Hồ quang điện

Hồ quang điện (hoặc phóng điện hồ quang) là sự cố điện của chất khí tạo ra sự phóng điện kéo dài. Dòng điện chạy qua một môi trường thông thường không dẫn điện như không khí sẽ tạo ra plasma, có thể tạo ra ánh sáng khả kiến. Sự phóng điện hồ quang được bắt đầu bằng phát xạ nhiệt hoặc phát xạ trường.

Sau khi bắt đầu, hồ quang phụ thuộc vào sự phát xạ nhiệt của các electron từ các điện cực hỗ trợ hồ quang. Sự phóng điện hồ quang được đặc trưng bởi điện áp thấp hơn sự phóng điện phát sáng. Một thuật ngữ cổ xưa là hồ quang điện, được sử dụng trong cụm từ “đèn hồ quang điện”.

Kỹ thuật triệt tiêu hồ quang có thể được sử dụng để giảm thời gian hoặc khả năng hình thành hồ quang.

Vào cuối thế kỷ 19, đèn hồ quang điện được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng công cộng. Một số hồ quang điện áp suất thấp được sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Ví dụ, đèn ống huỳnh quang, đèn thủy ngân, natri và halogen kim loại được sử dụng để chiếu sáng; đèn hồ quang xenon đã được sử dụng cho máy chiếu phim. Hồ quang điện có thể được sử dụng cho các quy trình sản xuất, chẳng hạn như hàn hồ quang điện, cắt plasma và lò hồ quang điện để tái chế thép.

Lịch sử của hồ quang điện

Ngài Humphry Davy đã phát hiện ra hồ quang điện xung ngắn vào năm 1800. Năm 1801, ông mô tả hiện tượng này trong một bài báo đăng trên Tạp chí Triết học Tự nhiên, Hóa học và Nghệ thuật của William Nicholson. Theo khoa học hiện đại, mô tả của Davy là một tia lửa chứ không phải một vòng cung.

Cùng năm đó, Davy đã công khai chứng minh hiệu ứng này trước Hiệp hội Hoàng gia bằng cách truyền một dòng điện qua hai thanh carbon chạm vào nhau rồi kéo chúng ra xa nhau một khoảng ngắn. Cuộc biểu tình tạo ra một vòng cung “yếu ớt”, không dễ phân biệt với một tia lửa duy trì, giữa các điểm than.

Hiệp hội đã đăng ký một bộ pin mạnh hơn gồm 1.000 tấm, và vào năm 1808, ông đã chứng minh được vòng cung quy mô lớn. Ông được cho là người đã đặt tên cho cung đường này. Ông gọi nó là vòng cung vì nó có dạng hình cánh cung hướng lên khi khoảng cách giữa các điện cực không nhỏ. Điều này là do lực nổi tác dụng lên khí nóng.

Hồ quang liên tục đầu tiên được phát hiện độc lập vào năm 1802 và được mô tả vào năm 1803 như một “chất lỏng đặc biệt có tính chất điện”, bởi Vasily V. Petrov, một nhà khoa học người Nga đang thử nghiệm một pin đồng-kẽm gồm 4200 đĩa.

Vào cuối thế kỷ 19, đèn hồ quang điện được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng công cộng. Xu hướng hồ quang điện nhấp nháy và phát ra tiếng rít là một vấn đề lớn. Năm 1895, Hertha Marks Ayrton viết một loạt bài cho tờ Electrician, giải thích rằng những hiện tượng này là kết quả của việc oxy tiếp xúc với các thanh carbon dùng để tạo ra hồ quang.

Năm 1899, bà là người phụ nữ đầu tiên đọc bài báo của chính mình trước Viện Kỹ sư Điện (IEE). Bài báo của cô có tựa đề “Tiếng rít của hồ quang điện”. Ngay sau đó, Ayrton được bầu làm thành viên nữ đầu tiên của IEE; người phụ nữ tiếp theo được nhận vào IEE là vào năm 1958. Cô đã yêu cầu trình bày một bài báo trước Hiệp hội Hoàng gia, nhưng cô không được phép vì giới tính của mình, và “Cơ chế của hồ quang điện” đã được John Perry thay cô đọc vào năm 1901.

