Conductivité du gaz

Les gaz sont généralement de bons diélectriques (par exemple, de l'air propre et non ionisé). Cependant, si les gaz contiennent de l'humidité mélangée à des particules organiques et inorganiques et sont ionisés en même temps, ils conduisent l'électricité.

Dans tous les gaz, avant même qu'une tension électrique ne leur soit appliquée, il y a toujours une certaine quantité de particules chargées électriquement - des électrons et des ions - qui sont en mouvement thermique aléatoire. Ceux-ci peuvent être des particules chargées de gaz, ainsi que des particules chargées de solides et de liquides - des impuretés trouvées, par exemple, dans l'air.

La formation de particules chargées électriquement dans les diélectriques gazeux est causée par l'ionisation des gaz provenant de sources d'énergie externes (ioniseurs externes) : rayons cosmiques et solaires, rayonnement radioactif de la Terre, etc.

La conductivité électrique des gaz dépend principalement du degré de leur ionisation, qui peut être réalisée de différentes manières. En général, l'ionisation des gaz se produit à la suite de la libération d'électrons à partir d'une molécule de gaz neutre.

Un électron libéré d'une molécule de gaz se mélange dans l'espace intermoléculaire du gaz, et ici, selon le type de gaz, il peut maintenir une "indépendance" relativement longue de son mouvement (par exemple, dans de tels gaz, le choc hydrogène H2 , azote n2) ou , au contraire, pénètrent rapidement dans une molécule neutre, la transformant en ion négatif (par exemple, l'oxygène).

Le plus grand effet de l'ionisation des gaz est obtenu en les irradiant avec des rayons X, des rayons cathodiques ou des rayons émis par des substances radioactives.

L'air atmosphérique en été est très intensément ionisé sous l'influence de la lumière du soleil. L'humidité de l'air se condense sur ses ions, formant les plus petites gouttelettes d'eau chargées d'électricité. Finalement, des nuages ​​orageux accompagnés d'éclairs se forment à partir de gouttelettes d'eau individuelles chargées électriquement, c'est-à-dire décharges électriques de l'électricité atmosphérique.

Le processus d'ionisation des gaz par les ioniseurs externes consiste en ce qu'ils transfèrent une partie de l'énergie aux atomes de gaz. Dans ce cas, les électrons de valence gagnent de l'énergie supplémentaire et sont séparés de leurs atomes, qui deviennent des particules chargées positivement - des ions positifs.

Les électrons libres formés peuvent conserver longtemps leur indépendance vis-à-vis du mouvement dans un gaz (par exemple, dans l'hydrogène, l'azote) ou, après un certain temps, se fixer à des atomes et des molécules de gaz électriquement neutres, les transformant en ions négatifs.

L'apparition de particules chargées électriquement dans un gaz peut également être causée par la libération d'électrons de la surface d'électrodes métalliques lorsqu'elles sont chauffées ou exposées à une énergie rayonnante.Lorsqu'elles sont en mouvement thermique perturbé, certaines des particules chargées de manière opposée (électrons) et chargées positivement (ions) s'unissent les unes aux autres et forment des atomes et des molécules de gaz électriquement neutres. Ce processus est appelé réparation ou recombinaison.

Si un volume de gaz est enfermé entre des électrodes métalliques (disques, billes), alors lorsqu'une tension électrique est appliquée aux électrodes, des forces électriques agiront sur les particules chargées dans le gaz - l'intensité du champ électrique.

Sous l'action de ces forces, les électrons et les ions vont se déplacer d'une électrode à l'autre, créant un courant électrique dans un gaz.

Le courant dans le gaz sera plus grand, plus il se forme de particules chargées avec un diélectrique différent par unité de temps et plus elles acquièrent de vitesse sous l'action des forces du champ électrique.

Il est clair que lorsque la tension appliquée à un volume de gaz donné augmente, les forces électriques agissant sur les électrons et les ions augmentent. Dans ce cas, la vitesse des particules chargées et donc le courant dans le gaz augmente.

