CHƯƠNG 7 PHÓNG điện TRONG điện môi

Khi có sự cố hỏng hóc cách điện, thì chế độ làm việc bình thường của thiết bị và hệ thống điện không còn được đảm bảo Với những hiểu biết về các tính chất dẫn điện và phân cực của điện m

CHươNG 7 PHóNG đIệN TRONG đIệN MôI

7.9 Phóng điện cục bộ

7.1 Giới thiệu 7.2 Phóng điện trong chân không 7.3 Phóng điện trong chất khí 7.4 Phóng điện trong chất lỏng 7.5 Phóng điện trong chất rắn 7.6 Phóng điện xung kích

7.7 Phóng điện vầng quang 7.8 Phóng điện dọc theo bề mặt cách điện rắn

Điện áp đặt lên vật liệu cách điện và do đó điện trường không thể tăng không có giới hạn Khi

có một điện trường đặt đủ lớn lên hai điện cực với môi trường cách điện (chân không hoặc một

điện môi) thì sẽ xảy ra quá trình đặc biệt Môi trường vốn được xem là cách điện sẽ bị nối liền bằng tia lửa điện (hồ quang) có điện dẫn rất cao

Người ta gọi hiện tượng này phóng điện chọc thủng

Các chất khí và chất lỏng cách điện, phóng điện chọc thủng vẫn không có phải là vĩnh cửu Vật liệu chỉ mất tính chất cách điện tạm thời trong thời gian tồn tại hồ quang Nếu ta cắt nguồn

điện áp gây phóng điện, thì vật liệu lại có khả năng chịu điện áp tác dụng caô đến khi nó bị phóng điện trở lại Trong các vật liệu cách điện thể rắn, phóng điện chọc thủng là một quá trình không ngược được Phóng điện sẽ dẫn đến hình thành một kênh dẫn do đó dẫn đến phá

Phóng điện chọc thủng là một hiện tượng rất quan trọng đối với các thiết bị điện đặc biệt đo với cách điện của các thiết bị cao áp Khi có sự cố hỏng hóc cách điện, thì chế độ làm việc bình thường của thiết bị và hệ thống điện không còn được đảm bảo

Với những hiểu biết về các tính chất dẫn điện và phân cực của điện môi đã trình bày trong các chương trước, việc nghiên cứu sâu quá trình hình thành phóng điện hết sức cần thiết

Sự hiểu biết về cơ chế hình thành, diễn biến của quá trình cùng các yếu tố ảnh hưởng cho phép có những biện pháp ngăn ngừa phóng điện trong thiết kế, vận hành thiết bị điện cũng như dự báo

Tuy nhiên cần phân biệt hai khái niệm được gọi là phóng điện sau:

Phóng điện một phần (discharge) - một dạng phóng điện nói chung, không hoàn toàn ví

dụ như phóng điện vầng quang, phóng điện cục bộ

Phóng điện chọc thủng (breakdown) là dạng phóng điện hồan toàn, khi toàn bộ không gian giữa hai điện cực bị ngắn mạch bởi một tia lửa điện

Có thể xem đây như giai đoạn cuối cùng của phóng điện với vì nếu ta nâng điện áp đặt lên vật cách điện vượt quá ngưỡng phóng điện cục bộ thì đến một lúc nào đó sẽ xảy ra phóng

điện

Để đặc trưng cho khả năng của một vật liệu cách điện có thể làm việc lâu dài dưới tác dụng của

điện áp hoặc điện trường cao người ta thường dùng khái niệm độ bền điện, đó là cường độ điện trường cực đại có thể đặt lên vật liệu mà không dẫn đến phóng điện

Người ta cũng dùng khái niện cường độ điện trường khi xảy ra phóng điện

Đại lượng này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

độ đồng nhất của điện trường (kích thước hình học, khoảng cách giữa các điện cực ),

bản chất và trạng thái bề mặt các điện cực sử dụng để thí nghiệm

quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng của điện áp

điều kiện môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm),

độ nhiễm bẩn của vật liệu (khuyết tật, tạp chất

Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến độ bền điện của các chất cách điện, đặc biệt là cách điện thể rắn

là điện trường phóng điện phụ thuộc vào độ dày của mẫu thử Các mẫu hoặc các kết cấu cách

