ก๊าซฉนวน

ฟิลด์: ไฟฟ้าพื้นฐาน

China

What Are Dielectric Gases

วัสดุไดอิเล็กทริก เป็นพื้นฐานและบริสุทธิ์ เป็นฉนวนไฟฟ้า ด้วยการใช้สนามไฟฟ้าที่เหมาะสม แก๊สไดอิเล็กทริกสามารถถูกขั้วได้ ว่างเปล่า สิ่งของแข็ง ของเหลว และแก๊สสามารถเป็นวัสดุไดอิเล็กทริกได้ แก๊สไดอิเล็กทริกยังเรียกว่าแก๊สฉนวน ซึ่งเป็นวัสดุไดอิเล็กทริกในสถานะแก๊สที่สามารถป้องกันการปล่อยประจุไฟฟ้าได้ อากาศแห้ง ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6) เป็นต้นคือตัวอย่างของวัสดุไดอิเล็กทริกในรูปแบบแก๊ส
แก๊สไดอิเล็กทริกไม่ได้ปราศจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าโดยสมบูรณ์ เมื่อมีสนามไฟฟ้ารอบนอกถูกนำไปใช้กับแก๊ส อนุภาคอิเล็กตรอนฟรีจะเกิดขึ้น อนุภาคเหล่านี้จะถูกเร่งจากแคโทดไปยังแอนาดโดยแรงดันไฟฟ้าที่กระทำต่อพวกเขา

เมื่ออนุภาคเหล่านี้ได้รับพลังงานเพียงพอที่จะชนกับอิเล็กตรอนของอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สแล้ว อิเล็กตรอนเหล่านี้จะไม่ถูกจับโดยโมเลกุล และความเข้มข้นของอิเล็กตรอนจะเริ่มเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ผลที่ตามมาคือการแตกหัก เกิดขึ้น แก๊สบางชนิดเช่น SF6 มีการผูกมัดที่แข็งแกร่ง (อิเล็กตรอนถูกผูกมัดอย่างแข็งแกร่งกับโมเลกุล) บางชนิดผูกมัดอ่อนเช่นออกซิเจน และบางชนิดไม่ผูกมัดเลยเช่น N2 ตัวอย่างของแก๊สไดอิเล็กทริก ได้แก่ แอมโมเนีย อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6) คาร์บอนมอนอกไซด์ ไนโตรเจน ไฮโดรเจน เป็นต้น ปริมาณความชื้นในแก๊สไดอิเล็กทริกอาจเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติให้เป็นไดอิเล็กทริกที่ดี

การแตกหักในแก๊ส

จริงๆ แล้ว เป็นการลดลงของความต้านทานของแก๊สฉนวน ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันที่ใช้มากกว่าแรงดันแตกหัก (ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก) ผลที่ตามมาคือ แก๊สจะเริ่มนำไฟฟ้า นั่นคือ จะมีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอย่างมากในพื้นที่เล็กๆ ภายในแก๊ส พื้นที่ที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมากนี้เป็นสาเหตุของการไอออนไนซ์ส่วนหนึ่งของแก๊สใกล้เคียงและเริ่มการนำไฟฟ้า การนี้ทำโดยเจตนาในการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ความดันต่ำ (ในเครื่องแยกไฟฟ้าสถิตหรือในหลอดฟลูออเรสเซนต์)

กฎของปาแชนประมาณการแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกหักทางไฟฟ้า (V = f(pd)) ซึ่งเป็นสมการที่อธิบายแรงดันแตกหักเป็นฟังก์ชันของผลคูณระหว่างความดันและความยาวช่องว่าง ในนั้นได้เส้นโค้ง ซึ่งเรียกว่าเส้นโค้งปาแชน สำหรับอากาศและอาร์กอนแสดงในภาพที่ 1
ที่นี่ เมื่อความดันลดลง แรงดันแตกหักก็ลดลงด้วย จากนั้นค่อยๆ เพิ่มขึ้นจนเกินค่าเดิม ที่ความดันมาตรฐาน แรงดันแตกหักลดลงตามความยาวช่องว่างจนถึงจุดหนึ่ง

เมื่อความยาวช่องว่างลดลงเกินจุดนั้น แรงดันแตกหักจะเริ่มเพิ่มขึ้นและเกินค่าเดิม ที่ความดันสูงและความยาวช่องว่างเพิ่มขึ้น แรงดันแตกหักจะมากหรือน้อยตามผลคูณของสองค่านี้ โดยประมาณเพราะผลกระทบของอิเล็กโทรด (ความไม่สม่ำเสมอของอิเล็กโทรดอาจทำให้เกิดการแตกหัก) แรงดันแตกหักของแก๊สไดอิเล็กทริกยังคงเป็นค่าประมาณตามความหนาแน่น
dielectric gases

กลไกการแตกหัก

กลไกการแตกหักจะขึ้นอยู่กับธรรมชาติของแก๊สไดอิเล็กทริกและการขั้วของอิเล็กโทรดที่การแตกหักเริ่มต้น หากการแตกหักเริ่มต้นที่แคโทด แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนเริ่มต้นมาจากอิเล็กโทรดเอง จากนั้นอนุภาคเหล่านี้จะถูกเร่ง ทำให้เกิดการสร้างอิเล็กตรอนจำนวนมากและส่งผลให้เกิดการแตกหัก หากการแตกหักเริ่มต้นที่แอนาด แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนเริ่มต้นมาจากแก๊สเอง เช่น อากาศและแก๊ส SF6 จุดคมเล็กๆ ในแก๊สอาจเป็นสาเหตุของการแตกหักของช่องว่างแก๊ส ซึ่งเกิดจากการแตกหักแบบขั้นตอน การสร้างโคโรนา (คือ การปล่อยประจุโคโรนา) สามารถเกี่ยวข้องกับกรณีนี้ ซึ่งเป็นการปล่อยพลังงานสั้นๆ และทำให้เกิดช่องทางแก๊สที่มีการไอออนไนซ์อย่างอ่อน เมื่อสนามไฟฟ้าสูงเกินไป หนึ่งในช่องทางเหล่านี้จะนำไฟฟ้า