Conductivitat del gas
Els gasos solen ser bons dielèctrics (per exemple, aire net i no ionitzat). Tanmateix, si els gasos contenen humitat barrejada amb partícules orgàniques i inorgàniques i estan ionitzats alhora, condueixen l'electricitat.
En tots els gasos, fins i tot abans que se'ls apliqui una tensió elèctrica, sempre hi ha una certa quantitat de partícules carregades elèctricament —electrons i ions— que es troben en moviment tèrmic aleatori. Poden ser partícules carregades de gas, així com partícules carregades de sòlids i líquids, impureses que es troben, per exemple, a l'aire.
La formació de partícules carregades elèctricament en els dielèctrics gasosos és causada per la ionització de gas procedent de fonts d'energia externes (ionitzadors externs): raigs còsmics i solars, radiació radioactiva de la Terra, etc.
La conductivitat elèctrica dels gasos depèn principalment del grau d'ionització, que es pot dur a terme de diferents maneres. En general, la ionització dels gasos es produeix com a resultat de l'alliberament d'electrons d'una molècula de gas neutre.
Un electró alliberat d'una molècula de gas es barreja a l'espai intermolecular del gas, i aquí, depenent del tipus de gas, pot mantenir una "independència" relativament llarga del seu moviment (per exemple, en aquests gasos, el xoc d'hidrogen H2). , nitrogen n2) o, per contra, penetren ràpidament en una molècula neutra, convertint-la en un ió negatiu (per exemple, oxigen).
El major efecte d'ionització dels gasos s'aconsegueix irradiant-los amb raigs X, raigs catòdics o raigs emesos per substàncies radioactives.
L'aire atmosfèric a l'estiu està molt intensament ionitzat sota la influència de la llum solar. La humitat de l'aire es condensa sobre els seus ions, formant les gotes d'aigua més petites carregades d'electricitat. Finalment, els núvols tronats acompanyats de llamps es formen a partir de gotes d'aigua individuals carregades elèctricament, és a dir. descàrregues elèctriques de l'electricitat atmosfèrica.
El procés d'ionització del gas mitjançant ionitzadors externs és que transfereixen part de l'energia als àtoms del gas. En aquest cas, els electrons de valència guanyen energia addicional i es separen dels seus àtoms, que es converteixen en partícules carregades positivament: ions positius.
Els electrons lliures formats poden mantenir la seva independència del moviment en un gas durant molt de temps (per exemple, en hidrogen, nitrogen) o després d'un temps unir-se a àtoms i molècules de gas elèctricament neutres, convertint-los en ions negatius.
L'aparició de partícules carregades elèctricament en un gas també pot ser causada per l'alliberament d'electrons de la superfície dels elèctrodes metàl·lics quan s'escalfen o s'exposen a energia radiant.Mentre es troben en moviment tèrmic alterat, algunes de les partícules de càrrega oposada (electrons) i de càrrega positiva (ions) s'uneixen entre si i formen àtoms i molècules de gas elèctricament neutres. Aquest procés s'anomena reparació o recombinació.
Si hi ha un volum de gas tancat entre elèctrodes metàl·lics (discs, boles), quan s'aplica una tensió elèctrica als elèctrodes, les forces elèctriques actuaran sobre les partícules carregades del gas: la força del camp elèctric.
Sota l'acció d'aquestes forces, els electrons i els ions es mouran d'un elèctrode a un altre, creant un corrent elèctric en un gas.
El corrent al gas serà més gran, com més partícules carregades amb diferent dielèctric es formen en ell per unitat de temps i més velocitat adquireixin sota l'acció de les forces del camp elèctric.
És evident que a mesura que augmenta la tensió aplicada a un volum determinat de gas, augmenten les forces elèctriques que actuen sobre els electrons i els ions. En aquest cas, augmenta la velocitat de les partícules carregades i, per tant, el corrent al gas.
El canvi en la magnitud del corrent en funció de la tensió aplicada al volum del gas s'expressa gràficament en forma d'una corba anomenada característica volt-ampere.
