Bài giảng Vật liệu điện: Phần 2 - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 bài giảng "Vật liệu điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội" tiếp tục cung cấp tới người học các nội dung chính sau: Môi điện khí; Điện môi lỏng; Cách điện rắn; Cách điện ngoài trời;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 bài giảng tại đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật liệu điện: Phần 2 - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội CHƯƠNG V- ĐIỆN MÔI KHÍV.1. PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ Các cơ chế vật lý liên quan đến phóng điện trong điện môi khí có ý nghĩa quantrọng đối với tất cả các loại phóng điện khác. Nắm bắt được bản chất của những cơ chếnày giúp chúng ta dễ dàng hiểu được các cơ chế phóng điện trong điện môi lỏng và rắn.Mặt khác điện môi khí còn có những ưu điểm hơn hai loại điện môi còn lại như đồngnhất hơn, dễ tiến hành thí nghiệm hơn. Các thí nghiệm đo đạc phóng điện trong điện môikhí có thể được lặp lại sau một thời gian ngắn với sự sai khác nhỏ, thông thường độ lệchcả điện áp phóng điện giữa các lần đo so với giá trị trung bình chỉ vào khoảng vài phầntrăm.V.1.1. CÁC QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆNMÔI KHÍ Khi đặt lên hai điện cực một tụ điện chứa một điện môi khí một điện trường E,dòng điện dẫn sẽ xuất hiện và chạy trong mạch nếu trong môi trường khí chứa các điệntích. Các điện tích này có thể bao gồm: các điện tử e (mang điện tích âm), các ion dươngdo nguyên tử trung hòa mất điện tử và các ion âm do các nguyên tử trung hòa nhận thêmđiện tử. Các điện tích này được sinh ra do các quá trình diễn ra trong điện môi khí hoặcdo các quá trình trên cathode (điện cực âm). Ta sẽ đề cập sơ qua đến các quá trình hìnhthành các điện tích này :1. Ion hóa do va chạm Khi có điện trường đặt lên các bản cực tụ điện và trong khoảng không gian điệnmôi giữa hai điện cực có điện tử tự do, các điện tự tự do sẽ nhận năng lượng của điệntrường và chuyển động về phía điện cực dương (anode). Trong quá trình chuyển động nósẽ va chạm với các nguyên tử (hay phân tử) trung tính điện môi khí, nếu năng lượng củađiện tử nhỏ hơn năng lượng ion hóa của của nguyên tử (hay phân tử) khí thì va chạm đó(có thể) gọi là va chạm đàn hồi. Trong va chạm đàn hồi sự trao đổi năng lượng giữa điệntử và nguyên tử khí rất bé, nó chỉ làm cho nguyên tử bị kích thích tức là chỉ có thể làmcho điện tử trong nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Đồng thời va chạm đànhồi này làm đổi hướng di chuyển ban đầu của điện tử. Trái lại khi năng lượng điện tử lớnhơn năng lượng ion hóa của nguyên tử khí, ta có va chạm không đàn hồi và nguyên tử bịion hóa. Khi đó nguyên tử khí trung tính ban đầu sẽ tạo thành một ion dương và một điện 114tử mới. Lúc đó ion dương này sẽ bị hút về phía điện cực âm (cathode) và hai điện tử sẽtiếp tục nhận năng lượng của điện trường ngoài và gây nên các ion hóa tiếp theo. Tùytheo điều kiện vật lý của điện môi đang xét mà quá trình này đạt đến một giá trị ổn địnhhoặc quá trình ion hóa sẽ trở thành hiện tượng thác điện tử và dẫn đến phóng điện. Quátrình ion hóa do va chạm có thể được biểu diễn dưới dạng các phương trình sau : A+e-ÆA++2e- 2A+2e-Æ2A++4e- 4A+4e-Æ4A++8e- v..v..2. Ion hóa quang (ion hóa do bức xạ) Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn tại khoảng 10-7 đến 10-9s. Khitrở về trạng thái bình thường nó bức xạ phần năng lượng kích thích dưới dạng mộtphoton. Tuy photon này có năng lượng yếu nhưng cũng có thể gây ion hóa một nguyên tửkhác có năng lượng ion hóa nhỏ hơn năng lượng của photon. Quá trình ion hóa quang cóthể được miêu tả bằng các phương trình : A*ÆA+hf B+hfÆ B++e- Với A* là ký hiệu của trạng thái kích thích của nguyên tử A và hf là photon đượcbức xạ (h là hằng số Plank còn f là tần số của photon). Ion hóa quang là một quá trìnhquan trọng trong phóng điện, đặc biệt là đối với các hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biếtrằng khí hiếm có thời gian tồn tại kích thích khá lâu.3. Ion hóa nhiệt Khi nhiệt độ khí tăng đến một giá trị đủ lớn, các nguyên tử khí sẽ chuyển độngnhanh hơn và do đó sẽ va chạm với nhau và gây nên ion hóa. Ở nhiệt độ cao, năng lượngnhiệt (Wn) cũng có thể gây nên ion hóa cho nguyên tử theo quá trình sau : A+ WnÆ A++e-4. Tách điện tử (Electron detachement) Quá trình này xảy ra khi một ion âm tách đi điện tử để trở thành nguyên tử trungtính : A-Æ A++e- Năng lượng cần thiết để tách điện tử ra khỏi ion âm trong quá trình này có thểđược cung cấp bởi sự va chạm của nguyên tử khác (tách do va chạm : collisionaldetachement) hoặc bởi photon ( photodetachement). Mặc dù số điện tích không tăng lêntrong quá trình này nhưng quá trình tách này có thể coi như quá trình ion hóa do một điệntích âm di chuyển chậm (ion âm) đã được chuyển thành một điện tích âm (điện tử) di 115chuyển nhanh hơn. Do động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng và bình phương vận tốc nênmặc dù nhẹ động năng của điện tử lớn hơn nhiều so với động năng của ion âm trước đódo điện tử có vận tốc lớn hơn. Vì vậy điện tử tự do tách ra từ quá trình này có thể tiếp tụcgây nên quá trình ion hóa do va chạm hiệu quả hơn so với ion âm.V.1.2. CÁC QUÁ TRÌNH TRÊN ĐIỆN CỰC ÂM (CATHODE) ...