Vodivosť plynu

Plyny sú zvyčajne dobrými dielektrikami (napr. čistý, neionizovaný vzduch). Ak však plyny obsahujú vlhkosť zmiešanú s organickými a anorganickými časticami a sú súčasne ionizované, potom vedú elektrický prúd.

Vo všetkých plynoch, ešte predtým, ako sa na ne privedie elektrické napätie, je vždy určité množstvo elektricky nabitých častíc – elektrónov a iónov – ktoré sú v náhodnom tepelnom pohybe. Môžu to byť nabité častice plynu, ako aj nabité častice pevných látok a kvapalín – nečistoty nachádzajúce sa napríklad vo vzduchu.

Vznik elektricky nabitých častíc v plynných dielektrikách je spôsobený ionizáciou plynu z vonkajších zdrojov energie (externé ionizátory): kozmické a slnečné lúče, rádioaktívne žiarenie Zeme atď.

Elektrická vodivosť plynov závisí najmä od stupňa ich ionizácie, ktorá sa môže uskutočniť rôznymi spôsobmi. Vo všeobecnosti k ionizácii plynov dochádza v dôsledku uvoľnenia elektrónov z neutrálnej molekuly plynu.

Elektrón uvoľnený z molekuly plynu sa premiešava v medzimolekulovom priestore plynu a tu si v závislosti od druhu plynu dokáže udržať pomerne dlhú „nezávislosť“ svojho pohybu (napr. v takýchto plynoch vodíkový šok H2 , dusík n2) alebo naopak rýchlo prenikajú do neutrálnej molekuly a menia ju na záporný ión (napríklad kyslík).

Najväčší efekt ionizácie plynov sa dosiahne ich ožiarením röntgenovými lúčmi, katódovými lúčmi alebo lúčmi vyžarovanými rádioaktívnymi látkami.

Atmosférický vzduch je v lete veľmi intenzívne ionizovaný vplyvom slnečného žiarenia. Vlhkosť vo vzduchu kondenzuje na svojich iónoch a vytvára najmenšie kvapôčky vody nabité elektrinou. Nakoniec sa z jednotlivých elektricky nabitých kvapiek vody vytvoria búrkové mraky sprevádzané bleskami, t.j. elektrické výboje atmosférickej elektriny.

Proces ionizácie plynu externými ionizátormi spočíva v tom, že odovzdávajú časť energie atómom plynu. V tomto prípade valenčné elektróny získajú dodatočnú energiu a oddelia sa od svojich atómov, ktoré sa stanú kladne nabitými časticami – kladnými iónmi.

Vytvorené voľné elektróny si môžu udržať svoju nezávislosť od pohybu v plyne po dlhú dobu (napríklad vo vodíku, dusíku) alebo sa po určitom čase pripojiť k elektricky neutrálnym atómom a molekulám plynu a premeniť ich na záporné ióny.

Vzhľad elektricky nabitých častíc v plyne môže byť spôsobený aj uvoľnením elektrónov z povrchu kovových elektród, keď sú zahrievané alebo vystavené žiareniu.Počas narušeného tepelného pohybu sa niektoré opačne nabité (elektróny) a kladne nabité (ióny) častice navzájom spájajú a vytvárajú elektricky neutrálne atómy a molekuly plynu. Tento proces sa nazýva oprava alebo rekombinácia.

Ak je medzi kovovými elektródami (kotúčmi, guličkami) uzavretý objem plynu, potom pri privedení elektrického napätia na elektródy budú na nabité častice v plyne pôsobiť elektrické sily – intenzita elektrického poľa.

Pôsobením týchto síl sa elektróny a ióny budú pohybovať z jednej elektródy na druhú, čím sa vytvorí elektrický prúd v plyne.

Prúd v plyne bude tým väčší, čím viac nabitých častíc s rôznym dielektrikom sa v ňom vytvorí za jednotku času a tým väčšiu rýchlosť získajú pôsobením síl elektrického poľa.

Je zrejmé, že so zvyšovaním napätia aplikovaného na daný objem plynu sa zvyšujú elektrické sily pôsobiace na elektróny a ióny. V tomto prípade sa zvyšuje rýchlosť nabitých častíc a tým aj prúd v plyne.

