114
CHƯƠNG V- ĐIỆN MÔI KHÍ
V.1. PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ
Các cơ chế vật lý liên quan đến phóng điện trong điện môi khí có ý nghĩa quan
trọng đối với tất cả các loại phóng điện khác. Nắm bắt được bản chất của những cơ chế
này giúp chúng ta dễ dàng hiểu được các cơ chế phóng điện trong điện môi lỏng và rắn.
Mặt khác điện môi khí còn có những ưu điểm hơn hai loại điện môi còn lại như đồng
nhất hơn, dễ tiến hành thí nghiệm hơn. Các thí nghiệm đo đạc phóng điện trong điện môi
khí có thể được lặp lại sau một thời gian ngắn với sự sai khác nhỏ, thông thường độ lệch
cả điện áp phóng điện giữa các lần đo so với giá trị trung bình chỉ vào khoảng vài phần
trăm.
V.1.1. CÁC QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN
MÔI KHÍ
Khi đặt lên hai điện cực một tụ điện chứa một điện môi khí một điện trường E,
dòng điện dẫn sẽ xuất hiện và chạy trong mạch nếu trong môi trường khí chứa các điện
tích. Các điện tích này có thể bao gồm: các điện tử e (mang điện tích âm), các ion dương
do nguyên tử trung hòa mất điện tử và các ion âm do các nguyên tử trung hòa nhận thêm
điện tử. Các điện tích này được sinh ra do các quá trình diễn ra trong điện môi khí hoặc
do các quá trình trên cathode (điện cực âm). Ta sẽ đề cập sơ qua đến các quá trình hình
thành các điện tích này :
1. Ion hóa do va chạm
Khi có điện trường đặt lên các bản cực tụ điện và trong khoảng không gian điện
môi giữa hai điện cực có điện tử tự do, các điện tự tự do sẽ nhận năng lượng của điện
trường và chuyển động về phía điện cực dương (anode). Trong quá trình chuyển động nó
sẽ va chạm với các nguyên tử (hay phân tử) trung tính điện môi khí, nếu năng lượng của
điện tử nhỏ hơn năng lượng ion hóa của của nguyên tử (hay phân tử) khí thì va chạm đó
(có thể) gọi là va chạm đàn hồi. Trong va chạm đàn hồi sự trao đổi năng lượng giữa điện
tử và nguyên tử khí rất bé, nó chỉ làm cho nguyên tử bị kích thích tức là chỉ có thể làm
cho điện tử trong nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Đồng thời va chạm đàn
hồi này làm đổi hướng di chuyển ban đầu của điện tử. Trái lại khi năng lượng điện tử lớn
hơn năng lượng ion hóa của nguyên tử khí, ta có va chạm không đàn hồi và nguyên tử bị
ion hóa. Khi đó nguyên tử khí trung tính ban đầu sẽ tạo thành một ion dương và một điện
115
tử mới. Lúc đó ion dương này sẽ bị hút về phía điện cực âm (cathode) và hai điện tử sẽ
tiếp tục nhận năng lượng của điện trường ngoài và gây nên các ion hóa tiếp theo. Tùy
theo điều kiện vật lý của điện môi đang xét mà quá trình này đạt đến một giá trị ổn định
hoặc quá trình ion hóa sẽ trở thành hiện tượng thác điện tử và dẫn đến phóng điện. Quá
trình ion hóa do va chạm có thể được biểu diễn dưới dạng các phương trình sau :
A+e-ÆA++2e-
2A+2e-Æ2A++4e-
4A+4e-Æ4A++8e-
v..v..
2. Ion hóa quang (ion hóa do bức xạ)
Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn tại khoảng 10-7 đến 10-9s. Khi
trở về trạng thái bình thường nó bức xạ phần năng lượng kích thích dưới dạng một
photon. Tuy photon này có năng lượng yếu nhưng cũng có thể gây ion hóa một nguyên tử
khác có năng lượng ion hóa nhỏ hơn năng lượng của photon. Quá trình ion hóa quang có
thể được miêu tả bằng các phương trình :
A*ÆA+hf
B+hfÆ B++e-
Với A* là ký hiệu của trạng thái kích thích của nguyên tử A và hf là photon được
bức xạ (h là hằng số Plank còn f là tần số của photon). Ion hóa quang là một quá trình
quan trọng trong phóng điện, đặc biệt là đối với các hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết
rằng khí hiếm có thời gian tồn tại kích thích khá lâu.
