Conducibilità del gas

I gas sono generalmente buoni dielettrici (ad esempio aria pulita, non ionizzata). Tuttavia, se i gas contengono umidità mista a particelle organiche e inorganiche e sono ionizzati allo stesso tempo, conducono elettricità.

In tutti i gas, anche prima che venga loro applicata una tensione elettrica, c'è sempre una certa quantità di particelle elettricamente cariche - elettroni e ioni - che sono in moto termico casuale. Queste possono essere particelle cariche di gas, nonché particelle cariche di solidi e liquidi, impurità presenti, ad esempio, nell'aria.

La formazione di particelle elettricamente cariche nei dielettrici gassosi è causata dalla ionizzazione del gas da fonti di energia esterne (ionizzatori esterni): raggi cosmici e solari, radiazioni radioattive della Terra, ecc.

La conduttività elettrica dei gas dipende principalmente dal grado della loro ionizzazione, che può essere effettuata in diversi modi. In generale, la ionizzazione dei gas avviene a seguito del rilascio di elettroni da una molecola di gas neutro.

Un elettrone rilasciato da una molecola di gas si mescola nello spazio intermolecolare del gas, e qui, a seconda del tipo di gas, può mantenere una "indipendenza" relativamente lunga del suo movimento (ad esempio, in tali gas, lo shock di idrogeno H2 , azoto n2) o , al contrario, penetrano rapidamente in una molecola neutra, trasformandola in uno ione negativo (ad esempio ossigeno).

Il massimo effetto di ionizzazione dei gas si ottiene irradiandoli con raggi X, raggi catodici o raggi emessi da sostanze radioattive.

L'aria atmosferica in estate viene ionizzata molto intensamente sotto l'influenza della luce solare. L'umidità nell'aria si condensa sui suoi ioni, formando le più piccole goccioline d'acqua cariche di elettricità. Alla fine, le nuvole temporalesche accompagnate da fulmini si formano da singole goccioline d'acqua caricate elettricamente, ad es. scariche elettriche di elettricità atmosferica.

Il processo di ionizzazione del gas da parte di ionizzatori esterni è che trasferiscono parte dell'energia agli atomi di gas. In questo caso, gli elettroni di valenza guadagnano ulteriore energia e vengono separati dai loro atomi, che diventano particelle caricate positivamente - ioni positivi.

Gli elettroni liberi formati possono mantenere a lungo la loro indipendenza dal movimento in un gas (ad esempio, in idrogeno, azoto) o dopo qualche tempo attaccarsi ad atomi e molecole di gas elettricamente neutri, trasformandoli in ioni negativi.

La comparsa di particelle elettricamente cariche in un gas può anche essere causata dal rilascio di elettroni dalla superficie degli elettrodi metallici quando vengono riscaldati o esposti a energia radiante.Durante il movimento termico disturbato, alcune delle particelle caricate in modo opposto (elettroni) e caricate positivamente (ioni) si uniscono tra loro e formano atomi e molecole di gas elettricamente neutri. Questo processo è chiamato riparazione o ricombinazione.

Se un volume di gas è racchiuso tra elettrodi metallici (dischi, sfere), quando viene applicata una tensione elettrica agli elettrodi, le forze elettriche agiranno sulle particelle cariche nel gas: l'intensità del campo elettrico.

Sotto l'azione di queste forze, gli elettroni e gli ioni si sposteranno da un elettrodo all'altro, creando una corrente elettrica in un gas.

La corrente nel gas sarà maggiore, più particelle cariche con diverso dielettrico si formano in esso per unità di tempo e maggiore velocità acquisiscono sotto l'azione delle forze del campo elettrico.

È chiaro che all'aumentare della tensione applicata a un dato volume di gas, aumentano le forze elettriche che agiscono su elettroni e ioni. In questo caso aumenta la velocità delle particelle cariche e quindi la corrente nel gas.

La variazione dell'entità della corrente in funzione della tensione applicata al volume del gas è espressa graficamente sotto forma di una curva chiamata caratteristica volt-ampere.

