Conductividad de gases

Los gases suelen ser buenos dieléctricos (por ejemplo, aire limpio y no ionizado). Sin embargo, si los gases contienen humedad mezclada con partículas orgánicas e inorgánicas y se ionizan al mismo tiempo, entonces conducen la electricidad.

En todos los gases, incluso antes de que se les aplique un voltaje eléctrico, siempre hay una cierta cantidad de partículas cargadas eléctricamente (electrones e iones) que se encuentran en un movimiento térmico aleatorio. Estos pueden ser partículas cargadas de gas, así como partículas cargadas de sólidos y líquidos, impurezas que se encuentran, por ejemplo, en el aire.

La formación de partículas cargadas eléctricamente en dieléctricos gaseosos se produce por la ionización de gases de fuentes de energía externas (ionizadores externos): rayos cósmicos y solares, radiación radiactiva de la Tierra, etc.

La conductividad eléctrica de los gases depende principalmente del grado de ionización de los mismos, que puede llevarse a cabo de diferentes formas. En general, la ionización de los gases ocurre como resultado de la liberación de electrones de una molécula de gas neutral.

Un electrón liberado de una molécula de gas se mezcla en el espacio intermolecular del gas, y aquí, dependiendo del tipo de gas, puede mantener una "independencia" relativamente larga de su movimiento (por ejemplo, en tales gases, el choque de hidrógeno H2 , nitrógeno n2) o, por el contrario, penetran rápidamente en una molécula neutra, convirtiéndola en un ion negativo (por ejemplo, oxígeno).

El mayor efecto de ionización de gases se logra irradiándolos con rayos X, rayos catódicos o rayos emitidos por sustancias radiactivas.

El aire atmosférico en verano se ioniza muy intensamente bajo la influencia de la luz solar. La humedad del aire se condensa en sus iones, formando las gotas de agua más pequeñas cargadas de electricidad. Finalmente, las nubes de tormenta acompañadas de relámpagos se forman a partir de gotas de agua individuales cargadas eléctricamente, es decir, descargas eléctricas de la electricidad atmosférica.

El proceso de ionización de gases por ionizadores externos consiste en que transfieren parte de la energía a los átomos de gas. En este caso, los electrones de valencia obtienen energía adicional y se separan de sus átomos, que se convierten en partículas con carga positiva: iones positivos.

Los electrones libres formados pueden mantener su independencia del movimiento en un gas durante mucho tiempo (por ejemplo, en hidrógeno, nitrógeno) o después de un tiempo adherirse a átomos eléctricamente neutros y moléculas de gas, convirtiéndolos en iones negativos.

La aparición de partículas cargadas eléctricamente en un gas también puede deberse a la liberación de electrones de la superficie de los electrodos metálicos cuando se calientan o se exponen a energía radiante.Mientras están en movimiento térmico perturbado, algunas de las partículas con carga opuesta (electrones) y con carga positiva (iones) se unen entre sí y forman átomos y moléculas de gas eléctricamente neutros. Este proceso se llama reparación o recombinación.

Si un volumen de gas está encerrado entre electrodos de metal (discos, bolas), entonces cuando se aplica un voltaje eléctrico a los electrodos, las fuerzas eléctricas actuarán sobre las partículas cargadas en el gas: la fuerza del campo eléctrico.

Bajo la acción de estas fuerzas, los electrones y los iones se moverán de un electrodo a otro, creando una corriente eléctrica en un gas.

La corriente en el gas será mayor cuanto más partículas cargadas con diferente dieléctrico se formen en él por unidad de tiempo y mayor velocidad adquieran bajo la acción de las fuerzas del campo eléctrico.

Está claro que a medida que aumenta el voltaje aplicado a un volumen dado de gas, aumentan las fuerzas eléctricas que actúan sobre los electrones y los iones. En este caso, aumenta la velocidad de las partículas cargadas y, por lo tanto, la corriente en el gas.

