Chơng 14 : Cách điện bên trong v đặc tính chủ yếu
14.1. Các tính chất chủ yếu của cách điện bên trong 14.2. Phóng điện trong chân không
14.2.1 Giới thiệu
Thực ra, ý tởng sử dụng chân không làm cách điện không mới mẻ, từ quan sát trên thực nghiệm rằng một tụ điện
tích điện nếu để trong môi trờng sẽ tự phóng điện, sự phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá
trình ion hoá điện môi. Lúc đầu, ngời ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép có đợc một
cách điện lý tởng với điện trở suất vô cùng lón và vectơ phân cực zero. Do vậy có thể ngĩ rằng tụ điện sẽ tích điện mãi
mãi. Tuy nhiên sau đó ngời ta nhận ra quan niệm này là sai. Thực tế là cho dù áp suất của chất khí rất thấp, phóng điện
trong chất khí vẫn có thể xảy ra với nguyên nhân chủ yếu là ion va chạm (xem phần phóng điện trong điện môi khí sẽ
trình bày sau) nhng khi áp suất thấp hơn một giá trị nào đó quá trình phóng điện xảy ra hoàn toàn khác, sự hình thành
phóng điện trong chân không bắt đầu và đợc duy trì bởi những điện tích xuất phát từ các điện cực.
Hình 14.1 biểu diễn điện áp xuất hiện phóng điện trong khí nitơ giữa hai điện cực phằng cách nhau một khoảng
d=1cm với sự thay đổi của áp suất.
V
P (Pa)
I II III

Hình 14.1: Sự phụ thuộc của điện áp xuất hiện phóng điện trong điện trờng đồng nhất vào áp suất p.
Vùng II trên đồ thị 14.1 tơng ứng với sự ion hoá chất khí, điện áp xuất hiện phóng điện tuân thủ định luật Pashen
và chỉ là hàm của tích pd. ở hai vùng đầu mút I và III, đờng cong này lệch khỏi định luật này. Vùng III tơng ứng với áp
suất cao hơn áp suất khí quyển, còn vùng I ứng với chân không.
Trong chân không trung bình (áp suất p10
-1
Pa) quãng đờng chuyển động tự do trung bình của điện tử >3 m
nên phóng điện không thể xảy ra theo cơ chế ion hoá chất khí mà chỉ có thể do các điện tích xuất phát từ điện cực.
Để giải thích quá trình hình thành và phát triển của phóng điện trong chân không, nhiều giả thuyết đợc đa ra.
Các hiện tợng vật lý đợc xem là thuyết phục hơn cả :
giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trờng;

()
exp
,
=
+







82
1
15
3


trong đó W
i
là năng lợng ở mức Fermi; N(W) số điện tử có năng lợng W trong 1 đơn vị thể tích; h : hằng số
Planck; k : hằng số Boltzman; m
e
khối lợng của điện tử.
ở nhiệt độ T= 0 K, năng lợng W
i
đợc xác đinh, bởi :
W
h
m

nóng chảy của kim loại. ở nhiệt độ T=0 K, W<W
i
, số hạng dạng hàm mũ sẽ bằng 0.
Ta tính đợc số điện tử Nx(W
x
)dW
x
có mức năng lợng nằm trong khoảng W
x
và W
x
+W
x
đạt tới một đơn vị diện
tích bề mặt trong một đơn vị thời gian :
NW dW
mkT
h
WW
kT
dW
xx
eix
x
() ln exp=+






=



Từ đó suy ra mật độ dòng điện J :
J
em k T
h
WW
kT
AT
b
T
s
eai
=















e
E
oc o
= =






2
2
16
1
24
x
c
0,5

Sự giảm năng lợng cho phép các điện tử vợt qua hàng rào thế năng. Hiện tợng này goi là hiệu ứng Schottky.
WWeEx
e
x
dx
aa c
o
x
c
= +


Do vậy :
JAT
e
kT
=






2
exp
'


