konduktivitas gas

Gas biasanya merupakan dielektrik yang baik (misalnya udara bersih dan tidak terionisasi). Namun, jika gas mengandung uap air yang bercampur dengan partikel organik dan anorganik dan terionisasi pada saat yang sama, maka gas tersebut menghantarkan listrik.

Dalam semua gas, bahkan sebelum tegangan listrik diterapkan padanya, selalu ada sejumlah partikel bermuatan listrik—elektron dan ion—yang berada dalam gerakan termal acak. Ini dapat berupa partikel gas bermuatan, serta partikel padat dan cair bermuatan - kotoran yang ditemukan, misalnya, di udara.

Pembentukan partikel bermuatan listrik dalam dielektrik gas disebabkan oleh ionisasi gas dari sumber energi eksternal (pengion eksternal): sinar kosmik dan matahari, radiasi radioaktif Bumi, dll.

Konduktivitas listrik gas tergantung terutama pada derajat ionisasinya, yang dapat dilakukan dengan berbagai cara. Secara umum, ionisasi gas terjadi akibat pelepasan elektron dari molekul gas netral.

Sebuah elektron yang dilepaskan dari molekul gas bercampur dalam ruang antarmolekul gas, dan di sini, tergantung pada jenis gasnya, ia dapat mempertahankan "kemandirian" yang relatif lama dari pergerakannya (misalnya, dalam gas semacam itu, kejutan hidrogen H2 , nitrogen n2) atau , sebaliknya, dengan cepat menembus molekul netral, mengubahnya menjadi ion negatif (misalnya oksigen).

Efek terbesar dari ionisasi gas dicapai dengan menyinari mereka dengan sinar-X, sinar katoda atau sinar yang dipancarkan oleh zat radioaktif.

Udara atmosfer di musim panas terionisasi sangat intensif di bawah pengaruh sinar matahari. Kelembaban di udara mengembun pada ion-ionnya, membentuk tetesan air terkecil yang bermuatan listrik. Akhirnya, awan petir disertai petir terbentuk dari tetesan air bermuatan listrik individu, yaitu. pelepasan listrik dari listrik atmosfer.

Proses ionisasi gas oleh ionizers eksternal adalah bahwa mereka mentransfer sebagian energi ke atom gas. Dalam hal ini, elektron valensi memperoleh energi tambahan dan dipisahkan dari atomnya, yang menjadi partikel bermuatan positif - ion positif.

Elektron bebas yang terbentuk dapat mempertahankan kemandiriannya dari pergerakan dalam gas untuk waktu yang lama (misalnya, dalam hidrogen, nitrogen) atau setelah beberapa waktu menempel pada atom dan molekul gas yang netral secara elektrik, mengubahnya menjadi ion negatif.

Munculnya partikel bermuatan listrik dalam gas juga dapat disebabkan oleh pelepasan elektron dari permukaan elektroda logam ketika dipanaskan atau terkena energi radiasi.Sementara dalam gerakan termal yang terganggu, beberapa partikel bermuatan berlawanan (elektron) dan bermuatan positif (ion) bersatu satu sama lain dan membentuk atom dan molekul gas yang netral secara elektrik. Proses ini disebut perbaikan atau rekombinasi.

Jika volume gas ditutup di antara elektroda logam (cakram, bola), maka ketika tegangan listrik diterapkan ke elektroda, gaya listrik akan bekerja pada partikel bermuatan dalam gas - kekuatan medan listrik.

Di bawah aksi gaya-gaya ini, elektron dan ion akan berpindah dari satu elektroda ke elektroda lainnya, menciptakan arus listrik dalam gas.

Arus dalam gas akan lebih besar, semakin banyak partikel bermuatan dengan dielektrik berbeda terbentuk di dalamnya per satuan waktu dan semakin besar kecepatan yang mereka peroleh di bawah aksi gaya medan listrik.

Jelas bahwa ketika tegangan yang diterapkan pada volume gas tertentu meningkat, gaya listrik yang bekerja pada elektron dan ion meningkat. Dalam hal ini, kecepatan partikel bermuatan dan karenanya arus dalam gas meningkat.

