1.
Giới
thiệu
Tính từ khi xuất hiện của dòng điện đi qua đã được hình
thành và ngay cả trước khi các hiệu ứng nhiệt, cơ khí, hóa chất cơ bản và tạo
ra bởi dòng điện đã được xác định, nó đã trở nên rõ ràng rằng có một nhu cầu
cho ra một thiết bị có khả năng khởi tạo và chặn dòng chảy của dòng điện.
Về cơ bản, có hai cách mà có thể ngắt dòng điên; Thứ
nhất là giảm điện thế về zero, và cách khác là ngắt cặp tiếp điểm nhằm tạo ra
khoảng hở giữa dây dẫn đang mang dòng. Trong lịch sử, phương pháp sau là phổ biến
nhất được sử dụng để ngắt dòng điện.
Hanz Christian Oersted, Andre-Marie Ampere, và
Michael Faraday là một trong những người sử dụng đầu tiên biết về thuật ngữ máy
cắt điện, và theo ghi nhận của lịch sử máy cắt đầu tiên được hiểu đơn giản như cầu
dao thủy ngân nó bao gồm các thanh dẫn được ngâm trong một bể thủy
ngân.
Sau đó kĩ thuật ngắt dòng ngày càng phát triển, cầu
dao thủy ngân đã được thay thế bởi dao cắt mạch, mà vẫn được sử dụng rộng rãi
cho một số ứng dụng cơ bản điện áp thấp, công suất thấp. Ngày nay, với sự góp mặt
của nhiều quốc gia trong lĩnh vực công nghệ cắt dòng điện, Xử lý quá trình cắt ban
đầu rất quan trọng khi một cặp tiếp điểm tách rời nhau. Nó tiếp tục tách tiếp
điểm ra mỗi phía và nó tạo ra một plasma
cầu
trên khoảng cách vừa được tách ra. Quá
trình cắt được kết thúc khi dòng plasma là không còn khả năng dẫn
điện.
Bằng cách nhận biết rằng dòng plasma là không còn tồn
tại trong lõi của hồ quang điện, nó trở nên khá rõ ràng rằng hồ quang điện
chính là nhân tố
cơ bản, không thể bỏ qua, và phần tử chính hình
thành trong quá trình ngắt dòng.
Dựa trên nhận thức đơn giản này, tiếp theo là quá
trình dập tắt sự hình thành hồ quang điện dựa trên cơ sở dòng ngắt được xác định
trước. Nó rõ ràng sau đó là một hiểu biết hợp lý dựa trên cơ sở của lý thuyết hồ
quang là yêu tố cần thiết cho sự hiểu biết đúng đắn về xử lý quá trình ngắt. Nó
được hiểu rằng việc kiểm tra lại là cơ sở tiếp theo mô tả các hiện tượng phóng
điện có thể đáp ứng để củng cố nền tảng của máy sẽ được trình bày sau đối với
dòng ngắt.
1.1
Lý
thuyết cơ bản của phóng điện
Các nguyên tắc ảnh hưởng đến sự dẫn điện thông qua hai
môi trường là chất khí hoặc sự hóa hơi kim loại, dựa trên thực tế bởi sự hóa
hơi luôn luôn chứa hạt mang điện dương và âm cùng tất cả các kiểu phóng xả luôn
luôn bao hàm các quá trình rất cơ bản được tạo ra, sự chuyển động và hấp thụ của
điện tích như là phương tiện truyền dòng điện giữa các điện cực.
Để thuận tiện
và để dễ ràng cho việc xét các hiện tượng phóng điện khí, đối tượng sẽ được
chia thành ba loại lớn như sau:
a) Phóng
điện không tự duy trì;
b) Phóng
điện tự duy trì;
c) Hồ
quang điện.
1.1. 1
Phóng
điện không tự duy trì (The
non-self-sustaining discharge):
Khi điện áp đặt lên hai điện cực một lực tác dụng tỉ
lệ với cường độ trường điện tác động lên các hạt mang điện.
Lực này tạo ra chuyển động của các ion về phía cực âm (cathode) và các electron
về phía cực dương (anode). Khi các điện tích dịch chuyển hướng về các
điện cực chúng nhường chỗ cho các điện tích vì thế tạo ra một dòng điện đi qua
môi chất khí trung gian. Dòng điện này chỉ được duy trì nếu các hạt mang điện
tích được hấp thụ bởi các điện cực có sự thế chỗ nhau liên tục. Việc thay thế
các hạt mang điện có thể được thực hiện bởi một số các quá trình ion hóa như
quang điện, hoặc bức xạ nhiệt.
Ban đầu, dòng điện phóng rất nhỏ; Tuy nhiên, khi tăng
điện áp nó là tạo ra sự gia tăng dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế của điện
cực cho đến một mức độ mà ở đó các hạt mang điện là hấp thu bởi các điện cực ở
mức tương tự như khi chúng tạo ra. Một khi trạng thái này đạt được sự cân bằng về
dòng điện đầu tiên nhận biết được xác định là những giới hạn dòng
điện bão hòa. Giá trị của sự bão hòa dòng điện là phụ thuộc vào cường
độ của các ion hóa; nó cũng tỷ lệ với khối lượng khí điền trong không gian giữa
các điện cực cùng với áp suất chất khí.
