Khám phá hiện tượng hồ quang điện – Bản chất, ứng dụng

Chu Văn An

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện tự phát xảy ra trong chất khí ở áp suất bình thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có chênh lệch điện áp nhỏ, phát ra ánh sáng và nhiệt độ mạnh. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này chúng ta cùng tìm hiểu hồ quang điện là gì? Bản chất và điều kiện xảy ra hồ quang điện được mô tả trong bài viết dưới đây.

1. Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện thực chất là một loại plasma, với sự trao đổi điện tích liên tục, kèm theo phát sáng và tỏa nhiệt mạnh. Quá trình này xảy ra trong chất khí ở áp suất bình thường hoặc áp suất thấp, với sự chênh lệch điện thế nhỏ giữa hai điện cực.

Hiện tượng hồ quang điện

Trong hồ quang điện, dòng điện chủ yếu là các electron nhưng cũng bao gồm các ion âm, electron và các ion chuyển động từ cực âm sang cực dương. Nhưng cũng có trường hợp một phần ion dương đi theo hướng ngược lại. Điều này dẫn đến sự va chạm của các ion âm và electron với cực dương, khiến nhiệt độ của cực dương tăng lên, thậm chí có thể lên tới 3500 độ C.

Điện trở của hồ quang điện rất nhỏ. Nguyên nhân có thể là do khí giữa hai cực ở nhiệt độ cao nên bị ion hóa và dẫn điện tốt. Dòng điện trong mạch cũng có thể rất lớn, đạt tới hàng chục ampe và điện áp thấp.

2. Đặc điểm của hiện tượng hồ quang điện

– Hiện tượng hồ quang phát sáng thường xảy ra khi dòng điện có giá trị lớn.

– Tâm hồ quang thường có nhiệt độ rất cao, lên tới 6000 – 80000K.

– Ở cực âm, mật độ dòng điện lớn, thường nằm trong khoảng 104 – 105 A/cm2.

– Trong thực tế, độ giảm áp ở catốt không phụ thuộc vào dòng điện và có giá trị trong khoảng từ 10 đến 20V.

3. Cách tạo hiện tượng hồ quang điện

3.1. Điều kiện cần để tạo ra hồ quang điện

Để xảy ra hồ quang điện cần có hai yếu tố sau:

– Tạo điều kiện cho hai điện cực nóng đỏ, đạt đến mức có thể phát ra electron.

– Tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hóa không khí, tạo ra tia lửa điện có cường độ điện trường tương ứng.

3.2. Quá trình tạo ra hồ quang điện

Các tiếp điểm có dòng điện nhỏ và khoảng cách ban đầu rất nhỏ. Trong khi đó, điện áp đặt vào có vị trí cố định, tạo ra một điện trường lớn trong không gian giữa chúng, khiến các electron từ cực âm bị giải phóng. Hiện tượng này được gọi là sự tự bức xạ điện tử, hay còn gọi là hiện tượng điện phát xạ lạnh. Khi số lượng electron này tăng lên, dưới tác dụng của điện trường, chúng có thể làm ion hóa không khí và gây ra hồ quang điện.

Quá trình tạo ra hồ quang điện

Tuy nhiên, khi tiếp điểm có dòng điện lớn thì quá trình phát hồ quang trở nên phức tạp hơn. Ban đầu, khi các tiếp điểm mở ra, áp suất giữa chúng thấp, dẫn đến chỉ còn một lượng nhỏ các tiếp điểm để dòng điện đi qua. Khi mật độ dòng điện tăng lên đáng kể, có thể lên tới hàng chục nghìn A/cm2, nhiệt độ tại các tiếp điểm tăng lên dẫn đến bay hơi và tạo ra hồ quang điện trong không gian giữa hai tiếp điểm.

4. Ứng dụng của hồ quang điện

Quá trình tự xả này mang lại nhiều ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực như sản xuất thép và nhiều lĩnh vực khác.

