khái niệm chung Sự phóng điện trong điện môi khí Khi nghiên cứu về điện dẫn của điện môi khí ta đr biết quan hệ giữa mật độ dòng điện khí với cường độ điện trường tác dụng.. Vậy sự phón
Trang 1Chương III: sự phóng điện trong
điện môi khí
I khái niệm chung
Sự phóng điện trong điện môi khí
Khi nghiên cứu về điện dẫn của điện môi khí ta đr biết quan hệ giữa mật
độ dòng điện khí với cường độ điện trường tác dụng
- Khi E < E2 thì dòng điện trong điện môi khí không tự duy trì
- Khi E > E2 trong điện môi khí bắt đầu
xảy ra hiện tượng io hoá va chạm, dòng điện
trong chất khí tự duy trì, dòng điện lúc này tăng
lên rất nhanh, do đó chất khí sẽ mất hết tính chất
cách điện (chất khí cách điẹn bị chọc thủng)
Điện áp ứng với trường hợp này gọi là điện áp
chọc thủng chất khí và cường độ điện trường
chọc thủng là:
d
U
CT = (KV/cm) Trong đó: ECT: Cường độ điện trường chọc thủng
UCT: Điện áp chọc thủng chất khí
d: Bề dày điện môi chỗ chọc thủng
- Khi chất khí bị chọc thủng thì nó trở thành chất dẫn điện, có dố điện tử
tự do và số ion lớn gọi là Plasma Plasma có điện dẫn lớn
Vậy sự phóng điện trong chât khí là sự hình thành Plasma của toàn bộ hay một phần chất khí trong không gian giữa các điện cực, sự phóng điện đó phụ thộc vào dạng của điện trường, công suất của nguồn và áp suất của chất khí môi trường xung quanh
II Các dạng phóng điện trong điện môi khí
ở đây ta nêu ra các dạng phóng điện sau:
1 Phóng điện toả sáng
Phóng điện toả sáng là dạng phóng điện trong khe hở không khí có áp suất
2 = ECT
E1 j
Trang 2Phóng điện tở sáng thường chiếm cả khoảng không gian giữa các điện cực, thí dụ như phóng điện trong đèn neon
2 Phóng điện tia lửa
Phóng điện tia lửa phát sinh trong khe hở không khí khi có áp suất cao, công suất của nguồn không lớn lắm hoặc lớn nhưng thời gian tác dụng của điện
áp nhỏ và chỉ phát sinh ra tia lửa hẹp giữa hai điện cực Do công suất nhỏ, thời gian tác dụng ngắn do đó tia lửa của nó bị gián đoạn, chập chờn gẫy khúc và có khi chia thành nhánh giữa hai điện cực
3 Phóng điện hồ quang
Phóng điện hồ quang là giai đoạn tiếp theo của phóng điện tia lửa khi công suất của nguồn lớn Trường hợp này có thể có dòng điện lớn chạy qua khe hở làm nóng chất khí giữa khe hở dẫn đến sự ion hoá nhiệt tăng, điện dẫn của khe
hở khí tăng và do đó lại làm cho dòng điện trong khe hở tăng tiếp đến khi đạt
đến trạng thái cân bằng (tức là khi tổn hao nhiệt của tia phóng điện là chấm dứt
sự tăng của nhiệt độ) Quá trình này cần có một thời gian, do đó phóng điện tia lửa sẽ không tr thành phóng điện hồ quang nếu điện áp tác dụng lên khe hở trong thời gian quá ngắn
Như vậy phóng điện hồ quang đặc trưng bởi nhiệt cao và độ ion hoá cao
4 Phóng điện vầng quang
Phóng điện vầng quan là một dạng phóng điện xảy ra trong điện trường không đồng nhất Trường hợp này sự phóng điện (sự ion hoá) chỉ phát sinh trong một khu vực bé xung quanh điện cực có cường độ điện trường lớn Khi có phóng
điện vầng quang khe hở khí không phải đr mất tính chất cách điện, tuy vậy trong các kết cấu cách điện không nên để xảy ra phóng điện vầng quang
II Hiện tượng ion hoá kích thích kết hợp khuếch tán
1 Hiện tượng ion hoá
Là hiện tượng nguyên tử khí hoặc phân tử hấp thụ thêm năng lượng ở bên ngoài (do va chạm hoặc do các tia lửa bức xạ) làm cho một điện tử của nguyên tử
Trang 3thành ion âm Do có điện tử tách ra nên nguyên tử, phân tử bị mất cân bằng về
điện và sẽ trở thành ion dương
Điều kiện để có hiện tượng ion hoá là: We ≥ Wi
Trong đó: We là năng lượng mà điện tử nhận được
We = E.q.λ E: Cường độ điện trường tác dụng
λ: Đoạn đường di chuyển tự do trung bình của
điện tử
Wi là năng lượng cần thiết để ion hoá chất
Wi = q.Ui Ui: Điện áp để ion hoá
2 Hiện tượng kích thích
Là hiện tượng nguyên tử khí hấp thụ một năng lượng bé hơn năng lượng ion hoá (We< Wi), lúc đó các điện tử chỉ có thể chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ
đạo khác có mức năng lượng cao hơn Nhưng trạng thái đó chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn 10-7 ữ 10-8 Sau thời gian này các điện tử trở về trạng thái ban
đầu có mức năng lượng thấp hơn
Năng lượng đr tiêu thụ cho quá trình kích thích, lúc này được thoát ra dưới dạng các tia sáng điện tử (quang tử)
3 Hiện tượng kết hợp
