Электропроводность газообразных диэлектриков

К ним относятся: воздух, азот, кислород, водород, элегаз (SFu), метан, аргон, неон, и др.

Достоинства изоляции:

-высокое удельное сопротивление;

-близкую к единице (малую) диэлектрическую проницаемость;

-малый тангенс угла потерь.

Недостаток – низкая электрическая прочность, которая зависит от: давления, температуры, формы электродов, расстояния между ними, материала электродов, приложенного U,плотности газа, рода газа.

Газ при обычных условиях состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных электронов и ионов.

Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и электроны. Под воздействием какого-либо ионизатора происходит вырывание из атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов.

Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы.

Следовательно, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Ионизирующие факторы: сильный нагрев, короткие электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение), корпускулярное излучение (потоки электронов, протонов, альфа-частиц).

Для того, чтобы выбить электрон, необходимо затратить энергию, равную энергии ионизации = 4-25эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа идет обратный процесс – рекомбинации.

Рисунок 2.6 – Зависимость тока от напряжения

 

На участке ОА ток возрастает пропорционально напряжению. На участке АВ рост тока замедляется и затем прекращается (участок ВС).

Это происходит в том случае, когда ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Получается ток насыщения. Если прекратится действие ионизатора, то ток исчезнет.

На участке CD ток начинает увеличиваться с увеличением U, а затем резко возрастает из-за ударной ионизации.

При больших U_пробоя сильно ускоренные электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их, образуются вторичные электроны и положительные ионы которые движутся: ионы к катоду, а электроны – к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество носителей возрастает лавинообразно – это ударная ионизация.

Но этого не достаточно для поддержания разряда при удалении внешнего (DE) фактора. Необходимо для поддержания лавины «воспроизводить» электроны. Для этого необходимо:

-чтобы ускоренные положительные ионы ударяясь о катод, выбивали бы из него электроны;

-положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводили бы их в возбужденное состояние, а переход сопровождался испусканием фотона;

-фотон, поглощается нейтральной молекулой, ионизирует ее, т.е. происходит процесс фотонной ионизации молекул;

-электроны, ударяясь о анод, должны выбивать электроны;

-при повышении U наступает момент, когда положительные ионы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа и к катоду устремляются ионные лавины. Происходит увеличение тока почти без увеличения U, наступает самостоятельный разряд, а напряжение в этот момент называется напряжением пробоя.

4 вида самостоятельного разряда:

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Применяется: в газосветных лампах, лампах дневного света, для катодного напыления металлов. Катод, сильно нагреваясь, за счет попадания положительных ионов, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их покрывают равномерным слоем металла.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ~ 3*10⁶ В/м в газе и давлении ~ атмосферному.

Используется: в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения горючей смеси, искровых разрядников, для электроискровой точной обработки металлов (резанья, сверления), в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц.

Дуговой разряд.Применяется: для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей, освещения, в выпрямителях.

Коронный разряд возникает вблизи острия при Е=30кВ/см, появляется свечение, имеющее вид короны.

Различают отрицательную и положительную короны, создают радиопомехи.

Применяют: в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей, для нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.

Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:

Uпр=f (ph)

1 – воздух; 2 – азот; 3 – неон; 4 – элегаз

Рисунок 2.7 – Кривые Пашика для газов

 

С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. При больших давлениях длина свободного пробега электронов мала, так как повышается концентрация молекул газа. Вследствие этого кинетическая энергия электронов недостаточна для ионизации молекул.

Возрастание электронной прочности ниже атмосферного, объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и энергии электрона не хватает для ионизации.

Плазма и ее свойства.Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова.

Плазму различают:

- высокотемпературную – возникает при высоких температурах;

- газоразрядную – возникающую в газе.

Свойства плазмы:

-высокой степенью ионизацией;

-большой электропроводностью и в основном ток создается электронами (наиболее подвижными частицами);

-свечением;

-сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями;

-колебаниями электронов в плазме с частотой ~ 10⁸Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.

Эти свойства позволяют считать плазму как четвертое состояние вещества.

Применение. Низкотемпературная (<10⁵К) применяется в газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (тепло в эл. энергии), в плазменных ракетных двигателях, для резки и сварки металла.