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)


HIGH VOLTAGE
ENGINEERING
REFERENCES
*HIGH VOLTAGE ENGINEERING
*ISOLATION ENGINEERING.
*ELECTRONIC AND ELECTRICAL
MATERIALS
AND SO ON.


CHƯƠNG 01
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN
TƯNG PHÓNG ĐIỆN TRONG
CHẤT KHÍ
I.

KHÁI NIỆM VỀ CÁCH ĐIỆN

a)

CÁCH ĐIỆN TRONG

b)

CÁCH ĐIỆN NGOÀI

II. VAI TRÒ
CỦA
CÁCH
ĐIỆN KHÍ
TRONG
CÁC
THIẾT BỊ
ĐIỆN CAO
ÁP

1. ĐỘ BỀN ĐIỆN CAO
2. TRƠ VỀ MẶT HOÁ HỌC
3.

NHIỆT ĐỘ HOÁ LỎNG
THẤP

4. DẪN NHIỆT TỐT
5. KHÔNG ĐƯC GÂY CHÁY
NỔ
6. DỄ TÌM THẤY VÀ RẺ TIEÀN.


III. CƠ SỞ VẬT LÝ
CỦA HIỆN TƯNG 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 q 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
tích : Z.q
q : là điện tích của
điện tử (q = 1,6.10-9
C).
Z : số điện tử của
nguyên tử


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

W ≥ Wi


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
1
năng :
2
W = mv
2


 

Nếu động năng của điện tử này vượt
quá năng lượng ion hóa của chất khí
1 2
thì sẽ xẩy ra hiện tượng ion hoá.

W = mv ≥ Wi
2
Hiện tượng này được gọi là ion hóa va
chạm.
Đoạn đường mà điện tử đi được để
có ion hóa va chạm có thể tính theo:

Wi
x ≥ xi =
qE


2. ION HOÁ QUANG
Năng lượng cung cấp cho dạng ion
hóa này nhận được từ bức xạ quang học.
Nếu gọi ν và λ 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:

C×h
W = h ×ν =
λ
h = 6,5 × 10−27 erg.sec


Như vậy, để có ion hóa thì điều kiện
xẩy ra:
C×h
W = h ×ν =

≥ Wi
λ

Hay

C×h
λ≤
Wi


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:

3
W =
× kT
2

T - là nhiệt độ ;
k - là hằng số Boltzman;
−16

k = 1,37 × 10 erg / K
0

Như vậy, để có ion hóa nhiệt thì điều kiện
xẩy ra:

3
W = × kT ≥ Wi
2


B. Ion hoá trên bề mặt điện cực
1. Ion hoá trên bề mặt
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.


Nếu gọi :
We là công thoát của vật liệu làm âm
cực,
W là năng lượng mà ion dương

tích lủy được khi đến âm cực

thì hiện tượng ion hóa bề mặt sẽ
xảy ra:
W ≥ We

B. Ion hoá trên bề mặt điện cực
2. Hiệu ứng quang:
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.

W ≥ We


C. Quá trình kìm hảm sự phóng điện
1. Quá trình khuếch tán
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.


Độ chuyển địch của các hạt mang
điện:
v=kE
k+=1,6 (cm/s)/(V/cm)
k-=2,2 (cm/s)/(V/cm)

ke=5000 (cm/s)/(V/cm)


Độ khuếch tán của các hạt mang
điện:
1
D = λ ×v
3

λ

: Quảng đường tự do trung bình

Di=0,028 cm2/s
De=12,7cm2/s


C. Quá trình kìm hảm sự phóng điện
2. Quá trình kết hợp.
* 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


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.


A. ĐẶC TÍNH VÔN-AMPE

*CDE: Tại C đạt giá trị Điện áp phóng điện
Tại D đạt giá trị điện áp duy trì.
Ở đoạn nầy xuất hiện phóng điện toả sáng và
vầng quang.
*EF: Xuất hiện phóng điện hồ quang và tia
lửa.


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 nghóa
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 nghóa là, trước khi bị ion hóa các
phân tử khí đều ở trạng thái trung tính.