Là hiện tượng mà các ion dương va chạm với các điện tử tự do hoặc với các ion âm kết hợp với nhau để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hoà Hiện tượng này làm giảm điện tích trong không gian Quá trình kết hợp cũng phát ra một năng lượng dưới dạng bức xạ
4 Hiện tượng khuếch tán
Là hiện tượng các ion và điện tử di chuyển từ vùng có mật độ lớn sang vùng có mật độ bé
Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn chứ không phải do sự đẩy nhau của các ion cùng dấu, bởi vì dù cho mật độ các ion và
điện tử rất lớn nhưng về tương đối thì khoảng cách giữa chúng là rất lớn
Trang 4III các dạng ion hoá - các hệ số
1 Các dạng ion hoá
Người ta chia quá tình ion hoá chất khí ra làm hai loại: ion hoá bề mặt và ion hóa thể tích
1.1 Ion hoá bề mặt
Là hiện tượng điện tử tự do trong lớp kim loại làm điện cực âm vì một lý
do nào đó nhận thêm năng lượng để thoát ra khỏi bề mặt của các điện cực Muốn giải thoát một điện tử khỏi bề mặt điện cực thf phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn công thoát (We > Wi)
Dựa vào nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình ion hoá, người ta chia các dạng ion hoá bề mặt như sau:
a) Phát xạ nhiệt điện tử
Do cực âm bị đốt nóng, nhiệt độ cực âm tăng, tốc độ chuyển động của các
điện tử lớn cho động năng của điện tử lớn hơn công thoát thì điện tử sẽ chuyển vượt qua khỏi hàng rào thế năng và thoát ra khỏ bề mặt của điện cực âm
Phát xạ nhiệt điện tử được ding trong các dụng cụ điện tử, ở đó cực âm
được đốt nóng để phát xạ nhiều điện tử
b) Phát xạ nguội (tính điện)
Dưới tác dụng của điện trường mạnh (E = 1.000HV/cm), điện tử trong kim loại bị lực điện trường kéo ra ngoài
Dạng ion hoá này ít gặp trong các kế cấu cách điện công nghiệp Tuy nhiên dưới tác dụng của điện trường trung bình và yếu nó có tác dụng làm giảm công thoát của kim loại, tạo điều kiện thuận lợi để gây ra các dạng ion hoá bề mặt khác
c) Phát xạ quang điện tử
Trường hợp này ion hoá bề mặt xảy ra do có cá tia bức xạ sang ngắn tác dụng lên bề mặt kim loại sẽ cung cấp năng lượng cho điện tử để điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loịa đó
Dạng ion hoá bề mặt này thường gặp trong các khe hở của thiết bị cao áp 1.2 Ion hoá thể tích
Trang 5Khi điện tử được đặt trong điện trường lực tác dụng của E, F = E.q (q: điện tích điện tử) sẽ buộc điện tử di chuyển ngược với chiều của điện trường Khi di chuyển thì điện tử tích luỹ năng lượng dưới dạng động năng W = q.E.x (x là
đoạn đường di chuyển của điện tử) và khi va chạm với phân tử khí nếu thoả mrn
điều kiện We > Wi thì phân tử mày bị ion hoá
b) Ion quang hoá
Ion quang hoá là hiện tượng ion hoá năng lượng W nhân được tử bức xạ quang học
Nếu ν và λ là tần số và bước sang (độ dài) của bức xạ quang học thì năng lượng W nhân được xác định:
λ
c.h h.ν
W = = Trong đó: h là hằng số Plank
Điều kiện ion hoá được viết
i
W
c.h
λ ≤
Số điện tích được sản sinh do quá trình ion hoá quang tự nhiên sẽ cân bằng với số điện tích tham gia quá trình kết hợp (các ion dương và ion âm kết hợp lại
để trở thành các phân tử trung tính)
Trong phóng điện chất khí ion hoá quang học còn đựoc sản sinh bởi các nguyên nhân sau:
- Bức xạ quang học do quá trình kết hợp của các điện tích khác dấu
- Bức xạ quang học do quá trình hoàn nguyên của các phân tử khí bị kích thích
d) Ion hoá nhiệt
Bao gồm tất cả các quá trình ion hoá do nhiệt độ cao của chất khí gây nên Khi ở nhiệt dộ cao các phân tử khí chuyển động mạnh va chạm vào vách bình chứa hoặc vào các vật rắn khác thì phân tử khí sẽ mất hết động năng và sinh ra các tia bức xạ, khi nhiệt độ càng lớn thì năng lượng của các tia bức xạ càng lớn
do đó gây ra sự ion hoá
Muốn thực hiện ion hoá nhiệt cần phải có điều kiện: Động năng trong chuyển động nhiệt của cácphân tử khí phải lớn hơn năng lượng để ion hoá
W = q.E.x
2 Các hệ số ion hoá
Có 3 hệ số ion hoá:
Trang 62.1 Hệ số ion hoá do điện tử va chạm (hệ số Taoxen 1 – Ký hiệu ααα)
Là số lần ion hoá thực hiện bởi một điện tử khi chuyển động trên đoạn
đườn 1cm theo phương của điện trường
2.2 Hệ số ion hoá do ion dương va chạm (hệ số Taoxen 2 – Ký hiệu βββ)
Là số lần ion hoá thực hiện bởi một ion dương khi chuyển độngtrên đoạn
đường 1cm theo phương của điện trường
2.3 Hệ số ion hoá mật (hệ số Taoxen 3 – Ký hiệu δδδδ)
Là số điện tử trung bình được giải thoát từ bề mặt của cực âm khi một ion dương đập vào