Bài giảng HIGH VOLTAGE - Chương 1 Cơ sở vật lý của hiện tượng phóng điện trong chất khí - Kỹ thuật điện cao áp

Bài giảng HIGH VOLTAGE - Chương 1 Cơ sở vật lý của hiện tượng phóng điện trong chất khí - Kỹ thuật điện cao áp

BÀI GIẢNG HIGH VOLTAGE

ENGINEERING (0I)

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN

TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

I KHÁI NIỆM VỀ CÁCH ĐIỆN

a) CÁCH ĐIỆN TRONG

b) CÁCH ĐIỆN NGOÀI

CHƯƠNG 01

II VAI TRÒ

1 ĐỘ BỀN ĐIỆN CAO

2 TRƠ VỀ MẶT HOÁ HỌC

3 NHIỆT ĐỘ HOÁ LỎNG

THẤP

4 DẪN NHIỆT TỐT

5 KHÔNG ĐƯỢC GÂY CHÁY

NỔ

6 DỄ TÌM THẤY VÀ RẺ TIỀN.

III CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN

TRONG CHẤT KHÍ

1) KHÁI NIỆM VỀ NGUYÊN TỬ.

A CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất Theo mô hình của Bohr (1913) thì nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm chuyển động trên các quĩ đạo bao quanh hạt nhân.

Hạt nhân của nguyên tử gồm các hạt proton và nơtron Nơtron là các hạt không mang điện tích còn proton thì mang điện dương với số lượng điện

2 QUÁ TRÌNH ION HOÁ TRONG CHẤT KHÍ

Hiện tượng ion hoá xẫy ra khi điện tử của một nguyên tử trung hòa nhận thêm một năng lượng vượt quá năng lượng ion hóa

của nguyên tử

i

W

W 

thì điện tử sẽ được tách khỏi nguyên tử biến nguyên tử

trung hòa thành ion dương và

điện tử tự do.

Hiện tượng này được gọi là hiện

tượng ion hóa hay là hiện tượng phân

ly nguyên tử.

A ION HOÁ TRONG THỂ TÍCH

KHÍ

1) Ion hóa va chạm:

Khi điện tử có điện tích q, khối lượng

m được đặt dưới một điện trường E thì nó sẽ chịu một lực tác động F=qE và di chuyển với tốc độ v

Sau một đoạn đường dịch chuyễn,

điện tử sẽ tích lũy được một động

Nếu động năng của điện tử này vượt quá năng lượng ion hóa của chất khí thì sẽ xẩy ra hiện tượng ion hoá.

2 1

qE

W x

i 



2 ION HOÁ QUANG

Năng lượng cung cấp cho dạng ion hóa này nhận được từ bức xạ quang học Nếu gọi và là tần số và bước sóng của bức xạ quang học, thì năng lượng điện tử nhận được từ hiện tượng bức xạ quang này là:

10 5

Như vậy, để có ion hóa thì điều kiện

3 Ion hoá nhiệt:

Năng lượng cung cấp cho dạng ion hóa này nhận được từ chuyển động do nhiệt Nếu là nhiệt độ của môi trường, thì năng lượng điện tử nhận được từ hiện tượng chuyển động nhiệt nầy sẽ là:

T - là nhiệt độ ;

k - là hằng số Boltzman;

kT

2 3

K erg

k 1 , 37 10 16 /0





Như vậy, để có ion hóa nhiệt thì điều kiện

xẩy ra:

i

W kT

W   

2 3

B Ion hoá trên bề mặt điện cực

Quá trình ion hóa sản sinh điện

tử tự do đồng thời với việc xuất

hiện ion dương

Các ion dương nầy dưới điện trường cũng được gia tốc di chuyễn ngược chiều với điện tử tự do đi về điện cực âm

1 Ion hoá trên bề mặt

B Ion hoá trên bề mặt điện cực

Hiệu ứng quang cũng là một dạng

ion hóa bề mặt nhưng việc giải thoát

điện tử từ bề mặt âm cực là do

photon

Các photon nầy dưới điện trường cũng được gia tốc di chuyễn ngược chiều với điện tử tự do đi về điện cực âm

2 Hiệu ứng quang:

e

W

W 

C Quá trình kìm hảm sự phóng điện

Các phần tử mang điện tạo bởi các quá trình ion hoá, chuyển động dưới điện trường sẽ khuếch tán ra không gian xung quanh.

Sự chuyển dịch nầy dẩn đến sự phân bố lại điện tích không gian và điện trường trong khoảng cách giữa hai điện cực.

