Đề cương vật liệu điện

1 ĐỀ CƯƠNG VẬT LIỆU ĐIỆN 2 1 Những hiện tượng gì xảy ra trong điện môi khi đặt vào trong điện trường? Hãy phân tích những hiện tượng đó? 2 Hãy nếu đặc điểm điện dẫn điện môi khí? Hãy phân tích những đ.

1

ĐỀ CƯƠNG

VẬT LIỆU ĐIỆN

10 Hãy phân tích hằng số điện môi rắn trung tính và cực tính?

11 Hãy phân tích hằng số điện môi của điện môi xéc nhét và thủy tinh vô cơ?

12 Có bao nhiêu tổn hao điện môi? Hãy phân tích các tổn hao điện môi đó?

13 Tổn hao điện môi trong sơ đồ thay thế như thế nào? Trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi?

14 Hãy trình bày tổn hao trong điện môi khí, lỏng và rắn?

15 Hãy trình bày sự phóng điện trong điện môi khí?

16 Hãy trình bày phóng điện vầng quang điện trên đường dây tải điện?

17 Hãy trình bày sự phóng điện trong điện môi lỏng?

18 Hãy trình bày sự phóng điện trong điện môi rắn?

19 Trình bày tính hút ẩm của điện môi?

20 Hãy trình bày tính chất cơ học của điện môi?

21 Hãy trình bày tính chất nhiệt của điện môi?

22 Hãy trình bày và phân tích vật liệu cách điện thể khí, lỏng và rắn?

23 Hãy trình bày đặc điểm yêu cầu đối với sứ cách điện đường dây?

24 Hãy phân tích đặc điểm của vật liệu xéc nhét điện, áp điện và electrét

25 Phân tích vật liệu có điện dẫn cao?

26 Phân tích đặc điểm tính điện dẫn của bán dẫn?

27 Có những ảnh hưởng nào đến điện dẫn của chất bán dẫn? phân tích những ảnh hưởng đó?

3

Câu 1 : những hiện tượng gì xảy ra trong điện môi khi dặt điện trường vào nêu hiện tượng này

• Những hiện tượng xảy ra trong điện môi khi đặt vào điện trường là

+ khi đặt điện môi vào trong điện trường E , điện môi sẽ chịu tác dụng của dường độ điện trường tùy theo dạng cddt và thời gian tác dụng của điện trường mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng với các đặc

điểm khác nhau đồng thời yếu tố môi trường như nhiệt độ độ ẩm áp xuất

….cũng ảnh hưởng đến quá trình xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường trường trong điện môi có thể xảy ra 2 hiện tượng:

 Hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi

Quá trình đặc trưng chủ yếu của điện môi là sự phân cực điện môi khi có điện trường bên ngoài tác động Phân cực là sự dịch chuyển có giới hạn của cac diện tích liên kết hay sự định hướng của phân tử lưỡng cực dưới tác động của điện trường Trong quá trình phân cực cũng tạo nên dòng phân cực

Do dòng điện dẫn và sự phân cực mà 1 phần năng lượng bị tiêu hao và tỏa dưới dạng nhiệt làm điện môi nóng lên Phần năng lượng tiêu hao đó là tổn hao điện môi, duựa vào trị số điện môi ngta có thể đánh giá trị số vật liêu điện môi

Mỗi một số điện môi với chiều dày nhất định chỉ chịu được điện áp giới hạn nhất định khi điện áp cao hơn trị số giới hạn sẽ xáy ra hiện tượng phong diện làm hỏng điện môi Độ bền điện của vật liệu là khả năng chịu đc áp xuất

không bị phá hủy Độ bền điện được đặc trưng bởi trị số cddt đánh thủng (Eđt = 𝑈đ𝑡

ℎ kV/mm)

