Đại cương về hồ quang điện

ĐẠI CƯƠNG VỀ HỒ QUANG ĐIỆN: *Hồ quang điện thực sự có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện, luyện thép, những lúc này hồ quang điện cần được duy trì cháy ổn định. Nhưng trong các thiết bị điện như cầu chì, cầu dao, máy cắt, hồ quang lại có hại cần phải nhanh chóng được loại trừ, khi thết bị điện đóng, cắt (đặc biệt là khi cắt) hồ quang phát sinh giữa các cặp tiếp điểm của thiết bị điện khiến mạch điện không ngắt dứt khoát. Hồ quang cháy lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm hư hại các tiếp điểm và bản than thiết bị điện, Trong trường hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt . Dạng phóng điện tự duy trì trong không khí, tập trung trong một plasma hẹp và sáng chói. Khi các điện cực nằm ngang, dưới tác dụng của dòng khí nóng bộc lên khi phóng điện hồ quang điện ( HQĐ ) có dạng vòng cung. Ở áp suất thấp khí quyển và cường độ dòng điện vài ampe thì nhiệt độ trong HQĐ khoảng 5000K, ở áp suất thấp và cường độ lớn hơn nhiệt độ có thể đến 12000K, nếu thổi 1 luồng khí mạnh vào có thể nâng nhiệt độ tới 50000K. HQĐ được dùng để chế tạo những kim loại tinh khiết và khó chảy, dùng trong kĩ thuật ánh sáng và đặc biệt để hàn điện. Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng điện với mật độ dòng điện rất lớn (tới khoảng 104 đến 105 A/cm2), có nhiệt độ rất cao (tới khoảng 5000 ¸ 60000C) và điện áp rơi trên cực âm bé (chỉ khoảng 10 ¸20V) và thường kèm theo hiện tượng phát sáng. Sự phân bố của điện áp và cường độ điện trường dọc theo chiều dài hồ quang được biểu diễn trên hình 1-1a. Dọc theo chiều dài hồ quang được chia làm ba vùng là: vùng xung quanh cực âm (cách cực âm khoảng 10-4 đến 10-5cm) vùng này tuy điện áp nhỏ chỉ 8 đến 10V nhưng khoảng cách cũng rất bé nên cường độ điện trường rất lớn cỡ 105 đến 106 V/cm. Còn vùng có chiều dài gần hết hồ quang là vùng thân, vùng này có cường độ điện trường chỉ khoảng 10 đến 50 V/cm. Vùng còn lại còn được gọi là vùng cực dương có cường độ điện trường lớn hơn vùng thân nhưng các yếu tố xảy ra ở đây theo các lí thuyết hiện đại thì ít ảnh hưởng đến quá trình phát sinh và dập hồ quang nên không được đề cập. + - Điện kế ĐIẾU KIỆN TẠO RA HỒ QUANG ĐIỆN Dòng điện qua chất khí giữ được nhiệt độ cao của catot để catot phát được electron bằng hiện tượng phát xạ nhiệt electron Dùng đèn ống tiết kiệm hơn đèn đốt nóng bằng dây tóc từ ba đến bốn lần vì công suất tiêu thụ của nó bé hơn công suất đèn dây tóc và có hiệu suất cao. Trong thực tế những đèn ống này thường dùng ở mạng điện xoay chiều có hiệu điện thế khoảng một vài trăm vôn. Vì dùng với dòng xoay chiều, cho nên một cực nào đó sẽ lần lượt lúc là anôt, lúc là catôt. Vì vậy, ta không phân biệt được đèn những miền sáng tối khác nhau, mà chỉ có cảm giác ánh sáng phát ra đều đặn khắp mọi nơi trong ống. Để tạo nên những hạt mang điện đầu tiên (các êlectrôn) cực của đèn ống không phải là những bản phẳng kim loại mà là những dây tóc (H.41.2). Muốn đèn sáng, trước hết ta đóng ngắt điện K làm cho dòng điện đi qua các dây tóc, đốt nóng các dây này để chúng ta có thể phát xạ nhiệt êlectrôn. Sau đó ta phải mở ngắt điện K mới có hiệu điện thế giữa hai cực và bắt đầu có sự phóng điện. Lúc này vai trò của dây tóc không phải để phát xạ nhiệt êlectrôn nữa, mà chỉ làm vai trò của bản cực, như bản cực phẳng mà thôi. Thường ngắt điện K là một bóng đèn nêon có điện thế cháy thấp và cấu tạo đặc biệt gọi là “xtăcte”, có thể tự động đóng và ngắt mạch khi mắc đèn ống vào mạng điện. Người ta còn mắc nối tiếp trong mạch đèn ống một cuộn “chấn lưu” có tác dụng hạn chế dòng phóng điện trong ống. Muốn tạo ra hồ quang điện thì ban đầu cần phải cho 2 thanh than cham nhau tại vì lúc đầu không khí chưa bị ion hóa nên không có nên phải chạm hai đầu thanh than vào để dòng điện chạy qua dây đốt nóng chỗ tiếp xúc giữa hai thanh than rồi tách ra một khoảng nhỏ thì lúc này ngay chỗ tách đó không khí và thanh than bị đốt nóng tạo ra các ion xuất hiện sự phóng điện trong không khí ( ngay khoảng cách đó tạo nên hồ quang điện). Qúa trình phát sinh và dập tắt hồ quang *Quá trình phát sinh Hồ quang điện phát sinh là do môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hóa (xuất hiện các hạt dẫn điện). Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh,.... Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạng ion hóa sau: - Quá trình phát xạ điện tư ̉ nhiệt; Quá trình tự phát xạ điện tư.̉ - Quá trình ion hóa do va chạm. - Quá trình ion hóa do nhiệt . *Sự phát xạ điện tử nhiệt Điện cực và tiếp điểm chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn tồn tại các điện tử tự do chuyển động về mọi hướng trong quỹ đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Khi tiếp điểm bắt đầu mở ra lực nén vào tiếp điểm giảm dần khiến điện trở tiếp xúc tăng lên chỗ tiếp xúc dòng điện bị thắt lại mật độ dòng tăng rất lớn làm nóng các điện cực (nhất là ở cực âm nhiều e). Bị đốt nóng, động năng của các điện tử tăng nhanh đến khi công nhận được lớn hơn công thoát liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm trở thành điện tử tự do. Quá trình này được gọi là phát xạ điện tử nhiệt. *Sự tự phát xạ điện tử Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn rất bé dưới tác dụng của điện áp nguồn ngoài thì cường độ điện trường rất lớn, nhất là vùng cực âm có khoảng cách nhỏ có thể tới hàng triệu V/ cm. Với cường độ điện trường lớn ở cực âm một số điện tử có liên kết yếu với hạt nhân trong cấu trúc sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt ca tốt trở thành các điện tử tự do, hiện tượng này gọi là tự phát xạ điện tử. Khi có điện tử tự phát xạ và phát xạ điện tử nhiệt năng lượng được giải phóng rất lớn làm nhiệt độ khu vực hồ quang tăng cao và phát sáng, đặc biệt khi cắt mạch ở điện áp cao và có dòng tải lớn thì hồ quang cháy và phát sáng rất mãnh liệt. *Ion hóa do va chạm Sau khi tiếp điểm mở ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao hoặc của điện trường lớn (mà thông thường là cả hai) thì các điện tử tự do sẽ phát sinh chuyển động từ cực dương sang cực âm. Do điện trường rất lớn nên các điện tử chuyển động với tốc độ rất cao. Trên đường đi các điện tử này bắn phá các nguyên tử và phân tử khí sẽ làm bật ra các điện tử và các ion dương. Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động và bắn phá tiếp làm xuất hiện các phần tử mang điện khác. Do vậy mà số lượng các phần tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữa các tiếp điểm rất lớn, đó là quá trình ion hóa do va chạm. *Ion hóa do nhiệt Do có các quá trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một lượng lớn năng lượng được giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và thường kèm theo hiện tượng phát sáng. Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên. Khi tham gia chuyển động cũng có một số phần tử gặp nhau sẽ kết hợp lại phân li thành các nguyên tử. Các nguyên tử khuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp sẽ kết hợp lại thành phân tử, hiện tượng này gọi là hiện tượng phân li (phản ứng phân li thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của hồ quang, tạo điều kiện cho khử ion). Còn lượng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là lượng ion hóa do nhiệt. Nhiệt độ để có hiện tượng ion hóa do nhiệt cao hơn nhiều so với nhiệt độ có hiện tượng phân li. Ví dụ không khí có nhiệt độ phân li khoảng 40000K còn nhiệt độ ion hóa khoảng 80000K. Tóm lại, hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của nhiệt độ cao và cường độ điện trường lớn sinh ra hiện tượng phát xạ điện tử nhiệt và tự phát xạ điện tử và tiếp theo là quá trình ion hóa do va chạm và ion hóa do nhiệt. Khi cường độ điện trường càng tăng (khi tăng điện áp nguồn), nhiệt độ càng cao và mật độ dòng càng lớn thì hồ quang cháy càng mãnh liệt. Quá trình có thoát năng lượng hạt nhân nên thường kèm theo hiện tượng phát sáng chói lòa. Nếu tăng áp lực lên môi trường hồ quang thì sẽ giảm được tốc độ chuyển động của các phần tử và do