1 Quá trình khuếch tán

Độ chuyển địch của các hạt mang

Độ khuếch tán của các hạt mang



C Quá trình kìm hảm sự phóng điện

* Ion dương kết hợp với điện tử tạo thành nguyên tử trung hoà.

* Ion dương kết hợp với ion âm tạo thành phân tử trung hoà

2 Quá trình kết hợp.

IV CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN

KHÁC NHAU TRONG CHẤT KHÍ

A ĐẶC TÍNH VÔN-AMPE

*OA: Tăng theo định luật Ohm.

*AB: Dòng điện bảo hoà

*BC: Tại B bắt đầu quá trình ion hoá

Tại B bắt đầu quá trình phóng điện.

V LÝ THUYẾT

ION HOÁ VA CHẠM

1 QUÁ TRÌNH ION HOÁ CHỦ YẾU TRONG CHẤT KHÍ.

Hiện tượng ion hóa va chạm là nhân tố chủ yếu của quá trình phóng điện trong chất khí

Để đơn giản trong tính toán, chấp nhận một số giả thiết sau đây:

a Điện tử sau mỗi lần va chạm với phân

tử khí dù có hay không gây nên ion hóa

đều mất đi toàn bộ năng lượng, có nghĩa

là, năng lượng của điện tử trong mỗi lần

va chạm chỉ tích lũy được trong lúc di

chuyển ở đoạn đường tự do trước đó

b Bỏ qua hiện tượng ion hóa từng cấp, có nghĩa là, trước khi bị ion hóa các

phân tử khí đều ở trạng thái trung tính.

c Quỷ đạo của điện tử là đường thẳng và cùng phương với phương

của điện trường.

do ion dương.

Đó chính là số lần gây ion hóa va chạm

2 Hệ số ion hóa

va chạm điện tử

của điện tử khi nó di chuyển qua một đơn vị chiều dài dưới tác dụng của điện trường E.



trong môi trường khí có mật độ phân tử N

a) Số lần va chạm S

Điều kiện va chạm:

 Trên đường thẳng OO’

 Trên mặt phẳng khảo sát:

2

0 ) ( r r

 Trong không gian:

0

N r

r N

r r

S   ( 0  )2  1    ( 0  )2 

N - mật độ phân tử r

L=1cm chiều dài của hình trụ.

S – Số lần va chạm

b) Quảng đường tự do trung bình.

Quảng đường tự do trung bình giữa hai lần va chạm của phần tử ro sẽ

* Với điện tử:

Lúc đó ro=re thì:

N r

r

4

1 )

2 (

Xét quan hệ giữa mật độ phân tử theo áp suất của chất khí được xác

N r

2





Tóm lại:

với

kT

r A

2





Số lần va cham của điện tử đối với các

phân tử r sẽ là:

p A

S  

NHẬN XÉT:

2 Khi áp suất tăng thì số lần va

chạm tăng lên.

tự do trung bình ngắn lại.

c) Phân bố quảng đường tự do

trung bình

Trong khoảng vi sai dx, số điện tử

chưa bị va chạm là dn :

Hay có thể viết lại:

Và kết quả là: 

ndx



xe

n

Với: x=x, khi n=n

x   

0

) (

] [

tử đi được để tích lũy một năng lượng đủ để gây nên ion hóa

Như vậy, xác suất ion hóa va chạm là xác suất để đoạn đường tự do của điện tử có độ dài lớn hơn hoặc bằng xi:

W x

i e e e x

i i

p 



điện tử theo áp suất.

điện tử theo điện trường



0

d) Thác điện tử

Như đã biết, cứ mỗi lần xuất hiện ion hóa thì một điện tử sản sinh đồng thời

với một ion dương.

Số lượng ion dương và điện tử trong

khoảng cách cực càng ngày càng tăng và cuối cùng hình thành thác điện tử.

Hình ảnh của quá trình hình thành các phần tử mang điện trong thác như sau:

Hình ảnh của một thác điện tử như

sau:

Để xác định số lượng điện tử sinh ra trong

thác , chúng ta khảo sát ví dụ sau đây

Viết lại:

Sau khi lấy tích phân

dx n

Khảo sát sự phân bố điện trường

dọc theo thác điện tử:

Nhận xét:

*Trường cục bộ (riêng) của các điện

tích dương và âm làm biến dạng

trường ngoài.

*Trước đầu thác điện tử trường

tăng cao, nhưng ngay sau đầu thác

trường giảm đột ngột.

*Sự thay đổi đột ngột trường tại đầu và ngay sau đầu thác là nguồn để bức xạ

photon.

KEÁT THUÙC

CHÚ CÁC BẠN THÀNH CÔNG