TEMAT:	Wpływ związków elektroujemnych na napięcie przeskoku w gazach.
Zespół: 7		Mariusz Rudnicki Łukasz Piskorski Wojciech Drewniak
Wydział Elektryczny, Elektronika i Telekomunikacja, rok II, grupa 3		Ocena	Podpis

Wiadomości ogólne.

Elektroujemność to dążność atomu występującego w cząsteczce związku chemicznego do przyciągania elektronów. Gazy, których cząsteczki mają zwiększoną zdolność wychwytywania elektronów, a przez to znacznego zmniejszania ruchliwości ładunków powstałych wskutek jonizacji to tzw. gazy elektroujemne. Zawierają one w swych cząsteczkach atomy chlorowców (fluoru, chloru, itp.) lub innych pierwiastków o zewnętrznej powłoce elektronowej zawierającej siedem (jak chlorowce) lub sześć (jak np. tlen) elektronów. Gazy tej grupy to najczęściej związki węgla lub siarki z chlorowcami lub z chlorowcami i wodorem. Ich masa cząsteczkowa jest znacznie większa od większości składników powietrza.

Pierwsze jony ujemne zostały zauważone ok. roku 1919 i dzisiaj mają duże znaczenie w wielu dziedzinach. Ze względu na wytrzymałość elektryczną największe znaczenie ma tworzenie się jonów ujemnych z towarzyszącym zanikiem wolnych elektronów. W takich przypadkach tworzenie się jonów ujemnych jest czynnikiem dejonizującym, aczkolwiek ściśle biorąc nie następuje wtedy zanik nośników elektryczności, niemniej przewodność gazów ulega znacznemu zredukowaniu. Wiąże się to ze znacznym zwiększeniem masy ujemnych nośników elektryczności, co najmniej 2000 razy (jest to stosunek masy jonu do masy elektronu), i stąd zwiększeniem bezwładności oraz zmniejszeniem ruchliwości. Tworzenie się jonów ujemnych przy zaniku wolnych elektronów polega na przyłączeniu się wolnego elektronu do obojętnego atomu lub cząsteczki gazu w stanie podstawowym. Proces ten nazywa się również przechwytem lub wiązaniem elektronów. Zdolność do wiązania elektronów mają jednak atomy tylko niektórych pierwiastków, a mianowicie te, którym brakuje 1 lub 2 elektronów w zewnętrznej powłoce elektronowej. Są nimi pierwiastki z grupy VII A (wspomniane wcześniej chlorowce) i grupy VI A układu okresowego. Przy tworzeniu się jonów ujemnych nie spotyka się jednakże jonów podwójnie naładowanych, tzn. takich, które przechwyciłyby 2 elektrony. Powodem jest tu dość duża siła odpychająca, działająca między pojedynczo już naładowanym jonem ujemnym i zbliżającym się elektronem. Trzeba pamiętać, że w gazach nie będących elektroujemnymi, domieszki, a nawet ślady gazów elektroujemnych, mogą zasadniczo zmienić własności jonizacyjne gazu. Intensywność przechwytu elektronów zależy od rodzaju gazu i jego ciśnienia oraz temperatury, a ponadto od prędkości (energii) elektronów.

Do najczęściej stosowanych gazów elektroujemnych należą sześciofluorek siarki SF₆ (elegaz) oraz dwufluorodwuchlorometan CF₂Cl₂ (freon 12). Inne tego typu gazy (czterofluorometan CF₄, trójfluorochlorometan CF₃Cl, chlorek metylu CH₃Cl, sześciofluoroetan C₂F₆ i inne) wywiązują przy jonizacji i wyładowaniach tak dużo trudnych do zaabsorbowania gazów trujących lub korodujących, że nie mogą być bezpiecznie stosowane w praktyce. Duże perspektywy zastosowania ma jeszcze sześciofluorek selenu SeF₆.

Sześciofluorek siarki jest gazem niepalnym, nietoksycznym wytrzymałym termicznie do temperatury powyżej 500°C. Wartości napięć przeskoku w SF₆ są 1,8 do 3 razy większe niż w powietrzu. Ta duża, w porównaniu z powietrzem, wytrzymałość elektryczna tłumaczy się jego dużą zdolnością do przyłączania wolnych elektronów, wyrażającym się przez przekrój czynny na przyłączenie σ. Porównanie wartości σ_max=16 dla tlenu i σ_max=2440 dla SF₆ jest dość wymowne. Ponadto, ze względu na dużą średnicę cząsteczek gazu, droga swobodna elektronów jest mniejsza, co również może utrudniać jonizację i przeskok. Jest on jednak wrażliwy na stan powierzchni elektrod i obecność zanieczyszczeń w układzie izolacyjnym.

