Gasleitfähigkeit

Gase sind in der Regel gute Dielektrika (z. B. saubere, nicht ionisierte Luft). Wenn die Gase jedoch Feuchtigkeit enthalten, die mit organischen und anorganischen Partikeln vermischt ist, und gleichzeitig ionisiert sind, dann leiten sie Strom.

In allen Gasen gibt es, noch bevor eine elektrische Spannung an sie angelegt wird, immer eine bestimmte Menge elektrisch geladener Teilchen – Elektronen und Ionen –, die sich in zufälliger thermischer Bewegung befinden. Dabei kann es sich sowohl um geladene Gasteilchen als auch um geladene Feststoff- und Flüssigkeitsteilchen handeln – Verunreinigungen, die beispielsweise in der Luft vorkommen.

Die Bildung elektrisch geladener Teilchen in gasförmigen Dielektrika wird durch Gasionisation aus externen Energiequellen (externen Ionisatoren) verursacht: kosmische und Sonnenstrahlen, radioaktive Strahlung der Erde usw.

Die elektrische Leitfähigkeit von Gasen hängt hauptsächlich vom Grad ihrer Ionisierung ab, die auf unterschiedliche Weise erfolgen kann. Im Allgemeinen erfolgt die Ionisierung von Gasen durch die Freisetzung von Elektronen aus einem neutralen Gasmolekül.

Ein aus einem Gasmolekül freigesetztes Elektron vermischt sich im intermolekularen Raum des Gases und kann hier je nach Gasart eine relativ lange „Unabhängigkeit“ seiner Bewegung aufrechterhalten (z. B. in solchen Gasen der Wasserstoffschock H2). , Stickstoff n2) oder im Gegenteil, dringen schnell in ein neutrales Molekül ein und verwandeln es in ein negatives Ion (z. B. Sauerstoff).

Der größte Effekt der Ionisierung von Gasen wird durch die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen, Kathodenstrahlen oder Strahlen radioaktiver Stoffe erzielt.

Die atmosphärische Luft im Sommer wird unter dem Einfluss von Sonnenlicht sehr intensiv ionisiert. Feuchtigkeit in der Luft kondensiert an ihren Ionen und es bilden sich kleinste, elektrisch geladene Wassertröpfchen. Aus einzelnen elektrisch geladenen Wassertröpfchen entstehen schließlich Gewitterwolken mit Blitzbegleitung, d. h. elektrische Entladungen atmosphärischer Elektrizität.

Der Prozess der Gasionisierung durch externe Ionisatoren besteht darin, dass sie einen Teil der Energie auf die Gasatome übertragen. In diesem Fall gewinnen die Valenzelektronen zusätzliche Energie und werden von ihren Atomen getrennt, die zu positiv geladenen Teilchen – positiven Ionen – werden.

Die gebildeten freien Elektronen können ihre Unabhängigkeit von der Bewegung in einem Gas (z. B. in Wasserstoff, Stickstoff) lange Zeit aufrechterhalten oder sich nach einiger Zeit an elektrisch neutrale Atome und Gasmoleküle binden und diese in negative Ionen umwandeln.

Das Auftreten elektrisch geladener Teilchen in einem Gas kann auch durch die Freisetzung von Elektronen aus der Oberfläche von Metallelektroden verursacht werden, wenn diese erhitzt oder Strahlungsenergie ausgesetzt werden.Während der gestörten thermischen Bewegung vereinigen sich einige der entgegengesetzt geladenen (Elektronen) und positiv geladenen (Ionen) Teilchen miteinander und bilden elektrisch neutrale Atome und Gasmoleküle. Dieser Vorgang wird Reparatur oder Rekombination genannt.

Wenn ein Gasvolumen zwischen Metallelektroden (Scheiben, Kugeln) eingeschlossen ist, wirken beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden elektrische Kräfte auf die geladenen Teilchen im Gas – die elektrische Feldstärke.

Unter der Wirkung dieser Kräfte bewegen sich Elektronen und Ionen von einer Elektrode zur anderen und erzeugen so einen elektrischen Strom in einem Gas.

Der Strom im Gas wird umso größer, je mehr geladene Teilchen mit unterschiedlichem Dielektrikum pro Zeiteinheit darin gebildet werden und je größere Geschwindigkeit sie unter der Wirkung der elektrischen Feldkräfte erreichen.

Es ist klar, dass mit zunehmender Spannung, die an ein bestimmtes Gasvolumen angelegt wird, die auf Elektronen und Ionen wirkenden elektrischen Kräfte zunehmen. In diesem Fall nimmt die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen und damit der Strom im Gas zu.

