Електропровідність газоподібних діелектриків

Електропровідність газоподібних діелектриків зумовлюється в основному процесами іонізації газу під дією зовнішніх іонізуючих факторів (рентгенівські, ультрафіолетові та космічні промені, радіоактивне випромінювання природного чи штучного походження), теплової дії (температури вище 4000...6000 К) чи дії електричного поля (область сильних полів). У повітрі при нормальних умовах утворюється в секунду 5-10 пар іонів/см³. Якщо врахувати, що поряд з іонізацією відбувається й зворотний процес – рекомбінація (процес нейтралізації іонів), то зростання кількості іонів обмежується і з часом установлюється деяка рівноважна концентрація носіїв. Для повітря при атмосферному тиску вона становить 10³ - 2·10³ пар іонів 1/см³. Саме ці носії заряду і приводять до дуже незначної електропровідності в газах. Така електропровідність асоціюється з несамостійним розрядом в газах.

В розряджених газах під дією сильного електричного поля електрони набувають на довжині вільного пробігу енергію достатню для іонізації нейтральних частинок (ударна іонізація), електропровідність значно зростає і при певних умовах розряд може стати самостійним, що супроводжується пробоєм газу, який розглядається нижче як самостійне явище.

Якщо між двома електродами, до яких прикладена напруга, знаходиться газоподібний діелектрик, то його вольт-амперна характеристика має в загальному випадку такий вигляд (рис. ) і може бути розбита на три ділянки:

Рис. Вольт-амперна характеристика газоподібного діелектрика.

І – на цій ділянці виконується закон Ома, струм пропорційний напрузі. Інтенсивність перенесення заряджених частинок на електроди дуже низька і не впливає на їхню концентрацію в проміжку.

ІІ – всі заряджені частинки, що утворюються внаслідок дії зовнішніх іонізуючих факторів, переносяться на електроди за час, менший інтервалу між актами іонізації, іонізація стає обмежуючим фактором, струм залежить тільки від інтенсивності іонізації, але не від напруги (явище насичення).

ІІІ – виникнення ударної іонізації, різке зростання струму (Е_іон = 10⁶ В/м)

Електропровідність газоподібних діелектриків слабко залежить від температури в робочому діапазоні температур. Залежність ступеня термоіонізації газу від температури визначається формулою Саха:

де n_n, n_e,n - концентрації позитивних іонів, електронів і нейтральних молекул відповідно;

т_е - маса електрона;

h - стала Планка;

W_u

і q₀ - статистичні ваги іонізованого й основного станів / - для найпоширеніших газів становить 0,5 - 2/. Якщо n_u=n_e=an , то

.

Розрахунки за формулою Саха у відповідності з експериментом показують, що навіть для газів з домішками елементів з найнижчою енергією іонізації (атоми лужних металів) термоіонізація проявляється тільки при температурах вищих за 2000 К.