Tổng quan về hồ quang điện

Hồ quang điện là dạng phóng điện có mật độ dòng điện cao nhất. Dòng điện cực đại qua hồ quang chỉ bị giới hạn bởi mạch điện bên ngoài chứ không phải bởi chính hồ quang.

Một hồ quang giữa hai điện cực có thể được bắt đầu bằng quá trình ion hóa và phóng điện phát sáng, khi dòng điện qua các điện cực tăng lên. Điện áp đánh thủng của khe hở điện cực là hàm tổng hợp của áp suất, khoảng cách giữa các điện cực và loại khí bao quanh các điện cực.

Khi hồ quang bắt đầu, điện áp đầu cuối của nó nhỏ hơn nhiều so với sự phóng điện phát sáng và dòng điện cao hơn. Hồ quang trong chất khí gần áp suất khí quyển được đặc trưng bởi sự phát xạ ánh sáng khả kiến, mật độ dòng điện cao và nhiệt độ cao.

Hồ quang được phân biệt với sự phóng điện phát sáng một phần nhờ nhiệt độ tương tự của các electron và ion dương; trong quá trình phóng điện phát sáng, các ion lạnh hơn nhiều so với các electron.

Một hồ quang được vẽ có thể được bắt đầu bởi hai điện cực ban đầu tiếp xúc và tách ra; điều này có thể bắt đầu tạo ra hồ quang mà không có sự phóng điện phát sáng ở điện áp cao. Đây là cách người thợ hàn bắt đầu hàn một mối nối, chạm tạm thời điện cực hàn vào phôi rồi rút ra cho đến khi hình thành hồ quang ổn định.

Một ví dụ khác là việc tách các tiếp điểm điện trong công tắc, rơle hoặc cầu dao; trong các mạch năng lượng cao, có thể cần phải ngăn chặn hồ quang để tránh làm hỏng các tiếp điểm.

Điện trở dọc theo hồ quang điện liên tục tạo ra nhiệt, làm ion hóa nhiều phân tử khí hơn (trong đó mức độ ion hóa được xác định bởi nhiệt độ) và theo trình tự sau: rắn-lỏng-khí-plasma; khí dần dần biến thành plasma nhiệt.

Một plasma nhiệt ở trạng thái cân bằng nhiệt; nhiệt độ tương đối đồng nhất trong các nguyên tử, phân tử, ion và electron. Năng lượng truyền cho các electron bị phân tán nhanh chóng sang các hạt nặng hơn do va chạm đàn hồi, do chúng có tính linh động lớn và số lượng lớn.

Dòng điện trong hồ quang được duy trì nhờ sự phát xạ nhiệt và trường phát xạ của các electron ở cực âm. Dòng điện có thể tập trung ở một điểm nóng rất nhỏ trên cực âm; mật độ dòng điện vào cỡ một triệu ampe trên mỗi cm vuông có thể được tìm thấy.

Không giống như sự phóng điện phát sáng, hồ quang có cấu trúc khó nhận biết được vì cột dương khá sáng và kéo dài gần đến các điện cực ở cả hai đầu. Sự sụt giảm cực âm và cực dương vài volt xảy ra trong phạm vi một phần milimet của mỗi điện cực. Cột dương có gradient điện áp thấp hơn và có thể không có trong các cung rất ngắn.

Hồ quang dòng điện xoay chiều tần số thấp (nhỏ hơn 100 Hz) giống hồ quang dòng điện một chiều; trong mỗi chu kỳ, hồ quang được bắt đầu bằng sự đánh thủng và các điện cực trao đổi vai trò, như cực dương hoặc cực âm, khi dòng điện đảo chiều.

Khi tần số của dòng điện tăng lên, không có đủ thời gian để tất cả sự ion hóa phân tán trong mỗi nửa chu kỳ, và sự đánh thủng không còn cần thiết để duy trì hồ quang; đặc tính điện áp và dòng điện trở nên gần giống với điện trở hơn.

