Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 8 và 9 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 8 và 9 - Phạm Thành Chung được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên nắm được các nội dung cơ bản về: Vật liệu điện môi và điện môi khí. Hi vọng thông qua bài giảng, các em sẽ nắm trọn được nội dung kiến thức và học tập thật tốt môn học nhé!

Trang 1

8.1 Điện môi khí

8.1.1 Đặc tính chung của điện môi khí

- Khi làm việc ở điều kiện bình thường, độ bền điện không cao so với điện môi lỏng và điện môi rắn

- Điện môi khí có khă năng phục hồi cách điện

- Mật độ phân tử thấp do đó hằng số điện môi ε nhỏ  tổn hao tgδ nhỏ

8.1.2 Yêu cầu đối với chất khí cách điện

- Không được gây phản ứng hoá học với những chất khác trong kết cấu cách điện

- Phải có cường độ cách điện cao thì kích thước cách điện của thiết bị giảm

Trang 2

8.1.3 Một số chất khí thường dùng

- Không khí: cường độ cách điện không cao Ecđ = 30kV/cm, trong không khí

có những chất gây phản ứng hoá học như O2… do đó ít dùng, thường dùng cáchđiện trên đường dây, hoặc dùng trong máy cắt không khí nén

- Khí Nitơ: có cường độ cách điện tương tự như không khí nhưng nó khôngchứa O2 nên không gây phản ứng hoá học khi tiếp xúc với kim loại Thườngdùng trong tụ điện khí

- Khí Hyđrô: có ưu điểm nhẹ, thường dùng để làm mát máy điện, nhưngphải cẩn thận không lọt khí vì sẽ gây nổ

- Khí SF6 (Êlêgaz): có cường độ cách điện cao hơn không khí gấp 2,5 lần,nặng hơn không khí 5 lần, không độc, ổn định về mặt hoá học và không bị phânhuỷ ở nhiệt độ cao Với áp suất nén càng cao thì độ bền điện càng lớn Thườngđược dùng trong cáp điện, tụ điện, máy cắt trung, cao áp

- Khí Cl F (Frêôn): có độ bền điện gần bằng khí SF , nó có thể ăn mòn 1 số

Chương 8 Vật liệu điện môi

Trang 3

8.2 Điện môi hữu cơ

b Nhựa thiên nhiên

- Nhựa cánh kiến (do 1 số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng)

- Nhựa thông (colofan)

Trang 4

8.2.3 Bitum

Là nhóm VL vô định hình, cực tính yếu, là hỗn hợp của cacbua hyđrô với O2

và S Được dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện: sơn tẩm vật liệu và cách điện cho cáp

8.2.4 Vật liệu sáp (C n H 2n+2 )

Dễ chảy, ε bé, dùng để gắn các đầu ra của đèn điện tử hoặc các thiết bị vì

có điện trở suất ρ cao Chúng có các loại như: Parafin, Xerezin, Vazơlin

8.2.5 Sơn

- Sơn nhựa: Có nguồn gốc từ nhựa tổng hợp hoặc nhựa thiên nhiên

- Sơn xenlulô: Gốc sơn là chất xenlulô

- Sơn dầu

- Sơn dầu bitum

- Sơn dầu pha nhựa

8.2.6 Vật liệu cao su

- Cao su tự nhiên

Trang 5

8.2.7 Vật liệu xenlulô

- Gỗ

- Giấy cách điện

- Vật liệu dệt

8.3 Điện môi vô cơ

Đặc tính chung của điện môi vô cơ

- Chịu được nhiệt độ cao

- Rất ít hút ẩm

- Có độ bền về điện và cơ cao

- Chịu được các bức xạ năng lượng cao

- Dễ tìm, rẻ tiềnCác loại điện môi vô cơ

- Gốm, sứ cách điện

- Vật liệu Xét - nhét

Loại thủy tinh mới có cấu trúc tuân theo quy tắc, trái ngược với cấu trúc của những loại thủy tinh thông thường đã biết hiện nay

Trang 6

Chương 9 Điện môi khí

Các cơ chế vật lý liên quan đến phóng điện trong điện môi khí có ý nghĩaquan trọng đối với tất cả các loại phóng điện khác

Nắm bắt được bản chất của những cơ chế này giúp chúng ta dễ dàng hiểuđược các cơ chế phóng điện trong điện môi lỏng và rắn

Khi nói đến điện môi khí thì ứng dụng duy nhất là cách điện:

Mật độ thấpHằng số điện môi εr≈1 (so với chân không gần như nhau)Hay nói cách khác tính dẫn điện của điện môi khí

Trang 7

-Các e-Các ion + do nguyên tử trung hòa mất e-Các ion – do nguyên tử trung hòa nhận e

Khi nào I=0, I≠0

Quan tâm đến điện áp chịu đựng

Phóng điện

Tính dẫn điện của điện môi khí

Khi đặt lên 2 điện cực một

tụ điện chứa ĐMK một E I xuất hiện và chạy trong mạch nếutrong ĐMK có chứa các điện tích

