توصيل الغاز

عادة ما تكون الغازات عوازل كهربائية جيدة (مثل الهواء النظيف غير المتأين). ومع ذلك ، إذا كانت الغازات تحتوي على رطوبة ممزوجة بجزيئات عضوية وغير عضوية وتتأين في نفس الوقت ، فإنها توصل الكهرباء.

في جميع الغازات ، حتى قبل تطبيق الجهد الكهربائي عليها ، هناك دائمًا كمية معينة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا - الإلكترونات والأيونات - التي تكون في حركة حرارية عشوائية. يمكن أن تكون هذه جزيئات مشحونة من الغاز ، وكذلك جسيمات مشحونة من المواد الصلبة والسوائل - الشوائب الموجودة ، على سبيل المثال ، في الهواء.

ينتج تكوين الجسيمات المشحونة كهربائيًا في المواد العازلة الغازية عن تأين الغاز من مصادر الطاقة الخارجية (المؤينات الخارجية): الأشعة الكونية والشمسية ، الإشعاع الإشعاعي للأرض ، إلخ.

تعتمد الموصلية الكهربائية للغازات بشكل أساسي على درجة تأينها ، والتي يمكن إجراؤها بطرق مختلفة. بشكل عام ، يحدث تأين الغازات نتيجة إطلاق الإلكترونات من جزيء غاز محايد.

يمتزج الإلكترون المنطلق من جزيء الغاز في الفضاء الجزيئي للغاز ، وهنا ، اعتمادًا على نوع الغاز ، يمكنه الحفاظ على "استقلالية" طويلة نسبيًا لحركته (على سبيل المثال ، في مثل هذه الغازات ، صدمة الهيدروجين H2 ، النيتروجين n2) أو ، على العكس من ذلك ، تخترق بسرعة الجزيء المحايد ، وتحوله إلى أيون سالب (على سبيل المثال ، الأكسجين).

يتم تحقيق أكبر تأثير لتأين الغازات من خلال تشعيعها بالأشعة السينية أو أشعة الكاثود أو الأشعة المنبعثة من المواد المشعة.

يتأين هواء الغلاف الجوي في الصيف بشدة تحت تأثير أشعة الشمس. تتكثف الرطوبة في الهواء على أيوناتها مكونة أصغر قطرات ماء مشحونة بالكهرباء. في النهاية ، تتشكل السحب الرعدية المصحوبة ببرق من قطرات ماء فردية مشحونة كهربائيًا ، أي. التصريفات الكهربائية لكهرباء الغلاف الجوي.

تتمثل عملية تأين الغاز بواسطة المؤينات الخارجية في أنها تنقل جزءًا من الطاقة إلى ذرات الغاز. في هذه الحالة ، تكتسب إلكترونات التكافؤ طاقة إضافية ويتم فصلها عن ذراتها ، والتي تصبح جزيئات موجبة الشحنة - أيونات موجبة.

يمكن للإلكترونات الحرة المشكلة أن تحافظ على استقلاليتها عن الحركة في الغاز لفترة طويلة (على سبيل المثال ، في الهيدروجين والنيتروجين) أو بعد مرور بعض الوقت تلتصق بالذرات المحايدة كهربائيًا وجزيئات الغاز ، وتحولها إلى أيونات سالبة.

يمكن أيضًا أن يكون سبب ظهور الجسيمات المشحونة كهربائيًا في الغاز هو إطلاق الإلكترونات من سطح الأقطاب الكهربائية المعدنية عند تسخينها أو تعريضها لطاقة مشعة.أثناء الحركة الحرارية المضطربة ، تتحد بعض الجسيمات (الإلكترونات) المشحونة بشحنة موجبة (الأيونات) مع بعضها البعض وتشكل ذرات وجزيئات غاز متعادلة كهربائيًا. هذه العملية تسمى الإصلاح أو إعادة التركيب.

إذا كان حجم غاز محاطًا بين أقطاب معدنية (أقراص ، كرات) ، فعند تطبيق جهد كهربائي على الأقطاب الكهربائية ، ستعمل القوى الكهربائية على الجسيمات المشحونة في الغاز - شدة المجال الكهربائي.

تحت تأثير هذه القوى ، تنتقل الإلكترونات والأيونات من قطب كهربائي إلى آخر ، مما ينتج عنه تيار كهربائي في الغاز.

سيكون التيار في الغاز أكبر ، وكلما زاد عدد الجسيمات المشحونة ذات العازل الكهربائي المختلف فيه لكل وحدة زمنية والسرعة الأكبر التي يكتسبونها تحت تأثير قوى المجال الكهربائي.

من الواضح أنه مع زيادة الجهد المطبق على حجم معين من الغاز ، تزداد القوى الكهربائية المؤثرة على الإلكترونات والأيونات. في هذه الحالة ، تزداد سرعة الجسيمات المشحونة وبالتالي التيار في الغاز.

