Do trị số điện trường không đổi và khi áp suất khí cố định thì hệ số ion hoá va chạm α là hằng số trong toàn bộ khoảng không gian giữa hai điện cực.
Điện trường đồng nhất bao giò cũng có dạng đối xứng nên quá trình hình thành và phát triển của phóng điện không phụ thuộc vào cực tính của điện áp
Điện trường đồng nhất là điện trường mà cường độ điện trường tại mọi điểm dều bằng nhau.
11/08/15 Page 36
a) Điều kiện phóng điện tự duy trì - Tiêu chuẩn phóng điện Townsend
để có thể duy trì phóng điện thì cần thiết phải có một số điện tử thứ cấp xuất hiện
Việc sản sinh các điện tử thứ cấp có thể dựa vào 2 khả năng la
sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực do sự bắn phá của các ion dương hoặc các photon vào bề mặt âm cực
quá trình ion hoá quang trong nội bộ chất khí ở gần khu vực đầu thác điện tử thứ sơ cấp
Khả năng thứ nhất có thể xảy ra trong chất khí áp suất thấp, mật độ phân tử bé không ngăn cản sự bắn phá bề mặt âm cực
Còn theo khả năng thứ hai, các điện tử thứ cấp hình thành trong các khí ở áp suất cao
11/08/15 Page 37
Giả thiết sự xuất hiện của các điện tử thứ cấp chỉ do nguyên nhân thứ nhất, nghĩa là chúng chỉ xuất hiện do sự bắn phá của các ion dương và các photon vào bề mặt âm cực
Như vậy số điện tử mới phát sinh do ion hoá bề mặt sẽ la γ(eαd-1), trong đó γ biểu thị số điện tử được giải thoát từ bề mặt âm cực do sự bắn phá của một ion dương và được gọi là hệ số ion hoá bề mặt
Trước hết xem xét khả năng biên : điện tử thứ cấp chỉ xuất hiện khi thác điện tử thứ nhất phát triển hết toàn bộ khoảng khe hở giữa hai điện cực.
Khi đó số điện tử trong thác điện tử sơ cấp là eαd và số các ion dương được sản sinh sẽ ít hơn số ion dương 1 có nghĩa là eαd-1
11/08/15 Page 38
γ(eαd-1)≥1
Nếu xét thêm các khả năng giải thoát điện tử do bức xạ ta có
( )
γ eαd − + 1 f e η αd ≥ 1
trong đó f là hệ số chỉ số photon do một điện tử phát ra và η là số điện tử được giải thoát do sự bức xạ của một photon
Công thức trên được viết đơn giản hơn
( )
eαd γ + f η ≥ 1 hay eαdγ dt ≥ 1
được gọi là điều kiện phóng điện tự duy trì hay tiêu chuẩn phóng điện Townsend
Để có thể duy trì phóng điện, như ta đã biết, phải có ít nhất một điện tử thứ cấp xuất hiện trư
ớc khi thác điện tử thứ nhất bị triệt tiêu, có nghĩa là
11/08/15 Page 39
Nếu điện áp tác dụng lớn hơn Uc thì các điện tử thứ cấp có thể xuất hiện trước khi thác thứ nhất
đạt tới điện cực dương.
ở áp suất cao
điều kiện phóng điện tự duy trì hoàn toàn có thể viết tương tự
Tuy nhiên trong các công thức này, hệ số γđt có ý nghĩa vật lý khác nhau. ở áp suất thấp nó biểu thị hệ số ion hoá bề mặt còn ở áp suất cao do sự ion hoá quang trong nội bé chÊt khÝ
Nếu điện áp tác dụng chỉ bằng trị số điện áp phóng điện bé nhất Uc thì các điện tử thứ cấp chỉ xuất hiện khi thác điện tử thứ nhất phát triển tới cực đối diện
Đồng thời có nhiều thác điện tử thứ cấp cùng xuất hiện cả ở khu vực đầu thác cả ở phía sau đầu thác thứ nhât
11/08/15 Page 40
b) Phóng điện trong khí âm điện
Trong các chất khí âm điện như SF6, cần phải xét đến yếu tố sau : các phân tử khí có thể hoặc mất
điện tử để trở thành ion dương hoặc nhận thêm điện tử để trở thành ion âm và sau đó là phân ly theo sơ đồ sau
SF e SF
SF e SF F
6 6
6 5
+ →
+ → +
− −
− −
Do ion hoá va chạm trên đoạn đường dx, số điện tử sản sinh là dni = nαdx
và số điện tử bị chiếm đoạt
dna = nηdx trong đó η là hệ số chiếm đoạt.
