מוליכות גז

גזים הם בדרך כלל חומרים דיאלקטריים טובים (למשל אוויר נקי ולא מיונן). עם זאת, אם הגזים מכילים לחות מעורבת עם חלקיקים אורגניים ואי-אורגניים והם מיוננים בו זמנית, אז הם מוליכים חשמל.

בכל הגזים, עוד לפני שמופעל עליהם מתח חשמלי, תמיד יש כמות מסוימת של חלקיקים טעונים חשמלית - אלקטרונים ויונים - שנמצאים בתנועה תרמית אקראית. אלה יכולים להיות חלקיקים טעונים של גז, כמו גם חלקיקים טעונים של מוצקים ונוזלים - זיהומים שנמצאים, למשל, באוויר.

היווצרות חלקיקים טעונים חשמלית בדיאלקטריים גזים נגרמת על ידי יינון גז ממקורות אנרגיה חיצוניים (מייננים חיצוניים): קרניים קוסמיות ושמשיות, קרינה רדיואקטיבית של כדור הארץ וכו'.

המוליכות החשמלית של גזים תלויה בעיקר במידת היינון שלהם, שיכולה להתבצע בדרכים שונות. באופן כללי, יינון הגזים מתרחש כתוצאה משחרור אלקטרונים ממולקולת גז נייטרלית.

אלקטרון המשתחרר ממולקולת גז מתערבב במרחב הבין-מולקולרי של הגז, וכאן, בהתאם לסוג הגז, הוא יכול לשמור על "עצמאות" ארוכה יחסית של תנועתו (למשל, בגזים כאלה, הלם המימן H2 , חנקן n2) או, להיפך, לחדור במהירות למולקולה ניטרלית, ולהפוך אותה ליון שלילי (לדוגמה, חמצן).

ההשפעה הגדולה ביותר של יינון גזים מושגת על ידי הקרנתם בקרני רנטגן, בקרני קתודה או בקרניים הנפלטות מחומרים רדיואקטיביים.

האוויר האטמוספרי בקיץ מיונן בצורה אינטנסיבית מאוד בהשפעת אור השמש. הלחות באוויר מתעבה על היונים שלו, ויוצרות את טיפות המים הקטנות ביותר הטעונות בחשמל. בסופו של דבר, ענני רעמים מלווים בברקים נוצרים מטיפות מים בודדות טעונות חשמלית, כלומר. פריקות חשמליות של חשמל אטמוספרי.

תהליך יינון הגז על ידי מייננים חיצוניים הוא שהם מעבירים חלק מהאנרגיה לאטומי הגז. במקרה זה, האלקטרונים הערכיים מקבלים אנרגיה נוספת ומופרדים מהאטומים שלהם, שהופכים לחלקיקים בעלי מטען חיובי - יונים חיוביים.

האלקטרונים החופשיים שנוצרו יכולים לשמור על עצמאותם מתנועה בגז לאורך זמן (למשל במימן, בחנקן) או לאחר זמן מה להיצמד לאטומים ומולקולות גז ניטרליות חשמלית, ולהפוך אותם ליונים שליליים.

הופעת חלקיקים טעונים חשמלית בגז יכולה להיגרם גם משחרור אלקטרונים מפני השטח של אלקטרודות מתכת כשהן מחוממות או חשופות לאנרגיית קרינה.בעודם נמצאים בתנועה תרמית מופרעת, חלק מהחלקיקים בעלי המטען ההפוך (אלקטרונים) ומהחלקיקים הטעונים חיובית (יונים) מתאחדים זה עם זה ויוצרים אטומים ניטרליים חשמלית ומולקולות גז. תהליך זה נקרא תיקון או ריקומבינציה.

אם נפח גז מוקף בין אלקטרודות מתכת (דיסקים, כדורים), אז כאשר מתח חשמלי מופעל על האלקטרודות, כוחות חשמליים יפעלו על החלקיקים הטעונים בגז - עוצמת השדה החשמלי.

תחת פעולת הכוחות הללו, אלקטרונים ויונים יעברו מאלקטרודה אחת לאחרת, ויצרו זרם חשמלי בגז.

הזרם בגז יהיה גדול יותר, ככל שייווצרו בו יותר חלקיקים טעונים עם דיאלקטרי שונה ליחידת זמן וככל שהם רוכשים מהירות גדולה יותר בפעולת כוחות השדה החשמליים.

ברור שככל שהמתח המופעל על נפח נתון של גז גדל, הכוחות החשמליים הפועלים על אלקטרונים ויונים גדלים. במקרה זה, מהירות החלקיקים הטעונים ולכן הזרם בגז עולה.