Perubahan besarnya arus sebagai fungsi tegangan yang diterapkan pada volume gas dinyatakan secara grafis dalam bentuk kurva yang disebut karakteristik volt-ampere.

Karakteristik arus-tegangan untuk dielektrik gas

Karakteristik arus-tegangan menunjukkan bahwa di wilayah medan listrik lemah, ketika gaya listrik yang bekerja pada partikel bermuatan relatif kecil (area I pada grafik), arus dalam gas meningkat sebanding dengan nilai tegangan yang diberikan. . Di area ini, arus berubah menurut hukum Ohm.

Ketika tegangan meningkat lebih jauh (wilayah II), proporsionalitas antara arus dan tegangan terputus. Di wilayah ini, arus konduksi tidak bergantung pada tegangan. Di sini, energi diakumulasikan dari partikel gas bermuatan - elektron dan ion.

Dengan peningkatan voltase lebih lanjut (wilayah III), kecepatan partikel bermuatan meningkat tajam, akibatnya sering bertabrakan dengan partikel gas netral. Selama tumbukan elastis ini, elektron dan ion mentransfer sebagian energi yang terkumpul ke partikel gas netral. Akibatnya, elektron terlepas dari atomnya. Dalam hal ini, partikel bermuatan listrik baru terbentuk: elektron dan ion bebas.

Karena partikel bermuatan terbang sangat sering bertabrakan dengan atom dan molekul gas, pembentukan partikel bermuatan listrik baru terjadi dengan sangat intensif. Proses ini disebut ionisasi gas kejut.

Di daerah ionisasi tumbukan (daerah III pada gambar), arus dalam gas meningkat dengan cepat dengan peningkatan voltase terkecil. Proses ionisasi tumbukan dalam dielektrik gas disertai dengan penurunan tajam dalam resistansi volume gas dan peningkatan tangen kerugian dielektrik.

Secara alami, dielektrik gas dapat digunakan pada tegangan yang lebih rendah dari nilai-nilai di mana proses ionisasi tumbukan terjadi. Dalam hal ini, gas adalah dielektrik yang sangat baik, di mana resistansi spesifik volume sangat tinggi (1020 ohm)x cm) dan garis singgung sudut kehilangan dielektrik sangat kecil (tgδ ≈ 10-6).Oleh karena itu, gas, khususnya udara, digunakan sebagai dielektrik dalam contoh kapasitor, kabel berisi gas, dan pemutus sirkuit tegangan tinggi.

Peran gas sebagai dielektrik dalam struktur isolasi listrik

Dalam setiap struktur isolasi, udara atau gas lainnya hadir sampai batas tertentu sebagai elemen isolasi. Konduktor saluran udara (VL), busbar, terminal transformator, dan berbagai perangkat tegangan tinggi dipisahkan satu sama lain oleh celah, satu-satunya media isolasi yang berisi udara.

Pelanggaran kekuatan dielektrik dari struktur semacam itu dapat terjadi baik melalui penghancuran dielektrik dari mana isolator dibuat, dan sebagai akibat pelepasan di udara atau di permukaan dielektrik.

Tidak seperti kerusakan isolator, yang menyebabkan kegagalan total, pelepasan permukaan biasanya tidak disertai kegagalan. Oleh karena itu, jika struktur isolasi dibuat sedemikian rupa sehingga tegangan tumpang tindih permukaan atau tegangan tembus di udara lebih kecil dari tegangan tembus isolator, maka kekuatan dielektrik sebenarnya dari struktur tersebut akan ditentukan oleh kekuatan dielektrik udara.

Dalam kasus di atas, udara relevan sebagai media gas alam tempat struktur isolasi berada. Selain itu, udara atau gas lainnya sering digunakan sebagai salah satu bahan isolasi utama untuk mengisolasi kabel, kapasitor, transformator, dan perangkat listrik lainnya.

Untuk memastikan operasi struktur isolasi yang andal dan bebas masalah, perlu diketahui bagaimana berbagai faktor mempengaruhi kekuatan dielektrik gas, seperti bentuk dan durasi tegangan, suhu dan tekanan gas, sifat dari medan listrik, dll.

Lihat di topik ini: Jenis pelepasan listrik dalam gas