điện dày có thể tích vật liệu lớn hơn do đó có xác suất chứa các khuyết tật nhiều hơn do đó dẫn

đến phóng điện ở điện trường thấp hơn

Môi trường cách điện Độ bền điện Ghi chúKhông khí, 1 at 31,7 kV/cm, 60 Hz khe hở 1cmkhí SF6 79,3 kV/cm, 60Hz sử dụng trong các máy cắt để tránh phóng điệnPolybutene >138 kV/cm Chất lỏng sử dụng để tẩm và cách điện cáp cao áp

Để so sánh các vật liệu cách điện theo độ bền điện, người ta tiến hành đo điện áp phóng điện trong các điều kiện thí nghiệm nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn

Các quy trình và tiêu chuẩn thí nghiệm phóng điện trong các điện môi không hoàn toàn giống nhau

Ví dụ để xác định độ bền điện củả chất lỏng cách điện

Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm

Xử lý số liệu

Quy trình thí nghiệm

Ví dụ để xác định độ bền điện của chất rắn cách điện

Cốc đo độ bền điện của chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156)

Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm

Mặt cực yêu cầu phải sử lý thật cẩn thận và trong quá trình sử dụng bình thí nghiệm phải thường xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt của cực

1 Bình đựng dầu

2 Nguồn

Bình bằng sứ có thể tích vào khoảng 300-500 cm3.Trong bình có gắn 2 cực mà khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được

Mức dầu trong bình phải cao hơn mép cực ít nhất là 15 mm

Dạng điện áp thí nghiệp : xoay chiều, công suất, độ méo hình sin không quá 5%

Quy trình thí nghiệm

1 Trước khi đổ dầu vào bình thử dầu cần kiểm tra kỹ tình trạng của bình và trạng thái

của mặt cực

2 Khi đổ dầu vào bình dù bình đã sạch và khô nhưng cũng cần rửa lại bình bằng dầu 2,3

lần Khi rửa nên rót dầu lên 2 mặt cực để có thể rửa các vệt dầu và than còn sót lại trên mặt cực từ các lần thí nghiệm trước

3 Sau khi đổ dầu vào bình thì phải đợi độ 10-15 phút sau đó mới tiến hành thí nghiệm

1 Lấy mẫu dầu

1 cần đặc biệt chú ý tới cách lấy mẫu dầu bởi vì nếu việc lấy mẫu không theo đúng các

qui định thì có thể làm cho kết quả thí nghiệm sai lệch và do đó đưa đến kết luận sai lầm

về phẩm chất của dầu

2 Theo qui trình kiểm tra chất lượng của dầu máy biến áp và máy cắt điện thì mẫu dầu thí

nghiệm phải được lấy từ thùng máy biến áp hay máy cắt và được đựng trong chai thủy tinh khô, sạch, đậy nút, có gắn xi hoặc parafin

3 Để lấy mẫu dầu đầu tiên phải mở vòi ở phía dưới thùng dầu, để cho dầu chảy đi 1 ít để

rửa sạch vòi, sau đó mới để chai vào lấy dầu

4 Để cho không khí ẩm không xâm nhập vào trong mẫu dầu thì nên lấy mẫu khi thời tiết

khô ráo khô, lượng dầu lấy để thí nghiệm ít nhất phải được 1 lít

5 Nếu vào mùa đông thì trước khi tiến hành thí nghiệm cần phải được để dầu trong phòng

thí nghiệm trong khoảng thời gian 8-12 giờ để cho dầu có nhiệt độ trong phòng

2 Kiểm tra bình thử dầu và cách đổ dầu vào bình

Trong 6 lần phóng điện thì chỉ lấy kết quả 5 lần sau cùng (từ lần thứ 2 đến lần thứ 6), bỏ kết quả của lần phóng điện thứ nhất vì cho là ban đầu, do trên mặt cực còn có thể có tạp chất nên kết quả có thể sai lệch

Từ các kết quả đó tính điện áp phóng điện trung bình (của 5 lần sau cùng) và tính cường

độ cách điện của dầu theo công thức

t

Mẫu thí nghiệm đo điện áp phóng điện trong chất rắn

Để đo độ bền điện của các vật liệu rắn được tiến hành trong điện trường đồng nhất; cần phải loại

bỏ tất cả các dạng phóng điện cục bộ, phóng điện bề mặt bằng các dạng điện cực và mẫu thí nghiệm quy chuẩn

