Αγωγιμότητα αερίου

Τα αέρια είναι συνήθως καλά διηλεκτρικά (π.χ. καθαρός, μη ιονισμένος αέρας). Αν όμως τα αέρια περιέχουν υγρασία αναμεμειγμένη με οργανικά και ανόργανα σωματίδια και ιονίζονται ταυτόχρονα, τότε αγώγουν ηλεκτρισμό.

Σε όλα τα αέρια, ακόμη και πριν εφαρμοστεί ηλεκτρική τάση σε αυτά, υπάρχει πάντα μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων —ηλεκτρόνια και ιόντα— που βρίσκονται σε τυχαία θερμική κίνηση. Αυτά μπορεί να είναι φορτισμένα σωματίδια αερίου, καθώς και φορτισμένα σωματίδια στερεών και υγρών — ακαθαρσίες που βρίσκονται, για παράδειγμα, στον αέρα.

Ο σχηματισμός ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων σε αέρια διηλεκτρικά προκαλείται από ιονισμό αερίων από εξωτερικές πηγές ενέργειας (εξωτερικοί ιονιστές): κοσμικές και ηλιακές ακτίνες, ραδιενεργή ακτινοβολία της Γης κ.λπ.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των αερίων εξαρτάται κυρίως από τον βαθμό ιονισμού τους, ο οποίος μπορεί να πραγματοποιηθεί με διαφορετικούς τρόπους. Γενικά, ο ιονισμός των αερίων συμβαίνει ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ηλεκτρονίων από ένα ουδέτερο μόριο αερίου.

Ένα ηλεκτρόνιο που απελευθερώνεται από ένα μόριο αερίου αναμιγνύεται στον διαμοριακό χώρο του αερίου και εδώ, ανάλογα με τον τύπο του αερίου, μπορεί να διατηρήσει μια σχετικά μεγάλη «ανεξαρτησία» της κίνησής του (για παράδειγμα, σε τέτοια αέρια, το σοκ υδρογόνου H2 , άζωτο n2) ή, αντίθετα, διεισδύουν γρήγορα σε ένα ουδέτερο μόριο, μετατρέποντάς το σε αρνητικό ιόν (για παράδειγμα, οξυγόνο).

Το μεγαλύτερο αποτέλεσμα του ιονισμού των αερίων επιτυγχάνεται με την ακτινοβολία τους με ακτίνες Χ, καθοδικές ακτίνες ή ακτίνες που εκπέμπονται από ραδιενεργές ουσίες.

Ο ατμοσφαιρικός αέρας το καλοκαίρι ιονίζεται πολύ έντονα υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός. Η υγρασία στον αέρα συμπυκνώνεται στα ιόντα του, σχηματίζοντας τα μικρότερα σταγονίδια νερού που φορτίζονται με ηλεκτρισμό. Τελικά, από μεμονωμένες ηλεκτρικά φορτισμένες σταγόνες νερού σχηματίζονται κεραυνοί που συνοδεύονται από κεραυνό, δηλ. ηλεκτρικές εκκενώσεις ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού.

Η διαδικασία ιονισμού αερίου από εξωτερικούς ιονιστές είναι ότι μεταφέρουν μέρος της ενέργειας στα άτομα του αερίου. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια σθένους αποκτούν πρόσθετη ενέργεια και διαχωρίζονται από τα άτομα τους, τα οποία γίνονται θετικά φορτισμένα σωματίδια - θετικά ιόντα.

Τα σχηματισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να διατηρήσουν την ανεξαρτησία τους από την κίνηση σε ένα αέριο για μεγάλο χρονικό διάστημα (για παράδειγμα, σε υδρογόνο, άζωτο) ή μετά από κάποιο χρονικό διάστημα να προσκολληθούν σε ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα και μόρια αερίου, μετατρέποντάς τα σε αρνητικά ιόντα.

Η εμφάνιση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων σε ένα αέριο μπορεί επίσης να προκληθεί από την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια των μεταλλικών ηλεκτροδίων όταν θερμαίνονται ή εκτίθενται σε ενέργεια ακτινοβολίας.Ενώ βρίσκονται σε διαταραγμένη θερμική κίνηση, μερικά από τα αντίθετα φορτισμένα (ηλεκτρόνια) και τα θετικά φορτισμένα (ιόντα) σωματίδια ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα και μόρια αερίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επισκευή ή ανασυνδυασμός.

Εάν ένας όγκος αερίου περικλείεται μεταξύ μεταλλικών ηλεκτροδίων (δίσκοι, μπάλες), τότε όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση στα ηλεκτρόδια, ηλεκτρικές δυνάμεις θα δράσουν στα φορτισμένα σωματίδια στο αέριο - την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.

Κάτω από τη δράση αυτών των δυνάμεων, τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα θα μετακινηθούν από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα αέριο.

Το ρεύμα στο αέριο θα είναι μεγαλύτερο, όσο περισσότερα φορτισμένα σωματίδια με διαφορετικό διηλεκτρικό σχηματίζονται σε αυτό ανά μονάδα χρόνου και τόσο μεγαλύτερη ταχύτητα αποκτούν υπό τη δράση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου.

Είναι σαφές ότι καθώς αυξάνεται η τάση που εφαρμόζεται σε έναν δεδομένο όγκο αερίου, οι ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούν τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα αυξάνονται. Σε αυτή την περίπτωση, η ταχύτητα των φορτισμένων σωματιδίων και επομένως το ρεύμα στο αέριο αυξάνεται.

Η αλλαγή στο μέγεθος του ρεύματος ως συνάρτηση της τάσης που εφαρμόζεται στον όγκο του αερίου εκφράζεται γραφικά με τη μορφή μιας καμπύλης που ονομάζεται χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ.

Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης για ένα αέριο διηλεκτρικό

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης δείχνει ότι στην περιοχή των ασθενών ηλεκτρικών πεδίων, όταν οι ηλεκτρικές δυνάμεις που δρουν στα φορτισμένα σωματίδια είναι σχετικά μικρές (περιοχή I στο γράφημα), το ρεύμα στο αέριο αυξάνεται ανάλογα με την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης . Σε αυτόν τον τομέα, το ρεύμα αλλάζει σύμφωνα με το νόμο του Ohm.

Καθώς η τάση αυξάνεται περαιτέρω (περιοχή II), η αναλογικότητα μεταξύ ρεύματος και τάσης σπάει. Σε αυτήν την περιοχή, το ρεύμα αγωγιμότητας δεν εξαρτάται από την τάση. Εδώ, η ενέργεια συσσωρεύεται από φορτισμένα σωματίδια αερίου - ηλεκτρόνια και ιόντα.

Με περαιτέρω αύξηση της τάσης (περιοχή III), η ταχύτητα των φορτισμένων σωματιδίων αυξάνεται απότομα, με αποτέλεσμα να συγκρούονται συχνά με ουδέτερα σωματίδια αερίου. Κατά τη διάρκεια αυτών των ελαστικών συγκρούσεων, τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα μεταφέρουν μέρος της συσσωρευμένης ενέργειάς τους σε ουδέτερα σωματίδια αερίου. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια απογυμνώνονται από τα άτομά τους. Στην περίπτωση αυτή, σχηματίζονται νέα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια: ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα.

Λόγω του γεγονότος ότι τα ιπτάμενα φορτισμένα σωματίδια συγκρούονται πολύ συχνά με τα άτομα και τα μόρια του αερίου, ο σχηματισμός νέων ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων συμβαίνει πολύ έντονα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ιονισμός αερίου κρούσης.

Στην περιοχή ιονισμού κρούσης (περιοχή III στο σχήμα), το ρεύμα στο αέριο αυξάνεται γρήγορα με τη μικρότερη αύξηση της τάσης. Η διαδικασία ιοντισμού κρούσης στα αέρια διηλεκτρικά συνοδεύεται από απότομη μείωση της αντίστασης όγκου του αερίου και αύξηση του εφαπτομένη της διηλεκτρικής απώλειας.

Φυσικά, τα αέρια διηλεκτρικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τάσεις χαμηλότερες από εκείνες τις τιμές στις οποίες συμβαίνει η διαδικασία ιονισμού κρούσης. Στην περίπτωση αυτή, τα αέρια είναι πολύ καλά διηλεκτρικά, όπου η ειδική αντίσταση όγκου είναι πολύ υψηλή (1020 ohms)x cm) και η εφαπτομένη της γωνίας διηλεκτρικής απώλειας είναι πολύ μικρή (tgδ ≈ 10-6).Ως εκ τούτου, τα αέρια, ιδιαίτερα ο αέρας, χρησιμοποιούνται ως διηλεκτρικά σε π.χ. πυκνωτές, καλώδια με αέριο και διακόπτες υψηλής τάσης.

Ο ρόλος του αερίου ως διηλεκτρικού σε ηλεκτρικές μονωτικές κατασκευές

Σε οποιαδήποτε μονωτική κατασκευή, ο αέρας ή άλλο αέριο υπάρχει σε κάποιο βαθμό ως στοιχείο μόνωσης. Οι αγωγοί των εναέριων γραμμών (VL), των ζυγών, των τερματικών μετασχηματιστών και των διαφόρων συσκευών υψηλής τάσης χωρίζονται μεταξύ τους με κενά, το μόνο μονωτικό μέσο στο οποίο βρίσκεται ο αέρας.

Η παραβίαση της διηλεκτρικής αντοχής τέτοιων δομών μπορεί να συμβεί τόσο μέσω της καταστροφής του διηλεκτρικού από το οποίο κατασκευάζονται οι μονωτές όσο και ως αποτέλεσμα της εκκένωσης στον αέρα ή στην επιφάνεια του διηλεκτρικού.

Σε αντίθεση με τη βλάβη του μονωτή, η οποία οδηγεί σε πλήρη αστοχία του, η επιφανειακή εκκένωση συνήθως δεν συνοδεύεται από αστοχία. Επομένως, εάν η μονωτική δομή είναι κατασκευασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε η επιφανειακή τάση επικάλυψης ή η τάση διάσπασης στον αέρα να είναι μικρότερη από την τάση διάσπασης των μονωτών, τότε η πραγματική διηλεκτρική αντοχή τέτοιων κατασκευών θα καθοριστεί από τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα.

Στις παραπάνω περιπτώσεις, ο αέρας είναι σημαντικός ως μέσο φυσικού αερίου στο οποίο βρίσκονται οι μονωτικές κατασκευές. Επιπλέον, ο αέρας ή άλλο αέριο χρησιμοποιείται συχνά ως ένα από τα κύρια μονωτικά υλικά για τη μόνωση καλωδίων, πυκνωτών, μετασχηματιστών και άλλων ηλεκτρικών συσκευών.

Για να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη και απρόσκοπτη λειτουργία των μονωτικών κατασκευών, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε πώς διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν τη διηλεκτρική αντοχή ενός αερίου, όπως η μορφή και η διάρκεια της τάσης, η θερμοκρασία και η πίεση του αερίου, η φύση του ηλεκτρικό πεδίο κ.λπ.

Δείτε για αυτό το θέμα: Τύποι ηλεκτρικής εκκένωσης σε αέρια