Freon 12 także jest nietoksyczny i sam nie powoduje korozji, jednak przy jonizacji i wyładowaniach wywiązuje związki mające takie działanie, ponadto ma duży wpływ na niszczenie warstwy ozonowej. Z tych powodów jest stopniowo i skutecznie wycofywany z użycia.

Powyższe gazy są stosowane przede wszystkim jako materiały izolacyjne wysokonapięciowe, pracujące pod ciśnieniem. Wykazują one wtedy lepszą wytrzymałość elektryczną niż olej, nie powodują niebezpieczeństwa wybuchu w przypadku wyładowania i są znacznie lżejsze. Znajdują zastosowanie w transformatorach wysokonapięciowych (głównie SF₆), w urządzeniach rentgenowskich (freon 12), generatorach Van de Graafa i innych.

Cel ćwiczenia oraz jego przebieg.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie odległości między elektrodami, przy której nastąpi przeskok iskrowy, w różnych gazach elektroujemnych i wyciągnięcie wniosków z uzyskanych wyników. Pomiary były przeprowadzone w układzie, w skład którego wchodziła cewka Ruhmkorffa zasilana napięciem 8V, której wyprowadzenia były połączone z płaskimi elektrodami umieszczonymi w szklanej rurce, w której znajdował się rozpatrywany gaz. Po każdym pomiarze wnętrze rurki było dokładnie wietrzone, aby uniknąć zafałszowania wyników.

W ćwiczeniu użyte zostały cztery gazy:

• powietrze (przy rurce otwartej i zamkniętej),

• pary czterochloroetanu (CHCl₂)₂,

• pary chloroformu CHCl₃,

• pary czterochlorku węgla CCl₄.

Po wykonaniu pomiarów wykonany został wykres zależności odległości, przy której następował przeskok w funkcji ilości atomów węgla na atom chloru.

Wyniki:

Rodzaj substancji	Odległość między elektrodami [mm]
		d1	d2	d3	dśr
Powietrze (rurka otwarta)	53	55	55	54,3
Powietrze (rurka zamknięta)	43	41	44	42,7
Czterochloroetan (CHCl2) 2	27	26	29	27,3
Chloroform CHCl3	18	20	19	19
Czterochlorek węgla CCl4	17	16		16,5

Wnioski:

Wykonane pomiary wykazały, że powietrze nie jest zbyt dobrym izolatorem, wiele lepszymi gazami izolacyjnymi są gazy elektroujemne. Okazuje się, że wytrzymałość gazu rośnie wraz ze wzrostem stosunku ilości atomów węgla na atom chloru w cząsteczce gazu (stosunek C/Cl). Zależność ta nie jest jednak liniowa i wytrzymałość zwiększa się tylko do pewnego stopnia, dalsze zwiększanie stosunku C/Cl nie przynosi wymiernych efektów. Widać to dokładnie na wcześniejszym wykresie. Ciekawą rzeczą zauważalną na tym wykresie jest charakterystyczny klin, powstały z pomiarów odległości elektrod dla powietrza jako gazu izolacyjnego przy zamkniętym i otwartym otworze w rurce. Widać wyraźnie, że lepsza wytrzymałość występuje, gdy otwór jest przysłonięty. Jest to spowodowane tym, że gdy zamkniemy otwór zwiększamy ciśnienie w rurce i ograniczamy ilość cząsteczek gazu, które mogą uczestniczyć w procesie jonizacji, gdyż nie dopuszczamy do ich przedostawania się z zewnątrz. Jeśli otwór pozostawiamy otwarty, mogą one swobodnie wydostawać się z rurki i być zastępowane przez nowe, jeszcze nie zjonizowane cząstki, gotowe do tego procesu i zmniejszające wytrzymałość gazu. Fakt ten pozwala wnioskować, że gazy elektroujemne powinno się stosować przy zwiększonym ciśnieniu, co z kolei pozwala na ograniczenie wielkości urządzeń, w których są one stosowane.

Literatura:

1. Lidmanowski Wacław: Zarys teorii wyładowań w dielektrykach, WNT, Warszawa 1988r.

2. Antoniewicz Jerzy: Własności dielektryków, WNT, Warszawa 1977r.

3. Rojek Zdzisław: Materiałoznawstwo elektryczne z elementami inżynierii materiałowej, Szczecin 1985r.

164

4

---