Hồ quang điện là gì? Ứng dụng và tác hại của hồ quang điện

Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Trên thực tế, hồ quang điện là dạng đặc biệt thứ tư của plasma, được tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục. Nó thường sản sinh ra ánh sáng nhìn thấy được và sự tỏa nhiệt mạnh. Hồ quang điện đặc trưng bởi điện áp thấp hơn sự phóng điện phát sáng (hiện tượng xảy ra trong các bóng đèn khí như đèn neon từ 100 V đến vài nghìn V) và phụ thuộc vào sự phát xạ nhiệt của các electron từ hai điện cực.

Dòng điện chạy qua chất khí giữa hai cực chủ yếu là dòng electron (và cả ion âm) đi từ cathode đến anode, nhưng cũng có một phần là dòng ion dương đi từ anode đến cathode. Các ion âm và electron tới đập vào anode, làm anot nóng lên, nhiệt độ có thể lên đến 3500℃. Do đó, anode phát sáng mạnh ; tại đó hầu hết vật liệu bị nóng chảy và thậm chí bay hơi, nên anode bị lõm vào, làm cho mạch điện bị nối tắt. Còn các ion dương khi tới đập vào cathode thì cũng làm cho cathode duy trì được trạng thái nóng đỏ ban đầu và phát ra các electron (phát xạ nhiệt electron). Chất khí giữa 2 cực ở nhiệt độ cao nên bị ion hóa và dẫn điện tốt, nhờ đó điện trở của khí trong hồ quang điện rất nhỏ. Cường độ dòng điện trong mạch có thể khá lớn, đạt hàng chục ampe.

Dòng điện chạy qua khí giữa 2 cực chủ yếu là dòng electron đi từ cathode tới anode. Nhưng cũng có 1 phần là dòng ion dương đi theo chiều ngược lại. Các ion âm và electron tới va chạm vào anot làm cho anot nóng lên, nhiệt độ có thể lên tới 3500 độ C. Do đó, anot phát sáng mạnh, do hầu hết vật liệu bị nóng chảy và thậm chí là bay hơi. Nên anot bị lõm vào làm cho mạch điện bị nối tắt. Còn các inon dương khi tới đập vào các catot thì cũng sẽ làm cho catot duy trì được trạng thái nóng đỏ ban đầu và phát ra khi các electron (phát xạ nhiệt e). Chất khí giữa 2 cực ở nhiệt độ cao nên bị ion hóa và dẫn điện tốt, nhờ đó điện trở của khí trong hồ quang điện là rất nhỏ. Cường độ dòng điện trong mạch có thể khá lớn, đạt tới hàng chục ampe, hiệu điện thế thấp.

Hồ quang điện có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Nhờ nhiệt độ cao của các cặp điện cực, người ta sử dụng hồ quang điện trong việc hàn điện: mỗi cực của hồ quang điện chính là 1 tấm kim loại cần hàn, còn được gọi là que hàn. Do nhiệt độ cao giữa 2 cực nên que hàn nóng chảy và lấp chỗ cần hàn lên tấm kim loại.

Tia hồ quang có sức mạnh rất lớn. Khi chúng ta nhìn vào thì nó làm chết các tế bào niêm mạc mắt, dẫn tới đau mắt hàn. Nếu như bạn không trang bị bảo hộ mặt trong quá trình hàn thì có thể làm bong da mặt, nguyên nhân do chết hết những tế bào bên ngoài.

Ứng dụng của hồ quang điện

Hồ quang điện thực sự có ích khi được sử dụng trong những lĩnh vực như hàn điện, luyện thép,… Những lúc này, hồ quang cần được duy trì cháy ổn định. Nhưng đối với những thiết bị điện thì nó là yếu tố có hại.

Nhờ nhiệt độ cao của các cặp điện cực, người ta sử dụng hồ quang điện trong việc hàn điện. Một cực của hồ quang điện chính là tấm tim loại cần hàn, còn cực kia chính là que hàn. Do nhiệt độ cao giữa 2 cực, que hàn nóng chảy và lấp chỗ cần hàn lên tấm kim loại.

Không những thế, hồ quang điện còn được ứng dụng trong các lò luyện phôi nhiệt, nấu kim loại,…

Tác hại của hồ quang điện

Ảnh hưởng tới các thiết bị điện
Hiện tượng phóng hồ quang điện sẽ làm cho các thiết bị điện bị phá hủy. Nguyên nhân chính là do sự thay đổi điện áp đột ngột, ngắn mạch hệ thống cục bộ. Cụ thể, các tiếp điểm động lực bị đánh mòn, hỏng hóc dưới nền nhiệt tăng cao.

