Dielektrische Gase

Dielektrische Materialien sind im Grunde genommen einfache und reine elektrische Isolatoren. Durch Anwenden eines sinnvollen elektrischen Feldes können die dielektrischen Gase polarisiert werden. Vakuum, Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase können als dielektrisches Material dienen. Ein dielektrisches Gas wird auch als isolierendes Gas bezeichnet. Es ist ein dielektrisches Material im gasförmigen Zustand, das elektrische Entladungen verhindern kann. Trockene Luft, Schwefelhexafluorid (SF6) usw. sind Beispiele für gasförmige dielektrische Materialien.
Gase, die als dielektrische Materialien dienen, sind in der Praxis nicht frei von elektrisch geladenen Teilchen. Wenn ein äußeres elektrisches Feld auf ein Gas angewendet wird, entstehen freie Elektronen. Diese freien Elektronen werden durch den elektrischen Druck, der eine Kraft auf sie ausübt, von der Kathode zur Anode beschleunigt.

Wenn diese Elektronen genug Energie erreichen, um die Elektronen der Gasatome oder Moleküle abzustoßen, und danach die Elektronen nicht mehr von den Molekülen gebunden sind, beginnt sich die Elektronenkonzentration exponentiell zu erhöhen. Als Ergebnis tritt ein Durchschlag auf. Einige Gase wie SF6 sind stark gebunden (die Elektronen sind stark an das Molekül gebunden), einige sind schwach gebunden, z.B. Sauerstoff, und einige sind überhaupt nicht gebunden, z.B. N2. Beispiele für dielektrische Gase sind Ammoniak, Luft, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid (SF6), Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff usw. Der Feuchtigkeitsgehalt in dielektrischen Gasen kann die Eigenschaften als guter Dielektrikum beeinflussen.

Durchschlag in Gasen

Es handelt sich tatsächlich um einen Widerstandsabfall der isolierenden Gase. Dies tritt auf, wenn die angelegte Spannung höher ist als die Durchbruchsspannung (dielektrische Festigkeit). Als Folge davon beginnt das Gas zu leiten. Es gibt also eine starke Spannungssteigerung in einem kleinen Bereich im Gas. Dieser Bereich der starken Spannungssteigerung ist der Grund für die partielle Ionisierung des benachbarten Gases und den Beginn der Leitung. Dies wird absichtlich bei Niederdruckentladungen (in einem elektrostatischen Filter oder in Leuchtstoffröhren) herbeigeführt.

Das Paschensche Gesetz schätzt die Spannung, die zu einem elektrischen Durchschlag führt (V = f(pd)). Es ist eigentlich eine Gleichung, die die Durchbruchsspannung als Funktion des Produkts aus Druck und Lücke erklärt. Dabei ergibt sich eine Kurve, die als Paschensche Kurve bezeichnet wird. Die Paschensche Kurve für Luft und Argon ist in Abbildung 1 dargestellt.
Hier nimmt die Durchbruchsspannung mit sinkendem Druck ab und steigt dann wieder an, bis sie den ursprünglichen Wert überschreitet. Bei Normaldruck verringert sich die Durchbruchsspannung mit der Länge der Lücke bis zu einem Punkt.

Wenn die Lückenlänge jenseits dieses Punktes reduziert wird, beginnt die Durchbruchsspannung zu steigen und übersteigt ihren ursprünglichen Wert. Bei hohem Druck und vermehrter Lückenlänge ist die Durchbruchsspannung mehr oder weniger proportional zum Produkt der beiden. Dies ist grob proportional, da Mikroirregularitäten der Elektroden zu Durchschlägen führen können. Die Durchbruchsspannung von dielektrischen Gasen ist ebenfalls grob proportional zur Dichte.

Durchschlagsmechanismus

Der Mechanismus des Durchschlags hängt direkt von der Natur der dielektrischen Gase und der Elektrodenpolarität ab, an der der Durchschlag beginnt. Wenn der Durchschlag an der Kathode beginnt, stammen die initiierten Elektronen vom Elektrodenmaterial selbst. Dann werden die Elektronen beschleunigt, es kommt zur Bildung zahlreicher Elektronen und es resultiert ein Durchschlag. Wenn der Durchschlag an der Anode beginnt, stammen die initiierten Elektronen vom Gas selbst. Zum Beispiel Luft und SF6-Gas. Ein kleiner spitzer Punkt in einem Gas kann auch der Grund für den Durchschlag in einer Gaslücke sein. Dies geschieht als Ergebnis schrittweiser Durchschlagsprozesse. Koronabildung (d.h. Koronaentladung) kann damit in Verbindung gebracht werden. Es handelt sich dabei tatsächlich um eine kurze Energielibération (Entladung), die in schwach ionisierten Gasgängen resultiert. Wenn das Feld zu hoch ist, wird einer dieser Kanäle leitfähig.

Eigenschaften von dielektrischen Gasen

Die bevorzugten Eigenschaften eines ausgezeichneten gasförmigen dielektrischen Materials sind wie folgt:

• Höchste dielektrische Festigkeit.

• Gute Wärmeübertragung.

• Unbrennbar.

• Chemische Beständigkeit gegen das verwendete Bauwerkstoff.

• Inert.

• Umweltverträglich.

• Niedriger Verdampfungspunkt.

• Hohe thermische Stabilität.

• Zu geringen Kosten verfügbar.

Anwendung von dielektrischen Gasen

Sie werden in Transformatorn, Radarwellenleitern, Schaltgeräten, Schaltanlagen, Hochspannungsschaltungen, Kühlmitteln eingesetzt. Sie werden normalerweise in Hochspannungsanwendungen verwendet.

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