Característica corrent-tensió per a un dielèctric gasós
La característica de tensió actual mostra que a la regió dels camps elèctrics febles, quan les forces elèctriques que actuen sobre les partícules carregades són relativament petites (àrea I del gràfic), el corrent del gas augmenta en proporció al valor de la tensió aplicada. . En aquesta àrea, el corrent canvia segons la llei d'Ohm.
A mesura que la tensió augmenta encara més (regió II), la proporcionalitat entre el corrent i la tensió es trenca. En aquesta regió, el corrent de conducció no depèn de la tensió. Aquí, l'energia s'acumula a partir de partícules de gas carregades: electrons i ions.
Amb un augment addicional de la tensió (regió III), la velocitat de les partícules carregades augmenta bruscament, com a resultat de la qual cosa sovint xoquen amb partícules de gas neutre. Durant aquestes col·lisions elàstiques, els electrons i els ions transfereixen part de la seva energia acumulada a partícules de gas neutre. Com a resultat, els electrons es despullen dels seus àtoms. En aquest cas, es formen noves partícules carregades elèctricament: electrons i ions lliures.
A causa del fet que les partícules carregades que volen xoquen molt sovint amb els àtoms i les molècules del gas, la formació de noves partícules carregades elèctricament es produeix de manera molt intensa. Aquest procés s'anomena ionització de gas de xoc.
A la regió d'ionització d'impacte (regió III a la figura), el corrent del gas augmenta ràpidament amb el menor augment de la tensió. El procés d'ionització per impacte en els dielèctrics gasosos s'acompanya d'una forta disminució de la resistència del volum del gas i un augment de tangent de pèrdua dielèctrica.
Naturalment, els dielèctrics gasosos es poden utilitzar a voltatges inferiors als valors als quals es produeix el procés d'ionització per impacte. En aquest cas, els gasos són dielèctrics molt bons, on la resistència específica del volum és molt alta (1020 ohms) x cm) i la tangent de l'angle de pèrdua dielèctrica és molt petita (tgδ ≈ 10-6).Per tant, els gasos, especialment l'aire, s'utilitzen com a dielèctrics en condensadors d'exemple, cables plens de gas i interruptors d'alta tensió.
El paper del gas com a dielèctric en estructures aïllants elèctrics
En qualsevol estructura aïllant, l'aire o un altre gas està present fins a cert punt com a element d'aïllament. Els conductors de les línies aèries (VL), les barres colectores, els terminals del transformador i diversos dispositius d'alta tensió estan separats entre si per buits, l'únic mitjà aïllant en què és l'aire.
La violació de la rigidesa dielèctrica d'aquestes estructures es pot produir tant per la destrucció del dielèctric del qual estan fets els aïllants com per la descàrrega a l'aire o a la superfície del dielèctric.
A diferència de l'avaria de l'aïllant, que condueix a la seva completa fallada, la descàrrega superficial no sol anar acompanyada de fallada. Per tant, si l'estructura aïllant es fa de tal manera que la tensió de superposició superficial o la tensió de ruptura a l'aire sigui inferior a la tensió de ruptura dels aïllants, la rigidesa dielèctrica real d'aquestes estructures estarà determinada per la rigidesa dielèctrica de l'aire.
En els casos anteriors, l'aire és rellevant com a mitjà de gas natural en el qual es troben les estructures aïllants. A més, l'aire o un altre gas s'utilitza sovint com un dels principals materials aïllants per aïllar cables, condensadors, transformadors i altres dispositius elèctrics.
Per garantir un funcionament fiable i sense problemes de les estructures aïllants, cal conèixer com afecten diversos factors a la rigidesa dielèctrica d'un gas, com ara la forma i la durada de la tensió, la temperatura i la pressió del gas, la naturalesa del gas. camp elèctric, etc.
Veure sobre aquest tema: Tipus de descàrrega elèctrica en gasos