Hiện tượng tự phóng điện này còn được ứng dụng trong quá trình hàn điện nhờ nhiệt độ cao của hai điện cực. Một điện cực trong hồ quang là que hàn, còn điện cực kia là tấm kim loại cần hàn. Nhiệt độ cao tạo ra giữa 2 điện cực này sẽ làm que hàn nóng chảy và lấp đầy các vị trí cần hàn trên tấm kim loại.

Ứng dụng hồ quang điện trong hàn kim loại

Ngoài những ứng dụng trên, hiện tượng tự phóng điện này còn được ứng dụng trong các quá trình luyện nhiệt, luyện kim loại và nhiều ứng dụng khác.

Công nghệ hàn hồ quang điện hiện nay là phương pháp hàn phổ biến nhất để kết nối các bộ phận mà không cần tháo rời, sử dụng nhiệt từ hồ quang điện. Trong quá trình hàn hồ quang điện, nhiệt độ cao tập trung tại một điểm trên vật hàn, tạo ra một lượng nhiệt lớn tại vị trí đó. Điều này giúp cho vật hàn dễ dàng tan chảy ngay lập tức và do năng lượng nhiệt không truyền đi xa nên sự biến dạng của vật hàn không nghiêm trọng như trong quá trình hàn khí.

Mặc dù quá trình hàn hồ quang điện đôi khi khá phức tạp nhưng ở những nơi có nguồn điện lại được coi là phương pháp hàn tiện lợi và tiết kiệm. Hiện nay, công nghệ hàn hồ quang điện đang phát triển rộng rãi và trong tương lai dự kiến ​​sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn so với hàn khí.

5. Hồ quang điện có hại không?

5.1. Đối với thiết bị

Sự xuất hiện của phóng điện hồ quang có thể dẫn đến hư hỏng các thiết bị điện. Nguyên nhân chính là do điện áp thay đổi đột ngột, gây chập mạch hệ thống cục bộ. Cụ thể, sự hao mòn của các tiếp điểm động thường xảy ra dưới tác động của nhiệt độ tăng cao.

Điều này tạo ra nhu cầu thay thế thiết bị đóng cắt hàng năm, đặc biệt khi phải thay số lượng lớn thiết bị, có thể gây khó khăn cho hoạt động của doanh nghiệp.

5.2. Đối với con người

Phóng hồ quang có khả năng gây cháy nổ, đe dọa sức khoẻ và tính mạng con người. Nếu tiếp xúc trực tiếp với tia lửa hồ quang có thể gây tổn thương niêm mạc mắt, dẫn đến đau mắt và khó chịu. Nếu không sử dụng thiết bị bảo hộ đầy đủ trong quá trình hàn, nó có thể gây tổn thương lớp biểu bì da bên ngoài, dẫn đến bong tróc da mặt.

Nguy cơ cháy nổ do hồ quang điện

5. Biện pháp khắc phục hiện tượng hồ quang điện

Nâng cao chất lượng sản phẩm là bước quan trọng nhằm tăng tuổi thọ của thiết bị. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tích hợp các mô-đun cảm biến cảnh báo độc lập trong thiết bị đóng cắt và buồng ngăn chặn hồ quang điện áp thấp.

Để đảm bảo an toàn lao động, người lao động cần trang bị cho mình các phương tiện bảo hộ lao động phù hợp và có kiến ​​thức tốt nhất về an toàn lao động.

Để dập tắt hiện tượng hồ quang điện, thực hiện như sau:

– Giảm nhiệt độ của hồ quang bằng cách sử dụng khí hoặc dầu làm mát hoặc sử dụng vách ngăn để tránh tiếp xúc với hồ quang.

– Mở rộng vòng cung bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí để dập tắt.

– Chia cung thành các đoạn nhỏ.

– Dùng năng lượng từ hồ quang hoặc năng lượng từ bên ngoài để dập tắt hồ quang.

– Tiêu thụ năng lượng hồ quang bằng cách nối điện trở Shunt.

Hy vọng bài viết trên cung cấp những thông tin hữu ích về hiện tượng hồ quang điện cho bạn đọc.