Zmena veľkosti prúdu v závislosti od napätia aplikovaného na objem plynu je vyjadrená graficky vo forme krivky nazývanej voltampérová charakteristika.

Prúdová charakteristika pre plynné dielektrikum

Prúdovo-napäťová charakteristika ukazuje, že v oblasti slabých elektrických polí, keď sú elektrické sily pôsobiace na nabité častice relatívne malé (oblasť I v grafe), sa prúd v plyne zvyšuje úmerne k hodnote použitého napätia. . V tejto oblasti sa prúd mení podľa Ohmovho zákona.

Keď sa napätie ďalej zvyšuje (oblasť II), úmernosť medzi prúdom a napätím sa preruší. V tejto oblasti vodivý prúd nezávisí od napätia. Tu sa energia akumuluje z nabitých častíc plynu - elektrónov a iónov.

S ďalším zvýšením napätia (oblasť III) sa rýchlosť nabitých častíc prudko zvyšuje, v dôsledku čoho sa často zrážajú s časticami neutrálneho plynu. Počas týchto elastických zrážok prenášajú elektróny a ióny časť svojej nahromadenej energie na častice neutrálneho plynu. Výsledkom je, že elektróny sú zbavené svojich atómov. V tomto prípade vznikajú nové elektricky nabité častice: voľné elektróny a ióny.

Vzhľadom na to, že lietajúce nabité častice sa veľmi často zrážajú s atómami a molekulami plynu, dochádza veľmi intenzívne k tvorbe nových elektricky nabitých častíc. Tento proces sa nazýva šoková ionizácia plynu.

V oblasti nárazovej ionizácie (oblasť III na obrázku) sa prúd v plyne rýchlo zvyšuje s najmenším nárastom napätia. Proces nárazovej ionizácie v plynných dielektrikách je sprevádzaný prudkým poklesom objemového odporu plynu a zvýšením dielektrická stratová tangenta.

Prirodzene, plynné dielektriká možno použiť pri napätí nižších, ako sú hodnoty, pri ktorých dochádza k procesu nárazovej ionizácie. V tomto prípade sú plyny veľmi dobrými dielektrikami, kde objemový špecifický odpor je veľmi vysoký (1020 ohmov) x cm) a dotyčnica uhla dielektrickej straty je veľmi malá (tgδ ≈ 10-6).Preto sa plyny, najmä vzduch, používajú ako dielektriká napríklad v kondenzátoroch, kábloch plnených plynom a vysokonapäťové ističe.

Úloha plynu ako dielektrika v elektroizolačných konštrukciách

V každej izolačnej konštrukcii je do určitej miery prítomný vzduch alebo iný plyn ako prvok izolácie. Vodiče nadzemných vedení (VL), prípojnice, transformátorové svorky a rôzne vysokonapäťové zariadenia sú od seba oddelené medzerami, jediným izolačným médiom, v ktorom je vzduch.

Porušenie dielektrickej pevnosti takýchto štruktúr môže nastať tak deštrukciou dielektrika, z ktorého sú izolátory vyrobené, ako aj v dôsledku výboja vo vzduchu alebo na povrchu dielektrika.

Na rozdiel od rozpadu izolátora, ktorý vedie k jeho úplnému zlyhaniu, povrchový výboj zvyčajne nie je sprevádzaný poruchou. Preto, ak je izolačná konštrukcia vyrobená takým spôsobom, že napätie na povrchu alebo prierazné napätie vo vzduchu je menšie ako prierazné napätie izolátorov, potom skutočná dielektrická pevnosť takýchto štruktúr bude určená dielektrickou pevnosťou vzduchu.

Vo vyššie uvedených prípadoch je vzduch relevantný ako médium zemného plynu, v ktorom sa nachádzajú izolačné konštrukcie. Okrem toho sa vzduch alebo iný plyn často používa ako jeden z hlavných izolačných materiálov na izoláciu káblov, kondenzátorov, transformátorov a iných elektrických zariadení.

Na zabezpečenie spoľahlivej a bezporuchovej prevádzky izolačných konštrukcií je potrebné vedieť, ako rôzne faktory ovplyvňujú dielektrickú pevnosť plynu, ako je forma a trvanie napätia, teplota a tlak plynu, povaha elektrické pole atď.

Pozri na túto tému: Druhy elektrického výboja v plynoch