Vodljivost plinova

Plinovi su obično dobri dielektrici (npr. čisti, neionizirani zrak). Međutim, ako plinovi sadrže vlagu pomiješanu s organskim i anorganskim česticama i istovremeno su ionizirani, tada provode struju.

U svim plinovima, čak i prije nego što se na njih primijeni električni napon, uvijek postoji određena količina električki nabijenih čestica — elektrona i iona — koje su u nasumičnom toplinskom gibanju. To mogu biti nabijene čestice plina, kao i nabijene čestice krutina i tekućina — nečistoće koje se nalaze, na primjer, u zraku.

Stvaranje električki nabijenih čestica u plinovitim dielektricima uzrokovano je ionizacijom plina iz vanjskih izvora energije (vanjski ionizatori): kozmičke i sunčeve zrake, radioaktivno zračenje Zemlje itd.

Električna vodljivost plinova ovisi uglavnom o stupnju njihove ionizacije, koja se može provesti na različite načine. Općenito, ionizacija plinova događa se kao rezultat otpuštanja elektrona iz neutralne molekule plina.

Elektron oslobođen iz molekule plina miješa se u međumolekulskom prostoru plina i tu, ovisno o vrsti plina, može zadržati relativno dugu "neovisnost" o svom kretanju (npr. u takvim plinovima vodikov udar H2 , dušik n2) ili , naprotiv, brzo prodiru u neutralnu molekulu, pretvarajući je u negativni ion (na primjer, kisik).

Najveći učinak ionizacije plinova postiže se njihovim ozračivanjem X-zrakama, katodnim zrakama ili zrakama koje emitiraju radioaktivne tvari.

Atmosferski zrak ljeti se vrlo intenzivno ionizira pod utjecajem sunčeve svjetlosti. Vlaga u zraku kondenzira se na svojim ionima, tvoreći najmanje kapljice vode nabijene elektricitetom. Na kraju, grmljavinski oblaci praćeni munjama nastaju od pojedinačnih električki nabijenih kapljica vode, tj. električna pražnjenja atmosferskog elektriciteta.

Proces ionizacije plina vanjskim ionizatorima je da oni prenose dio energije na atome plina. U tom slučaju valentni elektroni dobivaju dodatnu energiju i odvajaju se od svojih atoma koji postaju pozitivno nabijene čestice — pozitivni ioni.

Nastali slobodni elektroni mogu dugo zadržati svoju neovisnost o kretanju u plinu (na primjer, u vodiku, dušiku) ili se nakon nekog vremena pričvrstiti za električki neutralne atome i molekule plina, pretvarajući ih u negativne ione.

Pojava električki nabijenih čestica u plinu također može biti uzrokovana otpuštanjem elektrona s površine metalnih elektroda kada se zagrijavaju ili izlažu energiji zračenja.Dok su u poremećenom toplinskom gibanju, neke od suprotno nabijenih (elektroni) i pozitivno nabijenih (ioni) čestica se ujedinjuju jedna s drugom i tvore električki neutralne atome i molekule plina. Taj se proces naziva popravak ili rekombinacija.

Ako je volumen plina zatvoren između metalnih elektroda (diskova, kuglica), tada će pri dovođenju električnog napona na elektrode na nabijene čestice u plinu djelovati električne sile — jakost električnog polja.

Pod djelovanjem tih sila, elektroni i ioni će se kretati s jedne elektrode na drugu, stvarajući električnu struju u plinu.

Struja u plinu bit će veća što se u njemu u jedinici vremena stvara više nabijenih čestica s različitim dielektrikom i što veću brzinu poprimaju pod djelovanjem sila električnog polja.

Jasno je da kako se napon primijenjen na određeni volumen plina povećava, električne sile koje djeluju na elektrone i ione rastu. U tom slučaju povećava se brzina nabijenih čestica, a time i struja u plinu.

