali rekombinacija.

Če je prostornina plina zaprta med kovinskimi elektrodami (diski, kroglice), potem ko na elektrode dovedemo električno napetost, bodo na nabite delce v plinu delovale električne sile - električna poljska jakost.

Pod delovanjem teh sil se bodo elektroni in ioni premaknili z ene elektrode na drugo in ustvarili električni tok v plinu.

Tok v plinu bo tem večji, čim več nabitih delcev z različnim dielektrikom nastane v njem na enoto časa in večjo hitrost dosežejo pod delovanjem sil električnega polja.

Jasno je, da se električne sile, ki delujejo na elektrone in ione, povečajo, ko se napetost, uporabljena za določeno prostornino plina, poveča. V tem primeru se poveča hitrost nabitih delcev in s tem tok v plinu.

Sprememba velikosti toka kot funkcije napetosti, ki se uporablja za prostornino plina, je grafično izražena v obliki krivulje, imenovane volt-amperska karakteristika.

Tokovno-napetostna karakteristika plinskega dielektrika

Tokovno-napetostna karakteristika kaže, da v območju šibkih električnih polj, ko so električne sile, ki delujejo na nabite delce relativno majhne (območje I na grafu), tok v plinu narašča sorazmerno z vrednostjo uporabljene napetosti. . V tem območju se tok spreminja po Ohmovem zakonu.

Ko napetost še narašča (območje II), se sorazmernost med tokom in napetostjo poruši. V tem območju prevodni tok ni odvisen od napetosti. Tu se energija kopiči iz nabitih delcev plina - elektronov in ionov.

Z nadaljnjim naraščanjem napetosti (območje III) se hitrost nabitih delcev močno poveča, zaradi česar pogosto trčijo ob nevtralne delce plina. Med temi elastičnimi trki elektroni in ioni prenesejo nekaj svoje akumulirane energije na nevtralne delce plina. Posledično se elektroni odvzamejo iz svojih atomov. V tem primeru nastanejo novi električno nabiti delci: prosti elektroni in ioni.

Zaradi dejstva, da leteči nabiti delci zelo pogosto trčijo z atomi in molekulami plina, se tvorba novih električno nabitih delcev pojavlja zelo intenzivno. Ta proces se imenuje udarna plinska ionizacija.

V območju udarne ionizacije (območje III na sliki) tok v plinu hitro narašča z najmanjšim povečanjem napetosti. Proces udarne ionizacije v plinskih dielektrikih spremlja močno zmanjšanje prostorninskega upora plina in povečanje tangens dielektrične izgube.

Seveda se lahko plinasti dielektriki uporabljajo pri napetostih, nižjih od tistih vrednosti, pri katerih pride do udarnega ionizacijskega procesa. V tem primeru so plini zelo dobri dielektriki, kjer je volumski specifični upor zelo visok (1020 ohmov)x cm) in je tangens dielektričnega izgubnega kota zelo majhen (tgδ ≈ 10-6).Zato se plini, zlasti zrak, uporabljajo kot dielektriki v na primer kondenzatorjih, s plinom napolnjenih kablih in visokonapetostni odklopniki.

Vloga plina kot dielektrika v elektroizolacijskih konstrukcijah

V vsaki izolacijski konstrukciji je kot element izolacije do neke mere prisoten zrak ali drug plin. Vodniki nadzemnih vodov (VL), zbiralk, transformatorskih sponk in raznih visokonapetostnih naprav so med seboj ločeni z režami, edini izolacijski medij v katerih je zrak.

Kršitev dielektrične trdnosti takšnih struktur se lahko pojavi tako zaradi uničenja dielektrika, iz katerega so izdelani izolatorji, kot zaradi razelektritve v zraku ali na površini dielektrika.

Za razliko od razpada izolatorja, ki vodi v njegovo popolno odpoved, površinske razelektritve običajno ne spremlja odpoved. Torej, če je izolacijska struktura izdelana tako, da je površinska prekrivna napetost ali prebojna napetost v zraku manjša od prebojne napetosti izolatorjev, bo dejansko dielektrično trdnost takih struktur določena z dielektrično trdnostjo zraka.

V zgornjih primerih je zrak relevanten kot medij zemeljskega plina, v katerem se nahajajo izolacijske konstrukcije. Poleg tega se zrak ali drug plin pogosto uporablja kot eden glavnih izolacijskih materialov za izolacijo kablov, kondenzatorjev, transformatorjev in drugih električnih naprav.

Da bi zagotovili zanesljivo in nemoteno delovanje izolacijskih struktur, je treba vedeti, kako različni dejavniki vplivajo na dielektrično trdnost plina, kot so oblika in trajanje napetosti, temperatura in tlak plina, narava plina. električno polje itd.

Glej na to temo: Vrste električnih razelektritev v plinih