Sự đánh thủng

Sự đánh thủng điện môi (dielectric breakdown) là quá trình xảy ra khi một vật liệu cách điện (chất điện môi) chịu tác dụng của điện áp đủ lớn, khiến nó đột ngột mất khả năng cách điện và trở thành chất dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua.

Điện áp tại đó vật liệu bắt đầu dẫn điện được gọi là điện áp đánh thủng. Hiện tượng này xảy ra khi cường độ điện trường vượt quá độ bền điện môi của vật liệu.

Sự đánh thủng điện có thể chỉ diễn ra trong thời gian rất ngắn, như trong hiện tượng phóng tĩnh điện, hoặc có thể kéo dài và tạo thành hồ quang điện nếu dòng điện không được ngắt bởi các thiết bị bảo vệ trong mạch.

Hiện tượng đánh thủng có thể xảy ra trong chất rắn, chất lỏng, chất khí hoặc chân không, tuy nhiên cơ chế hình thành sẽ khác nhau tùy theo từng môi trường điện môi.

Giải thích nguyên lý 
Dòng điện là sự chuyển động của các hạt mang điện trong vật liệu do điện trường gây ra, thường do điện áp đặt vào vật liệu. Trong các chất khác nhau sẽ có sự khác nhau đối với các hạt đóng vai trò là hạt mang điện: 

 Trong kim loại và một số chất rắn, các electron lớp ngoài cùng của từng hạt nhân (electron dẫn) di chuyển tự do trong vật liệu là các hạt mang điện.
 Trong chất điện phân và plasma, đó là ion, hoặc các nguyên tử, phân tử mang điện, hoặc các electron là các hạt mang điện.

Cơ chế vật lý gây ra sự đánh thủng khác nhau ở các chất khác nhau, nhưng đều có chung hiện tượng phản ứng dây chuyền giải phóng các hạt mang điện:

 Trong chất rắn: Điện trường sinh ra từ điện áp đủ mạnh để kéo các electron hóa trị ra khỏi nguyên tử, khiến chúng trở thành electron di động, và nhiệt lượng tạo ra do sự va chạm của chúng với các nguyên tử khác giải phóng thêm electron.
 Trong chất khí: Điện trường tăng tốc một số lượng nhỏ các electron tự do có sẵn trong tự nhiên (do các quá trình như quang ion hóa và phân rã phóng xạ) đến tốc độ đủ cao để khi chúng va chạm với các phân tử khí, chúng đánh bật thêm các electron khác ra khỏi các phân tử khí, được gọi là ion hóa, và tiếp tục ion hóa nhiều phân tử hơn tạo ra nhiều electron tự do và ion hơn trong một phản ứng dây chuyền được gọi là phóng điện Townsend (Townsend discharge).

Cơ chế phóng điện Townsend. 
Trong điện từ học, hiện tượng phóng điện Townsend (Townsend discharge) hay thác điện Townsend (Townsend avalanche) là một quá trình ion hóa khí, trong đó các electron tự do được gia tốc bởi điện trường, va chạm với các phân tử khí và do đó giải phóng thêm các electron. Những electron này đến lượt mình lại được gia tốc và giải phóng thêm các electron khác. Kết quả là sự nhân thác điện cho phép tăng đáng kể khả năng dẫn điện qua khí. Hiện tượng phóng điện này cần một nguồn electron tự do và một điện trường đủ mạnh; nếu thiếu một trong hai yếu tố này, hiện tượng sẽ không xảy ra.

Định luật Paschen. 
Friedrich Paschen đã thiết lập mối quan hệ giữa điều kiện đánh thủng và điện áp đánh thủng. Ông đã đưa ra một công thức xác định điện áp đánh thủng () cho các khoảng rộng với môi trường đồng nhất cho đại lượng khoảng rộng chiều dài () (gap length) và khoảng rộng áp suất () (gap pressure).

Paschen cũng đã tìm ra mối quan hệ giữa giá trị tối thiểu của khoảng rộng áp suất mà tại đó xảy ra hiện tượng đánh thủng với điện áp tối thiểu.

Với A và B là hằng số phụ thuộc vào loại khí sử dụng.o

Cơ chế 
Cơ chế đánh thủng khác nhau ở chất rắn, chất lỏng và chất khí. Cơ chế chịu sự ảnh hưởng từ các yếu tố như: vật liệu của điện cực, đường cong đặc tính của vật liệu dẫn điện (dẫn đến điện trường tăng cường cục bộ), kích thước của khe hở giữa các điện cực và mật độ của vật liệu trong khe hở.

Rắn 
Trong các vật liệu rắn (chẳng hạn như trong cáp điện), phóng điện cục bộ trong thời gian dài do khuyết tật như vết nứt hoặc bọt khí trong vật liệu thường xảy ra trước sự đánh thủng, làm suy giảm chất cách điện và kim loại gần khe hở điện áp nhất. Cuối cùng, sự phóng điện cục bộ tạo ra lớp than cháy qua quá trình cacbon hóa vật liệu tạo cầu nối dẫn đóng mạch đường điện.

