độ dẫn khí

Khí thường là chất điện môi tốt (ví dụ: không khí sạch, không bị ion hóa). Tuy nhiên, nếu khí chứa hơi ẩm trộn lẫn với các hạt hữu cơ và vô cơ, đồng thời bị ion hóa, thì chúng sẽ dẫn điện.

Trong tất cả các chất khí, ngay cả trước khi đặt một hiệu điện thế lên chúng, luôn có một lượng nhất định các hạt mang điện—electron và ion—chuyển động nhiệt ngẫu nhiên. Đây có thể là các hạt tích điện của khí, cũng như các hạt tích điện của chất rắn và chất lỏng - chẳng hạn như các tạp chất được tìm thấy trong không khí.

Sự hình thành các hạt tích điện trong điện môi khí là do quá trình ion hóa khí từ các nguồn năng lượng bên ngoài (ion hóa bên ngoài): tia vũ trụ và mặt trời, bức xạ phóng xạ của Trái đất, v.v.

Độ dẫn điện của khí phụ thuộc chủ yếu vào mức độ ion hóa của chúng, có thể được thực hiện theo những cách khác nhau. Nói chung, quá trình ion hóa khí xảy ra do sự giải phóng các electron khỏi phân tử khí trung hòa.

Một electron được giải phóng khỏi một phân tử khí trộn lẫn trong không gian liên phân tử của khí và ở đây, tùy thuộc vào loại khí, nó có thể duy trì sự "độc lập" tương đối dài đối với chuyển động của nó (ví dụ, trong các khí như vậy, cú sốc hydro H2 , nitơ n2) hoặc ngược lại, nhanh chóng thâm nhập vào một phân tử trung tính, biến nó thành một ion âm (ví dụ: oxy).

Tác dụng lớn nhất của quá trình ion hóa các chất khí đạt được bằng cách chiếu xạ chúng bằng tia X, tia catốt hoặc tia do các chất phóng xạ phát ra.

Không khí trong khí quyển vào mùa hè bị ion hóa rất mạnh dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Độ ẩm trong không khí ngưng tụ trên các ion của nó, tạo thành những giọt nước nhỏ nhất tích điện. Cuối cùng, những đám mây giông kèm theo sét được hình thành từ những giọt nước tích điện riêng lẻ, tức là sự phóng điện của điện khí quyển.

Quá trình ion hóa khí bằng các máy ion hóa bên ngoài là chúng truyền một phần năng lượng cho các nguyên tử khí. Trong trường hợp này, các electron hóa trị thu thêm năng lượng và tách khỏi nguyên tử của chúng, trở thành các hạt tích điện dương—các ion dương.

Các electron tự do được hình thành có thể duy trì sự độc lập của chúng với chuyển động trong chất khí trong một thời gian dài (ví dụ: trong hydro, nitơ) hoặc sau một thời gian gắn vào các nguyên tử và phân tử khí trung hòa về điện, biến chúng thành các ion âm.

Sự xuất hiện của các hạt tích điện trong chất khí cũng có thể do sự giải phóng các electron khỏi bề mặt của các điện cực kim loại khi chúng được nung nóng hoặc tiếp xúc với năng lượng bức xạ.Trong khi chuyển động nhiệt bị xáo trộn, một số hạt tích điện trái dấu (electron) và tích điện dương (ion) kết hợp với nhau và tạo thành các nguyên tử và phân tử khí trung hòa về điện. Quá trình này được gọi là sửa chữa hoặc tái hợp.

Nếu một thể tích khí được đặt giữa các điện cực kim loại (đĩa, quả cầu) thì khi đặt một hiệu điện thế vào các điện cực đó, lực điện sẽ tác dụng lên các hạt mang điện trong khí đó là cường độ điện trường.

Dưới tác dụng của các lực này, các electron và ion sẽ chuyển động từ điện cực này sang điện cực khác, tạo ra dòng điện trong chất khí.

Dòng điện trong chất khí sẽ càng lớn, càng nhiều hạt tích điện có điện môi khác nhau được hình thành trong nó trên một đơn vị thời gian và tốc độ mà chúng thu được dưới tác dụng của lực điện trường càng lớn.

Rõ ràng là khi điện áp đặt vào một thể tích khí nhất định tăng lên, thì lực điện tác dụng lên các electron và ion cũng tăng lên. Trong trường hợp này, vận tốc của các hạt tích điện và do đó dòng điện trong chất khí tăng lên.