Promjena veličine struje u ovisnosti o naponu primijenjenom na volumen plina grafički se izražava u obliku krivulje koja se naziva volt-amperska karakteristika.

Strujno-naponska karakteristika plinovitog dielektrika

Strujno-naponska karakteristika pokazuje da u području slabih električnih polja, kada su električne sile koje djeluju na nabijene čestice relativno male (područje I na grafikonu), struja u plinu raste proporcionalno vrijednosti primijenjenog napona . U ovom području struja se mijenja prema Ohmovom zakonu.

Kako napon dalje raste (područje II), proporcionalnost između struje i napona je prekinuta. U ovom području struja provođenja ne ovisi o naponu. Ovdje se energija akumulira iz nabijenih čestica plina — elektrona i iona.

S daljnjim povećanjem napona (područje III) brzina nabijenih čestica naglo raste, zbog čega se one često sudaraju s neutralnim česticama plina. Tijekom tih elastičnih sudara, elektroni i ioni prenose dio svoje akumulirane energije neutralnim česticama plina. Kao rezultat toga, elektroni su ogoljeni sa svojih atoma. U tom slučaju nastaju nove električki nabijene čestice: slobodni elektroni i ioni.

Zbog činjenice da se leteće nabijene čestice vrlo često sudaraju s atomima i molekulama plina, stvaranje novih električki nabijenih čestica događa se vrlo intenzivno. Taj se proces naziva udarna plinska ionizacija.

U području udarne ionizacije (područje III na slici) struja u plinu brzo raste s najmanjim povećanjem napona. Proces udarne ionizacije u plinovitim dielektricima prati nagli pad volumenskog otpora plina i povećanje tangens dielektričnog gubitka.

Naravno, plinoviti dielektrici mogu se koristiti na naponima nižim od onih vrijednosti pri kojima se odvija proces udarne ionizacije. U ovom slučaju, plinovi su vrlo dobri dielektrici, gdje je volumenski specifični otpor vrlo visok (1020 ohma)x cm), a tangens kuta dielektričnog gubitka je vrlo mali (tgδ ≈ 10-6).Stoga se plinovi, osobito zrak, koriste kao dielektrici u npr. kondenzatorima, kabelima punjenim plinom i visokonaponski prekidači.

Uloga plina kao dielektrika u elektroizolacijskim konstrukcijama

U svakoj izolacijskoj konstrukciji zrak ili neki drugi plin je u određenoj mjeri prisutan kao element izolacije. Vodiči nadzemnih vodova (VL), sabirnica, stezaljki transformatora i raznih visokonaponskih uređaja međusobno su odvojeni rasporima u kojima je jedini izolacijski medij zrak.

Kršenje dielektrične čvrstoće takvih struktura može se dogoditi i kroz uništavanje dielektrika od kojeg su izrađeni izolatori, i kao rezultat pražnjenja u zraku ili na površini dielektrika.

Za razliku od proboja izolatora, koji dovodi do njegovog potpunog kvara, površinsko pražnjenje obično nije popraćeno kvarom. Stoga, ako je izolacijska konstrukcija izrađena na takav način da je površinski napon preklapanja ili probojni napon u zraku manji od probojnog napona izolatora, tada će stvarna dielektrična čvrstoća takvih struktura biti određena dielektričnom čvrstoćom zraka.

U navedenim slučajevima relevantan je zrak kao medij prirodnog plina u kojem se nalaze izolacijske konstrukcije. Osim toga, zrak ili drugi plin često se koristi kao jedan od glavnih izolacijskih materijala za izolaciju kabela, kondenzatora, transformatora i drugih električnih uređaja.

Da bi se osigurao pouzdan i besprijekoran rad izolacijskih konstrukcija, potrebno je znati kako različiti čimbenici utječu na dielektričnu čvrstoću plina, kao što su oblik i trajanje napona, temperatura i tlak plina, priroda električno polje itd.

Vidi na ovu temu: Vrste električnih pražnjenja u plinovima