vậy hiện tượng ion hóa sẽ giảm. *Quá trình hồ quang tắt Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn dẫn điện hay nói cách khác hồ quang điện sẽ tắt khi có quá trình phản ion hóa xảy ra mạnh hơn quá trình ion hóa. Ngoài quá trình phân li đã nói trên, song song với quá trình ion hóa còn có các quá trình phản ion gồm hai hiện tượng sau: *Hiện tượng tái hợp Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện là ion dương và điện tử gặp được các hạt tích điện khác dấu là điện tử hoặc ion dương để trở thành các hạt trung hòa (hoặc ít dương hơn). Trong lí thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp tỉ lệ nghịch với bình phương đường kính hồ quang, và nếu cho hồ quang tiếp xúc với điện môi hiện tượng tái hợp sẽ tăng lên. Nhiệt độ hồ quang càng thấp tốc độ tái hợp càng tăng. *Hiện tượng khuếch tán Hiện tượng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật độ điện tích cao(vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ điện tích thấp là hiện tượng khuếch tán. Các điện tử và ion dương khuếch tán dọc theo thân hồ quang, điện tử khuếch tán nhanh hơn ion dương. Quá trình khuếch tán đặc trưng bằng tốc độ khuếch tán. Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt. Để tăng quá trình khuếch tán người ta thường tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang. * Bản chất dòng điện trong chất khí a) Trong những điều kiện bình thường chất khí hầu như hoàn toàn gồm những nguyên tử hay những phân tử trung hoà về điện, vì vậy chất khí là điện môi. Khi ta đốt nóng hoặc dùng các loại bức xạ khác (như tia tử ngoại, tia Rơnghen...) tác động vào môi trường khí thì một số nguyên tử hoặc phân tử khi mất bớt êlectrôn và trở thành iôn dương. Một số êlectrôn mới được tạo thành nay có thể chuyển động tự do, một số khác kết hợp với nguyên tử hay phân tử trung hoà tạo thành iôn âm. Như vậy, do tác động bên ngoài mà trong chất khí xuất hiện những hạt mang điện tự do: êlectrôn, iôn dương và iôn âm. Hiện tượng này gọi là sự iôn hoá chất khí. Những tác động bên ngoài (các bức xạ chẳng hạn) gây nên sự iôn hoá gọi là tác nhân iôn hoá. b) Khi không có điện trường đặt vào khối khí đã bị iôn hoá, các iôn và êlectrôn chuyển động nhiệt hỗn loạn, không có dòng điện qua chất khí. Trong khi chuyển động nhiệt hỗn loạn các êlectrôn có thể va chạm với các iôn dương và kết hợp lại với với iôn dương thành nguyên tử hay phân tử trung hoà. Quá trình này gọi là sự tái hợp. Nếu tác dụng của tác nhân iôn hoá không thay đổi, thì trong một đơn vị thời gian số cặp hạt mang điện âm và dương mới được tạo nên ( do iôn hoá) bằng số cặp hạt mang điện mất đi (do tái hợp lại thành phần tử trung hoà). c) Khi có điện trường đặt vào khối khí đã bị ôxi hoá, các êlectrôn và iôn chịu tác dụng của lực điện trường sẽ có thêm chuyển động có hướng (ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn): các êlectrôn và iôn âm chuyển động về phía cực dương (anôt) các iôn dương chuyển động về phía cực âm (catôt) tạo nên dòng điện chạy trong chất khí. Vậy: Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm và các êlectrôn ngược chiều điện trường.+ + + - E - + + + * Cường độ dòng điện trong chất khí A K V + - A a) Để nghiên cứu sự phóng điện trong chất khí ở các áp suất khác nhau người ta thường dùng một ống thủy tinh có hai điện cực bằng kim loại (H.40.2) gọi là ống phóng điện. Ống phóng điện được mắc vào nguồn điện. Hiệu điện thế đặt vào hai cực được điều chỉnh bằng biến trở . b) Do tác dụng của tác nhân iôn hoá (tia Rơnghen chẳng hạn) trong một đơn vị thời gian trong chất khí có một số cặp hạt mang điện xác định được tạo thành. Khi hiệu điện thế bằng không, không có dòng điện chạy qua ống. Đặt một hiệu điện thế nhỏ vào ống, các iôn và êlectrôn chuyển rời có hướng, gây nên dòng điện . Tuy nhiên không phải tất cả các hạt mang điện đều về đến các điện cực, mà một số hạt vẫn kết hợp với nhau khi gặp nhau trên đường đi của mình để trở thành phần tử trung hoà. Khi hiệu điện thế tăng, số hạt mang điện đến các điện