Tại giới hạn độ bão hòa dòng điện vẫn liên tục mặc
dù tăng của điện áp cung cấp gấp nhiều lần mức độ ban đầu cần thiết để đạt được
giới hạn bão hòa dòng điện. Bởi vì sự bão hòa dòng điện là hoàn toàn phụ thuộc
vào sự có mặt của các hạt mang điện được cung cấp bởi các tác nhân ion hóa bên
ngoài, dạng phóng điện này được gọi là sự phóng điện không
tự duy trì.
Từ khi các hạt mang điện được tác động ở trên không
chỉ bởi các lực tác dụng của điện trường mà còn được tạo ra bởi lực tĩnh điện
do sự phân cực ngược của các điện cực. Nó có thể được hiểu rằng sự gia tăng điện
thế của điện cực tạo ra một tập trung các electron gần cực dương (anode) và ion
phân tử tích cực gần cực âm (cathode); vì vậy nó được hiểu như điện
tích không gian ở tại các biên điện cực.
Điện tích không gian dẫn đến sự gia tăng điện trường
tại các điện cực, điều này sẽ dẫn đến sự suy giảm của điện trường trong không
gian giữa các điện cực. Sự sụt giảm hiệu điện thế ở điện cực được hiểu là hiệu
điện thế đặt trên cực dương (anode), hay suy giảm anode, và hiệu
điện thế đặt trên cực âm (cathode), hay suy giảm cathode.
Như đã đề cập trước đó, Mỗi khi dòng điện đạt giá trị
bão hòa, điện áp trên hai phía điện cực (và sau đây gọi là điện trường) có thể
được tăng lên đáng kể mà không gây ra bất kỳ sự gia tăng có thể thấy ở dòng điện
xả. Tuy nhiên, khi cường độ điện trường tăng, vì vậy vận tốc chuyển động của
các hạt mang điện tích tăng. Từ sự gia tăng vận tốc tượng trưng cho sự gia tăng
động năng, nó là hợp lý để kỳ vọng rằng khi gia tốc điện tích này va chạm với hạt
trung hòa điện tử mới sẽ bị đánh bật ra từ các hạt và do đó được gọi là sự va
chạm ion hóa.
Trong trường hợp động năng là không đủ ion hóa hoàn
toàn hạt, nó có thể là sẽ đủ để sắp xếp lại các nhóm ban đầu của các electron bằng
cách di chuyển quanh quỹ đạo bình thường của chúng với quỹ đạo nằm ở khoảng
cách lớn hơn tách khỏi các nguyên tử trung tâm. Trạng thái này được mô tả như
là điều kiện kích thích của các nguyên tử. Một khi trạng thái này đã đạt được một
số lượng nhỏ hơn năng lượng sẽ đủ yêu cầu đánh bật thế chỗ electron (điện tử) bằng
sự kích thích nguyên tử này và kết thúc quá trình ion hóa. Nó rõ ràng khi, mà
có mức năng lượng thấp hơn các tác nhân ion hóa , sự tác động liên tiếp có thể
bắt đầu quá trình va chạm ion hóa.
Dòng điện trong các khu vực phóng không tự duy trì dừng
ngay khi nguồn bên ngoài được ngắt. Tuy nhiên, khi điện áp đạt đến một mức độ nào
đó nhất định dòng điện tăng rất nhanh và dẫn đến tia lửa phóng điện tự duy trì
bởi một trong hai hình thức là phóng điện phát quang hoặc hồ quang điện.
Trong nhiều trường hợp (ví dụ: giữa các bản điện cực
song song), quá trình chuyển đổi từ sự không tự duy trì sang phóng điện tự duy
trì dẫn đến đánh thủng hoặc phóng điện bề mặt ngay lập tức mà, với điều kiện là
nguồn điện áp là đủ lớn, sẽ dẫn đến duy trì sự cháy hồ quang liên tục. trong
trường hợp mà tụ điện phóng qua các điện cực, kết quả phóng điện tạo ra dạng
tia lửa thoảng qua.
Trong một số trường hợp khác, nơi cường độ điện trường
giảm nhanh đúng lúc
khoảng cách giữa các điện cực tăng lên, sự phóng điện
tạo ra dạng của phóng điện cục bộ bề mặt. Trong trường hợp này độ bền điện môi
của khoảng cách chất khí được vượt quá về phía các điện cực và dẫn đến phóng điện
phát quang được gọi là "vầng quang/corona" xuất hiện xung quanh các
điện cực.
Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ điện áp dòng điện
của
phóng điện tự duy trì.
1.1. 2
Phóng
điện tự duy trì
Việc chuyển đổi
từ phóng điện không tự duy trì sang tự duy trì được đặc trưng bởi sự gia tăng dòng
điện thông qua chất khí, khi đó điện áp giữa các điện cực vẫn duy trì gần như
không đổi. Khi hiệu điện thế điện cực được tăng lên tới điểm mà sự ion hóa xảy
ra một cách tự do, các ion dương tạo ra trong chất khí có thể tấn công các
cathode với một lực đủ để đẩy số điện tử cần thiết để duy trì sự phóng điện. Trong
trường hợp không có sự kích thích cần thiết bên ngoài và sự phóng điện được cho
là tự duy trì.
Trong giai đoạn
đầu của sự phóng điện tự duy trì mật độ dòng là chỉ duy trì một vài micro-ampe
trên mỗi cm vuông. (còn tiếp)