Các điện tích bao gồm

Trang 8

9.1 Quá trình hình thành điện tích.

A Quá trình hình thành điện tích trong điện môi khí

1 Ion hóa do va chạm

•Do quá trình xảy ra trong ĐMK rất nhanh (cỡ µs)-> nguồn 1c’ và ∼ là như nhau

•Bình thường trong ĐMK tồn tại e- di chuyển về điện cực+ và các phân tử trung hòa về điện (02, N2, H2, Co…)

•Khi e-> cực + va chạm với phân tử A

•Nếu We trước khi va chạm > Wion hóa của phân tử khí A thì hiệntượng ion hóa sẽ diễn ra

Gọi là A

1e cũ 1e mới

•Các e mới được sinh ra tiếp tục -> nhanh về cực + do E (hoặc V)

Trang 9

Gặp điều kiện thuận lợi

nA + ne - nA + +2ne

Trang 10

-2 Ion hóa quang (ion hóa do bức xạ)

•Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn tại khoảng 10-7÷10-9 s

•Khi trở về trạng thái bình thường nó bức xạ phần năng lượng kích thích dưới dạng photon

•Tuy photon này có năng lượng yếu nhưng cũng có thể gây ion hóa một nguyên

tử khác có năng lượng ion hóa nhỏ hơn năng lượng của photon

•Quá trình ion hóa quang có thể được miêu tả:

A*→A+hfB+hf →B++e-

Với A* là ký hiệu của trạng thái kích thích của nguyên tử A

hf là photon được bức xạ (h là hằng số Plank còn f là tần số của photon)

•Ion hóa quang là một quá trình quan trọng trong phóng điện, đặc biệt là đối với các hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết rằng khí hiếm có thời gian tồn tại kích

Trang 11

3 Ion hóa nhiệt

•Đốt lửa các ion khí giữa 2 bản cực→khi nhiệt độ tăng

đến một giá trị đủ lớn → các nguyên tử khí chuyển

động nhanh hơn →va chạm với nhau gây nên ion hóa

•Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt (Wn) cũng có thể

gây nên ion hóa cho nguyên tử theo quá trình sau:

Trang 12

B Quá trình hình thành điện tích trên cực Cathode (Đ.C.A)

Các quá trình trên điện cực, đặc biệt là điện cực âm (cathode) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phóng điện trong chất khí vì chúng cung cấp các điện

tử cho sự bắt đầu, duy trì và cuối cùng là hoàn thành một quá trình phóng điện

Ở trạng thái bình thường các điện tử không thể thoát ra khỏi điện cực do lực liên kết tĩnh điện giữa điện tử và ion trong mạng tinh thể

Để rời khỏi điện cực điện tử cần một năng lượng đủ lớn gọi là công thoát

(work function), giá trị của công thoát phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực

Công thoát

Trang 13

1.Do điện tích dương đập vào Đ.C.A

•Giữa 2 bản cực có các điện tích + và –

•Ion- →cực + và trung hòa

•Ion+ phụ thuộc vào lực của E đập vào Đ.C.A

•Khi ion + đập vào Đ.C.A thì có thể giải phóng ra 1 hay nhiều e

•Nếu Wion+ trước khi đập vào >Wcông thoát của VL làm điện cực →e được giải phóng chính là e

tự do di chuyển về Đ.C.D

Trang 14

2.Quá trình quang thoát

•Nếu cung cấp, chiếu một tia sáng hf.

•Nếu năng lượng của photon đập vào cathode có giá trị lớn hơn công thoát của điện tử, photon có thể giải phóng điện tử khỏi bề mặt điện cực

Whf>Wcông thoát của VL làm điện cực →e được giải phóng

3.Quá trình nhiệt thoát

•Đốt nóng chính Đ.C.A →e bứt ra khỏi Đ.C.A→e tự do

•Nếu nhiệt độ của VL làm Đ.C.A=1500÷20000K thì các

e và ion + trong mạng tinh thể VL làm Đ.C.A sẽ chuyển động mạnh mẽ →bứt ra e

Trang 15

4 Thoát do điện trường (Field emission)

Điện trường tĩnh ở giá trị lớn hơn lực liên kết giữa điện tử và proton sẽ giải

phóng một hoặc nhiều điện tử ở cathode

Tuy nhiên để làm được điều này điện trường phải vào khoảng 107÷109 V/m (10÷1000kV/mm)

 Phần lớn các phần tử dùng trong kỹ thuật điện đều làm việc ở điện trường nhỏ hơn điện trường này nhiều

Nhưng khi bề mặt điện cực không bằng phẳng mà tồn tại những khuyết tật

nhỏ, chỉ cần điện áp đặt vào khoảng 2 ÷ 5kV thì điện trường ở những điểm

khuyết tật có thể đạt tới trị số có xảy ra hiện tượng điện tử thoát do điện trường