cực cũng tăng, dòng điện I cũng tăng. Khi tăng đến một giá trị nào đấy thì tất cả các hạt mang điện do tác nhân iôn hoá tạo ra trong khối khí đều về đến các cực. Lúc đó mặc dù ta tăng , dòng điện cũng không tăng nữa. Ta nói rằng dòng điện đạt giá trị bão hoà Đồ thì biểu diễn sự phụ thuộc của vào được biểu diễn trên hình 40.3 Khi dòng điện đã đạt giá trị bão hoà rồi, nếu tiếp tục tăng hiệu điện thế lên nữa ta sẽ thấy: Khi lớn hơn một giá trị nào đó thì cường độ dòng điện lại tăng nhanh khi   tăng (H.40.3). Khi đó cường độ dòng điện có thể tăng lên hàng trăm, hàng nghìn lần, và dù cho tác dụng của tác nhân iôn hoá ngừng lại, thì sự phóng điện vẫn được duy trì. Sự tăng lên đột ngột của khi được giải thích như sau: Khi , cường độ điện trường trong chất khí rất lớn, do đó động năng mà êlectrôn thu được trước khi va chạm vào phân tử khí sẽ lớn và khi va chạm vào phân tử khí chúng làm iôn hoá phân tử khí. Kết quả là, sau mỗi va chạm lại xuất hiện thêm một êlectrôn  nữa (cùng với một iôn dương). Hai êlectrôn này (êlectrôn ban đầu và êlectrôn mới bị bứt ra khỏi phần tử khí do va chạm) lại nhận được năng lượng trong điện trường và lại làm iôn hoá các phần tử khí khác khi chúng va chạm vào. Quá trình như vậy cứ tiếp diễn làm cho các hạt mang điện tăng lên rất nhanh. Quá trình này gọi là sự iôn hoá do va chạm. c) Quá trình phóng điện trong chất khí thường có kèm theo sự phát sáng. Lí do như sau: khi êlectrôn đến va chạm với phân tử khí hoặc với iôn dương thì năng lượng mà chúng nhân được có thể được giải phóng dưới dạng ánh sáng. Đồ thị cường độ dòng điện trong chất khí Uo Uc Ibh U I 0 U<Uc : U tăng ®I tăng Uo<U<Uc :I đạt giá trị bảo hòa I = Ibh U>Uc : U tăng ® Ităng nhanh * ứng dụng của sự phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp: _ Sự phóng điện thành miền được ứng dùng để tạo nên các nguồn sáng gọi là đèn ống. _Màu sắc ánh sáng do đèn ống phát ra phụ thuộc vào bản chất khí trong ống (như khí nêon phát ánh sáng màu đỏ, hơi thủy ngân phát ánh sáng màu xanh lam...). _Những đèn ống phát ra ánh sáng ban ngày có chứa hơi thủy ngân và mặt trong của ống có quét một lớp chất huỳnh quang, chât này, sau khi hấp thụ các bức xạ do hơi thủy ngân phát ra, sẽ phát ra ánh sáng trông thấy, gần giống ánh sáng ban ngày -han điện : hồ quang được dùng phổ biến nhất trong hàn điện. một cực hồ quang là vật bằng kim loại cần hàn được nối với đất, cực kia được gắn que hàn. Do giữa hai cực có nhiệt độ cao, nên anot là que hàn bị nóng chảy lấp đầy vào chỗ cần hàn trên vật kim loại cần hàn -đèn chiếu sáng: đèn chiếu sáng trong cuộc sống hằng ngày là ứng dụng của hồ quang áp suất thấp. nguyên tắc hoạt động của đèn chiếu sáng như sau: trong các bóng thủy tinh kín có chứa cca1 khối hơi như Na, Hg, Ar, Kr, ở áp suất thấp. trong đèn có các điện cực làm bằng vonfram. Khi có hồ quang, các e phát xạ nhiệt từ catot được gia tốc về anot. Trên đường đi các e va chạm không đàn hồi với các nguyên tử khí để chúng chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn. Trạng thái năng lượng cao của nguyên tử là không bền. nguyên tử nhanh chóng trở về trạng thái bền vững có năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dưới dạng các photon. Với khí natri, các photon phát xạ có bước song trong vùng nhìn thấy nên phát ra ánh sáng tương ứng có màu vàng. Photon phát xạ từ hơi thủy ngân, argon, krypton lại có bước song trong vùng tử ngoại mà mắt người không nhìn thấy vì thế phải chuyển bức xạ này thành ánh sáng nhìn thấy. để thực hiện điềuu này người ta phủ lên mặt trong của đèn một lớp bột huỳnh quang. - đèn huỳnh quang :đèn ống thường dùng để thắp sáng trong nhà gọi là đèn huỳnh quang. Đèn là một ống thủy tinh thong thường dài 1. 2m bên trong chứa hơi thủy ngân và 1 loại khí trơ ở áp suất thấp. thành trong của ống phủ 1 lớp bột huỳnh quang phát xạ màu trắng khi được kích thích bởi tia tử ngoại. hai đầu đèn là 2 sợi dây đốt làm bằng vonfam được phủ một lớp pxit bari, stroni và canxi để có thể phát xạ e ở nhiệt độ thấp