Các hình dạng khác nhau của hồ quang điện là đặc tính nổi bật của các mô hình phi tuyến tính của dòng điện và điện trường. Hồ quang xảy ra trong không gian chứa đầy khí giữa hai điện cực dẫn điện (thường được làm bằng vonfram hoặc carbon) và tạo ra nhiệt độ rất cao, có khả năng làm nóng chảy hoặc làm bay hơi hầu hết các vật liệu.

Hồ quang điện là sự phóng điện liên tục, trong khi sự phóng tia lửa điện tương tự chỉ là nhất thời. Hồ quang điện có thể xảy ra trong mạch điện một chiều (DC) hoặc trong mạch điện xoay chiều (AC). Trong trường hợp sau, hồ quang có thể xuất hiện trở lại sau mỗi nửa chu kỳ của dòng điện.

Hồ quang điện khác với phóng điện phát sáng ở chỗ mật độ dòng điện khá cao và điện áp rơi trong hồ quang thấp; ở cực âm, mật độ dòng điện có thể cao tới một megaampe trên mỗi cm vuông.

Hồ quang điện có mối quan hệ phi tuyến tính giữa dòng điện và điện áp. Khi hồ quang được thiết lập (hoặc bằng cách phóng điện phát sáng  hoặc bằng cách chạm vào các điện cực trong giây lát rồi tách chúng ra), dòng điện tăng sẽ dẫn đến điện áp thấp hơn giữa các đầu hồ quang. Hiệu ứng điện trở âm này đòi hỏi phải đặt một số dạng trở kháng dương (như chấn lưu điện) vào mạch để duy trì hồ quang ổn định.

Đặc tính này là lý do khiến hồ quang điện không được kiểm soát trong thiết bị trở nên có sức tàn phá lớn, vì một khi bắt đầu hồ quang sẽ hút ngày càng nhiều dòng điện từ nguồn điện áp cố định cho đến khi thiết bị bị phá hủy.

Hồ quang điện được sử dụng như thế nào

Trong công nghiệp, hồ quang điện được sử dụng để hàn, cắt plasma, gia công phóng điện, làm đèn hồ quang trong máy chiếu phim và đèn sân khấu. Lò hồ quang điện được sử dụng để sản xuất thép và các chất khác. Canxi cacbua được điều chế theo cách này vì nó cần một lượng lớn năng lượng để thúc đẩy phản ứng thu nhiệt (ở nhiệt độ 2500 °C).

Đèn hồ quang carbon là đèn điện đầu tiên. Chúng được sử dụng làm đèn đường vào thế kỷ 19 và cho các ứng dụng chuyên dụng như đèn rọi cho đến Thế chiến thứ hai. Ngày nay, hồ quang điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Ví dụ, đèn ống huỳnh quang, đèn thủy ngân, natri và đèn halogen kim loại được sử dụng để chiếu sáng; Đèn hồ quang xenon được sử dụng cho máy chiếu phim và đèn sân khấu.

Sự hình thành hồ quang điện cường độ cao, tương tự như tia chớp hồ quang quy mô nhỏ, là nền tảng của ngòi nổ dây cầu.

Hồ quang điện được sử dụng trong máy bay phản lực hồ quang, một dạng động cơ điện của tàu vũ trụ.

Chúng được sử dụng trong phòng thí nghiệm để quang phổ nhằm tạo ra sự phát xạ quang phổ bằng cách đốt nóng mạnh một mẫu vật chất.

Bảo vệ các thiết bị điện

Arc vẫn đang được sử dụng trong các thiết bị đóng cắt điện áp cao để bảo vệ mạng lưới truyền tải điện áp cao. Để bảo vệ một thiết bị (ví dụ: tụ điện nối tiếp trong đường dây truyền tải) khỏi quá điện áp, một thiết bị tạo hồ quang, còn gọi là khe hở tia lửa, được nối song song với thiết bị.

Khi điện áp đạt đến ngưỡng đánh thủng không khí, một hồ quang sẽ đốt cháy trên bugi và làm đoản mạch các cực của thiết bị, do đó bảo vệ thiết bị sau khỏi quá điện áp. Để lắp lại thiết bị, hồ quang cần phải được dập tắt, điều này có thể đạt được bằng nhiều cách.

