Dujų laidumas

Dujos paprastai yra geri dielektrikai (pvz., švarus, nejonizuotas oras). Tačiau jei dujose yra drėgmės, susimaišiusios su organinėmis ir neorganinėmis dalelėmis ir tuo pat metu yra jonizuojamos, tada jos praleidžia elektrą.

Visose dujose, net prieš įjungiant joms elektros įtampą, visada yra tam tikras kiekis elektrai įkrautų dalelių – elektronų ir jonų, kurios yra atsitiktiniu šiluminiu judėjimu. Tai gali būti įkrautos dujų dalelės, taip pat įkrautos kietųjų medžiagų ir skysčių dalelės – priemaišos, randamos, pavyzdžiui, ore.

Elektra įkrautų dalelių susidarymą dujiniuose dielektrikuose sukelia dujų jonizacija iš išorinių energijos šaltinių (išorinių jonizatorių): kosminių ir saulės spindulių, radioaktyviosios Žemės spinduliuotės ir kt.

Dujų elektrinis laidumas daugiausia priklauso nuo jų jonizacijos laipsnio, kuris gali būti atliekamas įvairiais būdais. Apskritai, dujų jonizacija atsiranda dėl elektronų išsiskyrimo iš neutralios dujų molekulės.

Iš dujų molekulės išsiskyręs elektronas susimaišo tarpmolekulinėje dujų erdvėje ir čia, priklausomai nuo dujų rūšies, gali išlaikyti gana ilgą savo judėjimo „nepriklausomybę“ (pvz., tokiose dujose vandenilio smūgis H2 , azotas n2) arba, priešingai, greitai prasiskverbia į neutralią molekulę, paversdamas ją neigiamu jonu (pavyzdžiui, deguonimi).

Didžiausias dujų jonizacijos efektas pasiekiamas apšvitinant jas rentgeno spinduliais, katodiniais ar radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais spinduliais.

Atmosferos oras vasarą labai intensyviai jonizuojasi veikiamas saulės spindulių. Drėgmė ore kondensuojasi ant jo jonų, sudarydama mažiausius vandens lašelius, įkrautus elektra. Ilgainiui žaibų lydimi perkūnijos debesys susidaro iš atskirų elektra įkrautų vandens lašelių, t.y. atmosferos elektros iškrovos.

Dujų jonizacijos procesas išoriniais jonizatoriais yra toks, kad jie dalį energijos perduoda dujų atomams. Tokiu atveju valentiniai elektronai įgyja papildomos energijos ir atsiskiria nuo savo atomų, kurie tampa teigiamai įkrautomis dalelėmis – teigiamais jonais.

Susidarę laisvieji elektronai gali ilgą laiką išlaikyti nepriklausomybę nuo judėjimo dujose (pavyzdžiui, vandenilyje, azote) arba po kurio laiko prisijungti prie elektriškai neutralių atomų ir dujų molekulių, paversdami juos neigiamais jonais.

Elektriškai įkrautų dalelių atsiradimą dujose taip pat gali lemti elektronų išsiskyrimas nuo metalinių elektrodų paviršiaus, kai jie kaitinami arba veikiami spinduliavimo energijos.Esant sutrikdytam šiluminiam judėjimui, kai kurios priešingai įkrautos (elektronai) ir teigiamai įkrautos (jonai) dalelės susijungia viena su kita ir sudaro elektriškai neutralius atomus ir dujų molekules. Šis procesas vadinamas remontu arba rekombinacija.

Jei tarp metalinių elektrodų (diskių, rutuliukų) yra uždarytas dujų tūris, tada, kai ant elektrodų įjungiama elektros įtampa, dujose įkrautas daleles veiks elektrinės jėgos - elektrinio lauko stiprumas.

Veikiant šioms jėgoms, elektronai ir jonai judės nuo vieno elektrodo prie kito, sukurdami dujose elektros srovę.

Srovė dujose bus didesnė, tuo daugiau įkrautų dalelių su skirtingu dielektriku jose susidaro per laiko vienetą ir tuo didesnį greitį jos įgyja veikiamos elektrinio lauko jėgų.

Akivaizdu, kad didėjant tam tikro dujų tūrio įtampai, didėja elektronus ir jonus veikiančios elektrinės jėgos. Tokiu atveju padidėja įkrautų dalelių greitis, taigi ir srovė dujose.

Srovės dydžio pokytis kaip dujų tūriui taikomos įtampos funkcija išreiškiamas grafiškai kreivės forma, vadinama volto-ampero charakteristika.

