Condutividade do gás

Os gases são geralmente bons dielétricos (por exemplo, ar limpo e não ionizado). No entanto, se os gases contiverem umidade misturada com partículas orgânicas e inorgânicas e forem ionizados ao mesmo tempo, eles conduzem eletricidade.

Em todos os gases, mesmo antes de uma tensão elétrica ser aplicada a eles, há sempre uma certa quantidade de partículas eletricamente carregadas – elétrons e íons – que estão em movimento térmico aleatório. Podem ser partículas carregadas de gás, bem como partículas carregadas de sólidos e líquidos - impurezas encontradas, por exemplo, no ar.

A formação de partículas eletricamente carregadas em dielétricos gasosos é causada pela ionização de gases de fontes externas de energia (ionizadores externos): raios cósmicos e solares, radiação radioativa da Terra, etc.

A condutividade elétrica dos gases depende principalmente do grau de ionização, que pode ser realizado de diferentes maneiras. Em geral, a ionização de gases ocorre como resultado da liberação de elétrons de uma molécula neutra de gás.

Um elétron liberado de uma molécula de gás se mistura no espaço intermolecular do gás e aqui, dependendo do tipo de gás, pode manter uma "independência" relativamente longa de seu movimento (por exemplo, nesses gases, o choque de hidrogênio H2 , nitrogênio n2) ou , ao contrário, penetra rapidamente em uma molécula neutra, transformando-a em um íon negativo (por exemplo, oxigênio).

O maior efeito da ionização dos gases é alcançado irradiando-os com raios X, raios catódicos ou raios emitidos por substâncias radioativas.

O ar atmosférico no verão é intensamente ionizado sob a influência da luz solar. A umidade do ar condensa em seus íons, formando as menores gotas de água carregadas de eletricidade. Eventualmente, nuvens de tempestade acompanhadas de raios são formadas a partir de gotículas de água eletricamente carregadas, ou seja, descargas elétricas de eletricidade atmosférica.

O processo de ionização do gás por ionizadores externos é que eles transferem parte da energia para os átomos do gás. Nesse caso, os elétrons de valência ganham energia adicional e são separados de seus átomos, que se tornam partículas carregadas positivamente — íons positivos.

Os elétrons livres formados podem manter sua independência do movimento em um gás por muito tempo (por exemplo, em hidrogênio, nitrogênio) ou depois de algum tempo se ligar a átomos eletricamente neutros e moléculas de gás, transformando-os em íons negativos.

O aparecimento de partículas eletricamente carregadas em um gás também pode ser causado pela liberação de elétrons da superfície de eletrodos de metal quando eles são aquecidos ou expostos à energia radiante.Enquanto em movimento térmico perturbado, algumas das partículas de carga oposta (elétrons) e carregadas positivamente (íons) se unem umas às outras e formam átomos eletricamente neutros e moléculas de gás. Esse processo é chamado de reparo ou recombinação.

Se um volume de gás é colocado entre eletrodos de metal (discos, bolas), quando uma tensão elétrica é aplicada aos eletrodos, forças elétricas agem sobre as partículas carregadas no gás - a força do campo elétrico.

Sob a ação dessas forças, elétrons e íons se moverão de um eletrodo para outro, criando uma corrente elétrica em um gás.

A corrente no gás será maior, quanto mais partículas carregadas com dielétricos diferentes forem formadas nele por unidade de tempo e maior velocidade elas adquirem sob a ação das forças do campo elétrico.

É claro que, à medida que a voltagem aplicada a um determinado volume de gás aumenta, as forças elétricas que atuam nos elétrons e íons aumentam. Nesse caso, a velocidade das partículas carregadas e, portanto, a corrente no gás aumenta.

A mudança na magnitude da corrente em função da tensão aplicada ao volume de gás é expressa graficamente na forma de uma curva chamada característica volt-ampère.

Característica corrente-tensão para um dielétrico gasoso

A característica corrente-tensão mostra que na região de campos elétricos fracos, quando as forças elétricas que atuam sobre as partículas carregadas são relativamente pequenas (área I no gráfico), a corrente no gás aumenta proporcionalmente ao valor da tensão aplicada . Nesta área, a corrente muda de acordo com a lei de Ohm.

À medida que a tensão aumenta ainda mais (região II), a proporcionalidade entre corrente e tensão é quebrada. Nesta região, a corrente de condução não depende da tensão. Aqui, a energia é acumulada a partir de partículas de gás carregadas - elétrons e íons.

Com um aumento adicional na tensão (região III), a velocidade das partículas carregadas aumenta acentuadamente, como resultado, elas frequentemente colidem com partículas neutras de gás. Durante essas colisões elásticas, elétrons e íons transferem parte de sua energia acumulada para partículas neutras de gás. Como resultado, os elétrons são arrancados de seus átomos. Nesse caso, novas partículas eletricamente carregadas são formadas: elétrons e íons livres.

Devido ao fato de que as partículas carregadas voadoras colidem com muita frequência com os átomos e moléculas do gás, a formação de novas partículas carregadas eletricamente ocorre de forma muito intensa. Este processo é chamado de ionização de gás de choque.

Na região de ionização por impacto (região III na figura), a corrente no gás aumenta rapidamente com o menor aumento na voltagem. O processo de ionização por impacto em dielétricos gasosos é acompanhado por uma queda acentuada na resistência do volume do gás e um aumento na tangente de perda dielétrica.

Naturalmente, os dielétricos gasosos podem ser usados ​​em tensões inferiores aos valores em que ocorre o processo de ionização por impacto. Neste caso, os gases são dielétricos muito bons, onde a resistência específica do volume é muito alta (1020 ohms)x cm) e a tangente do ângulo de perda dielétrica é muito pequena (tgδ ≈ 10-6).Portanto, gases, particularmente ar, são usados ​​como dielétricos em condensadores de exemplo, cabos preenchidos com gás e disjuntores de alta tensão.

O papel do gás como dielétrico em estruturas isolantes elétricas

Em qualquer estrutura isolante, o ar ou outro gás está presente em certa medida como elemento de isolamento. Os condutores de linhas aéreas (VL), barramentos, terminais de transformadores e vários dispositivos de alta tensão são separados uns dos outros por lacunas, sendo o único meio isolante o ar.

A violação da rigidez dielétrica de tais estruturas pode ocorrer tanto pela destruição do dielétrico do qual os isoladores são feitos quanto pela descarga no ar ou na superfície do dielétrico.

Ao contrário da quebra do isolador, que leva à sua falha completa, a descarga superficial geralmente não é acompanhada de falha. Portanto, se a estrutura isolante for feita de tal forma que a tensão de sobreposição da superfície ou a tensão de ruptura no ar seja menor que a tensão de ruptura dos isoladores, a resistência dielétrica real de tais estruturas será determinada pela resistência dielétrica do ar.

Nos casos acima, o ar é relevante como meio de gás natural no qual as estruturas isolantes estão localizadas. Além disso, o ar ou outro gás é freqüentemente usado como um dos principais materiais isolantes para isolar cabos, capacitores, transformadores e outros dispositivos elétricos.

Para garantir uma operação confiável e sem problemas de estruturas isolantes, é necessário saber como vários fatores afetam a rigidez dielétrica de um gás, como a forma e a duração da tensão, a temperatura e a pressão do gás, a natureza do campo elétrico, etc

Veja neste tópico: Tipos de descarga elétrica em gases