Dù có quy định nghiêm ngặt nhưng tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu vẫn là chỗ yếu nhất

Trong một số trường hợp cần có những biện pháp để loại bổ phóng điện theo hiệu ừng mép cực

ví dụ như sử dụng nhựa epoxy

Điện cực

Các thí nghiệm thường được tiến hành dựa trên những đo lường sau

mức chịu đựng điện áp ở tần số công nghiệp 50 hoặc 60 Hz

mức chịu đựng điện áp xung kích, ví dụ chịu đựng các sóng quá điên áp khí quyển 1,2/50às

mức chịu đựng điện áp một chiều

7.2 Phóng điện trong chân không

7.2.1 Giới thiệu

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) nhưng 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 được duy trì bởi những

điện tích xuất phát từ các điện cực

ý tưởng 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 trường sẽ tự phóng điện, sự phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá trình ion hoá điện môi

Lúc đầu, người ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép có được một cách điện lý tưởng với điện trở suất vô cùng lớn và vectơ phân cực zero Do vậy có thể nghĩ rằng tụ điện sẽ tích điện mãi mãi

Tuy nhiên sau đó người ta nhận ra quan niệm này là sai

Hiện tượng phóng điện trong chân không khoảng cách nhỏ d≤5mm được giải thích bởi sự giải thoát

điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Fowler-Nordheim

Trong chân không trung bình (áp suất p≈10-1 Pa) quãng đường chuyển động tự do trung bình của

điện tử λ>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

được đưa ra Các hiện tượng vật lý được xem là thuyết phục hơn cả :

giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trường

trao đổi các ion với điện cực dẫn đến các vi phóng điện

Với khoảng cách lớn hơn, nó được giải thích bởi các vi hạt (microparticles) và các vi phóng điện (microdischarges)

7.2.2 Hiện tượng giải thoát nhiệt điện tử (thermoelectronic emission)

Do mật độ phân tử trong chân không bé nên quá ttrình phóng điện được xây dựng trên giả thiết là các điện tử được bức xạ từ các bề mặt điện cực kim loại và thâm nhập vào khoảng không gian giữa hai điện cực

ro

=

2

4 πε

Trong đó Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn, e là điện tích của điện tử, r

là khoảng cách giữa điện tử và hạt nhân Fermi và Dirac xác định phân bố năng lượng của các điện tử chuyển động trong không gian đặt dư

ới một thế không đổi như sau

h

W

W WkT

trong đó Wi là năng lượng ở mức Fermi; N(W) số điện tử có năng lượng W trong 1 đơn vị thể

Năng lượng của một điện tử trong điện trường của các hạt nhân được xác định đơn giản bằng Kim loại được xem là một mạng ba chiều với các nguyên tử nằm ở các nút mạng và bao

quanh chúng một là đám mây các điện tử tự do

ở nhiệt độ T= 0 K, năng lượng Wi được xác đinh, bởi

π

Ta tính được số điện tử Nx(Wx)dWx có mức năng lượng nằm trong khoảng Wx và Wx+∆Wx đạt tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian

ở nhiệt độ T=0 K, W<Wi, số hạng dạng hàm mũ sẽ bằng 0

Khi ta tăng nhiệt độ của điện cực, số điện tử bức xạ từ một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn

Để một điện tử có thể có thể được giải thoát từ bề mặt âm cực thì năng lượng Wx phải lớn hơn Wa

Φ = Wa-Wx được gọi là công thoát, tức là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho một điện tử nằm trong vùng dẫn để nó có thể thoát khỏi kim loại chuyển sang chân không

âm cực được xem là một mặt phẳng đẳng thế ở một khoảng cách x (vài bán kính nguyên tử); khi mà một điện tử rời kim loại bức xạ vào chân không, nó chịu tác dụng của một lực F bằng

e eE

o c

1 πε

16 πε

møc gi¶m chiÒu cao hµng rµo thÕ n¨ng 

7.2.3 Hiện tượng thoát điện tử bởi điện trường (field electron emission)

ở nhiệt độ bình thường, nếu điện trường tăng cao hơn 1010 V/m, sự bức xạ điện tử gây lên bởi điện trường

W(eV) Kim loại Chân không

5 10 15 20 X (10-10 m)

