Chuong V Phong dien trong chat khi 2017

CHƯƠNG IV: SỰ PHĨNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ Giới thiệu Phóng điện điện trường Q trình ion hóa Ion hóa quang Ion hóa nhiệt Ion hóa va chạm Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend) Phóng điện khí điện âm Định luật Paschen TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Giới thiệu  Khơng khí chất khí cách điện phổ biến (ví dụ: cách điện đường dây truyền tải phân phối không)  Để sử dụng tốt không khí làm chất cách điện yêu cầu: o Hiểu biết đặc tính điện o Các q trình dẫn đến phóng điện vầng quang đánh thủng o Ảnh hưởng yếu tố bên ngồi đến q trình phóng điện  Trong hệ thống kín, khơng khí số chất khí khác sử dụng áp suất cao: SF6, H2, CO2, N2  Ưu: chất cách điện khí có khả tự phục hồi sau bị phóng điện  Nhược: độ bền điện thấp chất lỏng rắn TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Phóng điện điện trường  Khi phóng điện xảy ra: chất khí chuyển từ chất cách điện sang chất dẫn điện kênh phóng điện  Thời gian phóng điện dao động khoảng ns  s  Dẫn điện chất khí chuyển động điện tích (điện tử ion) tác động điện trường  Sự phóng điện phụ thuộc lớn vào loại chất khí, áp suất nhiệt độ phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực  điện tích chuyển động tạo từ mơi trường khí TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Q trình ion hóa  Là q trình biến phân tử hay ngun tử khí trung tính thành ion  Các q trình ion hóa: o Ion hóa va chạm (quan trọng phóng điện chất khí) o Ion hóa quang o Ion hóa nhiệt TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Ion hóa quang (photo-ionization)  Dưới tác động xạ, nguyên tử hay phân tử khí trung tính hấp thu Photon xạ  Năng lượng Photon: Hằng số Planck Tần số xạ W  hf h  6,626.10 34 ( J s) Năng lượng ion hóa  Phương trình kích thích hf Vi * hf  A  A Nguyên tử trạng thái kích thích  Phương trình ion hóa hf Vi  hf  A  A  e  TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Với: c hc hc f   hf   Vi      Vi  Ví dụ: chất khí có lượng ion hóa khoảng 10 eV, tính bước sóng xạ gây ion hóa chất khí 6,626.10 34 ( J s )  3.108 (m / s ) 7 m   , 242 10 19 10 1,6.10 ( J )  124,2 nm (UV  C ) TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Ion hóa nhiệt  Động trung bình chuyển động nhiệt phân tử/nguyên tử khí Hằng số Boltzmann (1,38.10-23 J/K Wk  kT = 8,617.10-5 eV.K-1 )  Khi Wk  Vi: gây ion hóa chất khí va chạm phân tử/nguyên tử khí chuyển động nhiệt  Tại nhiệt độ phòng, Wk nhỏ  khơng gây ion hóa nhiệt  Ví dụ: tính Wk nhiệt độ phòng (300K) 3 Wk  kT   8,617.10 5 (eV K 1 )  300( K ) 2  0,039eV  10eV TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Ion va chạm  Định nghĩa: trình tách điện tử va chạm điện tử tự nguyên tử hay phân tử trung tính  Phương trình kích thích: Năng lượng ion hóa Vi e   A    e   A*  Phương trình ion hóa:   Vi   e  A   e  A  e  : lượng thu nhận điện tử hai lần va chạm TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 6.1 Chuyển hóa lượng  Hệ thống 02 phần tử có khối lượng m1 m2 +) trước va chạm V1 > 0; V2 = m1 V1 m2, V2 m1 V’1 m2, V’2 +) sau va chạm V1 V’1; V2  V’2  Sự va chạm 02 phần tử là: - Va chạm đàn hồi: tổng động phần tử trước va chạm trì dạng động sau va chạm - Va chạm không đàn hồi: phần tổng động trước va chạm chuyển hóa thành dạng lượng khác (ví dụ: nhiệt năng) TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức a) Va chạm đàn hồi  Phương trình bảo tồn động lượng m1V1  m2V2  m1V1'  m2V2' 1  Phương trình bảo tồn lượng 1 1 2 '2 m1V1  m2V  m1V1  m2V2'2 2 2 2  Phần tử 1: m1  m2 V  V1 m1  m2 ' 1 W  m1V1' 2 ' TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  N  d   N e d   N ec  Các ion dương chuyển động phía cathode đập vào cathode  sinh điện tử thứ cấp  N ec  N o  N d  Số điện tử ion dương đập vào cathode sinh Tổng số điện tử cathode sinh tượng ion hóa tự nhiên (bức xạ, tia vũ trụ…) : hệ số ion hóa thứ hai (xác suất để sinh điện tử ion dương va đập vào cathode ) TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức N ec  N o  N  d   N o  N ec expd   1 No  N ec    expd   1  Tổng số điện tử đến anode đơn vị thời gian N e d   N ec expd  N o expd     expd   1  Tổng dòng điện N o qe expd  i  ie  N e d qe    