Chất khí có mật độ phân tử rất bé , khoảng cách giữa các phân tử khí lớn

nhiều hơn so với bán kính của chúng , vì vậy lực tương tác giữa các phân tử khí cũng rất nhỏ Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tích tự do là các điện tử, ion dương và ion âm Những điện tích này được tạo nên bởi quá

trình ion hóa và kết hợp tự nhiên

Ion hóa là quá trình phân ly phân tử trung hòa thành điện tử và ion dương Số lượng điện tích xuất hiện do các ion hóa tự nhiên là rất nhỏ Chính vì vậy điện dẫn của điện môi khí có trị số bé và hầu hết các chất khí ở trong một điều kiên môi trường nào đó là những điện môi tốt

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp

Từ biểu thức thấy rõ ràng là mật độ dòng điện trong trường hợp này không phụ thuộc và điện áp Dòng điện đó được gọi là dòng điện bão hòa (j = n2 q) Vùng 1 : đoạn đầu của đường cong , điện áp tăng từ 0 đén Ua tương ứng với miền của đinh luật ôm , trong chất khí có thể xem số lượng ion âm và dương không đổi khi điện áp đặt 2 điện cực tăng thì cường độ điện trường (E=U/S)

sẽ tăng lên lực điện trường tác dụng lên điện tích tăng , mật độ dòng điện tăng và dòng điện sẽ tăng tuyến tính với điện áp theo định luật ôm

Vùng 2 : ứng với khu vực điện trường có dòng bão hòa khi điện áp tăng cao , cddt đủ lớn tốc độ chuyển động của các điện tích lớn , các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo đến điên cực trung hòa Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi ion hóa tự nhiên không đổi cho nên dòng điện đạt bảo hòa , mặc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng k làm cho dòng điện tăng ứng với đoạn nằng ngang trên

đồ thị

5

Vùng 3:ứng với khu vực có cường độ điện trường mạnh ở khu vực này dòng

điện bắt đầu tăng nhanh không tuân theo định luật ôm, lúc này điện môi sẽ bị

đánh thủng bởi dòng plazma do đó dòng điện tăng theo hàm mũ

Câu 3 nêu hiện tượng của chất dẫn điên ion điện môi lỏng, phân tích đặc

điểm đó

Khác với điện môi khí , trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện

không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử chính

bản thân chất lỏng và tạp chất

.Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có điên dẫn suất cao hơn điện môi trung

tính khi hằng số điện môi tăng thì điện dẫn suất cũng tăng lên những điện

môi lỏng cực tính có điện dẫn cao tới mức có thể xem chúng không phải là

điện môi mà là vật vẫn điện ion

Nhận xét: điện môi lỏng cực tính dẫn điện cao hơn điện môi lỏng trung tính

Điển dẫn của điện môi lỏng gồm điện dẫn điện môi chính và điện dẫn điện

môi tạp chất

Nước là 1 dạng tạp chất phổ biến phổ biến nhất trong điện môi lỏng

Điện môi lỏng – nước tồn tại ở 3 loại :

➢ Nước tan

➢ Nước huyền phu

➢ Nước dư

Trong thực tế khi phạm vi nhiệt độ thay đổi không lớn lắm thì mối quan hệ

giữa điện dẫn suất của điện môi lỏng với nhiệt độ thường được biểu diễn

bằng công thức : y = y0 𝑒∝𝑡

Trong đó y0 – điện dẫn điện môi lỏng đo ở nhiệt độ bình thường(20 độ c)

∝ - hệ số mũ đối với chất lỏng đã cho ; t – là nhiệt độ đo bằng (đo bằng độ

c)

Đối với chất lỏng cực tính thi tích n.y hầu như không có biến đổi ở các nhiệt

độ khác nhau Nhưng đối với đầu máy biến áp , độ dẫn điện được xác định bởi sự chuyển dộng các ion tạp chất mức độ phân ly tăng theo nhiệt độ vì thế tích n.y cũng tăng theo nhiệt độ

Câu 4 nêu hiện tượng của chất dẫn điên di điện môi lỏng, phân tích đặc

điểm đó

Điện dẫn điện di còn gọi là điện dẫn molion được tạo nên bởi sự chuyển động

có hướng của các phần tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài

Trong điện môi lỏng thường chứa tạp chất như bụi bẩn , cát sợi trong không khí do có quá trình chuyển động nhiệt các tạp chất này ma sát với phần tử điện môi lỏng và chúng tự nhiễm điện