WF Mức Fermi

Hình dung một điện tử muốn được giải thoát từ vùng dẫn của kim loại có mức năng lượng là W, hàng rào năng lượng không thể có chiều dày vô cùng mà phải là hữu hạn và xác suất điện tử vư

ợt qua hàng rào năng lượng của kim loại sang vùng chân không là khác 0

Một bề mặt điện cực bằng kim loại được giả thiết là bức xạ điện tử dưới tác dụng của điện trường mạnh, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ tuyệt đối (T ≈0 K) Hiện tượng giải thoát điện tử bởi điện trường là do hàng rào năng lượng trên bề mặt điện cực bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường ngoài

Mật độ dòng điện ở nhiệt độ K xác định theo quan hệ Fowler-Nordheim

F là công thoát

Trên đầu mút của các điểm này điện trường tăng cao hẳn so với điện trường trung bình và đặc trư

ng bởi hệ số khuyếch đại điện trường β

ở nhiệt độ 0 K, hầu hết các điện tử được giải thoát bởi cơ chế bức xạ điện tử từ mức Fermi từ bề mặt âm cực

Trong kim loại, mức Fermi là mức năng lượng cao nhất của điện tử trong vùng dẫn

Các kết quả nghiên cứu về phóng điện trong chân không đều dựa trên giả thiết cho rằng hiện tượng giải thoát điện tử xuất phát từ một số điểm cực nhỏ (micropoint) do sự gồ ghề trên bề mặt

điện cực mà tại đó điện trường đạt giá trị tới hạn

B B

S

d y

t U

I

e

1302

,2log

log

5 , 1 2

2 1

2 2

νβ

Se là diện tích điện cực; I=J.Se

Nếu ta vẽ quan hệ I(V) trong hệ trục toạ độ log(I/U2) và 1/U thì độ nghiêng của đường thẳng cho phép xác định được hệ số b :

Sự giải thoát điện tử do điện trường 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 như 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 lượng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi

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 cường độ điện trường tới hạn Ec nằm trong khoảng 5.109 V/m đến 18.109 V/m tuỳ từng kim loại

7.2.4 Phóng điện chọc thủng

Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không được dựa trên sự thực của các quá trình vật

lý xảy ra trong điện trường mạnh nhưng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết chưa đầy đủ về phóng

điện trong chân không

các điện tử được tăng tốc trong điện trường mạnh bắn phá và truyền năng lượng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề mặt anode cũng là nguyên nhân dẫn đến phóng điện

Field electron emision

dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trường 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

sau đó các điện tử 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 hạt này gắn bó một cách rất yếu với điện cực do vậy chúng có thể dễ dàng tách khỏi điện cực và di chuyển đến điện cực đối diện khi có điện trường bên ngoài Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo ra các điều kiện dẫn đến phóng điện

Các vi hạt kim loại hay tạp chất

Điện áp một chiều : Uct=k1d nếu d≤1 mm, k1 = 3 đến 8.104 V/mm

7.3 Phóng điện trong chất khí

a) Quá trình ion hoá

Ion hoá trong đó ion hoá va chạm là những nguyên nhân quan trọng nhất đến sự hình thành và phátt triển phóng điện ttrong các chất khí

i) ion hoá va chạm : khi điện tử va chạm vào các phân tử khí trung hoà, động năng của chúng sẽ

được truyền cho nhau và ion hoá chỉ xảy ra nếu năng lượng của điện tử lớn hơn năng lượng ion hoá Wi có nghĩa là

2 ≥ hoặc eEx W ≥ i mv -vận tốc chuyển động;e là khối lượng của điện tử;

x là quãng đường chuyển động

ii) ion hoá quang : năng lượng cần thiết để gây ion hoá có thể lấy từ các bức xạ sóng ngắn theo

iv) ion hoá bề mặt : là dạng ion hoá xảy ra trên bề mặt điện cực do các cơ chế mà chúng ta

