Электропроводность газов

Газы в нормальном состоянии являются хорошими диэлектриками (например чистый, неионизированный воздух). Однако, если газы содержат в себе влагу с примесью органических и неорганических частиц и при этом они ионизированы, то они проводят электричество.

Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами) : космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.

Электропроводимость газов зависит главным образом от степени их ионизации, которая может быть осуществлена различными способами. В основном ионизация газов осуществляется в результате отщепления электронов от нейтральной молекулы газа.

Выделившийся из молекулы газа электрон перемешается в междумолекулярном пространстве газа, и здесь в зависимости от рода газа он может сохранить относительно долго «самостоятельность» своего движения (например, в таких газах, кик водород H₂, азот N₂ ) или, наоборот, быстро проникнуть в нейтральную молекулу, превратив ее в отрицательный ион (например, в кислороде).

Наибольший эффект ионизации газов достигается путем облучения их рентгеновыми, катодными лучами или лучами, испускаемыми радиоактивными веществами.

Атмосферный воздух летом весьма интенсивно ионизируется под влиянием солнечных лучей. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на его ионах, образуя мельчайшие капельки воды, заряженные электричеством. В конечном итоге из отдельных электрически заряженных капелек воды образуются грозовые тучи, сопровождаемые молниями, т. с. электрическими разрядами атмосферного электричества.

Ток в газе будет тем больше, чем разного диэлектрика больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля.

Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.

Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика

Вольтамперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.

С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.

В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления газа и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь.

Роль газа ка диэлектрика в электроизоляционных конструкциях

В любой изоляционной конструкции в качестве элемента изоляции присутствует в той или иной мере воздух или какой-либо иной газ. Провода воздушных линий (ВЛ), шины распределительных устройств, выводы трансформаторов и различных аппаратов высокого напряжения отделены друг от друга промежутками, единственной изолирующей средой в которых является воздух.

Нарушение электрической прочности таких конструкций может произойти как путем пробоя диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы, так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика.

В отличие от пробоя изолятора, который приводит к полному выходу его из строя, разряд вдоль поверхности обычно повреждением не сопровождается. Следовательно, если изоляционную конструкцию выполнить таким образом, чтобы напряжение перекрытия по поверхности или разрядные напряжения в воздухе были меньше пробивных напряжений изоляторов, то фактическая электрическая прочность таких конструкций будет определяться электрической прочностью воздуха.

В указанных выше случаях воздух имеет значение как естественная газовая среда, в которой находятся изоляционные конструкции. Наряду с этим воздух или иной газ часто применяется в качестве одного из основных изоляционных материалов при выполнении изоляции кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, как влияют на электрическую прочность газа различные факторы, такие, как форма и длительность действия напряжения, температура и давление газа, характер электрического поля и т. п.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электропроводность газов

Газы при небольших напряженностях электрического поля

обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов, которые могут появиться только в результате ионизации молекул. Ионизация молекул газа возникает по двум причинам: либо вследствие влияния каких-либо внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц (свободных электронов) газа с нейтральными молекулами. Ионизация нейтральных молекул газа при малых напряженностях электрического поля может возникнуть только под действием внешних факторов. Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются: рентгеновские или ультрафиолетовые лучи; радиоактивное излучение, а также термическое воздействие – сильный нагрев газа и др. Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной.

Одновременно с процессом ионизации происходит и про-цесс рекомбинации, когда часть положительных ионов вновь соединяется с электронами и образует нейтральные молекулы. Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе, и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора. Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Под действием напряжения часть ионов будет перемещаться, и нейтрализоваться на электродах, т. е. в цепи возникнет электрический ток. Другая часть ионов исчезнет за счет рекомбинации. Из сказанного следует, что электропроводность газов имеет смешанный характер – ионный и электронный.

Наиболее распространенным газообразным диэлектриком

является воздух. В качестве примера на рис. 21 показана зависимость тока в воздухе от напряжения. В начале кривой до напряжения U_H (напряжение насыщения) ток возрастает пропорционально напряжению, т.к. за счет несамостоятельной ионизации увеличивается концентрация зарядов (выполняется закона Ома).

Рис. 21. Зависимость тока в газе от напряжения (вольт-амперная характеристика)

Ударная ионизация возникает в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, движущихся под действием сильного электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной. При возникновении самостоятельной проводимости ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения вплоть до пробоя газового промежутка.