Ví dụ, khe hở tia lửa điện có thể được lắp với các sừng phóng hồ quang – hai dây, gần như thẳng đứng nhưng phân kỳ dần dần về phía trên theo hình chữ V hẹp. Sau khi đánh lửa, hồ quang sẽ di chuyển lên dọc theo dây và sẽ bị đứt khi khoảng cách giữa các dây trở nên quá lớn.

Nếu hồ quang bị dập tắt và tình trạng kích hoạt ban đầu không còn tồn tại (lỗi đã được giải quyết hoặc công tắc bypass được kích hoạt), hồ quang sẽ không bùng phát trở lại. Hồ quang cũng có thể bị phá vỡ bởi một luồng khí nén hoặc một loại khí khác.

Hồ quang không mong muốn cũng có thể xảy ra khi mở công tắc điện áp cao và tắt theo cách tương tự. Các thiết bị hiện đại sử dụng lưu huỳnh hexafluoride ở áp suất cao trong dòng chảy vòi phun giữa các điện cực tách biệt trong bình điều áp. Dòng điện hồ quang bị gián đoạn tại thời điểm này trong chu kỳ AC khi dòng điện về 0 và các ion SF6 có độ âm điện cao nhanh chóng hấp thụ các electron tự do từ plasma phân rã.

Công nghệ SF6 hầu hết đã thay thế công nghệ dựa trên không khí tương tự vì cần có nhiều thiết bị phun khí ồn ào nối tiếp để ngăn hồ quang bên trong công tắc bắt lửa lại.

Giải trí trực quan

Thang Jacob (chính thức hơn là hồ quang di chuyển bằng điện áp cao) là một thiết bị để tạo ra một chuỗi hồ quang điện liên tục hướng lên trên. Thiết bị này được đặt tên theo Thang Jacob dẫn lên thiên đường như được mô tả trong Kinh thánh. Tương tự như các sừng phóng hồ quang, khe hở tia lửa được hình thành bởi hai dây phân kỳ từ chân đế lên trên.

Khi điện áp cao được đặt vào khe hở, một tia lửa điện sẽ hình thành dọc theo đáy dây nơi chúng ở gần nhau nhất, nhanh chóng chuyển thành hồ quang điện. Không khí bị phá vỡ ở mức khoảng 30 kV/cm, tùy thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, v.v. Ngoài việc giảm điện áp ở cực dương và cực âm, hồ quang hoạt động gần giống như đoản mạch, tiêu thụ dòng điện bằng mức mà nguồn điện có thể cung cấp, và tải nặng làm giảm đáng kể điện áp trên khe hở.

Không khí bị ion hóa nóng lên bốc lên, mang theo đường đi của dòng điện. Khi vệt ion hóa kéo dài hơn, nó ngày càng trở nên không ổn định và cuối cùng bị đứt. Sau đó, điện áp trên các điện cực tăng lên và tia lửa điện lại hình thành ở đáy thiết bị.

Chu kỳ này dẫn đến một màn trình diễn kỳ lạ của các vòng cung điện màu trắng, vàng, xanh lam hoặc tím, thường thấy trong các bộ phim kinh dị và phim về các nhà khoa học điên.

Thiết bị này là thiết bị không thể thiếu trong các trường học và hội chợ khoa học những năm 1950 và 1960, thường được chế tạo từ cuộn dây đánh lửa Model T hoặc bất kỳ nguồn điện áp cao nào khác trong phạm vi 10.000–30.000 volt, chẳng hạn như máy biến áp tín hiệu đèn neon (5–15 kV) hoặc mạch ống hình ảnh truyền hình (máy biến áp flyback) (10–28 kV) và hai móc treo áo hoặc thanh được chế tạo thành hình chữ V.

Đối với những chiếc thang lớn hơn, máy biến áp lò vi sóng mắc nối tiếp, bộ nhân điện áp và máy biến áp cực hữu ích (lợn cực) chạy ngược (bước lên) thường được sử dụng.