Caratteristica corrente-tensione per un dielettrico gassoso

La caratteristica corrente-tensione mostra che nella regione dei campi elettrici deboli, quando le forze elettriche che agiscono sulle particelle cariche sono relativamente piccole (area I nel grafico), la corrente nel gas aumenta in proporzione al valore della tensione applicata . In quest'area, la corrente cambia secondo la legge di Ohm.

Man mano che la tensione aumenta ulteriormente (regione II), la proporzionalità tra corrente e tensione viene interrotta. In questa regione, la corrente di conduzione non dipende dalla tensione. Qui, l'energia viene accumulata dalle particelle di gas cariche - elettroni e ioni.

Con un ulteriore aumento della tensione (regione III), la velocità delle particelle cariche aumenta bruscamente, per cui spesso entrano in collisione con particelle di gas neutro. Durante queste collisioni elastiche, elettroni e ioni trasferiscono parte della loro energia accumulata a particelle di gas neutro. Di conseguenza, gli elettroni vengono strappati dai loro atomi. In questo caso si formano nuove particelle elettricamente cariche: elettroni liberi e ioni.

A causa del fatto che le particelle cariche volanti si scontrano molto spesso con gli atomi e le molecole del gas, la formazione di nuove particelle cariche elettricamente avviene molto intensamente. Questo processo è chiamato ionizzazione del gas d'urto.

Nella regione di ionizzazione da impatto (regione III nella figura), la corrente nel gas aumenta rapidamente con il minimo aumento di tensione. Il processo di ionizzazione per impatto nei dielettrici gassosi è accompagnato da una forte diminuzione della resistenza di volume del gas e da un aumento della tangente di perdita dielettrica.

Naturalmente, i dielettrici gassosi possono essere utilizzati a tensioni inferiori a quei valori a cui avviene il processo di ionizzazione per impatto. In questo caso, i gas sono ottimi dielettrici, dove la resistenza volumetrica è molto alta (1020 ohm)x cm) e la tangente dell'angolo di perdita dielettrica è molto piccola (tgδ ≈ 10-6).Pertanto, i gas, in particolare l'aria, vengono utilizzati come dielettrici in condensatori, cavi riempiti di gas e interruttori di alta tensione.

Il ruolo del gas come dielettrico nelle strutture di isolamento elettrico

In qualsiasi struttura isolante, l'aria o altro gas è presente in una certa misura come elemento isolante. I conduttori di linee aeree (VL), sbarre collettrici, terminali di trasformatori e vari dispositivi ad alta tensione sono separati l'uno dall'altro da intercapedini, l'unico mezzo isolante in cui è l'aria.

La violazione della rigidità dielettrica di tali strutture può avvenire sia attraverso la distruzione del dielettrico da cui sono realizzati gli isolanti, sia a seguito di scarica nell'aria o sulla superficie del dielettrico.

A differenza della rottura dell'isolatore, che porta al suo completo cedimento, la scarica superficiale di solito non è accompagnata da cedimento. Pertanto, se la struttura isolante è realizzata in modo tale che la tensione di sovrapposizione superficiale o tensione di rottura in aria sia inferiore alla tensione di rottura degli isolanti, allora l'effettiva rigidità dielettrica di tali strutture sarà determinata dalla rigidità dielettrica dell'aria.

Nei casi di cui sopra, l'aria è rilevante come mezzo di gas naturale in cui si trovano le strutture isolanti. Inoltre, l'aria o altri gas sono spesso utilizzati come uno dei principali materiali isolanti per isolare cavi, condensatori, trasformatori e altri dispositivi elettrici.

Per garantire un funzionamento affidabile e senza problemi delle strutture isolanti, è necessario conoscere in che modo vari fattori influenzano la rigidità dielettrica di un gas, come la forma e la durata della tensione, la temperatura e la pressione del gas, la natura del campo elettrico, ecc.

Vedi su questo argomento: Tipi di scarica elettrica nei gas