1. CHƯƠNG IV: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1. Giới thiệu 2. Phóng điện trong điện trường đều 3. Quá trình ion hóa 4. Ion hóa quang 5. Ion hóa nhiệt 6. Ion hóa do va chạm 7. Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend) 8. Phóng điện trong khí điện âm 9. Định luật Paschen TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  2. 1. Giới thiệu  Không khí là chất khí cách điện phổ biến nhất (ví dụ: cách điện đường dây truyền tải và phân phối trên không)  Để sử dụng tốt không khí làm chất cách điện yêu cầu: o Hiểu biết về đặc tính điện o Các quá trình dẫn đến phóng điện vầng quang và đánh thủng o Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến các quá trình phóng điện  Trong các hệ thống kín, không khí và một số chất khí khác được sử dụng ở áp suất cao: SF6, H2, CO2, N2  Ưu: chất cách điện khí có khả năng tự phục hồi sau khi bị phóng điện  Nhược: độ bền điện thấp hơn chất lỏng và rắn. TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  3. 2. Phóng điện trong điện trường đều  Khi phóng điện xảy ra: chất khí chuyển từ chất cách điện sang chất dẫn điện trên kênh phóng điện  Thời gian phóng điện dao động trong khoảng ns  s  Dẫn điện trong chất khí là do sự chuyển động của các điện tích (điện tử và ion) dưới tác động của điện trường  Sự phóng điện phụ thuộc rất lớn vào loại chất khí, áp suất và nhiệt độ nhưng phụ thuộc rất ít vào vật liệu làm điện cực  điện tích chuyển động được tạo ra từ môi trường khí TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  4. 3. Quá trình ion hóa  Là quá trình biến phân tử hay nguyên tử khí trung tính thành ion  Các quá trình ion hóa: o Ion hóa do va chạm (quan trọng nhất đối với sự phóng điện của chất khí) o Ion hóa quang o Ion hóa nhiệt TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  5. 4. Ion hóa quang (photo-ionization)  Dưới tác động của bức xạ, nguyên tử hay phân tử khí trung tính sẽ hấp thu Photon của bức xạ  Năng lượng của Photon: Hằng số Planck Tần số của bức xạ W  hf h  6,626.10 34 ( J .s)  Phương trình kích thích Năng lượng ion hóa hf Vi * hf  A  A Nguyên tử ở trạng thái kích thích  Phương trình ion hóa hf Vi   hf  A  A  e TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  6. Với: c hc hc f   hf   Vi      Vi  Ví dụ: một chất khí có năng lượng ion hóa khoảng 10 eV, tính bước sóng của bức xạ có thể gây ra ion hóa chất khí 6,626.10 34 ( J .s )  3.108 (m / s )  19  1, 242. 10 7 m 10 1,6.10 ( J )  124,2 nm (UV  C ) TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  7. 5. Ion hóa nhiệt  Động năng trung bình của chuyển động nhiệt của phân tử/nguyên tử khí Hằng số Boltzmann (1,38.10-23 J/K = 8,617.10-5 eV.K-1 ) 3 Wk  kT 2  Khi Wk  Vi: gây ion hóa chất khí do va chạm giữa các phân tử/nguyên tử khí chuyển động nhiệt  Tại nhiệt độ phòng, Wk nhỏ  không gây ra ion hóa nhiệt  Ví dụ: tính Wk tại nhiệt độ phòng (300K) 3 3 Wk  kT   8,617.10 5 (eV .K 1 )  300( K ) 2 2  0,039eV  10eV TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  8. 6. Ion do va chạm  Định nghĩa: quá trình tách điện tử do va chạm giữa điện tử tự do và nguyên tử hay phân tử trung tính  Phương trình kích thích: Năng lượng ion hóa e   A  Vi   e   A*  Phương trình ion hóa:   Vi    e  A   e  A  e : năng lượng thu nhận của điện tử giữa hai lần va chạm TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  9. 