Lỏng 
Các cơ chế có thể gây ra sự đánh thủng trong chất lỏng bao gồm bọt khí, tạp chất nhỏ, và hiện tương quá nhiệt điện (electrical super-heating). Các bọt khí có thể hình thành thông qua sự gia nhiệt cục bộ hay khí hòa tan trong chất lỏng, làm giảm cường độ điện môi hiệu dụng do cường độ đánh thủng của khí ga thấp hơn nhiều so với chất lỏng. Ngoài ra, trong các máy biến áp làm mát bằng dầu và cách điện bằng dầu, với cường độ điện trường để gây ra sự đánh thủng khoảng 20 kV/mm (so với 3 kV/mm đối với không khí khô), mặc dù sử dụng dầu đã được tinh chế, nhưng các chất gây ô nhiễm dạng hạt nhỏ vẫn được cho là nguyên nhân gây ra hiện tượng đánh thủng này. Ngoài ra, sự phân bố điện trường phi tuyến tính giữa các điện cực tạo ra áp suất bổ sung lên chất lỏng. Áp suất này có thể làm biến dạng các bọt khí, di chuyển các tạp chất và tạo ra dòng chảy rối, tất cả đều làm phức tạp quá trình đánh thủng. Nói tóm lại, cơ chế của chất lỏng là sự kết hợp của điện động lực học và cơ học.

Khí. 
Hiện tượng đánh thủng điện xảy ra trong chất khí khi hằng số điện môi của chất khí bị vượt quá. Các vùng có độ chênh lệch điện áp lớn có thể khiến chất khí xung quanh bị ion hóa một phần và bắt đầu dẫn điện. Điều này được thực hiện một cách có chủ ý trong các phóng điện áp suất thấp, ví dụ như trong đèn huỳnh quang. Điện áp dẫn đến sự đánh thủng điện của chất khí được xấp xỉ bằng định luật Paschen.

Sự phóng điện cục bộ trong không khí gây ra mùi "không khí trong lành" của ozone trong các cơn giông bão hoặc xung quanh thiết bị điện cao áp. Mặc dù không khí thường là chất cách điện tuyệt vời, nhưng khi chịu tác động của điện áp đủ cao (điện trường khoảng 3 triệu V/m hoặc 3 kV/mm), không khí có thể bắt đầu bị phân hủy, trở nên dẫn điện một phần. Qua các khe hở tương đối nhỏ, điện áp đánh thủng trong không khí là một hàm của chiều dài khe hở nhân với áp suất. Nếu điện áp đủ cao, sự đánh thủng điện hoàn toàn của không khí sẽ dẫn đến tia lửa điện hoặc hồ quang điện nối liền toàn bộ khe hở

Trước khi xảy ra sự phân hủy khí, có mối quan hệ phi tuyến tính giữa điện áp và dòng điện như thể hiện trong hình. Ở vùng 1, có các ion tự do có thể được gia tốc bởi điện trường và tạo ra dòng điện. Các ion này sẽ bão hòa sau một điện áp nhất định và tạo ra dòng điện không đổi, vùng 2. Vùng 3 và 4 được gây ra bởi sự tích tụ ion như được giải thích bởi cơ chế phóng điện Townsend..

Chân không 
Chân không có thể được dự đoán ​​sẽ bị đánh thủng ở mức giới hạn Schwinger hoặc gần mức giới hạn này. Đây là giới hạn trong lĩnh vực điện động lực học lượng tử (QED), là thang đo ở đó trường điện từ trở nên cực đại trước khi xảy ra hiện tượng phi tuyến tính.

Đây là những cường độ điện trường cực lớn. Điện trường như vậy có khả năng tăng tốc một proton từ trạng thái nghỉ đến năng lượng tối đa mà các proton đạt được tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) chỉ trong khoảng 5 micromet. Từ trường này liên quan đến hiện tượng lưỡng chiết trong chân không và có cường độ lớn hơn trên các sao từ tính (magnetar).

Lỗi cách điện 
Sự đánh thủng điện thường liên quan đến sự đánh thủng của vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng được sử dụng bên trong máy biến áp hoặc tụ điện cao áp trong lưới phân phối điện, thường dẫn đến ngắn mạch hoặc cầu chì bị nổ. Sự đánh thủng về điện cũng có thể xảy ra trên các chất cách điện treo trên các đường dây điện trên không, trong các dây cáp điện ngầm hoặc các đường dây dẫn đến các nhánh cây gần đó.

Sự đánh thủng điện môi cũng rất quan trọng trong việc thiết kế các mạch tích hợp và các thiết bị điện tử trạng thái rắn khác. Các lớp cách điện trong các thiết bị như vậy được thiết kế để chịu được điện áp hoạt động bình thường, nhưng điện áp cao hơn như từ tĩnh điện có thể phá hủy các lớp này, khiến một thiết bị trở nên vô dụng. Độ bền điện môi của tụ giới hạn mức năng lượng có thể được lưu trữ và điện áp làm việc an toàn cho thiết bị.

Tham khảo

Sự đánh thủng