Đối với điên môi cực tính dẫn điện tốt

Nếu hs điện môi của tạp chất lớn hơn hs điện môi chất lỏng ( e tc< e dm) thì tạp chất bị nhiễm điện tích dương(+).Nếu hs điện môi của tạp chất nhỏ hơn hs điện môi chất lỏng ( e tc> e dm) thì tạp chất bị nhiễm điện tích âm(-)

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích âm dương của tạp chất sẽ chuyển động ; khối điện tích dương sẽ đi về cực âm, khối điện tích âm sẽ đi

về cực dương , chúng tạo nên dòng điện dẫn di.Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của các khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường Ở điện áp xoay chiều hiệu ứng này xuất hiện bởi vì có sự thay đổi có hướng chuyển động liên tục , tạc chất chuyển động theo tần số của điện áp

Tên chất lỏng Đặc điểm cấu tạo Hs điện môi E

Rượu etilic Cực tính mạnh 33

7

Câu 5nêu hiện tượng của chất dẫn điên điện môi rắn, phân tích đặc

điểm đó

Điện môi rắn có rất nhiều loại , chúng đa dạng về cấu trúc , tp hóa học ,

nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn … do vậy điện dẫn điện môi rắn rất phức tạp Điện dẫn điện môi rắn được tạo nên là do sự dịch chuyển các ion tap chấp dưới tác dụng điện trường.Ở 1 số vật liệu dẫn điện của chúng có thể do sự chuyển động của các điện tử tự do

Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường xác định điiện dẫn khối

(Yv) hay điện trở ϒsuất (Pv)

Điện dẫn suất của điện môi rắn ở 1 điện môi T nào đó được biểu diễn bằng :

Trong đó Km – độ linh hoạt giới hạn của ion

Wcd – năng lượng chuyển dịch ion

Nhận xét : + điện dẫn khối của điện môi rắn phụ thuộc vào nhiệt độ được xác đinh bởi cấu tạo và thành phần vật liệu

+ điện dẫn mặt thường gây nên trên bề mặt do trên bề mặt bị ẩm và có tạp chất

+điện môi trung tính và cực tính yếu không bị thấm nước : pararafin, hỗ

phách, lưu huỳnh…

+điện môi cực tính bị thấm ướt : gốm…

Nhận xét :

8

+đối với điện môi không hòa tan trong nước có điện trở suất bề mặt cao ít phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường xung quanh(điện môi trung tính và cực tính yếu )

+đối với điện môi cực tính chỉ có điện trở suất cao khi bề mặt không bị bẩn Điện môi rắn có cấu tạo xốp – do cấu tạo của vật liệu là xốp vậy nên có điện dẫn xuất lớn

Kết luận điện dẫn xuất mặt phụ thuộc vào độ ẩm là do bề mặt điện môi có chất hút ẩm và phân li thành ion

câu 6 Hằng số điện môi là gì? Hãy nêu sự tương quan giữa hằng số điện môi và cường độ phân cực?

Hằng số điện môi là đại lượng đánh giá khả năng tích điện của điện môi Là tỉ

lệ giữa điện tức của tụ điện khi điện môi là chân không , với điện môi của tụ

điện khi điện môi được đặt trong điện trường nào đó

sự tương quan giữa hằng số điện môi và cường độ phân cực p

để xây dựng sự tương quan giữa hs điện môi và cường độ phân cực p ta dựa

vào pt maxcxoen :

trong đó D – vecto cảm ứng điện ; E – cường độ điện trường bên ngoài do điện áp gây nên giữa hai điện cực.Khi hai điện cực song song với nhau và cách nhau 1 khoảng S thì E = 𝑈

9

mặt khác ta có công thức mối quan hệ giữa ϵ và P như sau:

Công thức trên nghiên cứ về độ phân cực

Câu 7 Có bao nhiêu loại phân cực trong điện môi? Hãy phân tích những loại phân cực đó?