El cambio en la magnitud de la corriente en función del voltaje aplicado al volumen de gas se expresa gráficamente en forma de una curva llamada característica voltamperio.

Característica de corriente-voltaje para un dieléctrico gaseoso

La característica corriente-voltaje muestra que en la región de campos eléctricos débiles, cuando las fuerzas eléctricas que actúan sobre las partículas cargadas son relativamente pequeñas (área I en el gráfico), la corriente en el gas aumenta en proporción al valor del voltaje aplicado. . En esta zona, la corriente cambia según la ley de Ohm.

A medida que aumenta más el voltaje (región II), se rompe la proporcionalidad entre corriente y voltaje. En esta región, la corriente de conducción no depende del voltaje. Aquí, la energía se acumula a partir de partículas de gas cargadas: electrones e iones.

Con un aumento adicional en el voltaje (región III), la velocidad de las partículas cargadas aumenta bruscamente, como resultado de lo cual a menudo chocan con partículas de gas neutral. Durante estas colisiones elásticas, los electrones y los iones transfieren parte de su energía acumulada a partículas de gas neutro. Como resultado, los electrones son despojados de sus átomos. En este caso, se forman nuevas partículas cargadas eléctricamente: electrones e iones libres.

Debido al hecho de que las partículas cargadas que vuelan chocan muy a menudo con los átomos y las moléculas del gas, la formación de nuevas partículas cargadas eléctricamente se produce de forma muy intensa. Este proceso se llama ionización de gas de choque.

En la región de ionización por impacto (región III en la figura), la corriente en el gas aumenta rápidamente con el menor aumento de voltaje. El proceso de ionización por impacto en los dieléctricos gaseosos va acompañado de una fuerte disminución de la resistencia volumétrica del gas y un aumento de la tangente de pérdidas dieléctricas.

Naturalmente, los dieléctricos gaseosos se pueden utilizar a voltajes inferiores a aquellos valores en los que se produce el proceso de ionización por impacto. En este caso, los gases son muy buenos dieléctricos, donde la resistencia volumétrica específica es muy alta (1020 ohms)x cm) y la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica es muy pequeña (tgδ ≈ 10-6).Por lo tanto, los gases, particularmente el aire, se utilizan como dieléctricos en condensadores de ejemplo, cables llenos de gas y disyuntores de alto voltaje.

El papel del gas como dieléctrico en las estructuras de aislamiento eléctrico.

En cualquier estructura aislante, el aire u otro gas está presente hasta cierto punto como elemento de aislamiento. Los conductores de líneas aéreas (VL), barras colectoras, terminales de transformadores y varios dispositivos de alta tensión están separados entre sí por espacios, el único medio aislante en el que se encuentra el aire.

La violación de la rigidez dieléctrica de tales estructuras puede ocurrir tanto por la destrucción del dieléctrico del que están hechos los aisladores como como resultado de la descarga en el aire o en la superficie del dieléctrico.

A diferencia de la ruptura del aislador, que conduce a su falla total, la descarga superficial no suele ir acompañada de fallas. Por lo tanto, si la estructura aislante está hecha de tal manera que el voltaje de superposición de la superficie o el voltaje de ruptura en el aire es menor que el voltaje de ruptura de los aisladores, entonces la fuerza dieléctrica real de tales estructuras estará determinada por la fuerza dieléctrica del aire.

En los casos anteriores, el aire es relevante como medio de gas natural en el que se ubican las estructuras aislantes. Además, el aire u otro gas se utiliza a menudo como uno de los principales materiales aislantes para aislar cables, condensadores, transformadores y otros dispositivos eléctricos.

Para garantizar un funcionamiento fiable y sin problemas de las estructuras aislantes, es necesario saber cómo afectan varios factores a la rigidez dieléctrica de un gas, como la forma y la duración del voltaje, la temperatura y la presión del gas, la naturaleza del campo eléctrico, etc

Ver sobre este tema: Tipos de descarga eléctrica en gases.