expd   1 io expd     expd   1 TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Điều kiện xảy phóng điện: i =   mẫu số =   expd   1    expd   1  TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Phóng điện khí điện âm  Một số chất khí có khả bắt giữ điện tử chậm  tạo thành ion âm  Nguyên tử tạo thành khí điện âm thiếu điện tử lớp vỏ ngồi (ngun tố thuộc nhóm Halogen có độ âm điện lớn)  Một phần điện tử sinh hai cực bị bắt giữ khí điện âm  số lượng điện tử tham gia trình ion hóa va chạm giảm  q trình ion hóa diễn yếu  tăng cao điện áp phóng điện  Ion âm sinh có độ linh động điện tích nhỏ  khơng tham gia vào q trình ion hóa va chạm  Q trình gắn kết điện tử vào phân tử khí: AB  e  AB   hf SF6  e  SF6  hf  Hệ số gắn kết điện tử (): xác suất mà điện tử bị bắt giữ đơn vị độ dài theo phương chuyển động điện tử TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Lượng gia tăng điện tử tự đoạn dx dN e     N e  x dx  N e  x   N ec exp   x   Tổng số điện tử sinh 1s điện cực N e d   N ec exp   d   Số lượng ion dương sinh đoạn dx dN   N e x dx TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Số lượng ion dương sinh khoảng từ đến x x x N  x    dN     N e  x dx o o x    N ec exp   x dx o x  N ec exp   x  o     N ec exp   x   1    Tổng số ion dương sinh cực N  d    N ec exp   d   1   TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Số lượng ion âm sinh khoảng từ đến x dN   N e  x dx  N ec exp   x dx   N  x   N ec exp   x   1    Tổng số ion âm điện cực  N d   N ec exp   d   1   (ít ảnh hưởng đến q trình ion hóa va chạm)  Các ion dương chuyển động phía cathode đập vào cathode  sinh điện tử thứ cấp  N ec  N o  N  d    No  N ec exp   d   1   TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  N ec  No  1 N ec exp   d   1    Tổng số điện tử tự chuyển động anode 1s N e d   N ec exp   d  N o exp   d    1 N ec exp   d   1   TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Tổng dòng điện N o qe exp   d  i  ie  N e d qe   1 exp   d   1   io exp   d    1 exp   d   1    Điều kiện xảy phóng điện: i =   mẫu số =  1 exp   d   1      exp   d   1    TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Định luật Paschen  Hệ số ion hóa thứ B  E  E/ p  Ae  f   * p  p A, B: hệ số chất khí  Điều kiện xảy phóng điện thác điện tử (Townsend)  expd   1  1  expd      1  d  ln1   * *    Từ * ** B E/ p B E/ p  1 ln1      Apd  1 Apde  ln1    e   TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức    1 ln1    B    ln E/ p Apd  Khi phóng điện: E  EBD U BD  d  1 ln1    B Bpd     ln E/ p U BD Apd  U BD  Bpd Bpd     ln Apd ln1    1   ln1   ln Apd   U BD  f  pd  TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Định luật Paschen: điện áp phóng điện hàm tích số áp suất chất khí khe hở điện cực U BD  f  pd   Đường cong paschen chất khí: Điểm cực tiểu TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Xác định UBD min: d U BD   d  pd    ln       Bdp  Apd A   ln      B     Apd   ln     Apd ln     ln        ln           B B    Apd   ln     Apd ln     ln        ln               Apd Apd   e1  ln   exp  ln      ln    ln                pd *   e  ln    A    TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức B  pd  e  1 *   B  pd   B ln1   * A   A pd  ln  1 ln1     * U BD 1 Ví dụ: tính điện áp phóng điện UBD hệ thống điện cực bảng phẳng-bảng phẳng B pd  19 1,013 10 U BD    31kV A pd  645 1,013 10 ln ln   1  d = cm ln  ln1    6  10     p = 1,013 bar t = 20oC A = 645 (1/bar.mm) B = 19 (kV/bar.mm)  = 2.10-6 U BD  B e  1 2,718   ln1    19 ln1  6  A   645  2.10   1,05kV TS Nguyễn Văn Dũng 10/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức ... trước va chạm V1 > 0; V2 = m1 V1 m2, V2 m1 V 1 m2, V 2 +) sau va chạm V1 V 1; V2  V 2  Sự va chạm 02 phần tử là: - Va chạm đàn hồi: tổng động phần tử trước va chạm trì dạng động sau va chạm - Va... động lượng m 1V1  m 2V2  m 1V1 '  m 2V2 ' 1  Phương trình bảo tồn lượng 1 1 2 '2 m 1V1  m 2V  m 1V1  m 2V2 '2 2 2 2  Phần tử 1: m1  m2 V  V1 m1  m2 ' 1 W  m 1V1 ' 2 ' TS Nguyễn V n Dũng 10/10/2015... thức m1  2V  2V1  2V1 ' m2 '   m 1V1 m 1V1 ' V  ; V2   V1 ' m1  m2 m1  m2 '  Wi max Sau va chạm, hai phần tử di chuyển v n tốc m2  m 1V1 m1  m2 * TH1: m1  m2 Wi max  m 1V1 2 * TH2: m1