3. Ion hóa nhiệt
Khi nhiệt độ khí tăng đến một giá trị đủ lớn, các nguyên tử khí sẽ chuyển động
nhanh hơn và do đó sẽ va chạm với nhau và gây nên ion hóa. Ở nhiệt độ cao, năng lượng
nhiệt (Wn) cũng có thể gây nên ion hóa cho nguyên tử theo quá trình sau :
A+ WnÆ A++e-
4. Tách điện tử (Electron detachement)
Quá trình này xảy ra khi một ion âm tách đi điện tử để trở thành nguyên tử trung
tính :
A-Æ A++e-
Năng lượng cần thiết để tách điện tử ra khỏi ion âm trong quá trình này có thể
được cung cấp bởi sự va chạm của nguyên tử khác (tách do va chạm : collisional
detachement) hoặc bởi photon ( photodetachement). Mặc dù số điện tích không tăng lên
trong quá trình này nhưng quá trình tách này có thể coi như quá trình ion hóa do một điện
tích âm di chuyển chậm (ion âm) đã được chuyển thành một điện tích âm (điện tử) di
116
chuyển nhanh hơn. Do động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng và bình phương vận tốc nên
mặc dù nhẹ động năng của điện tử lớn hơn nhiều so với động năng của ion âm trước đó
do điện tử có vận tốc lớn hơn. Vì vậy điện tử tự do tách ra từ quá trình này có thể tiếp tục
gây nên quá trình ion hóa do va chạm hiệu quả hơn so với ion âm.
V.1.2. CÁC QUÁ TRÌNH TRÊN ĐIỆN CỰC ÂM (CATHODE)
Các quá trình trên điện cực, đặc biệt là điện cực âm (cathode) đóng vai trò quan
trọng trong quá trình phóng điện trong chất khí vì chúng cung cấp các điện tử cho sự bắt
đầu, duy trì và cuối cùng là hoàn thành một quá trình phóng điện.
Ở trạng thái bình thường các điện tử không thể thoát ra khỏi điện cực do lực liên
kết tĩnh điện giữa điện tử và ion trong mạng tinh thể. Để rời khỏi điện cực điện tử cần
một năng lượng đủ lớn gọi là công thoát (work function), giá trị của công thoát phụ thuộc
vào vật liệu làm điện cực. Bảng V.1 cho biết giá trị công thoát của một số kim loại điển
hình. Các nguồn cung cấp năng lượng cho điện tử rời khỏi điện cực có thể là :
1. Bắn phá cathode bằng ion dương hoặc bằng nguyên tử ở trạng thái
kích thích
Khi một ion dương được bắn vào điện cực âm, nó sẽ giải phóng ít nhất hai điện tử
trên điện cực : một điện tử dùng để trung hòa ion dương và một điện tử sẽ thoát khỏi điện
cực. Năng lượng cần thiết của ion dùng để bắn phá phải có trị số bằng ít nhất hai lần công
thoát của điện tử. Ngoài ra điện tử còn có thể thoát ra khỏi cathode do bắn phá điện cực
bằng nguyên tử hay phân tử ở trạng thái kích thích bền vững (metastable : trạng thái mà
nguyên tử kích thích mất thêm một phần năng lượng và chuyển đến một trạng thái kích
thích mới, trạng thái kích thích mới này tương đối bền vững với thời gian tồn tại khoảng
10-3s).
Kim loại Ag Al Cu Fe W
Wa(eV) 4,74 2,98-4,43 4,07-4,7 3,91-4,6 4,35-4,6
Bảng V.1 : Công thoát của một số kim loại điển hình
2. Quang thoát (photoemission)
Nếu năng lượng của photon đập vào cathode có giá trị lớn hơn công thoát của
điện tử, photon có thể giải phóng điện tử khỏi bề mặt điện cực. Phần năng lượng dôi ra
của photon so với công thoát được cung cấp cho điện tử dưới dạng động năng.
3. Nhiệt thoát (thermionic emission)
Ở nhiệt độ phòng năng lượng nhiệt của các điện tử trong kim loại không đủ lớn để
làm chúng thoát khỏi cathode. Khi tăng nhiệt độ cathode lên khoảng 1500-2000K,
117
chuyển động nhiệt mãnh liệt của mạng tinh thể sẽ cung cấp cho các điện tử một năng
lượng đủ lớn để thoát khỏi điện cực
4. Thoát do điện trường (Field emission)
Điện trường tĩnh ở giá trị lớn hơn lực liên kết giữa điện tử và proton sẽ giải phóng
một hoặc nhiều điện tử ở cathode. Tuy nhiên để làm được điều này điện trường phải vào
khoảng 107-109 V/m (10-1000kV/mm). Phần lớn các phần tử dùng trong kỹ thuật điện
đều làm việc ở điện trường nhỏ hơn điện trường này nhiều. Nhưng khi bề mặt điện cực
không bằng phẳng mà tồn tại những khuyết tật nhỏ, chỉ cần điện áp đặt vào khoảng 2-
5kV thì điện trường ở những điểm khuyết tật có thể đạt tới trị số có xảy ra hiện tượng
điện tử thoát do điện trường.
