Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами): космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.

Электропроводимость газов зависит главным образом от степени их ионизации, которая может быть осуществлена различными способами. В основном ионизация газов осуществляется в результате отщепления электронов от нейтральной молекулы газа.

Выделившийся из молекулы газа электрон перемешается в междумолекулярном пространстве газа, и здесь в зависимости от рода газа он может сохранить относительно долго "самостоятельность" своего движения (например, в таких газах, кик водород H₂, азот N₂) или, наоборот, быстро проникнуть в нейтральную молекулу, превратив ее в отрицательный ион (например, в кислороде).

Наибольший эффект ионизации газов достигается путем облучения их рентгеновыми, катодными лучами или лучами, испускаемыми радиоактивными веществами.

Атмосферный воздух летом весьма интенсивно ионизируется под влиянием солнечных лучей. Влага, находящаяся в воздухе, конденсируется на его ионах, образуя мельчайшие капельки воды, заряженные электричеством. В конечном итоге из отдельных электрически заряженных капелек воды образуются грозовые тучи, сопровождаемые молниями, т. с. электрическими разрядами атмосферного электричества.

Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы - положительные ионы.

Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или через некоторое время они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы.

Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии. Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных (электронов) и положительно заряженных (ионов) частиц воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией.

Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы - напряженности электрического поля.

Под действием этих сил электроны у и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе.

Ток в газе будет тем больше, чем разного диэлектрика больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля.

Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.

Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой.

Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика

Вольтамперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область I на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.

С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа - электронами и ионами.

С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа. В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.

Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и молекулами газа очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа.

В области ударной ионизации (область III на рисунке) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления газа и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь.

Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших тех значений, при которых возникает процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (1020 омх см), а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал (tgδ ≈ 10^-6). Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях и высоковольтных выключателях.

Роль газа ка диэлектрика в электроизоляционных конструкциях

В любой изоляционной конструкции в качестве элемента изоляции присутствует в той или иной мере воздух или какой-либо иной газ. Провода воздушных линий (ВЛ), шины распределительных устройств, выводы трансформаторов и различных аппаратов высокого напряжения отделены друг от друга промежутками, единственной изолирующей средой в которых является воздух.

Нарушение электрической прочности таких конструкций может произойти как путем пробоя диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы, так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика. 

В отличие от пробоя изолятора, который приводит к полному выходу его из строя, разряд вдоль поверхности обычно повреждением не сопровождается. Следовательно, если изоляционную конструкцию выполнить таким образом, чтобы напряжение перекрытия по поверхности или разрядные напряжения в воздухе были меньше пробивных напряжений изоляторов, то фактическая электрическая прочность таких конструкций будет определяться электрической прочностью воздуха.

В указанных выше случаях воздух имеет значение как естественная газовая среда, в которой находятся изоляционные конструкции. Наряду с этим воздух или иной газ часто применяется в качестве одного из основных изоляционных материалов при выполнении изоляции кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, как влияют на электрическую прочность газа различные факторы, такие, как форма и длительность действия напряжения, температура и давление газа, характер электрического поля и т. п.

Смотрите по этой теме: Виды электрического разряда в газах