Sự thay đổi cường độ dòng điện như một hàm của điện áp đặt vào thể tích khí được biểu thị bằng đồ thị dưới dạng một đường cong gọi là đặc tính vôn-ampe.

Đặc tính dòng điện-điện áp cho chất điện môi khí

Đặc tính dòng điện-hiệu điện thế chứng tỏ trong vùng điện trường yếu, khi lực điện tác dụng lên hạt mang điện tương đối nhỏ (diện tích I trên đồ thị) thì cường độ dòng điện trong chất khí tăng tỉ lệ thuận với giá trị hiệu điện thế đặt vào . Trong khu vực này, dòng điện thay đổi theo định luật Ohm.

Khi điện áp tăng hơn nữa (vùng II), tỷ lệ giữa dòng điện và điện áp bị phá vỡ. Trong vùng này, dòng điện dẫn không phụ thuộc vào hiệu điện thế. Ở đây, năng lượng được tích lũy từ các hạt khí tích điện—electron và ion.

Khi điện áp tăng thêm (vùng III), tốc độ của các hạt tích điện tăng mạnh, do đó chúng thường va chạm với các hạt khí trung tính. Trong các va chạm đàn hồi này, các electron và ion chuyển một phần năng lượng tích lũy của chúng sang các hạt khí trung hòa. Kết quả là, các electron bị tước khỏi nguyên tử của chúng. Trong trường hợp này, các hạt mang điện mới được hình thành: các electron và ion tự do.

Do các hạt tích điện đang bay va chạm rất thường xuyên với các nguyên tử và phân tử khí nên sự hình thành các hạt tích điện mới xảy ra rất mạnh. Quá trình này được gọi là sốc ion hóa khí.

Ở vùng ion hóa va chạm (vùng III trên hình), dòng điện trong chất khí tăng nhanh với mức tăng điện áp nhỏ nhất. Quá trình ion hóa tác động trong chất điện môi khí đi kèm với sự giảm mạnh điện trở thể tích của chất khí và sự gia tăng tiếp tuyến tổn thất điện môi.

Đương nhiên, chất điện môi khí có thể được sử dụng ở điện áp thấp hơn các giá trị mà quá trình ion hóa tác động xảy ra. Trong trường hợp này, khí là chất điện môi rất tốt, trong đó điện trở riêng theo thể tích rất cao (1020 ôm)x cm) và tang của góc tổn thất điện môi rất nhỏ (tgδ ≈ 10-6).Do đó, khí, đặc biệt là không khí, được sử dụng làm chất điện môi trong tụ điện, cáp chứa đầy khí và bộ ngắt mạch điện áp cao.

Vai trò của khí như một chất điện môi trong các cấu trúc cách điện

Trong bất kỳ cấu trúc cách nhiệt nào, không khí hoặc khí khác hiện diện ở một mức độ nào đó như một phần tử cách nhiệt. Các dây dẫn của đường dây trên không (VL), thanh cái, đầu nối máy biến áp và các thiết bị cao áp khác nhau được ngăn cách với nhau bằng các khoảng trống, môi trường cách điện duy nhất trong đó là không khí.

Sự vi phạm độ bền điện môi của các cấu trúc như vậy có thể xảy ra cả do sự phá hủy chất điện môi mà chất cách điện được tạo ra và do sự phóng điện trong không khí hoặc trên bề mặt của chất điện môi.

Không giống như sự cố cách điện dẫn đến sự cố hoàn toàn của nó, sự phóng điện bề mặt thường không kèm theo sự cố. Do đó, nếu cấu trúc cách điện được chế tạo sao cho điện áp chồng lấn bề mặt hoặc điện áp đánh thủng trong không khí nhỏ hơn điện áp đánh thủng của chất cách điện, thì độ bền điện môi thực tế của cấu trúc đó sẽ được xác định bởi độ bền điện môi của không khí.

Trong các trường hợp trên, không khí có liên quan như một môi trường khí tự nhiên trong đó các cấu trúc cách điện được đặt. Ngoài ra, không khí hoặc khí khác thường được sử dụng làm một trong những vật liệu cách điện chính để cách điện dây cáp, tụ điện, máy biến áp và các thiết bị điện khác.

Để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và không gặp sự cố của các cấu trúc cách điện, cần phải biết các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến độ bền điện môi của khí như dạng và thời gian của điện áp, nhiệt độ và áp suất của khí, bản chất của điện trường, v.v.

Xem về chủ đề này: Các dạng phóng điện trong chất khí