Hướng dẫn vòng cung

Các nhà khoa học đã phát hiện ra phương pháp kiểm soát đường đi của hồ quang giữa hai điện cực bằng cách bắn chùm tia laser vào chất khí giữa hai điện cực. Khí trở thành plasma và dẫn hướng hồ quang. Bằng cách xây dựng đường dẫn plasma giữa các điện cực bằng các chùm tia laser khác nhau, hồ quang có thể được tạo thành các đường cong và hình chữ S.

Vòng cung cũng có thể gặp chướng ngại vật và chuyển sang phía bên kia của chướng ngại vật. Công nghệ hồ quang dẫn hướng bằng laser có thể hữu ích trong các ứng dụng cung cấp tia lửa điện đến một điểm chính xác.

Phóng điện hồ quang

Sự phóng điện hồ quang ngoài ý muốn có thể có tác động bất lợi đến việc truyền tải điện, hệ thống phân phối và thiết bị điện tử. Các thiết bị có thể gây ra hồ quang bao gồm công tắc, cầu dao, tiếp điểm rơle, cầu chì và đầu nối cáp kém. Khi mạch cảm ứng bị tắt, dòng điện không thể ngay lập tức nhảy về 0: một hồ quang nhất thời sẽ được hình thành trên các tiếp điểm tách biệt.

Các thiết bị chuyển mạch nhạy cảm với hồ quang thường được thiết kế để ngăn chặn và dập tắt hồ quang, đồng thời các mạch giảm chấn có thể cung cấp đường dẫn cho dòng điện nhất thời, ngăn ngừa hồ quang. Nếu mạch có đủ dòng điện và điện áp để duy trì hồ quang hình thành bên ngoài thiết bị chuyển mạch thì hồ quang có thể gây hư hỏng cho thiết bị như làm nóng chảy dây dẫn, phá hủy lớp cách điện và cháy.

Đèn flash hồ quang mô tả một sự kiện điện nổ gây nguy hiểm cho con người và thiết bị.

Có thể giảm bớt hiện tượng hồ quang không mong muốn trong các tiếp điểm điện của công tắc tơ, rơle và công tắc bằng các thiết bị như bộ triệt tiêu hồ quang tiếp điểm và bộ giảm âm RC hoặc thông qua các kỹ thuật bao gồm:

• ngâm trong dầu biến áp, khí điện môi hoặc chân không
• máng vòng cung
• vụ nổ từ tính
• nổ khí nén
• địa chỉ liên lạc hy sinh (“arcing”)
• vật liệu giảm chấn để hấp thụ năng lượng hồ quang, bằng nhiệt hoặc thông qua phân hủy hóa học

Hồ quang điện cũng có thể xảy ra khi có kênh điện trở thấp (vật lạ, bụi dẫn điện, hơi ẩm…) hình thành giữa những nơi có điện áp khác nhau. Kênh dẫn điện sau đó có thể tạo điều kiện cho sự hình thành hồ quang điện. Không khí bị ion hóa có độ dẫn điện cao gần bằng kim loại và nó có thể dẫn dòng điện cực cao, gây đoản mạch và ngắt các thiết bị bảo vệ (cầu chì và cầu dao).

Tình huống tương tự có thể xảy ra khi bóng đèn bị cháy và các mảnh dây tóc tạo ra hồ quang điện giữa các dây dẫn bên trong bóng đèn, dẫn đến hiện tượng quá dòng làm ngắt cầu dao.

Một hồ quang điện trên bề mặt nhựa gây ra sự xuống cấp của chúng. Một rãnh giàu cacbon dẫn điện có xu hướng hình thành trên đường hồ quang, được gọi là “vết cacbon”, ảnh hưởng tiêu cực đến đặc tính cách nhiệt của chúng.

Độ nhạy hồ quang hay “điện trở vết” được kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM D495, bằng điện cực điểm và hồ quang liên tục và gián đoạn; nó được đo bằng số giây cần thiết để tạo thành một rãnh dẫn điện trong điều kiện dòng điện thấp, điện áp cao.Một số vật liệu ít bị suy thoái hơn những vật liệu khác.