V.1.3. CÁC QUÁ TRÌNH TRUNG HÒA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIệN
MÔI KHÍ
Ngược lại với các quá trình hình thành điện tích trong điện môi khí làm tăng các
điện tích (chủ yếu là các điện tử) trong điện môi, quá trình trung hòa điện tích làm giảm
số lượng các điện tử trong điện môi. Trong một vài ứng dụng, quá trình trung hòa điện
tích rất đáng quan tâm vì nó ngăn cản sự phát triển của thác điện tử. Các quá trình trung
hòa điện tích chính bao gồm :
1. Quá trình tái hợp
Các ion dương và âm có xu hướng tái hợp để tạo thành một nguyên tử trung hòa
theo phương trình :
A++B-Æ AB+hf
Tỉ lệ tái hợp tỉ lệ thuận với số điện tích dương n+ và điện tích âm n-, nghĩa là :
−+
−+ −== nn
dt
dn
dt
dn
β
(V.1)
Với β là hằng số tỉ lệ tái hợp. Do n+≈ n- và giả thiết ở thời điểm t=0 số điện tích
ni=ni0 và số điện tích ở thời điểm t là ni(t), phương trình trên được viết thành :
2
i
in
dt
dn
β
−= (V.2)
Chuyển vế và tích phân lần lượt từng vế theo số lượng điện tích và theo thời gian
ta được :
∫∫ −=
t
n
ni
idt
n
dn
i
i0
2
0
β
(V.3)
Ta tính được lượng điện tích ở thời điểm bất kỳ là :
118
tn
n
tn
i
i
β
0
0
1
)( +
= (V.4)
2. Trung hòa do nhập điện tử (electron attachement)
Một vài khí có độ âm điện lớn như O2, CO2 hay SF6 luôn có xu hướng lấy thêm
một điện tử tự do để tạo lên một ion nặng âm. Quá trình có thể được viết dưới dạng :
A+eÆ A-
Đây là quá trình ngược với quá trình ion hóa do tách điện tử đã đề cập ở phần
V.1.1.
3. Trung hòa do khuyếch tán (diffusion)
Khi mật độ ion trong điện môi khí không đều, các ion luôn có xu hướng di chuyển
từ nơi có mật độ cao xuông nơi có mật độ thấp cho đến khi đạt đến sự cân bằng về mật
độ. Quá trình này sẽ gây lên hiệu ứng ion hóa ở vùng có mật độ ion thấp và trung hòa ở
vùng có mật độ ion cao.
V.1.4. PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG CỦA CHẤT KHÍ TRONG ĐIỆN
TRƯỜNG ĐỒNG NHẤT (ĐỀU)
Bản chất quá trình phóng điện chọc thủng của chất khí được giải thích bằng hai lý
thuyết : Lý thuyết phóng điện Townsend và lý thuyết streamer. Trong thực tế điện trường
đặt lên điện môi khí có thể là đều hoặc không đều tùy theo dạng điện cực. Nếu điện
trường đều, trị số điện trường tại mọi điểm trong điện môi là bằng nhau do đó các tham
số về quá trình hình thành và trung hòa điện tích là không đổi. Như vậy khi ta xét trong
điện trường đều, bản chất của quá trình phóng điện chọc thủng có thể được hiểu dễ dàng
hơn.
1. Thác điện tử- Lý thuyết phóng điện Townsend
Khi ta đặt lên điện môi khí một điện trường E, giả thiết trong điện môi tồn tại một
điện tử tự do. Nếu điện trường đủ mạnh và điện tử không bị trung hòa bởi quá trình nhập
điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử khí và gây ra quá trình ion hóa do va chạm.
Như vậy sau lần va chạm đầu tiên trong chất khí sẽ có hai điện tử và một ion dương và
sau đó quá trình va chạm cứ tiếp tục diễn ra như miêu tả trong phần V.1.1.. Quá trình cứ
thế tiếp diễn với số điện tích tự do và ion dương tiếp tục tăng lên. Tập hợp các điện tử và
ion dương sinh ra theo cách này gọi là thác điện tử. Trong không gian một vài milimét có
thể có đến hàng triệu điện tử. Việc hình thành thác điện tử chỉ là sự kiện đầu tiên (sau sự
xuất hiện của điện tử ban đầu) của quá trình phóng điện chọc thủng trong chất khí. Thác
điện tử tiếp tục tăng cho đến khi các điện tử đến được anode hoặc chúng di chuyển đến
vùng có điện trường không đủ mạnh để gia tốc cho chúng tạo nên va chạm mới.