Phải thay thế các thiết bị đóng cắt hàng năm, có thể với số lượng lớn sẽ gây nhiều khó khăn cho doanh nghiệp

Ảnh hưởng tới con người
Phòng hồ quang điện có thể gây cháy nổ, hỏa hoạn làm ảnh hưởng tới sức khỏe và tính mạng con người.

Tia hồ quang điện có sức mạnh rất lớn. Khi chúng ta nhìn vào thì tia hồ quang làm chết các tế bào niêm mạc mắt, dẫn tới đau mắt hàn. Nếu như không trang bị bảo hộ mặt trong quá trình hàn thì có thể bị bong da mặt do chết hết các tế bào ngoài da.

Cách phòng ngừa những tai nạn do hồ quang điện gây ra

Hồ quang điện trên đường ray xe lửa

Đối với các thợ hàn, một biện pháp đơn giản nhất, bạn có thể áp dụng chính là đeo mặt nạ khi hàn, thêm quạt gió để giảm thiểu độc hại cho thợ hàn. Để phòng chống hơi khí độc thì cần sử dụng mặt nạ bảo vệ. Ngoài ra, trong 1 số điều kiện cho phép bạn cũng có thể kết hợp với biện pháp thông gió hoặc không hàn khi nồng độ các chất gây hại quá mức cho phép. Để dùng mỹ hàn và kính hàn được thuận tiện mà không ảnh hưởng tới công việc, người ta thường sử dụng giải pháp thông gió để cải tạo môi trường khí, có thể là quạt, chụp hút,…

Điều kiện tạo ra hồ quang điện
Quá trình phát sinh
Tiếp điểm có dòng điện bé, khoảng cách ban đầu giữa chúng rất nhỏ, trong khi điện áp đặt vào có trị số nhất định nên sẽ sinh ra điện trường có cường độ lớn trong khoảng không gian này và điện tử ừ cathode có thể bật. Hiện tượng này còn gọi là phát xạ tự động điện tử hay còn gọi là phát xạ điện nguội. Khi số điện tử này càng ngày càng nhiều thì chuyển động dưới tác dụng của điện trường sẽ làm ion hóa không khí gây nên hiện tượng hồ quang điện.
Tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang điện sẽ phức tạp hơn. Ban đầu, khi mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị số khá nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua ít. Sự tăng đáng kể của mật độ dòng điện có thể lên tới hàng chục nghìn A/ cm2 nên tại các tiếp điểm đó thì nhiệt độ của cầu chất lỏng sẽ tăng tiếp tục. Sau đó bốc hơi và hồ quang điện xuất hiện trong không gian giữa 2 tiếp điểm.
Quá trình dập tắt
Quá trình này cần những điều kiện ngược lại so với quá trình phát sinh hồ quang, cụ thể là:

Hạ thấp nhiệt độ hồ quang bằng cách sử dụng hơi khí hoặc dầu làm nguội, sử dụng vách ngăn để hồ quang cọ xát.
Kéo dài hồ quang bằng cách sử dụng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ rồi thổi khí dập tắt
Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ
Sử dụng năng lượng của hồ quang hoặc năng lượng bên ngoài để dập tắt nó.
Tiêu thụ năng lượng hồ quang bằng cách mắc điện trở Shunt

Công nghệ hồ quang điện
Hàn hồ quang điện chính là công nghệ hàn phổ biến nhất hiện nay để nối. Tháo rời chác chi tiết bằng nguồn nhiệt dùng để hàn, nguồn nhiệt này là hồ quang điện.
Trong công nghệ hàn hồ quang điện, hồ quang tập trung trên 1 điểm của vật hàn. Nhiệt lượng tương đối tập trung, vật hàn sẽ dễ dàng bị nóng chảy tức thì, nhiệt lượng này không truyền ra rộng nên sự biến dạng của vật hàn không trầm trọng như hàn khí. Thao tác hàn hồ quang điện tương đối là khó, nhưng với nơi có điện tì nó khá thuận tiện và rẻ.
Hàn hồ quang điện hiện được phát triển rộng rãi, ngoài ra trong tương lai còn áp dụng rộng rãi hơn cả phương pháp hàn khí.

Xem thêm:Xung clock là gì?