1. Nguyên lý hoạt động của khe hở tia lửa
Khe hở tia lửa hoạt động dựa trên nguyên lý phóng điện khí. Khi áp dụng một điện áp đủ cao giữa hai điện cực, khí giữa các điện cực bị ion hóa, tạo thành kênh dẫn điện, và do đó xảy ra hiện tượng phóng điện tia lửa. Quá trình này tương tự như hiện tượng phóng điện xảy ra giữa mây và mặt đất trong sét. Việc ion hóa khí là do cường độ điện trường đủ mạnh để cho phép electron trong phân tử khí có đủ năng lượng để thoát khỏi sự ràng buộc của nguyên tử hoặc phân tử, tạo thành electron tự do và ion. Các electron và ion tự do này tăng tốc dưới tác dụng của điện trường, va chạm với các phân tử khí khác, tạo ra nhiều quá trình ion hóa hơn, và cuối cùng dẫn đến sự phá vỡ khí và hình thành phóng điện tia lửa.
Theo định luật Paschen, điện áp phá vỡ của khí là hàm của áp suất khí, khoảng cách giữa các điện cực và loại khí. Với một loại khí cụ thể và áp suất nhất định, có một mối quan hệ nhất định giữa khoảng cách giữa các điện cực và điện áp phá vỡ. Nói chung, khoảng cách giữa các điện cực càng lớn, điện áp phá vỡ càng cao.
2. Phương pháp cơ bản sử dụng khe hở tia lửa để xác định điện áp
Hiệu chỉnh thiết bị khe hở tia lửa
Đầu tiên, cần hiệu chỉnh khe hở tia lửa bằng cách sử dụng điện áp đã biết. Một nguồn điện chuẩn, như máy phát điện DC hoặc AC có độ chính xác cao, có thể được sử dụng và kết nối với các điện cực của khe hở tia lửa. Tăng dần điện áp cho đến khi quan sát thấy sự xuất hiện của tia lửa, và ghi lại giá trị điện áp và khoảng cách giữa các điện cực tại thời điểm đó. Ví dụ, đối với khe hở tia lửa có môi trường là không khí, khi khoảng cách giữa các điện cực là 1 mm, điện áp phá vỡ đo được bằng nguồn điện chuẩn là 3 kV, từ đó thu được một điểm dữ liệu hiệu chuẩn.
Bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các điện cực và lặp lại quy trình trên, có thể thu được một loạt dữ liệu điện áp phá vỡ tương ứng với các khoảng cách giữa các điện cực khác nhau, và vẽ đường cong mối quan hệ giữa khoảng cách giữa các điện cực và điện áp phá vỡ. Điều này cung cấp cơ sở hiệu chuẩn cho việc đo điện áp chưa biết sau này.
Đo điện áp chưa biết
Khi xác định điện áp chưa biết, hãy kết nối nguồn điện chưa biết vào thiết bị khe hở tia lửa đã được hiệu chuẩn. Tăng dần điện áp cho đến khi quan sát thấy hiện tượng phóng điện tia lửa. Đo khoảng cách giữa các điện cực tại thời điểm đó, và sau đó theo đường cong hiệu chuẩn đã vẽ, tra cứu giá trị điện áp tương ứng. Giá trị điện áp này là gần đúng với điện áp chưa biết. Ví dụ, khi đo điện áp của xung điện áp cao, nếu quan sát thấy sự xuất hiện của tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực là 2 mm, và điện áp tương ứng thu được từ đường cong hiệu chuẩn là 6 kV, thì điện áp của xung điện áp cao được xác định là khoảng 6 kV.
3. Lời cảnh báo và nguồn lỗi
Ảnh hưởng của điều kiện khí: Loại, áp suất và độ ẩm của khí có thể ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phá vỡ. Ví dụ, trong môi trường độ ẩm cao, việc tăng lượng hơi nước trong không khí sẽ làm giảm điện áp phá vỡ của khí. Do đó, trong quá trình đo, cần giữ cho điều kiện khí ổn định nhất có thể. Nếu có thể, tốt nhất nên thực hiện đo lường ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn và trong môi trường khô, hoặc thực hiện hiệu chỉnh cho các thay đổi về điều kiện khí.
Ảnh hưởng của hình dạng và tình trạng bề mặt của điện cực: Hình dạng (như hình cầu, hình kim, hình phẳng, v.v.) và tình trạng bề mặt (như độ nhám, sự tồn tại của lớp oxit, v.v.) của các điện cực cũng sẽ ảnh hưởng đến điện áp phá vỡ của khe hở tia lửa. Các hình dạng khác nhau của điện cực sẽ tạo ra sự phân bố điện trường không đều, từ đó thay đổi điện áp phá vỡ. Ví dụ, cấu trúc điện cực kim-đĩa có điện trường tập trung ở đầu kim, khiến nó dễ bị phá vỡ hơn, và điện áp phá vỡ của nó tương đối thấp. Độ nhám và lớp oxit trên bề mặt điện cực có thể hấp thụ phân tử khí hoặc thay đổi sự phân bố điện trường. Do đó, trong quá trình đo, cần đảm bảo tính nhất quán của hình dạng và tình trạng bề mặt của điện cực, hoặc xem xét các yếu tố này và thực hiện hiệu chỉnh.
Giới hạn về độ chính xác đo lường: Đo điện áp bằng khe hở tia lửa là phương pháp tương đối thô sơ, và độ chính xác của nó bị giới hạn bởi nhiều yếu tố. Ngoài các yếu tố về điều kiện khí và điện cực đã đề cập, hiện tượng phóng điện tia lửa bản thân nó là quá trình tức thời và có phần ngẫu nhiên, khó kiểm soát và đo lường chính xác. Hơn nữa, trong các trường hợp điện áp cao, có thể xảy ra nhiều lần phóng điện hoặc hồ quang liên tục, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. Do đó, phương pháp này thường được sử dụng để ước lượng thô sơ về điện áp thay vì đo lường điện áp chính xác cao.