6.1 Chuyển hóa năng lượng  Hệ thống 02 phần tử có khối lượng m1 và m2 +) trước khi va chạm m1 V1 m2, V2 V1 > 0; V2 = 0 +) sau khi va chạm m1 V’1 m2, V’2 V1 V’1; V2  V’2  Sự va chạm giữa 02 phần tử có thể là: - Va chạm đàn hồi: tổng động năng của các phần tử trước khi va chạm vẫn được duy trì dưới dạng động năng sau khi va chạm - Va chạm không đàn hồi: một phần của tổng động năng trước khi va chạm chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác (ví dụ: nhiệt năng) TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  10. a) Va chạm đàn hồi  Phương trình bảo toàn động lượng m1V1  m2V2  m1V1'  m2V2' 1  Phương trình bảo toàn năng lượng 1 1 1 1 m1V1  m2V 2  m1V1  m2V2'2 2 2 2 '2 2 2 2 2  Phần tử 1: m1  m2 ' V 1 V1 m1  m2 1 W  m1V1' 2 1 ' 2 TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  11.  Phần tử 2: '2m1 V 2 V1 m1  m2 1 W  m2V2'2 2 ' 2 * TH1: m1  m2 ' ' Va chạm giữa ion và V  0; W  0 1 1 phân tử/nguyên tử  chuyển toàn bộ động V2'  V1 ; W2'  W1 năng sau va chạm * TH2: m1
  12. b) Va chạm không đàn hồi  Phương trình bảo toàn động lượng m1V1  m2V2  m1V1'  m2V2' *  Phương trình bảo toàn năng lượng 1 1 1 1 m1V1  m2V 2  m1V1  m2V2' 2  Wi * * 2 2 '2 2 2 2 2 Wi: năng lượng chuyển đổi có thể ở dạng nhiệt hoặc năng lượng dùng để ion hóa 1  2 '2 m2 '2  Wi  m1 V1  V1  V2  2  m1  TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  13.  Từ (*) ' m V  m V V2'  1 1 1 1 V2  0 m2  Thế vào (**) 1  2 m1  '2 Wi  m1 V1  V1  2  m2 V1  V1'  2    Xác định (Wi)max =? dWi ' 0 dV1 m1  0  2V  m2 ' 0  2V1  2V1'  0 1   TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  14. m1  2V  m2 ' 2V1  2V1' 1   m1V1 ' ' m1V1 Sau khi va chạm, V  1 ; V2   V1' hai phần tử di m1  m2 m1  m2 chuyển cùng vận tốc max 1 2 m2  Wi  m1V1 2 m1  m2 * TH1: m1  m2 1 - Các ion chỉ có thể max Wi  m1V12 chuyển ½ động năng 4 thành W i - Các điện tử có thể * TH2: m1
  15.  Nhận xét: chuyển động trong điện trường, điện tử tích lũy động năng  khi va chạm không đàn hồi, điện tử chuyển toàn bộ động năng thành năng lượng để ion hóa các phần tử trung hòa  tăng xác suất gây ion hóa  tăng số lượng điện tử tự do TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  16. 7. Lý thuyết phóng điện thác điện tử a. Giới thiệu  E = 0: điện tử chuyển động nhiệt hỗn loạn  E > 0: điện tử chuyển động ngược chiều điện trường  Mỗi khi va chạm với các phần tử trung hòa, điện tử sẽ truyền 1 phần năng lượng (va chạm không đàn hồi)  Điện tử có năng lượng càng cao giữa 2 lần va chạm  xác suất va chạm không đàn hồi tăng  tăng va chạm gây ion hóa  tăng số lượng điện tử tự do  Năng lượng điện tử nhận được giữa 02 lần va chạm W  Fe  qEe Quãng đường tự do trung bình giữa 02 lần va chạm TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  17.  Đặc tính của e: 1 n: mật độ phân tử/nguyên tử e  p: áp suất chất khí n  Định luật khí lý tưởng 1 pV  nRT e  p 1 RT   n pV  Năng lượng mà điện tử nhận được giữa 2 lần va chạm tỉ lệ thuận với: o Cường độ điện trường E o e (e  1/p) TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  18.  Xác suất ion hóa va chạm (xác suất để 01 va chạm gây ion hóa) E Pr  f    p  Số lần va chạm trên 1 đơn vị độ dài theo hướng di chuyển của điện tử tỉ lệ thuận với áp suất Nc  p  Xác suất để 1 điện tử gây nên 1 lần ion hóa do va chạm trên 1 đơn vị độ dài theo hướng di chuyển của điện tử (hệ số ion hóa va chạm thứ nhất) E E   N c Pr  N c f    pf    p  p TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  19. b. Quá trình phóng điện thác điện tử (phóng điện Townsend)  Lượng tăng điện tử tự do trong khoảng dx Nec Ne(x)+dNe dN e  N e  x dx - + Ne(x) dN e dN e   dx     dx x dx N ex  N e x   ln N e  x  ln C  Tại x = 0  exp(0)=1  C=Nec  ln N e  ln C  x (tổng số điện tử sinh ra tại  Ne  cathode trong 1s)  ln   x C    Ne    Ne(x) = Nec exp(x)  exp ln    expx    C   N e  C expx  TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  20. - + TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.