Die Änderung der Stromstärke als Funktion der an das Gasvolumen angelegten Spannung wird grafisch in Form einer Kurve ausgedrückt, die als Volt-Ampere-Kennlinie bezeichnet wird.

Strom-Spannungs-Kennlinie für ein gasförmiges Dielektrikum

Die Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt, dass im Bereich schwacher elektrischer Felder, wenn die auf die geladenen Teilchen wirkenden elektrischen Kräfte relativ klein sind (Fläche I im Diagramm), der Strom im Gas proportional zum Wert der angelegten Spannung ansteigt . In diesem Bereich ändert sich der Strom nach dem Ohmschen Gesetz.

Mit zunehmender Spannung (Bereich II) wird die Proportionalität zwischen Strom und Spannung gebrochen. In diesem Bereich ist der Leitungsstrom nicht von der Spannung abhängig. Hier wird Energie aus geladenen Gasteilchen – Elektronen und Ionen – angesammelt.

Bei einem weiteren Spannungsanstieg (Bereich III) steigt die Geschwindigkeit geladener Teilchen stark an, wodurch sie häufig mit neutralen Gasteilchen kollidieren. Bei diesen elastischen Stößen übertragen Elektronen und Ionen einen Teil ihrer angesammelten Energie auf neutrale Gasteilchen. Dadurch werden den Atomen Elektronen entzogen. Dabei entstehen neue elektrisch geladene Teilchen: freie Elektronen und Ionen.

Aufgrund der Tatsache, dass die fliegenden geladenen Teilchen sehr häufig mit den Atomen und Molekülen des Gases kollidieren, erfolgt die Bildung neuer elektrisch geladener Teilchen sehr intensiv. Dieser Vorgang wird Stoßgasionisation genannt.

Im Stoßionisationsbereich (Bereich III in der Abbildung) steigt der Strom im Gas bei geringstem Spannungsanstieg schnell an. Der Stoßionisationsprozess in gasförmigen Dielektrika geht mit einer starken Abnahme des Durchgangswiderstands des Gases und einem Anstieg einher dielektrischer Verlustfaktor.

Natürlich können gasförmige Dielektrika bei Spannungen verwendet werden, die unter den Werten liegen, bei denen der Stoßionisationsprozess stattfindet. In diesem Fall sind Gase sehr gute Dielektrika, bei denen der volumenspezifische Widerstand sehr hoch ist (1020 Ohm x cm) und der Tangens des dielektrischen Verlustwinkels sehr klein ist (tgδ ≈ 10-6).Daher werden Gase, insbesondere Luft, als Dielektrika beispielsweise in Kondensatoren, gasgefüllten Kabeln usw. verwendet Hochspannungs-Leistungsschalter.

Die Rolle von Gas als Dielektrikum in elektrisch isolierenden Strukturen

In jeder Isolierkonstruktion ist in gewissem Umfang Luft oder ein anderes Gas als Isolierelement vorhanden. Die Leiter von Freileitungen (VL), Sammelschienen, Transformatorklemmen und verschiedenen Hochspannungsgeräten sind durch Lücken voneinander getrennt, in denen Luft als einziges Isoliermedium vorhanden ist.

Eine Verletzung der Spannungsfestigkeit solcher Strukturen kann sowohl durch die Zerstörung des Dielektrikums, aus dem die Isolatoren bestehen, als auch durch Entladung in der Luft oder an der Oberfläche des Dielektrikums auftreten.

Im Gegensatz zum Ausfall des Isolators, der zu dessen völligem Ausfall führt, geht die Oberflächenentladung in der Regel nicht mit einem Ausfall einher. Wenn daher die isolierende Struktur so hergestellt wird, dass die Oberflächenüberlappungsspannung oder Durchschlagsspannung in Luft kleiner ist als die Durchschlagsspannung der Isolatoren, dann wird die tatsächliche Durchschlagsfestigkeit solcher Strukturen durch die Durchschlagsfestigkeit von Luft bestimmt.

In den oben genannten Fällen ist Luft als Erdgasmedium relevant, in dem sich die Isolierstrukturen befinden. Darüber hinaus wird Luft oder ein anderes Gas häufig als eines der Hauptisoliermaterialien zur Isolierung von Kabeln, Kondensatoren, Transformatoren und anderen elektrischen Geräten verwendet.

Um einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb von Isolierkonstruktionen zu gewährleisten, ist es notwendig zu wissen, wie verschiedene Faktoren die Spannungsfestigkeit eines Gases beeinflussen, wie z. B. die Form und Dauer der Spannung, die Temperatur und der Druck des Gases, die Art des Gases elektrisches Feld usw.

Siehe zu diesem Thema: Arten elektrischer Entladungen in Gasen