Ví dụ, polytetrafluoroethylene có khả năng chống hồ quang khoảng 200 giây (3,3 phút). Trong số các loại nhựa nhiệt rắn thì nhựa alkyd và nhựa melamine tốt hơn nhựa phenolic. Polyethylene có khả năng chống hồ quang khoảng 150 giây; polystyrenes và polyvinyl clorua có điện trở tương đối thấp khoảng 70 giây. Nhựa có thể được chế tạo để phát ra các loại khí có đặc tính dập hồ quang; chúng được gọi là nhựa dập hồ quang.

Phóng hồ quang trên một số loại bảng mạch in, có thể do các vết nứt hoặc hỏng mối hàn, làm cho lớp cách điện bị ảnh hưởng dẫn điện khi chất điện môi bị đốt cháy do nhiệt độ cao. Độ dẫn điện này kéo dài thời gian phóng hồ quang do bề mặt bị phá hủy theo tầng.

Ức chế hồ quang điện

Ngăn chặn hồ quang là một phương pháp cố gắng giảm hoặc loại bỏ hồ quang điện. Có một số lĩnh vực có thể sử dụng các phương pháp triệt tiêu hồ quang, trong số đó có lắng đọng và phún xạ màng kim loại, bảo vệ tia hồ quang, các quá trình tĩnh điện nơi không mong muốn hồ quang điện (chẳng hạn như sơn bột, lọc không khí, đánh bóng màng PVDF) và triệt tiêu hồ quang bằng dòng điện tiếp xúc.

Trong thiết kế điện tử công nghiệp, quân sự và tiêu dùng, phương pháp sau thường áp dụng cho các thiết bị như công tắc nguồn cơ điện, rơle và công tắc tơ. Trong bối cảnh này, việc triệt tiêu hồ quang sử dụng phương pháp bảo vệ tiếp điểm.

Một phần năng lượng của hồ quang điện tạo thành các hợp chất hóa học mới từ không khí xung quanh hồ quang: chúng bao gồm các oxit nitơ và ozon, chất thứ hai có thể được phát hiện bằng mùi hăng đặc biệt của nó. Những hóa chất này có thể được tạo ra bởi các tiếp điểm công suất cao trong rơle và cổ góp động cơ, và chúng ăn mòn các bề mặt kim loại gần đó.

Hồ quang điện cũng làm xói mòn bề mặt của các điểm tiếp xúc, làm chúng mòn đi và tạo ra điện trở tiếp xúc cao khi đóng lại.

Mối nguy hiểm cho sức khỏe

Việc tiếp xúc với thiết bị tạo hồ quang có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe. Hồ quang hình thành trong không khí sẽ ion hóa oxy và nitơ, sau đó có thể tái tạo thành các phân tử phản ứng như ozon và oxit nitric. Những sản phẩm này có thể gây tổn hại cho màng nhầy.

Thực vật cũng dễ bị nhiễm độc ozone. Những mối nguy hiểm này lớn nhất khi hồ quang điện liên tục và trong một không gian kín như một căn phòng. Hồ quang xảy ra bên ngoài ít nguy hiểm hơn vì khí bị ion hóa nóng lên sẽ bay lên không khí và tiêu tán vào khí quyển. Các khe hở tia lửa điện chỉ tạo ra các tia lửa điện ngắn không liên tục cũng ít nguy hiểm hơn vì lượng ion tạo ra rất nhỏ.

Vòng cung cũng có thể tạo ra phổ bước sóng rộng trải dài trong ánh sáng khả kiến ​​cũng như phổ tử ngoại và hồng ngoại vô hình. Các hồ quang điện có cường độ rất mạnh được tạo ra bằng các phương pháp như hàn hồ quang có thể tạo ra một lượng đáng kể bức xạ cực tím gây tổn hại đến giác mạc của người quan sát.

Những vòng cung này chỉ nên được quan sát thông qua các bộ lọc tối đặc biệt giúp giảm cường độ hồ quang và che chắn mắt người quan sát khỏi tia cực tím.

Nếu bạn cần thiết bị lường đo điện chính hãng, uy tín

Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị đo lường điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.

Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Kỹ thuật cơ điện tử là gì?