CHƯƠNG V: PHÓNG ĐIỆN
TRONG CHÂN KHÔNG
1. Giới thiệu
2. Phân loại chân không
3. Đặc tính phóng điện trong chân không
4. Nguyên lý phóng điện trong chân không

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


1. Giới thiệu
 Theo lý thuyết Townsend/streamer, phóng điện xảy ra khi tồn tại
chất khí giữa hai bản cực và chất khí bị ion hóa
 Chân không không tồn tại các chất khí  không dẫn điện và
không bị phóng điện  chất cách điện lý tưởng
 Thực tế, sự hiện diện của các điện cực kim loại là nguồn gốc gây
ra phóng điện trong chân không nhưng ở điện áp rất cao
 Chân không được sử dụng làm cách điện cho máy cắt, rơle, khởi
động từ…
 Máy cắt chân không cấp trung thế dần thay thế máy cắt dầu, máy
cắt SF6 và các loại máy cắt khác

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


Máy cắt chân không chiếm ưu thế ở cấp trung thế

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


Kết cấu của máy cắt chân không (7,2-36 kV)-Siemens

bar, điện áp phóng điện không phụ thuộc vào độ chân không
 Áp suất khoảng 1 bar, quảng đường tự do trung bình giữa hai
lần va chạm  = 50 mm  không tồn tại phóng điện thác hoặc
dòng điện tử

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


a. Sự phát xạ điện tử từ cực âm – Schottky
effect
Điện trường
cao

 Trong môi trường chân
không, điện tử phát xạ từ
cực âm khi điện trường tác
dụng đủ lớn
 Bán kính mũi nhọn (cực âm)
khoảng vài nm
 Phát xạ điện tử có thể xảy ra
ở nhiệt độ phòng

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Giản đồ năng lượng của mặt tiếp xúc kim loại -chân không

f
EF


 Tổng thế năng của điện tử

PEt ( x)  EF  f  

q2
16 o x

 qEx

PEa ( x)  qEx

Dưới tác động của
điện trường thế năng
giảm một lượng f
= (f - feff)

EF

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Mật độ dòng điện do hiệu ứng Schottky





1/ 2



4.103
E  3  4.10 6V / m
10
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.






1/ 2



f


E
2
s
J  BeT exp 

kT


19
5
19
6


38

10
 300

 1,12 10 34 A / m 2



 I  JA  1,12.10 24  2,5.10 4  2,3.10 28 A

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.






b. Sự phát xạ điện tử từ cực âm - Tunnelling
effect
 Khi điện trường lớn hơn 109 V/m  rào cản thế càng giảm
thấp và bề rộng rào cản thế năng càng hẹp  điện tử có cơ
hội “chui” ngang rào cản
 Mật độ dòng điện

 Ec 
J  qnvx exp  
 E
22m f 


 Bề mặt điện cực nhẵn, trơn
 Điện trường rất cao (>107108 V/m)

 01 điện tử bị tách khỏi cực
âm (do hiệu ứng schottky
hay tunnelling)
- gia tốc về phía cực dương

- va đập vào cực dương
- giải phóng A ion dương và
C photon

Điều kiện xảy ra phóng điện

AB  CD  1

 Mỗi ion dương va đập vào
cực âm giải phóng B điện tử
 Mỗi photon được hấp thụ tại
cực âm sinh ra D điện tử

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Lý thuyết phát xạ điện tử
- Nguyên lý cực dương nóng

 Bề mặt điện cực không
nhẵn chứa các nhấp nhô
 Điện trường cao (107-108

nhỏ
 Đun chảy các đỉnh nhấp
nhô giải phóng các chất
khí và hơi kim loại
 Ion hóa do va chạm xảy ra
 Phóng điện có thể xảy ra
theo lý thuyết Townsend

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Lý thuyết đám

 Tồn tại các “cục” tạp chất trên bề mặt
điện cực
 Dưới tác động của điện áp, các cục
tạp chất trở nên nhiễm điện và tách
khỏi cực âm do lực hút tĩnh điện
 Các cục tạp chất gia tốc và va chạm
vào cực dương  tạo các chất khí và
hơi kim loại
 Phóng điện có thể xảy ra theo lý
thuyết Townsend

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Điện áp phóng điện:

V  Cd