Giáo trình Cao áp - Chương 14

Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP

Chơng 14 : Cách điện bên v đặc tính chđ u 14.1 C¸c tÝnh chÊt chđ u cđa c¸ch điện bên 14.2 Phóng điện chân không 14.2.1 Giới thiệu Thực ra, ý tởng sử dụng chân không làm cách điện không mẻ, từ quan sát thùc nghiƯm r»ng mét tơ ®iƯn tÝch ®iƯn nÕu ®Ĩ môi trờng tự phóng điện, phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào trình ion hoá điện môi Lúc đầu, ngời ta cho vắng mặt vật chất (chân không) cho phép có đợc cách điện lý tởng với điện trở suất vô lón vectơ phân cực zero Do vËy cã thĨ ngÜ r»ng tơ ®iƯn sÏ tích điện mÃi mÃi Tuy nhiên sau ngời ta nhËn quan niƯm nµy lµ sai Thùc tÕ lµ cho dï ¸p st cđa chÊt khÝ rÊt thÊp, phãng ®iƯn chÊt khÝ vÉn cã thĨ x¶y víi nguyên nhân chủ yếu ion va chạm (xem phần phóng điện điện môi khí trình bày sau) nhng áp suất thấp giá trị trình phóng điện xảy hoàn toàn khác, hình thành phóng điện chân không bắt đầu đợc trì điện tích xuất phát từ điện cực Hình 14.1 biểu diễn điện áp xuất phóng điện khí nitơ hai điện cực phằng cách khoảng d=1cm với thay ®ỉi cđa ¸p st V I II III P (Pa) Hình 14.1: Sự phụ thuộc điện áp xuất phóng điện điện trờng đồng vào áp suất p Vùng II đồ thị 14.1 tơng ứng với ion hoá chất khí, điện áp xuất phóng điện tuân thủ định luật Pashen hàm tích pd hai vùng đầu mút I III, đờng cong lệch khỏi định luật Vùng III tơng ứng với áp suất cao áp suất khí quyển, vùng I ứng với chân không Trong chân không trung bình (áp suất p10-1 Pa) quÃng đờng chuyển động tự trung bình điện tử >3 m nên phóng điện xảy theo chế ion hoá chất khí mà điện tích xuất phát từ điện cực Để giải thích trình hình thành phát triển phóng điện chân không, nhiều giả thuyết đợc đa Các tợng vật lý đợc xem thuyết phục : giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trờng; trao đổi ion với điện cực dẫn đến vi phóng điện Hiện tợng phóng điện chân không khoảng cách nhỏ d5mm đợc giải thích giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Fowler-Nordheim Với khoảng cách lớn hơn, đợc giải thích vi hạt (microparticles) vi phóng điện (microdischarges) 14.2.2 Hiện tợng giải thoát nhiệt điện tử (thermoelectronic emission) Do mật độ phân tử chân không bé nên ttrình phóng điện đợc xây dựng giả thiết điện tử đợc xạ từ bề mặt điện cực kim loại thâm nhập vào khoảng không gian hai điện cực Kim loại đợc xem mạng ba chiều với nguyên tử nằm nút mạng bao quanh chúng đám mây điện tử tự Năng lợng điện tử điện trờng hạt nhân đợc xác định đơn gi¶n b»ng : W= Ze 4πε o r Trong Z số thứ tự nguyên tố bảng hệ thống tuần hoàn, e điện tích điện tử, r khoảng cách điện tử hạt nhân Fermi Dirac xác định phân bố lợng điện tử chuyển động không gian đặt dới không đổi nh sau : m1,5 e N (W)dW = h W dW ⎛ W − Wi ⎞ ⎜ ⎟ + exp kT Wi lợng mức Fermi; N(W) số điện tử có lợng W đơn vị thể tích; h : số Planck; k : h»ng sè Boltzman; me khèi l−ỵng cđa điện tử nhiệt độ T= K, lợng Wi đợc xác đinh, : h2 Wi = 8m e ⎛ 3n ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ π⎠ , 66 = 3,64.10 −19 n 0,66 (eV) n lµ mËt độ điện tử, cm-3 Năng lợng Wi thay đổi nhiệt độ thay đổi công thức có giá trị dải nhiệt độ nằm dới nhiệt độ nóng chảy kim loại nhiệt độ T=0 K, W