Có 7 loại phân cực trong điện môi

phân cực điện tử nhanh – phân cực ion nhanh - phân cực lưỡng cực chậm - phân cực điện tử chậm – phân cực ion chậm- phân cực kết cấu – phân cực tự phát

+) phân cực điện tử nhanh

Đn: là loại phân cực do sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vở điện tử của phần tử dưới tác dụng điện trường bên ngoài

Phân cực điện tử nhanh tồn tại ở tất cả các loại điện môi và không liên quan tới tổn hao năng lượng Sơ đồ thay thế điện môi được biểu diễn bằng 1 điện dung kí hiệu là Cenh

Hệ số phân cực điện tử nhanh αenh phụ thuộc vào bán kính phần tử R0 được đăc tính bằng ct sau :

Nhận xét: bán kính phân tử càng tăng thì hệ số phân cực điện tử nhanh αenh càng lớn

+) phân cực ion nhanh

Phân cực này là loại đặc trưng cho những điện môi có cấu tạo ion và được xác định bởi sự dịch chuyển đàn hồi giữa các ion liên kết dưới tác dụng của điện trường bên ngoài

Hệ số phân cực sẽ được xác đinh bởi công thức sau:

10

Trong đó a là kc giữa ion âm và ion dương khi cddt E=0

Nhận xét: khi nhiệt độ tăng điện môi có sự dãn nở nhiệt , khoảng cách giữa các ion tăng lên và lực liên kết giữa các ion sẽ giảm do vậy phân cực ion sẽ tăng lên

Loại phân cực này cũng k sinh ra tổn hao điện môi , nên sơ đồ thay thế điện môi bằng tụ với điện dung là Cinh

+)phân cực lưỡng cực chậm

Loại phân cực này xảy ra trong các điện môi cực tính các phân tử điện môi này là các phần tử cực tính với moomem điện mi , các phân tử cực tính luôn

ở trạng thái chuyển động nhiệt

Sơ đồ thay thế điện môi biểu diễn tụ điện (Clc) mắc nối tiếp với điện trở Rlc:

Trong điện môi cực tính : khi bị phân cực có sự sắp xếp lại diện tích làm cho cường độ điện trường bên trong điện môi có trị số khác với cường độ điện trường bên ngoài Hệ số phân cực lưỡng cực αLC phụ thuộc vào momen

lưỡng cực các phần tử cực tính (m0) và phụ thuộc vào nhiệt độ αLC = 𝑚02

+)phân cực kết cấu

+ đều phân cực điện tử nhanh

+ Nên dựa vào phương trình Claudiut- moxotchi có thể viết là: để tính hằng số điện môi αenh

+ hằng số điện môi trung tính xấp xỉ bằng bình phương

hệ số khúc xạ ánh sáng

Khác nhau

+mật độ phân tử khí là rất nhỏ

-khoảng cách giữa các phân tử khí lớn

+ hệ số phân cưc α = αenh hằng số điện môi phụ

thuộc vào áp suất và nhiệt

độ N= 𝑃

𝐾𝑇

Nhận xét: điện môi khí còn

bị ảnh hưởng độ ẩm khí ở nhiệt độ cao

+vẽ 2 hình trang 54

+Hằng số điện môi chất lỏng trung tính không lớn lắm (khoảng từ 2%2,5)

+hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và không phụ thuộc vào áp suất

+Để đánh giá sự phụ thuộc của điện môi lỏng trung tính phụ thuộc vào hệ số nhiệt TKϵ

Với sức nóng của nhiệt độ

sẽ cản trở sự dịch chuyển của điện tích -> ϵ giảm

+vẽ 2 hình trang 54

13

9 Hãy nêu sự giống và khác nhau giữa hằng số điện môi của chất khí và lỏng cực tính?

Hằng số điện môi Chất khí cực tính Chất lỏng cực tính

Giống nhau + đều tồn tại nhân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực

Theo phương trình clodiut-moxotchi để tính hằng số điện môi cực tính Khác nhau

Theo phương trình clodiut-moxotchi để tính hằng số điện môi cực tính

m là moment lưỡng cực

do điện môi khí cực tính chỉ tồn tại phân cực điện tử nhanh vì vậy ε= 𝑣2

Vẽ hình 3.9 trang 57 Nhận xét : khi nhiệt độ càng lớn hằng

số điện môi sẽ giảm vì khi nhiệt độ tăng khả năng định hướng giữa các lưỡng cực giảm do đó hs điện môi giảm đến trị số 𝑣 2

Chép ct 3.37 (trang 57) và từ “như vậy đến trạng thái khí”

Theo phương trình moxotchi để tính hằng số điện môi cực tính

m là moment lưỡng cực

k là hằng số bozama

T là nhiệt độ Nhận xét + hằng số điện môi ti lệ nghịch với nhiệt độ thông qua hệ số nhiệt

(Tk 𝜀)=1

𝜀 ∆𝜀

∆𝑇

+Chất lỏng cực tính có hệ số điện môi lớn khi momen lưỡng cực lớn và mật độ cao

+ hsdm chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ

+nếu ts càng lớn thì hs điện môi càng nhỏ

Vẽ hình 3.11 trang 61 và chép

từ “ theo hình vẽ “ đên “diện dẫn cao “

14

câu 10 Hãy phân tích hằng số điện môi rắn trung tính và cực tính?

Hằng số điện môi rắn trung tính

Trong các điện môi rắn trung tính chỉ tồn tại phân cực điện tử nhanh (α= αenh )vì vậy hằng số điện môi xấp xỉ bằng bình phương hệ số khúc xạ ánh sáng: ϵ=𝑣2

Để tính hằng số điện môi rắn trung tính ta sử dụng phương trình claudiut –mxotchi:

Polistirol 2,4 % 2,6 Lưu huỳnh

Kim cương

3,6 % 4,0 5,6 % 5,8

Hằng số điện môi rắn cực tính

Trong các điện môi rắn cực tính , ngoài phân cực điện tử nhanh còn phân cực lưỡng cực chậm Hằng số điện môi này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số(tỉ lệ nghịch với tần số) của điện trường theo quy luật giống như ở các chất lỏng cực tính.Do vậy khi sử dụng điện môi rắn cực tính trong điều kiện nhiệt

độ tần số thay đổi cần lưu ý thuật toàn phù hợp nếu không điện môi sẽ bị phá hủy

3/4 3/5

câu 11 Hãy phân tích hằng số điện môi của điện môi xéc nhét và thủy tinh vô cơ?

hằng số điện môi của điện môi thủy tinh vô cơ

hàng số điện môi của thủy tinh vô cơ nằm trong phạm vi tương đối hẹp vào khoảng 4-20 tùy thuộc vào thành phần và kết cấu do công nghiệp tạo nên Trong vật liệu thủy tinh sạch tồn tại 2 phân cưc: phân cực điện tử nhanh- ion nhanh

Do vậy ta có thể sử dụng phương trình claudiut –mxotchi để tính ϵ của thủy

tinh như sau :

Nhận xét

+ ϵ phụ thuộc vào nhiệt độ , khi nhiệt độ tăng thì khoảng cách cach ion tăng

do vậy hệ số phân cực ion tăng dẫn đến hệ số phân cực tăng

+khi nhiệt độ đạt giá trị max nào đó sẽ cản trở sự dịch chuyển xoay chiều của phân tử vì vậy ϵ giảm

Vẽ hình và kẻ bảng trang 66

hằng số điện môi của điện môi xéc nhét

do có kết cấu tinh thể ion cho nên trong các chất này có loại phân cực đặc trưng là phân cực điện tử và ion nhanh , phân cực điện tử và ion chậm , phân cực tự phát

Hằng số điện môi xéc nhét nằm trong dài rất rông từ vài đơn vị cho dên hàng trăm , nó phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ điện trường