L'évolution de l'intensité du courant en fonction de la tension appliquée au volume de gaz est exprimée graphiquement sous la forme d'une courbe appelée caractéristique volt-ampère.

Caractéristique courant-tension pour un diélectrique gazeux

La caractéristique courant-tension montre que dans la région des champs électriques faibles, lorsque les forces électriques agissant sur les particules chargées sont relativement faibles (zone I du graphique), le courant dans le gaz augmente proportionnellement à la valeur de la tension appliquée . Dans cette zone, le courant change selon la loi d'Ohm.

Au fur et à mesure que la tension augmente (région II), la proportionnalité entre le courant et la tension est rompue. Dans cette région, le courant de conduction ne dépend pas de la tension. Ici, l'énergie est accumulée à partir de particules de gaz chargées - électrons et ions.

Avec une nouvelle augmentation de la tension (région III), la vitesse des particules chargées augmente fortement, à la suite de quoi elles entrent souvent en collision avec des particules de gaz neutre. Au cours de ces collisions élastiques, les électrons et les ions transfèrent une partie de leur énergie accumulée aux particules de gaz neutre. En conséquence, les électrons sont dépouillés de leurs atomes. Dans ce cas, de nouvelles particules chargées électriquement se forment : électrons et ions libres.

Du fait que les particules chargées volantes entrent très souvent en collision avec les atomes et les molécules du gaz, la formation de nouvelles particules chargées électriquement se produit de manière très intensive. Ce processus est appelé ionisation de gaz de choc.

Dans la région d'ionisation par impact (région III sur la figure), le courant dans le gaz augmente rapidement avec la plus petite augmentation de tension. Le processus d'ionisation par impact dans les diélectriques gazeux s'accompagne d'une forte diminution de la résistance volumique du gaz et d'une augmentation de tangente de perte diélectrique.

Naturellement, les diélectriques gazeux peuvent être utilisés à des tensions inférieures aux valeurs auxquelles se produit le processus d'ionisation par impact. Dans ce cas, les gaz sont de très bons diélectriques, où la résistance volumique est très élevée (1020 ohms)x cm) et la tangente de l'angle de perte diélectrique est très faible (tgδ ≈ 10-6).Par conséquent, les gaz, en particulier l'air, sont utilisés comme diélectriques dans les condensateurs par exemple, les câbles remplis de gaz et disjoncteurs haute tension.

Le rôle du gaz comme diélectrique dans les structures isolantes électriques

Dans toute structure isolante, l'air ou un autre gaz est présent dans une certaine mesure en tant qu'élément d'isolation. Les conducteurs des lignes aériennes (VL), des jeux de barres, des bornes des transformateurs et des divers appareils à haute tension sont séparés les uns des autres par des interstices, le seul milieu isolant dans lequel se trouve l'air.

La violation de la rigidité diélectrique de telles structures peut se produire à la fois par la destruction du diélectrique à partir duquel les isolants sont constitués et par une décharge dans l'air ou à la surface du diélectrique.

Contrairement à la rupture de l'isolant, qui entraîne sa défaillance complète, la décharge de surface ne s'accompagne généralement pas d'une défaillance. Par conséquent, si la structure isolante est réalisée de telle sorte que la tension de chevauchement de surface ou la tension de claquage dans l'air soit inférieure à la tension de claquage des isolateurs, la rigidité diélectrique réelle de ces structures sera alors déterminée par la rigidité diélectrique de l'air.

Dans les cas ci-dessus, l'air est pertinent en tant que milieu de gaz naturel dans lequel se trouvent les structures isolantes. De plus, l'air ou un autre gaz est souvent utilisé comme l'un des principaux matériaux isolants pour isoler les câbles, les condensateurs, les transformateurs et autres appareils électriques.

Pour assurer un fonctionnement fiable et sans problème des structures isolantes, il est nécessaire de savoir comment différents facteurs affectent la rigidité diélectrique d'un gaz, tels que la forme et la durée de la tension, la température et la pression du gaz, la nature de la champ électrique, etc...

Voir sur ce sujet : Types de décharge électrique dans les gaz