Источник

Какие газы обладают хорошей проводимостью

4.2.3 Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. Эти частицы образуются под действием различных внешних факторов: радиоактивного излучения Земли, радиации, проникающей из космического пространства, солнечного излучения, сильного теплового воздействия и т.п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион. Возникающая в результате этого электропроводность называется несамостоятельной и исчезает после прекращения внешнего воздействия. Кроме того, электропроводность может возникать в результате ударной ионизации, когда заряженные частицы самого газа сталкиваются с нейтральными молекулами и высвобождают носитель заряда. Такая проводимость называется самостоятельной.

В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может достигать очень больших значений, – например при воздействии ионизирующих излучений, таких как рентгеновское излучение и т.п. Заряженные ионы и окружающие их нейтральные молекулы газа совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация, поэтому между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие (рисунок 4.19).

Рисунок 4.19 – Заряженные частицы в газе в состоянии динамического равновесия

При наложении внешнего электрического поля (рисунок 4.20) положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами соответственно со скоростями:

(4.47)

Рисунок 4.20 – Поведение заряженных частиц в газе во внешнем электрическом поле

Связь между числом имеющихся в 1 м 3 газа положительных N₊ и отрицательных N_— ионов и числом N_p ионов, рекомбинирующих в 1 м 3 газа за 1 секунду, можно представить в виде

(4.48)

где α – коэффициент рекомбинации ионов газа.

В состоянии динамического равновесия N₊ = N_— = N, поэтому

(4.49)

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока:

(4.50)

Принимая во внимание, что J = γ · E, удельная проводимость газа определяется выражением:

(4.51)

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда N_p, α, μ₊ и μ_— можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т.е. в этих условиях соблюдается закон Ома (участок ОА на рисунке 4.21). Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома уже не выполняется и почти все ионы, образующиеся в газе, будут уходить на электроды, не рекомбинируя. Поскольку число ионов газа в слабых полях ограничено и не зависит от напряжения, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения плотности тока. Ее значение сохраняется постоянным и равным J_н – плотности тока насыщения (участок АВ).

Рисунок 4.21 – Зависимость плотности тока в газах от напряженности электрического поля

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Е_и, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации, т.е. происходит переход к самостоятельной электропроводности (т. В на рисунке 4.21). Плотность тока начинает резко возрастать (участок ВС). В предпробивных полях создаются условия для возникновения так называемых лавин (рисунок 4.22), и ток очень резко возрастает, пока при Е = Е_пр не наступит пробой газа (точка С). Значение Е_и составляет для газов примерно 10 5 –10 6 В/м (при расстоянии между электродами 1 см).

Рисунок 4.22 – Возникновение в газе лавины в сильном электрическом поле

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

Электропроводность веществ

В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.

Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.

Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.

Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.

Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.

Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.

Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.

Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.

Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.

Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.

Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.

Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.

Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.

Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.

Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.

Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.

Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.

При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.

Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.

Источник

Электропроводники: типы и основные характеристики

Содержание:

В электрические проводники или проводящие материалыЭто те, которые имеют небольшое сопротивление циркуляции электрического тока, учитывая их специфические свойства. Атомная структура электрических проводников облегчает движение электронов через них, что способствует передаче электричества в элементах этого типа.

Проводники могут быть представлены в различных формах, одна из которых представляет собой материал в определенных физических условиях, например металлические стержни (стержни), которые не предназначены для включения в электрические цепи. Несмотря на то, что эти материалы не являются частью электрического узла, они всегда сохраняют свои проводящие свойства.

Существуют также однополярные или многополюсные электрические проводники, которые формально используются в качестве соединительных элементов для электрических цепей в жилых и промышленных помещениях. Этот тип проводника может быть сформирован внутри из медных проводов или другого типа металлического материала, покрытого изолирующей поверхностью.

Кроме того, в зависимости от конфигурации схемы можно различать жилы для жилых помещений (тонкие) или кабели для подземных ответвлений в электрических распределительных системах (толстые).

В рамках данной статьи мы сосредоточимся на характеристиках проводящих материалов в чистом виде; Кроме того, мы узнаем, какие токопроводящие материалы сегодня используются наиболее часто и почему.

характеристики

Электрические проводники характеризуются отсутствием большого сопротивления прохождению через них электрического тока, что возможно только благодаря их электрическим и физическим свойствам, которые гарантируют, что циркуляция электричества через проводник не вызывает деформации или разрушения. рассматриваемого материала.

Электрические характеристики

Основные электрические характеристики электрических проводников следующие:

Хорошая проводимость

Электрические проводники должны иметь хорошую электропроводность, чтобы выполнять свою функцию по передаче электроэнергии.

Международная электротехническая комиссия в середине 1913 года определила, что электропроводность меди в чистом виде может служить эталоном для измерения и сравнения электропроводности других проводящих материалов.

Таким образом, Международный стандарт на отожженную медь (Международный стандарт отожженной меди, IACS для его аббревиатуры на английском языке).