يتم التعبير عن التغيير في مقدار التيار كدالة للجهد المطبق على حجم الغاز بيانياً في شكل منحنى يسمى خاصية فولت أمبير.

خاصية الجهد الحالي للعازل الغازي

توضح خاصية الجهد الحالي أنه في منطقة المجالات الكهربائية الضعيفة ، عندما تكون القوى الكهربائية المؤثرة على الجسيمات المشحونة صغيرة نسبيًا (المنطقة I في الرسم البياني) ، يزداد التيار في الغاز بما يتناسب مع قيمة الجهد المطبق . في هذا المجال ، يتغير التيار وفقًا لقانون أوم.

مع زيادة الجهد أكثر (المنطقة II) ، يتم كسر التناسب بين التيار والجهد. في هذه المنطقة ، لا يعتمد تيار التوصيل على الجهد. هنا ، تتراكم الطاقة من جزيئات الغاز المشحونة - الإلكترونات والأيونات.

مع زيادة أخرى في الجهد (المنطقة III) ، تزداد سرعة الجسيمات المشحونة بشكل حاد ، ونتيجة لذلك غالبًا ما تصطدم بجزيئات الغاز المحايدة. أثناء هذه الاصطدامات المرنة ، تنقل الإلكترونات والأيونات بعض طاقتها المتراكمة إلى جزيئات غاز متعادلة. نتيجة لذلك ، يتم تجريد الإلكترونات من ذراتها. في هذه الحالة ، تتكون جسيمات جديدة مشحونة كهربائيًا: الإلكترونات والأيونات الحرة.

نظرًا لحقيقة أن الجسيمات المشحونة الطائرة تتصادم في كثير من الأحيان مع ذرات وجزيئات الغاز ، فإن تكوين جسيمات مشحونة كهربائيًا يحدث بشكل مكثف للغاية. هذه العملية تسمى تأين غاز الصدمة.

في منطقة تأين التأثير (المنطقة III في الشكل) ، يزداد التيار في الغاز بسرعة مع أصغر زيادة في الجهد. يصاحب عملية التأين الصدمي في العوازل الغازية انخفاض حاد في مقاومة حجم الغاز وزيادة في ظل الخسارة العازلة.

وبطبيعة الحال ، يمكن استخدام العوازل الغازية عند الفولتية الأقل من تلك القيم التي تحدث فيها عملية التأين. في هذه الحالة ، تعتبر الغازات عوازل كهربائية جيدة جدًا ، حيث تكون المقاومة النوعية للحجم عالية جدًا (1020 أوم) × سم) وظل زاوية فقدان العزل الكهربائي صغير جدًا (tgδ ≈ 10-6).لذلك ، يتم استخدام الغازات ، وخاصة الهواء ، كعوازل كهربائية في مثال المكثفات والكابلات المملوءة بالغاز و قواطع دوائر الجهد العالي.

دور الغاز كعامل عازل في الهياكل العازلة للكهرباء

في أي هيكل عازل ، يوجد هواء أو غاز آخر إلى حد ما كعنصر عزل. يتم فصل موصلات الخطوط العلوية (VL) وقضبان التوصيل ومحطات المحولات والأجهزة المختلفة ذات الجهد العالي عن بعضها البعض عن طريق الفجوات ، وهي الوسيلة العازلة الوحيدة التي يكون فيها الهواء.

يمكن أن يحدث انتهاك لقوة العزل لمثل هذه الهياكل من خلال تدمير العازل الكهربائي الذي تصنع منه العوازل ، ونتيجة للتصريف في الهواء أو على سطح العازل.

على عكس انهيار العازل ، والذي يؤدي إلى فشله التام ، فإن التفريغ السطحي عادة لا يكون مصحوبًا بالفشل. لذلك ، إذا تم تصنيع الهيكل العازل بطريقة تجعل السطح يتداخل مع الجهد أو جهد الانهيار في الهواء أقل من جهد الانهيار للعوازل ، فسيتم تحديد القوة العازلة الفعلية لهذه الهياكل بواسطة قوة العزل الكهربائي للهواء.

في الحالات المذكورة أعلاه ، يكون الهواء مناسبًا كوسيط غاز طبيعي توجد فيه الهياكل العازلة. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام الهواء أو الغازات الأخرى كأحد المواد العازلة الرئيسية لعزل الكابلات والمكثفات والمحولات والأجهزة الكهربائية الأخرى.

لضمان التشغيل الموثوق به والخالي من المتاعب للهياكل العازلة ، من الضروري معرفة كيفية تأثير العوامل المختلفة على القوة العازلة للغاز ، مثل شكل ومدة الجهد ، ودرجة حرارة الغاز وضغطه ، وطبيعة المجال الكهربائي ، إلخ.

انظر في هذا الموضوع: أنواع التفريغ الكهربائي في الغازات