השינוי בגודל הזרם כפונקציה של המתח המופעל על נפח הגז מבוטא בצורה גרפית בצורת עקומה הנקראת מאפיין וולט-אמפר.

מאפיין מתח זרם עבור דיאלקטרי גזי

מאפיין הזרם-מתח מראה שבאזור שדות חשמליים חלשים, כאשר הכוחות החשמליים הפועלים על החלקיקים הטעונים קטנים יחסית (שטח I בגרף), הזרם בגז גדל ביחס לערך המתח המופעל . בתחום זה משתנה הזרם לפי חוק אוהם.

ככל שהמתח גדל עוד יותר (אזור II), המידתיות בין זרם למתח נשברת. באזור זה, זרם ההולכה אינו תלוי במתח. כאן, אנרגיה נצברת מחלקיקי גז טעונים - אלקטרונים ויונים.

עם עלייה נוספת במתח (אזור III), מהירותם של חלקיקים טעונים עולה בחדות, וכתוצאה מכך הם מתנגשים לעתים קרובות עם חלקיקי גז ניטרליים. במהלך התנגשויות אלסטיות אלו, אלקטרונים ויונים מעבירים חלק מהאנרגיה המצטברת שלהם לחלקיקי גז ניטרליים. כתוצאה מכך, אלקטרונים מופשטים מהאטומים שלהם. במקרה זה, נוצרים חלקיקים חדשים טעונים חשמלית: אלקטרונים ויונים חופשיים.

בשל העובדה שהחלקיקים הטעונים המעופפים מתנגשים לעתים קרובות מאוד באטומים ובמולקולות הגז, היווצרותם של חלקיקים טעונים חשמלית חדשים מתרחשת באינטנסיביות רבה. תהליך זה נקרא יינון גז הלם.

באזור יינון ההשפעה (אזור III באיור), הזרם בגז גדל במהירות עם העלייה הקטנה ביותר במתח. תהליך יינון ההשפעה בדיאלקטרי גזים מלווה בירידה חדה בהתנגדות הנפח של הגז ועלייה ב משיק הפסד דיאלקטרי.

באופן טבעי, ניתן להשתמש בדיאלקטריים גזים במתחים נמוכים מהערכים שבהם מתרחש תהליך יינון ההשפעה. במקרה זה, גזים הם דיאלקטריים טובים מאוד, כאשר ההתנגדות הספציפית לנפח גבוהה מאוד (1020 אוהם)x ס"מ) והטנגנס של זווית ההפסד הדיאלקטרי קטן מאוד (tgδ ≈ 10-6).לכן, גזים, במיוחד אוויר, משמשים כדיאלקטריים בקבלים לדוגמה, כבלים מלאי גז, ו מפסקי מתח גבוה.

תפקיד הגז כדיאלקטרי במבני בידוד חשמלי

בכל מבנה מבודד, אוויר או גז אחר נמצאים במידה מסוימת כמרכיב של בידוד. מוליכים של קווים עיליים (VL), פסים, מסופי שנאים והתקני מתח גבוה שונים מופרדים זה מזה על ידי פערים, המדיום המבודד היחיד שבו הוא אוויר.

הפרה של החוזק הדיאלקטרי של מבנים כאלה יכולה להתרחש הן באמצעות הרס הדיאלקטרי שממנו עשויים המבודדים, והן כתוצאה מפריקה באוויר או על פני השטח של הדיאלקטרי.

בניגוד להתמוטטות מבודד, שמובילה לכישלון מוחלט שלו, פריקה משטח בדרך כלל אינה מלווה בכשל. לכן, אם המבנה המבודד עשוי בצורה כזו שמתח החפיפה של פני השטח או מתח התפרקות באוויר קטן ממתח השבר של המבודדים, אזי החוזק הדיאלקטרי בפועל של מבנים כאלה ייקבע על פי החוזק הדיאלקטרי של האוויר.

במקרים הנ"ל, האוויר רלוונטי כמדיום גז טבעי בו נמצאים המבנים המבודדים. בנוסף, אוויר או גז אחר משמשים לעתים קרובות כאחד מחומרי הבידוד העיקריים לבידוד כבלים, קבלים, שנאים ומכשירים חשמליים אחרים.

כדי להבטיח פעולה אמינה וללא תקלות של מבנים מבודדים, יש צורך לדעת כיצד גורמים שונים משפיעים על החוזק הדיאלקטרי של גז, כגון צורת ומשך המתח, הטמפרטורה והלחץ של הגז, אופי הגז. שדה חשמלי וכו'.

ראה בנושא זה: סוגי פריקה חשמלית בגזים