Электропроводящий материал считается таковым, если он имеет более 40% IACS. Материалы с проводимостью более 100% IACS считаются материалами с высокой проводимостью.

Атомная структура позволяет току проходить

Атомная структура позволяет прохождение электрического тока, так как атомы имеют мало электронов в их валентной оболочке, и, в свою очередь, эти электроны отрываются от ядра атома.

Описанная конфигурация подразумевает, что для перемещения электронов от одного атома к другому не требуется большого количества энергии, что способствует перемещению электронов по проводнику.

Объединенные ядра

Молекулярная структура проводников состоит из плотно связанной сети ядер, которая остается практически неподвижной из-за сцепления.

Это делает движение электронов, которые находятся далеко внутри молекулы, благоприятным, поскольку они движутся свободно и реагируют на близость электрического поля.

Эта реакция вызывает движение электронов в определенном направлении, что вызывает циркуляцию электрического тока, проходящего через проводящий материал.

Электростатический баланс

Под воздействием определенного заряда проводящие материалы в конечном итоге достигают состояния электростатического равновесия, при котором движение зарядов внутри материала не происходит.

Физические характеристики

Податливый

Электрические проводники должны быть гибкими; то есть они должны быть способны деформироваться, не ломаясь.

Стойкий

Эти материалы должны быть устойчивыми к износу, чтобы выдерживать условия механических нагрузок, которым они обычно подвергаются, в сочетании с высокими температурами из-за циркуляции тока.

Изоляционный слой

При использовании в жилых или промышленных помещениях или в составе взаимосвязанной системы электроснабжения проводники всегда должны быть покрыты подходящим изоляционным слоем.

Этот внешний слой, также известный как изолирующая оболочка, необходим для предотвращения контакта электрического тока, протекающего через проводник, с людьми или объектами вокруг него.

Типы электрических проводников

Существуют разные категории электрических проводников, и, в свою очередь, в каждую категорию входят материалы или среды с наивысшей электропроводностью.

Однако есть другие типы материалов или растворов, которые обладают хорошими свойствами электропроводности, например графит или солевые растворы.

В зависимости от способа проведения электропроводности можно выделить три типа материалов или проводящих сред, которые подробно описаны ниже:

Металлические проводники

Эта группа состоит из твердых металлов и их сплавов.

Металлические проводники обязаны своей высокой проводимостью облакам свободных электронов, которые способствуют циркуляции электрического тока через них. Металлы отдают электроны, находящиеся на последней орбите своих атомов, не вкладывая больших количеств энергии, что делает переход электронов от одного атома к другому благоприятным.

С другой стороны, сплавы характеризуются высоким удельным сопротивлением; то есть они имеют сопротивление, пропорциональное длине и диаметру проводника.

Электролитические проводники

Это растворы, состоящие из свободных ионов, которые способствуют электропроводности ионного класса.

По большей части, эти типы проводников присутствуют в ионных растворах, поскольку электролитические вещества должны подвергаться частичной (или полной) диссоциации с образованием ионов, которые будут носителями заряда.

Электролитические проводники основывают свою работу на химических реакциях и перемещении вещества, что облегчает движение электронов по пути циркуляции, обеспечиваемому свободными ионами.

Газовые проводники

К этой категории относятся газы, которые ранее были подвергнуты процессу ионизации, что позволяет проводить через них электричество.

Сам воздух действует как проводник электричества, когда при пробое диэлектрика он служит электропроводящей средой для образования молний и электрических разрядов.

Примеры проводников

Алюминий

Он широко используется в воздушных системах электропередачи, поскольку, несмотря на то, что проводимость на 35% ниже по сравнению с отожженной медью, ее вес в три раза легче, чем у последней.

Розетки высокого напряжения обычно покрываются внешней поверхностью из поливинилхлорида (ПВХ), что предотвращает перегрев проводника и изолирует прохождение электрического тока снаружи.

Медь

Это металл, который чаще всего используется в качестве электрического проводника в промышленных и жилых помещениях, учитывая баланс между его проводимостью и ценой.

Медь может использоваться в проводниках малого и среднего калибра, с одним или несколькими проводами, в зависимости от амперометрической емкости проводника.

Золото

Это материал, используемый в электронных сборках микропроцессоров и интегральных схем. Помимо прочего, он также используется для изготовления клемм аккумуляторных батарей для транспортных средств.

Электропроводность золота примерно на 20% меньше, чем проводимость отожженного золота. Однако это очень прочный и устойчивый к коррозии материал.

Серебряный

Это очень ковкий и пластичный материал, сравнимый по твердости с золотом или медью. Однако его стоимость чрезвычайно высока, поэтому его использование в промышленности не так распространено.

Источник