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

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa 2 điện cực có hiệu điện thế không lớn, phát ra nguồn ánh sáng và toả nhiệt mạnh. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta hãy cùng khám phá Hồ quang điện là gì? Tình chất và điều kiện xảy ra hồ quang điện qua bài viết dưới đây. 

1. Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện thực tế là một loại plasma, xảy ra sự trao đổi liên tục của các điện tích, có kèm theo hiện tượng phát sáng và tỏa nhiệt mạnh. Quá trình này xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp, giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.

Hiện tượng hồ quang điện

Trong hồ quang điện, dòng điện chủ yếu là các electron, nhưng cũng bao gồm các ion âm, các electron và ion di chuyển từ cathode đến anode. Nhưng cũng có trường hợp 1 phần ion dương đi theo chiều ngược lại. Điều này dẫn đến va chạm của ion âm và electron với anode, gây ra tăng nhiệt độ của anode, thậm chí có thể lên đến 3500 độ C.

Điện trở của hồ quang điện rất nhỏ. Nguyên nhân có thể là do chất khí giữa 2 cực nhiệt độ cao nên bị ion hoá và dẫn điện tốt. Cường độ dòng điện trong mạch cũng có thể rất lớn, có thể đạt hàng chục ampe và hiệu điện thế thấp.

2. Đặc điểm của hiện tượng hồ quang điện

- Hiện tượng phát sáng của hồ quang thường xảy ra khi dòng điện có giá trị cao.

- Trung tâm của hồ quang thường có nhiệt độ rất cao, có thể lên đến từ 6000 đến 80000K.

- Tại cathode, mật độ dòng điện lớn, thường trong khoảng từ 104 đến 105 A/cm2.

- Trong thực tế, hiện tượng giảm áp tại cathode không phụ thuộc vào dòng điện và có gí trị trong khoảng từ 10 đến 20V.

3. Cách tạo ra hiện tượng hồ quang điện

3.1. Điều kiện cần tạo ra hồ quang điện

Để hiện tượng hồ quang điện xảy ra cần có đủ 2 yếu tố sau:

- Tạo ra điều kiện để hai điện cực nóng đỏ, đạt đến mức có thể phát ra các electron.

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

3.2. Quá trình phát sinh hồ quang điện

Các tiếp điểm với 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 trường điện có cường độ lớn trong không gian giữa chúng, làm cho các electron từ cathode có thể bị giải phóng. Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự động điện tử, hoặc còn được biết đến là phát xạ điện nguội. Khi số lượng electron này tăng lên, chúng, dưới tác động của trường điện, có thể ion hóa không khí và gây ra hiện tượng hồ quang điện.

Quá trình phát sinh hồ quang điện

Tuy nhiên, khi tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát xạ hồ quang điện trở nên phức tạp hơn. Ban đầu, khi mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng thấp, dẫn đến số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua ít. Khi mật độ dòng điện tăng đáng kể, có thể đạt hàng chục nghìn A/cm2, nhiệt độ tại các tiếp điểm tăng cao, dẫn đến bốc hơi và tạo ra hồ quang điện trong không gian giữa hai tiếp điểm.

4. Ứng dụng của hồ quang điện

Quá trình tự phóng điện này mang lại rất nhiều ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực như luyện thép và nhiều lĩnh vực khác.

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

Ứng dụng hồ quang điện trong hàn kim loại

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

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

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

5. Hồ quang điện có gây hại không?

5.1. Đối với thiết bị

Sự xuất hiện của hiện tượng phóng hồ quang điện có thể dẫn đến việc hỏng hóc các thiết bị điện. Nguyên nhân chính là sự biến đổi đột ngột của điện áp, gây ngắn mạch trong hệ thống cục bộ. Cụ thể, việc đánh mòn và hỏng hóc các tiếp điểm động lực thường xảy ra dưới tác động của nhiệt độ tăng cao.

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

5.2. Đối với con người

Phóng điện hồ quang có tiềm năng gây ra nguy cơ cháy nổ và hỏa hoạn, đe dọa đến sức khỏe và tính mạng của con người. Nếu tiếp xúc trực tiếp với tia lửa hồ quang, có thể gây tổn thương cho niêm mạc mắt, dẫn đến đau mắt và sự khó chịu. Nếu không sử dụng đầy đủ trang thiết bị bảo vệ trong quá trình thực hiện công việc hàn, có thể gây hại cho lớp biểu bì da bên ngoài, dẫn đến sự bong tróc da mặt.

Nguy cơ hỏa hoạn do phóng điện hồ quang

5. Biện pháp khắc phục hiện tượng hồ quang điện

Cải thiện chất lượng sản phẩm là một bước quan trọng để gia tăng tuổi thọ của các thiết bị. Điều này có thể được thực hiện bằng việc tích hợp các module cảm biến cảnh báo hoạt động độc lập trong các thiết bị đóng cắt và buồng dập hồ quang hạ thế.

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

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

- Làm giảm nhiệt độ của hồ quang bằng cách sử dụng khí hoặc dầu làm nguội hoặc sử dụng vách ngăn để ngăn hồ quang tiếp xúc.

- Kéo dài hồ quang bằng cách sử dụng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí để dập tắt.

- Chia nhỏ hồ quang thành các đoạn nhỏ.

- Sử dụng năng lượng từ hồ quang hoặc năng lượng từ bên ngoài để dập tắt hồ quang.

- Tiêu thụ năng lượng của hồ quang bằng cách mắc điện trở Shunt.

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