Dujinio dielektriko srovės įtampos charakteristika

Srovės-įtampos charakteristika rodo, kad silpnų elektrinių laukų srityje, kai įkrautas daleles veikiančios elektrinės jėgos yra santykinai mažos (grafe I plotas), srovė dujose didėja proporcingai taikomos įtampos dydžiui. . Šioje srityje srovė kinta pagal Ohmo dėsnį.

Toliau didėjant įtampai (II sritis), srovės ir įtampos proporcingumas nutrūksta. Šiame regione laidumo srovė nepriklauso nuo įtampos. Čia energija kaupiama iš įkrautų dujų dalelių – elektronų ir jonų.

Toliau didėjant įtampai (III sritis), įkrautų dalelių greitis smarkiai padidėja, dėl to jos dažnai susiduria su neutralių dujų dalelėmis. Šių elastingų susidūrimų metu elektronai ir jonai dalį sukauptos energijos perduoda neutralioms dujų dalelėms. Dėl to elektronai pašalinami iš jų atomų. Tokiu atveju susidaro naujos elektriškai įkrautos dalelės: laisvieji elektronai ir jonai.

Dėl to, kad skraidančios įkrautos dalelės labai dažnai susiduria su dujų atomais ir molekulėmis, naujų elektriškai įkrautų dalelių susidarymas vyksta labai intensyviai. Šis procesas vadinamas smūgine dujų jonizacija.

Smūginės jonizacijos srityje (paveikslėlyje III sritis) srovė dujose sparčiai didėja, esant mažiausiam įtampos padidėjimui. Smūgio jonizacijos procesą dujiniuose dielektrikuose lydi staigus dujų tūrio pasipriešinimo sumažėjimas ir padidėjimas. dielektrinių nuostolių tangentas.

Natūralu, kad dujiniai dielektrikai gali būti naudojami esant žemesnei įtampai nei tos vertės, kurioms esant vyksta smūginės jonizacijos procesas. Šiuo atveju dujos yra labai geri dielektrikai, kurių tūrio savitoji varža yra labai didelė (1020 omų)x cm), o dielektrinių nuostolių kampo liestinė yra labai maža (tgδ ≈ 10-6).Todėl dujos, ypač oras, yra naudojamos kaip dielektrikai, pavyzdžiui, kondensatoriuose, dujomis užpildytuose kabeliuose ir aukštos įtampos grandinės pertraukikliai.

Dujų, kaip dielektriko, vaidmuo elektros izoliacinėse konstrukcijose

Bet kurioje izoliacinėje konstrukcijoje oras ar kitos dujos tam tikru mastu yra kaip izoliacijos elementas. Oro linijų (VL), šynų, transformatorių gnybtų ir įvairių aukštos įtampos įrenginių laidininkai yra atskirti vienas nuo kito tarpais, vienintelė izoliacinė terpė, kurioje yra oras.

Tokių konstrukcijų dielektrinis stiprumas gali būti pažeistas tiek sunaikinus dielektriką, iš kurio pagaminti izoliatoriai, tiek dėl iškrovos ore arba ant dielektriko paviršiaus.

Skirtingai nuo izoliatoriaus gedimo, dėl kurio jis visiškai sugenda, paviršiaus iškrovimas paprastai nėra lydimas gedimo. Todėl, jei izoliacinė konstrukcija pagaminta taip, kad paviršiaus persidengimo įtampa arba skilimo įtampa ore būtų mažesnė už izoliatorių gedimo įtampą, tada tikroji tokių konstrukcijų dielektrinė stipris priklausys nuo oro dielektrinio stiprio.

Minėtais atvejais oras yra aktualus kaip gamtinių dujų terpė, kurioje yra izoliacinės konstrukcijos. Be to, oras ar kitos dujos dažnai naudojamos kaip viena pagrindinių izoliacinių medžiagų kabeliams, kondensatoriams, transformatoriams ir kitiems elektros prietaisams izoliuoti.

Norint užtikrinti patikimą ir be trikdžių izoliuojančių konstrukcijų veikimą, būtina žinoti, kaip įvairūs veiksniai veikia dujų dielektrinį stiprumą, pavyzdžiui, įtampos forma ir trukmė, dujų temperatūra ir slėgis, dujų pobūdis. elektrinis laukas ir kt.

Žiūrėkite šia tema: Elektros išlydžio dujose rūšys