ガス伝導率

ガスは通常、良好な誘電体です (清浄な非イオン化空気など)。ただし、ガス中に有機粒子や無機粒子が混合された水分が含まれており、同時にイオン化している場合は、電気を通します。

すべての気体には、電圧が印加される前であっても、ランダムな熱運動をしている一定量の荷電粒子 (電子とイオン) が常に存在します。これらは、ガスの荷電粒子だけでなく、固体や液体の荷電粒子、たとえば空気中に見られる不純物である可能性があります。

気体誘電体内での帯電粒子の形成は、宇宙線、太陽光線、地球の放射線などの外部エネルギー源 (外部イオナイザー) からのガスのイオン化によって引き起こされます。

ガスの電気伝導率は主にガスのイオン化の程度に依存し、イオン化はさまざまな方法で実行されます。一般に、ガスのイオン化は、中性ガス分子からの電子の放出の結果として発生します。

気体分子から放出された電子は、気体の分子間空間で混合します。ここで、気体の種類に応じて、その動きの比較的長い「独立性」を維持できます（たとえば、そのような気体では、水素ショック H2 、窒素 n2)、または逆に、中性分子を急速に貫通し、それをマイナスイオン (酸素など) に変えます。

気体のイオン化の最大の効果は、X線、陰極線、または放射性物質から放出される光線を気体に照射することによって達成されます。

夏の大気は太陽光の影響で非常に集中的にイオン化されます。空気中の水分はそのイオンで凝縮し、電気を帯びた最小の水滴を形成します。最終的に、稲妻を伴う雷雲は、帯電した個々の水滴から形成されます。大気中の電気の放電。

外部イオナイザーによるガスのイオン化プロセスでは、エネルギーの一部がガス原子に伝達されます。この場合、価電子は追加のエネルギーを獲得し、原子から分離され、正に帯電した粒子、つまり正イオンになります。

形成された自由電子は、気体中 (たとえば、水素、窒素中) で長時間運動から独立した状態を維持したり、しばらくすると電気的に中性の原子や気体分子に付着して、それらをマイナスイオンに変えたりすることができます。

ガス中の帯電粒子の出現は、金属電極が加熱または放射エネルギーにさらされたときに、金属電極の表面から電子が放出されることによっても引き起こされる可能性があります。熱運動が乱れている間、逆に帯電した (電子) 粒子と正に帯電した (イオン) 粒子の一部が互いに結合し、電気的に中性の原子やガス分子を形成します。このプロセスは修復または再結合と呼ばれます。

ある量のガスが金属電極 (ディスク、ボール) の間に封入されている場合、電極に電圧が印加されると、ガス内の荷電粒子に電気的な力、つまり電場の強さが作用します。

これらの力の作用により、電子とイオンが一方の電極からもう一方の電極に移動し、ガス中に電流が発生します。

ガス中の電流は大きくなり、異なる誘電体を有する荷電粒子が単位時間当たりより多く形成され、電界の力の作用下での速度が速くなります。

所定の体積のガスに印加される電圧が増加すると、電子とイオンに作用する電気力が増加することは明らかです。この場合、荷電粒子の速度が増加し、ガス中の電流も増加します。

ガス体積に印加される電圧の関数としての電流の大きさの変化は、ボルトアンペア特性と呼ばれる曲線の形でグラフで表されます。

気体誘電体の電流-電圧特性

電流電圧特性は、荷電粒子に働く電気力が比較的小さい弱電界領域（グラフのI領域）では、印加電圧の値に比例してガス中の電流が増加することを示しています。 。この領域ではオームの法則に従って電流が変化します。

電圧がさらに増加すると (領域 II)、電流と電圧の比例関係が崩れます。この領域では、伝導電流は電圧に依存しません。ここでは、荷電ガス粒子、つまり電子とイオンからエネルギーが蓄積されます。

電圧がさらに増加すると（領域III）、荷電粒子の速度が急激に増加し、その結果、荷電粒子は中性ガス粒子と衝突することが多くなります。これらの弾性衝突中に、電子とイオンは蓄積されたエネルギーの一部を中性ガス粒子に伝達します。その結果、原子から電子が剥ぎ取られます。この場合、新しい荷電粒子、つまり自由電子とイオンが形成されます。

飛行する荷電粒子はガスの原子や分子と頻繁に衝突するため、新しい荷電粒子の形成が非常に集中的に発生します。このプロセスはショックガスイオン化と呼ばれます。

インパクトイオン化領域（図の領域III）では、ガス中の電流は電圧の増加が最小限で急速に増加します。ガス状誘電体におけるインパクトイオン化プロセスには、ガスの体積抵抗の急激な減少と体積抵抗の増加が伴います。 誘電正接.

当然のことながら、ガス状誘電体は、インパクトイオン化プロセスが発生する電圧よりも低い電圧で使用できます。この場合、ガスは非常に優れた誘電体であり、体積固有抵抗は非常に高く (1020 オーム x cm)、誘電損失角の正接は非常に小さくなります (tgδ ≈ 10-6)。したがって、ガス、特に空気は、コンデンサ、ガス充填ケーブルなどの誘電体として使用されます。 高圧サーキットブレーカー.

電気絶縁構造における誘電体としてのガスの役割

いかなる断熱構造においても、断熱要素として空気またはその他の気体がある程度存在します。架空線 (VL)、バスバー、変圧器の端子、およびさまざまな高電圧機器の導体はギャップによって互いに分離されており、その中に存在する唯一の絶縁媒体は空気です。

このような構造の絶縁耐力の違反は、絶縁体を構成する誘電体の破壊と、空気中または誘電体の表面での放電の結果として発生する可能性があります。

完全な故障につながる絶縁体の破壊とは異なり、沿面放電は通常、故障を伴いません。したがって、表面オーバーラップ電圧または空気中での絶縁破壊電圧が絶縁体の絶縁破壊電圧よりも低くなるように絶縁構造が作られている場合、そのような構造の実際の絶縁耐力は空気の絶縁耐力によって決まります。

上記の場合、空気は、断熱構造が配置される天然ガス媒体として適切である。さらに、空気やその他のガスは、ケーブル、コンデンサ、変圧器、その他の電気機器を絶縁するための主要な絶縁材料の 1 つとしてよく使用されます。

絶縁構造の信頼性とトラブルのない動作を保証するには、電圧の形状と持続時間、ガスの温度と圧力、ガスの性質など、さまざまな要因がガスの絶縁耐力にどのような影響を与えるかを知る必要があります。電場など。

このトピックについては、次を参照してください。 気体中の放電の種類