2. Диэлектрическая проницаемость газов
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице.
Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы.
Диэлектрическая проницаемость газов возрастает с увеличением давления. Для воздуха диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях равна 1,00058. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 1,0218. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. В таблице 2 приведены показатели преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов.
Таблица 2 - Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов
Газ |
Радиус молекулы, н м |
Показатель преломления n |
n2 |
Диэлектрическая проницаемость εr |
Гелий Водород Кислород Аргон Азот Углекислый газ Этилен |
0,112 0,135 0,182 0,183 0,191 0,230 0,278 |
1,000035 1,00014 1,00027 1,000275 1,00030 1,00050 1,00065 |
1,000070 1,00028 1,00054 1,00055 1,00060 1,00100 1,00130 |
1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 1,00138 |
Влияние влажности воздуха на его диэлектрическую проницаемость (при нормальных температуре и давлении) таково:
Относительная влажность воздуха, % 0 50 100
Диэлектрическая проницаемость 1,00058 1,00060 1,00064
Это влияние незначительно при нормальной температуре, но заметно усиливается при повышенной температуре.
3. Электропроводность газов
Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.
С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.
В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс, как известно, называется рекомбинацией.
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. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникнет ток. Часть ионов при этом нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.
На рисунке 1 показан характер зависимости тока от напряжения. Начальный участок кривой до напряжения Uн соответствует области выполнения закона Ома, когда запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой.
Рисунок 1 - Зависимость тока в газе от напряжения
Ток насыщения достигается для воздуха в нормальных условиях при расстоянии между электродами в 10 мм и напряженности поля около 0,6 В/м. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно 10-15 А/м2. Поэтому воздух можно рассматривать как весьма совершенный диэлектрик до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации.
При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность, и ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения.