Vodivost plynu

Plyny jsou obvykle dobrými dielektriky (např. čistý, neionizovaný vzduch). Pokud však plyny obsahují vlhkost smíchanou s organickými a anorganickými částicemi a jsou zároveň ionizovány, pak vedou elektrický proud.

Ve všech plynech, ještě předtím, než je na ně přivedeno elektrické napětí, je vždy určité množství elektricky nabitých částic – elektronů a iontů – které jsou v náhodném tepelném pohybu. Mohou to být nabité částice plynu, stejně jako nabité částice pevných látek a kapalin – nečistoty nacházející se například ve vzduchu.

Vznik elektricky nabitých částic v plynných dielektrikách je způsoben ionizací plynu z vnějších zdrojů energie (vnějších ionizátorů): kosmického a slunečního záření, radioaktivního záření Země atd.

Elektrická vodivost plynů závisí především na stupni jejich ionizace, která může být provedena různými způsoby. Obecně k ionizaci plynů dochází v důsledku uvolnění elektronů z neutrální molekuly plynu.

Elektron uvolněný z molekuly plynu se mísí v mezimolekulárním prostoru plynu a zde si v závislosti na druhu plynu dokáže udržet poměrně dlouhou „nezávislost“ svého pohybu (např. u takových plynů vodíkový šok H2 , dusík n2) nebo naopak rychle pronikají do neutrální molekuly a mění ji na záporný iont (například kyslík).

Největšího efektu ionizace plynů se dosáhne jejich ozářením rentgenovými paprsky, katodovými paprsky nebo paprsky emitovanými radioaktivními látkami.

Atmosférický vzduch je v létě velmi intenzivně ionizován vlivem slunečního záření. Vlhkost ve vzduchu kondenzuje na svých iontech a tvoří nejmenší kapičky vody nabité elektřinou. Z jednotlivých elektricky nabitých kapiček vody se nakonec vytvoří bouřkové mraky doprovázené blesky, tzn. elektrické výboje atmosférické elektřiny.

Proces ionizace plynu externími ionizátory spočívá v tom, že předávají část energie atomům plynu. V tomto případě valenční elektrony získávají další energii a jsou odděleny od svých atomů, které se stávají kladně nabitými částicemi – kladnými ionty.

Vytvořené volné elektrony si mohou udržet svou nezávislost na pohybu v plynu po dlouhou dobu (například ve vodíku, dusíku) nebo se po nějaké době připojit k elektricky neutrálním atomům a molekulám plynu a přeměnit je na záporné ionty.

Vzhled elektricky nabitých částic v plynu může být také způsoben uvolněním elektronů z povrchu kovových elektrod, když jsou zahřáté nebo vystaveny energii záření.Při narušeném tepelném pohybu se některé opačně nabité (elektrony) a kladně nabité (ionty) částice vzájemně spojují a vytvářejí elektricky neutrální atomy a molekuly plynu. Tento proces se nazývá oprava nebo rekombinace.

Pokud je mezi kovovými elektrodami (disky, kuličky) uzavřen objem plynu, pak při přivedení elektrického napětí na elektrody budou na nabité částice v plynu působit elektrické síly — síla elektrického pole.

Působením těchto sil se elektrony a ionty budou pohybovat z jedné elektrody na druhou a vytvářet elektrický proud v plynu.

Proud v plynu bude tím větší, čím více nabitých částic s různým dielektrikem se v něm za jednotku času vytvoří a tím větší rychlost získají působením sil elektrického pole.

Je zřejmé, že s rostoucím napětím aplikovaným na daný objem plynu se zvyšují elektrické síly působící na elektrony a ionty. V tomto případě se zvyšuje rychlost nabitých částic a tím i proud v plynu.

Změna velikosti proudu v závislosti na napětí aplikovaném na objem plynu je vyjádřena graficky ve formě křivky nazývané voltampérová charakteristika.

Proudově-napěťová charakteristika pro plynné dielektrikum

Proudově-napěťová charakteristika ukazuje, že v oblasti slabých elektrických polí, kdy jsou elektrické síly působící na nabité částice relativně malé (plocha I v grafu), roste proud v plynu úměrně k hodnotě použitého napětí. . V této oblasti se proud mění podle Ohmova zákona.

Jak se napětí dále zvyšuje (oblast II), úměrnost mezi proudem a napětím je narušena. V této oblasti vodivostní proud nezávisí na napětí. Zde se energie akumuluje z nabitých částic plynu — elektronů a iontů.

S dalším nárůstem napětí (oblast III) se rychlost nabitých částic prudce zvyšuje, v důsledku čehož se často střetávají s částicemi neutrálního plynu. Během těchto elastických srážek přenášejí elektrony a ionty část své nahromaděné energie na částice neutrálního plynu. Výsledkem je, že elektrony jsou odstraněny z jejich atomů. V tomto případě se tvoří nové elektricky nabité částice: volné elektrony a ionty.

Vzhledem k tomu, že letící nabité částice se velmi často srážejí s atomy a molekulami plynu, dochází velmi intenzivně ke vzniku nových elektricky nabitých částic. Tento proces se nazývá šoková ionizace plynu.

V oblasti nárazové ionizace (oblast III na obrázku) se proud v plynu rychle zvyšuje s nejmenším nárůstem napětí. Proces nárazové ionizace v plynných dielektrikách je doprovázen prudkým poklesem objemového odporu plynu a zvýšením dielektrická ztrátová tečna.

Plynná dielektrika lze samozřejmě použít při napětích nižších, než jsou hodnoty, při kterých dochází k procesu nárazové ionizace. V tomto případě jsou plyny velmi dobrými dielektriky, kde objemový měrný odpor je velmi vysoký (1020 ohmů) x cm) a tangens úhlu dielektrické ztráty je velmi malý (tgδ ≈ 10-6).Proto se plyny, zejména vzduch, používají jako dielektrika v příkladech kondenzátorů, plynem plněných kabelů a vysokonapěťové jističe.

Role plynu jako dielektrika v elektroizolačních konstrukcích

V každé izolační konstrukci je do určité míry přítomen vzduch nebo jiný plyn jako prvek izolace. Vodiče venkovních vedení (VL), přípojnic, svorek transformátorů a různých vysokonapěťových zařízení jsou od sebe odděleny mezerami, jediným izolačním médiem, ve kterém je vzduch.

K porušení dielektrické pevnosti takových struktur může dojít jak destrukcí dielektrika, ze kterého jsou izolátory vyrobeny, tak v důsledku výboje ve vzduchu nebo na povrchu dielektrika.

Na rozdíl od poruchy izolátoru, která vede k jeho úplnému selhání, není povrchový výboj obvykle doprovázen poruchou. Pokud je tedy izolační struktura vyrobena tak, že povrchové překrývající napětí nebo průrazné napětí ve vzduchu je menší než průrazné napětí izolátorů, pak bude skutečná dielektrická pevnost takových konstrukcí určena dielektrickou pevností vzduchu.

Ve výše uvedených případech je vzduch relevantní jako médium zemního plynu, ve kterém jsou umístěny izolační konstrukce. Kromě toho se vzduch nebo jiný plyn často používá jako jeden z hlavních izolačních materiálů k izolaci kabelů, kondenzátorů, transformátorů a dalších elektrických zařízení.

Pro zajištění spolehlivého a bezporuchového provozu izolačních konstrukcí je nutné vědět, jak různé faktory ovlivňují dielektrickou pevnost plynu, jako je forma a doba trvání napětí, teplota a tlak plynu, povaha elektrické pole atd.

Viz k tomuto tématu: Druhy elektrického výboje v plynech