การนำแก๊ส

ก๊าซมักจะเป็นไดอิเล็กตริกที่ดี (เช่น อากาศสะอาดที่ไม่มีไอออน) อย่างไรก็ตาม หากก๊าซมีความชื้นผสมกับอนุภาคอินทรีย์และอนินทรีย์และแตกตัวเป็นไอออนในเวลาเดียวกัน ก็จะนำไฟฟ้าได้

ในก๊าซทั้งหมด แม้กระทั่งก่อนที่จะจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับพวกมัน จะมีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจำนวนหนึ่ง—อิเล็กตรอนและไอออน—ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มอยู่เสมอ สิ่งเหล่านี้สามารถเป็นอนุภาคที่มีประจุของก๊าซ เช่นเดียวกับอนุภาคที่มีประจุของของแข็งและของเหลว — เช่น สิ่งเจือปนที่พบในอากาศ

การก่อตัวของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในไดอิเล็กตริกของก๊าซเกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซจากแหล่งพลังงานภายนอก (ไอออไนเซอร์ภายนอก): รังสีคอสมิกและแสงอาทิตย์ รังสีกัมมันตภาพรังสีของโลก ฯลฯ

การนำไฟฟ้าของก๊าซขึ้นอยู่กับระดับของไอออไนเซชันเป็นหลัก ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี โดยทั่วไป ไอออนไนซ์ของก๊าซเกิดขึ้นจากการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของก๊าซที่เป็นกลาง

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลของก๊าซผสมกันในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของก๊าซ และที่นี่ ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซ มันสามารถรักษา "ความเป็นอิสระ" ของการเคลื่อนที่ของมันได้ค่อนข้างนาน (ตัวอย่างเช่น ในก๊าซดังกล่าว ไฮโดรเจนช็อต H2 , ไนโตรเจน n2) หรือ ตรงกันข้าม เจาะโมเลกุลที่เป็นกลางอย่างรวดเร็วเปลี่ยนเป็นไอออนลบ (เช่น ออกซิเจน)

ผลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซทำได้โดยการฉายรังสีด้วยรังสีเอกซ์ รังสีแคโทด หรือรังสีที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตภาพรังสี

อากาศในบรรยากาศในฤดูร้อนแตกตัวเป็นไอออนอย่างเข้มข้นภายใต้อิทธิพลของแสงแดด ความชื้นในอากาศกลั่นตัวเป็นไอออน เกิดเป็นหยดน้ำที่เล็กที่สุดที่ประจุด้วยไฟฟ้า ในที่สุด เมฆฝนฟ้าคะนองที่มาพร้อมกับฟ้าแลบจะเกิดขึ้นจากหยดน้ำที่มีประจุไฟฟ้าแต่ละหยด กล่าวคือ การปล่อยไฟฟ้าของไฟฟ้าบรรยากาศ

กระบวนการไอออไนซ์ของแก๊สโดยตัวสร้างไอออนภายนอกคือพวกมันถ่ายโอนพลังงานส่วนหนึ่งไปยังอะตอมของแก๊ส ในกรณีนี้ เวเลนต์อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพิ่มเติมและถูกแยกออกจากอะตอม ซึ่งกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ซึ่งก็คือไอออนบวก

อิเล็กตรอนอิสระที่ก่อตัวขึ้นสามารถคงความเป็นอิสระจากการเคลื่อนที่ในก๊าซได้เป็นเวลานาน (เช่น ในไฮโดรเจน ไนโตรเจน) หรือหลังจากนั้นระยะหนึ่งจะเกาะติดกับอะตอมและโมเลกุลของก๊าซที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ทำให้มันกลายเป็นไอออนลบ

การปรากฏตัวของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในก๊าซอาจเกิดจากการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของอิเล็กโทรดโลหะเมื่อได้รับความร้อนหรือสัมผัสกับพลังงานรังสีขณะอยู่ในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่ถูกรบกวน อนุภาคที่มีประจุตรงข้าม (อิเล็กตรอน) และประจุบวก (ไอออน) บางส่วนจะรวมตัวกันและสร้างอะตอมและโมเลกุลของก๊าซที่เป็นกลางทางไฟฟ้า กระบวนการนี้เรียกว่าการซ่อมแซมหรือการรวมกันใหม่

ถ้าปริมาตรของแก๊สอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดโลหะ (จาน, ลูกบอล) เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้ากับอิเล็กโทรด แรงไฟฟ้าจะกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในแก๊ส ซึ่งก็คือความแรงของสนามไฟฟ้า

ภายใต้การกระทำของแรงเหล่านี้ อิเล็กตรอนและไอออนจะเคลื่อนที่จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในแก๊ส

กระแสในก๊าซจะมากขึ้น อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่มีไดอิเล็กตริกต่างกันจะก่อตัวขึ้นต่อหน่วยเวลา และยิ่งได้รับความเร็วมากขึ้นภายใต้การกระทำของแรงสนามไฟฟ้า

เป็นที่ชัดเจนว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับปริมาตรของก๊าซเพิ่มขึ้น แรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่ออิเล็กตรอนและไอออนจะเพิ่มขึ้น ในกรณีนี้ ความเร็วของอนุภาคที่มีประจุและกระแสในก๊าซจะเพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนแปลงขนาดของกระแสไฟฟ้าตามฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับปริมาตรของก๊าซจะแสดงเป็นกราฟิกในรูปของเส้นโค้งที่เรียกว่าคุณลักษณะของโวลต์-แอมแปร์

คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันสำหรับไดอิเล็กตริกก๊าซ

คุณลักษณะของกระแส-แรงดันแสดงให้เห็นว่าในบริเวณสนามไฟฟ้าอ่อน เมื่อแรงไฟฟ้าที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุมีขนาดค่อนข้างเล็ก (พื้นที่ I ในกราฟ) กระแสในก๊าซจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของค่าของแรงดันที่ใช้ . ในบริเวณนี้กระแสจะเปลี่ยนไปตามกฎของโอห์ม

เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก (ภูมิภาค II) สัดส่วนระหว่างกระแสและแรงดันจะหัก ในภูมิภาคนี้ กระแสการนำไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า ที่นี่ พลังงานถูกสะสมจากอนุภาคก๊าซที่มีประจุ — อิเล็กตรอนและไอออน

ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น (ภูมิภาค III) ความเร็วของอนุภาคที่มีประจุจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันมักจะชนกับอนุภาคก๊าซที่เป็นกลาง ในระหว่างการชนแบบยืดหยุ่น อิเล็กตรอนและไอออนจะถ่ายโอนพลังงานที่สะสมบางส่วนไปยังอนุภาคก๊าซที่เป็นกลาง เป็นผลให้อิเล็กตรอนถูกดึงออกจากอะตอม ในกรณีนี้ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าใหม่จะเกิดขึ้น: อิเล็กตรอนอิสระและไอออน

เนื่องจากความจริงที่ว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบินชนกับอะตอมและโมเลกุลของก๊าซบ่อยครั้งมาก การก่อตัวของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าใหม่จึงเกิดขึ้นอย่างเข้มข้นมาก กระบวนการนี้เรียกว่าการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซช็อก

ในบริเวณอิออไนเซชันแบบกระแทก (บริเวณ III ในรูป) กระแสในก๊าซจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วโดยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้น้อยที่สุด กระบวนการไอออไนเซชันของผลกระทบในไดอิเล็กตริกของก๊าซนั้นมาพร้อมกับการลดลงอย่างรวดเร็วของความต้านทานต่อปริมาตรของก๊าซและการเพิ่มขึ้นของ แทนเจนต์การสูญเสียอิเล็กทริก.

โดยธรรมชาติแล้วสามารถใช้ไดอิเล็กตริกของก๊าซที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าค่าที่เกิดกระบวนการไอออไนเซชัน ในกรณีนี้ ก๊าซเป็นไดอิเล็กตริกที่ดีมาก โดยที่ความต้านทานจำเพาะของปริมาตรสูงมาก (1020 โอห์ม)x ซม.) และค่าสัมผัสของมุมสูญเสียไดอิเล็กตริกมีค่าน้อยมาก (tgδ ≈ 10-6)ดังนั้น ก๊าซ โดยเฉพาะอากาศ จึงถูกใช้เป็นไดอิเล็กตริกในตัวเก็บประจุ ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลที่บรรจุก๊าซ และ เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าแรงสูง.

บทบาทของแก๊สในฐานะไดอิเล็กตริกในโครงสร้างฉนวนไฟฟ้า

ในโครงสร้างฉนวนใด ๆ อากาศหรือก๊าซอื่น ๆ มีอยู่ในระดับหนึ่งในฐานะองค์ประกอบของฉนวน ตัวนำของโอเวอร์เฮดไลน์ (VL), บัสบาร์, ขั้วหม้อแปลง และอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงต่างๆ จะถูกแยกออกจากกันด้วยช่องว่าง ซึ่งเป็นสื่อฉนวนเพียงชนิดเดียวที่มีอากาศ

การละเมิดความเป็นฉนวนของโครงสร้างดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากการทำลายของอิเล็กทริกซึ่งทำฉนวนและเป็นผลมาจากการปล่อยในอากาศหรือบนพื้นผิวของอิเล็กทริก

ซึ่งแตกต่างจากการแตกตัวของฉนวนซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวโดยสิ้นเชิง โดยปกติแล้วการคายประจุที่พื้นผิวจะไม่มาพร้อมกับความล้มเหลว ดังนั้นหากโครงสร้างฉนวนถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่แรงดันทับซ้อนพื้นผิวหรือแรงดันพังทลายในอากาศน้อยกว่าแรงดันพังทลายของฉนวน ดังนั้น ความเป็นฉนวนที่แท้จริงของโครงสร้างดังกล่าวจะถูกกำหนดโดยความเป็นฉนวนของอากาศ

ในกรณีข้างต้น อากาศมีความเกี่ยวข้องในฐานะตัวกลางของก๊าซธรรมชาติซึ่งเป็นที่ตั้งของโครงสร้างฉนวน นอกจากนี้ อากาศหรือก๊าซอื่นๆ มักใช้เป็นวัสดุฉนวนหลักอย่างหนึ่งในการหุ้มฉนวนสายไฟ ตัวเก็บประจุ หม้อแปลง และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ

เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของโครงสร้างฉนวนเชื่อถือได้และปราศจากปัญหา จำเป็นต้องทราบว่าปัจจัยต่างๆ ส่งผลต่อความเป็นฉนวนของแก๊สอย่างไร เช่น รูปแบบและระยะเวลาของแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิและความดันของแก๊ส ลักษณะของ สนามไฟฟ้า ฯลฯ

ดูในหัวข้อนี้: ประเภทของการปล่อยไฟฟ้าในก๊าซ