Nếu tạm thời bỏ qua hệ số γ, số điện tử tự do có thể viết như sau
( ) ( )
dNx = dNi − dNa = n α η − dx ⇒ = n n eo α η− x
Tương tự như trường hợp trên ta có thể xác định điều kiện phóng điện tự duy trì và nếu ta tính thêm hệ số γ thì điều kiện này được viết như sau
( )
[ − 1 ] = 1
−
−η d
e α
γ α
αγ
11/08/15 Page 41
c) Định luật Pashen
Từ điều kiện phóng điện tự duy trì α
d = λ ln 1
thay các trị số
α = Ape−
Bp E
điện áp phóng điện bé nhất
d E Uo = o
ta rút ra được trị số điện áp phóng điện Uo
=
γ ln 1 ln Apd Uo Bpd
Đây là biểu thức của định luật Pashen được thiết lập năm 1899.
Trong trường hợp khí điện âm cần thay thế hệ số α'=α-η.
11/08/15 Page 42
11/08/15 Page 43
Công thức Pashen ít được dùng trong tính toán nhưng nó đề xuất một số vấn đề rất quan trọng về nguyên tắc.
Vì tỷ số p/T tỷ lệ với mật độ khí nên có thể biểu thị điện áp phóng điện theo mật độ khí. Nếu ở điều kiện tiêu chuẩn áp suất po=1 at, nhiệt độ to = 20 oC mật độ khí lấy bằng một đơn vị thì ở điều kiện bất kỳ, mật độ tương đối khí sẽ là
Đường cong Pashen có một điểm cực tiểu rất rõ ràng : đối với hầu hết các chất khí sạch, điện áp phóng điện bé nhất nằm trong khoảng từ 100 đến 500 V
ở áp suất thấp (chân không), đoạn đường tự do trung bình λ có cùng độ lớn của khoảng cách giữa hai điện cực do vậy trạng thái bề mặt âm cực (cathode) càng có vai trò quyết định khi áp suất giảm như ta thấy trong phần trình bày trên chứ không phải là quá trình ion hoá va chạm Trong thực tế, cách điện khí cần làm việc ở xa điểm cực tiểu của đường cong Pashen hoặc là ở
áp suất thấp (chân không) hoặc là ở áp suất cao (không khí hoặc SF6 làm việc ở áp suất cao).
Điều này được áp dụng trong thực tế trong một số thiết bị điện cao áp chân không hoặc các thiết bị cách điện khí làm việc ở áp suất cao như tụ điện, cáp điện lực.. Ví dụ nếu áp suất của không khí tăng đến 10-15 at mức cách điện có thể đạt xấp xỉ với dầu biến áp.
11/08/15 Page 44
δ = T = p
p T
p T
o o
0 386 ,
công thức của định luật Pashen sẽ được biểu thị dưới dạng
( ) d
f Uo = δ
Do trị số điện áp phóng điện của chất khí phụ thuộc vào điều kiện khí hậu nên khi tiến hành thực nghiệm ở các điều kiện khí hậu khác nhau phải hiệu chỉnh về điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn
11/08/15 Page 45
d) Streamer
Dưới tác dụng của điện áp có đầu sóng rất dốc, người ta thấy rằng phóng điện chọc thủng xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với tính toán theo lý thuyết của Townsend
Quá trình ion hoá quang đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành các điện tích không gian sản sinh trong quá trình phát triển của thác điện tử thứ nhất gần cathode
diễn biến của quá trình hình thành và phát triển của streamer trong khoảng khe hở giữa hai điện cực phẳng. .
- -
-
+ +
-
+ +
- +
hình thành thác
điện tử đầu tiên
hình thành điện tích không gian
hình thành thác
điện tử thứ cấp
Phát triển streamer từ anode
streamer nèi liÒn hai
điện cực
11/08/15 Page 46
Các photon làm xuất hiện các thác điện tử thứ cấp gần anode và hình thành các điện tích không gian dương phát triển nhanh về phía cathode. .
Hiện tượng streamer này đặc trưng bởi thời gian chậm trễ vào khoảng 10-8 s, trong khi phóng
điện theo Towsend cần thời gian khoảng 10-5 s để có thể gây phóng điện chọc thủng
Vào thời điểm này, một thác điện tử sẽ trung hoà các điện tích dương và kéo theo là làm xuất hiện một tia lửa
Một số tiêu chuẩn được đưa ra để đánh giá cường độ điện trường cho phép một thác điện tử phát triển thành streamer.
∫c =
x
Nc
dx
0
α ln
Nc là trị số tới hạn của số điện tử trong thác (Nc ∼108) và xc là khoảng cách tới hạn của thác Một trong những điều kiện để streamer có thể phát triển được là thác điện tử phải đạt một kích thước tới hạn có thể viết đơn giản như sau
11/08/15 Page 47