Ta tính tiếp và thu đợc :
JJ
E
T
s
=






exp ,
,

Mật độ dòng điện ở nhiệt độ K xác định theo quan hệ Fowler-Nordheim :
()
()
JB
ty
EBvy
E
=






1
2
2
2
15
1


exp
,

trong đó y=3,79.10
-5
E
0,5


= E
tb
=U/d
Phơng trình Fowler-Nordheim biểu diễn quan hệ dòng điện qua chân không và điện áp có dạng :
() ()
U
dyB
BS
dyt
U
I
e
1
302,2
loglog
5,1
2
2
1
22
2










tg
2
15
2 302

,
,

Phân tích các kết quả thí nghiệm đối với nhiều kim loại khác nhau và với điều kiện là các chất khí và các tạp chất
không gây ô nhiễm bề mặt điện cực, Farral đánh giá cờng độ điện trờng tới hạn E
c
nằm trong khoảng 5.10
9
V/m đến
18.10
9
V/m tuỳ từng kim loại.
Sự giải thoát điện tử do điện trờng làm bay hơi kim loại vùng điện cực. sự bốc hơi kim loại vùng âm cực do hiệu
ứng Joule hoặc kiệu ứng Nottingham. Có vẻ nh là sự nóng lên của các vi điểm trên bề mặt âm cực có thể đối với khoảng
cách d nhỏ. Đối với các khoảng cách lớn hơn và ở điện áp cao hơn, các điện tử có năng lợng lớn bắn phá anode và làm
kim loại bay hơi.
14.2.4 Phóng điện đánh thủng
Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không đợc dựa trên sự thực của các quá trình vật lý xảy ra trong điện
trờng mạnh nhng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết cha đầy đủ về phóng điện trong chân không.
Field electron emision : dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trờng di qua một số vi điểm gồ ghề trên bề mặt âm cực
(cathode) làm cho chúng nóng đến điểm nóng chảy và bốc hơi. Và sau đó các điện tử dẫn đến phóng điện. Mặt khác,
các điện tử đợc tyăng tốc trong điện trờng mạnh bắn phá và truyền năng lợng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề
mặt anode cũng là nguyên nhân dẫn đến phóng điện;
Quá trình giải thoát điện tử, ion và các photon thứ cấp : quá trình phóng điện xảy ra theo trình tự tích luỹ;
Các vi hạt kim loại hay tạp chất : Các hạt này gắn bó một cách rất yếu với điện cực do vậy chúng có thể dễ dàng tách

2
d

nếu d1 mm, k
1
= 4 đến 4,5.10
4
V/mm, =0,6
Điện áp xoay chiều : V
c
=45d
0,8
với 0,05d1,5 mm
V
c
=57d
0.3
với 1,5<d2.8 mm
14.3. Phóng điện trong chất lỏng
Trong các ứng dụng công nghiệp thì ngời ta quan tâm nhiều đến độ bền cách điện của các chất lỏng trong điện
trờng đồng nhất hoặc gần đồng nhất; thiết bị để thí nghiệm độ bền điện gồm hai điện cực bằng đồng, hoặc bằng thép
không rỉ có dạng hình hai nửa cầu với khoảng cách giữa hai điện cực là 2,5 mm nh mô tả trên hình vẽ 14.12.
d

Hình 14.12 : Cốc đo độ bền điện của chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156).
Hầu hết các nghiên cứu về phóng điện trong chất lỏng cách điện tập trung về xem xét các ảnh hởng của các yếu
tố nh dạng điện trờng, độ ẩm, tạp chất... đến điện áp phóng điện trong các điều kiện rất hạn chế : điện trờng gần
đồng nhất, khoảng cách không lớn. Những kinh nghiệm vận hành và sử dụng chất lỏng cách điện nh dầu máy biến áp
đã chỉ ra rằng trong các điều kiện này (khoảng cách lớn, thể tích chất lỏng nhiều...) quá trình phóng điện khác xa với
nhữngkết quả trên đây. Để tìm hiểu cơ chế phóng điện, các yếu tố ảnh hởng khác nhau đến điện áp phóng điện của