đã đề cập đến trong các phần trước (hiệu ưng Schottky và hiệu ứng Fowler-Nordheim) hoặc

do sự bắn phá bề mặt âm cực bởi các ion dương, các photon Muốn giải thoát điện tử khỏi bề mặt kim loại cũng cần một năng lượng nhất định gọi là công thoát Φ

iii) ion hoá nhiệt : ở nhiệt độ cao có thể xảy ra quá trình ion hoá va chạm do chuyển động

nhiệt mãnh liệt, ion hoá do bức xạ nhiệt khi bị nung nóng

b) Hình thành và phát triển thác điện tử

Giả thiết là ban đầu trên cathode (x=0) có no điện tử khởi đầu

Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử sẽ bay về phía anode, va chạm vào các phân tử khí

và gây ion hoá với hệ số ion hoá α

Quátrình ion hoá va chạm đã xét trong chương dẫn điện sẽ làm cho số lượng các điện tử mới xuất hiện trong chất khí tăng lên nhanh chóng (Slide 211)

Do đó sẽ dẫn đến hình thành một thác điện tử trong khu vực giữa hai điện cực

+

-d

x=0xx+dx

Sau khi chuyển động hết quãng đường dx số điện tử sẽ tăng thêm

no là số các điện tử sơ cấp xuất hiện ở mức x=0, tức là trên cathode

Như vậy số điện tử tăng theo hàm mũ

I Q e n = = expo α d = Io exp α d

Do đó ta có thể tính được dòng điện qua chất khí ( Slide 232)

( ) E e d n

Điện tử do nhẹ, linh hoạt hơn nên có vận tốc chuyển động lớn hơn, dễ khuyếch tán hơn và dồn vào khu vực đầu thác, còn các ion dương do khối lượng lớn chuyển động với tốc độ chậm hơn và phân bố ở phần sau và đuuôi của thác điện tử

Quá trình này chưa thể gọi là phóng điện chọc thủng vì chưa tạo thành dòng điện lưu thông giữa hai điện cực Như vậy sự phát triển của một thác điện tử chấm dứt

Sự xuất hiện các điện tử luôn luôn đi đôi với sự xuất hiện của các ion dương

Các điện tử và các ion dương tập hợp thành thác điện tử

Dưới tác dụng của điện trường, quá trình ion hoá diễn ra không ngừng

Thác điện tử càng được phát triển về kích thước cũng như số lượng điện tích trong thác Khi tiếp cận với điện cực dương, các điện tử của thác sẽ bị trung hoà trên điện cực

Để có thể duy trì phóng điện cần thiết phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác điện

Các điện tích tồn tại trong thác điện tử được xem như các điện tích không gian nên sẽ gây nên

sự biến dạng của điện trường giữa hai bản cực:

nhưng phía sau đầu thác điện trường lại giảm

phía đầu thác điện trường được tăng cường

Các điện tử mới phải được tạo nên ngay từ các quá trình xảy ra trong khe hở mà không phải là do các yếu tố gây ion hoá bên ngoài và phải xuất hiện trước khi thác điện tử thứ nhất kết thúc

c) Phóng điện tự duy trì

Trong đó khả năng giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực đóng vai trò quan trọng và thường xảy ra ở

áp suất thấp vì do mật độ phân tử không lớn, các ion dương cũng như các hạt photon có thể bay về

đến âm cực mà không bị các phân tử khí hấp thụ

Chúng được gọi là những điện tử thứ cấp

Chúng được phát sinh trong các khả năng sau

sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực do sự bắn phá của các ion dương hoặc do hiệu ứng quang (do sự bức xạ của thác điện tử sơ cấp);

ion hoá quang trong nội bộ chất khí

Quá trình được phát triển theo khả năng nào còn tuỳ thuộc vào áp suất khí

ở áp suất cao khả năng này bị han chế vì mật độ phân tử khí lớn hơn sẽ cản trở các ion dương và các photon dến điện cực

Phóng điện vầng quangPhóng điện tia lửa

Phóng điện toả sáng : xảy ra ở áp suất thấp, dòng plasma có điện dẫn không lớnNgười ta phân biệt một số dạng phóng điện sau

Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plasma trong toàn bộ hay một phần khe hở

Các vấn đề trình bày trên đây là các quá trình chủ yếu của phóng điện

Giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào dạng điện trường của khe hở giữa các điện cực

7.3.4 Phóng điện trong điện trường đồng nhất

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

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

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(eα d-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 eα d và số các ion dương được sản sinh sẽ ít hơn

số ion dương 1 có nghĩa là eαd-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

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

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

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

[ e α−η d − 1 ] = 1

αγ