Trang 16

9.2.Các quá trình trung hòa điện tích trong Đ.M.K

1.Quá trình tái hợp

Các ion dương và âm có xu hướng tái hợp để tạo thành một nguyên tử trung hòa theo phương trình :

2.Trung hòa do nhập điện tử (electron attachement)

Một vài khí có độ âm điện lớn như O2, CO2 hay SF6 luôn có xu hướng lấy

thêm một điện tử tự do để tạo lên một ion nặng âm Quá trình có thể được viết dưới dạng :

Đây là quá trình ngược với quá trình ion hóa do tách điện tử

3.Trung hòa do khuyếch tán (diffusion)

Khi mật độ ion trong điện môi khí không đều, các ion luôn có xu hướng di

chuyển từ nơi có mật độ cao xuống nơi có mật độ thấp cho đến khi đạt đến sự cân bằng về mật độ

Quá trình này sẽ gây lên hiệu ứng ion hóa ở vùng có mật độ ion thấp và trung hòa ở vùng có mật độ ion cao

Trang 17

9.3 Điện trường đồng nhất (đều) và không đồng nhất Chương 9 Điện môi khí

•Trong thực tế điện trường đặt lên điện môi khí có thể là đều hoặc không đều tùy theo dạng điện cực

•Nếu điện trường đều, là mật độ đường sức tại mọi điểm là như nhau

Trang 18

9.4 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E đồng nhất (E đều)

•Phóng điện phải nối liền giữa 2 bản cực

•Bản chất quá trình phóng điện chọc thủng của chất khí được giải thích bằng hai lý thuyết :

-Lý thuyết phóng điện Townsend

-Lý thuyết Streamer

9.4.1 Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Townsend)

A Thác điện tử

Khi ta đặt lên ĐMK một E (giả thiết trong điện môi tồn tại một e tự do)

Nếu E đủ mạnh và e không bị trung hòa bởi quá trình nhập e, e sẽ va chạm với các nguyên tử khí và gây ra quá trình ion hóa do va chạm

Quá trình cứ tiếp tục→ 1 khu vực vô số e → thác điện tử

Trang 19

9.4 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E đồng nhất

9.4.1 Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge)

B Cơ chế phóng điện

Chiếu 1 chùm tia cực tím UV vào Đ.C.A (gt giữa 2 bản cực ban đầu ko có e nào)

→1 số điện tử bứt ra khỏi Đ.C.A do chiếu tia UV

Gọi n 0: số e bứt ra khỏi Đ.C.A/1s do chiếu tia UV

α: số e sinh ra do quá trình ion hóa v/c khi 1 e di chuyển trên 1 đơn vị

quãng đường (hệ số Townsend 1)

Gọi số e ở vị trí x là n

1e từ x đi thêm dx sẽ sinh ra số e mới là dn

Trang 20

Trang 21

•Phương trình trên chỉ mô tả một quá trình hình thành thác điện tử

•Trong khi số điện tử được tăng lên bởi quá trình Townsend thứ nhất α và di chuyển về phía anode, thì cùng lúc đó các ion dương sinh ra từ quá trình ion hóa do va chạm cũng di chuyển về phía cathode

• Nếu năng lượng của các ion này lớn hơn công thoát của e ở cathode, khi ion + đập vào cathode nó lại bứt ra một e gọi là e thứ cấp Điện tử thứ cấp này lại tạo lên một thác điện tử thứ cấp khác

Trang 22

•Gọi γ là số e thứ cấp bứt ra khỏi Đ.C.A khi có một ion + đập vào (Townsend 2)

•Độ lớn γ phụ thuộc vào độ lớn của E, P và bản thân kim loại làm điện cực

•Gọi ns là số e thứ cấp thoát ra khỏi Đ.C.A/1s

(Tổng số e thoát ra khỏi Đ.C.A/1s)

nt=n0+ns (1)

1 e di chuyển hết quãng đường d→tạo ra eαd điện tử⇔tạo ra (eαd-1) ion+

→nt điện tử đi hết quãng đường d →tạo ra (eαd-1)nt ion+ →đập vào Đ.C.A

→sinh ra γ(eαd-1)n điện tử thứ cấp thoát ra ở Đ.C.A

Trang 23

Thay (2) vào (1) ta được:

Trang 24

Trang 25

Ưu điểm: Là hình thành thác điện tử

Nhược điểm: Thực nghiệm chứng tỏ rằng lý thuyết Townsend chỉ giải thích được:

- Hiện tượng pđct trong chất khí ở áp suất P thấp và khoảng cách d nhỏ

- Chỉ đúng với E đều và tích P.d<1000 torr.cm

(1 torr= 1mmHg=1,36.10-3 at) và P=0,01÷300 torr

→ở P lớn hơn và tích P.d lớn hơn dùng lý thuyết phóng điện Streamer

- Thời gian phóng điện theo cớ chế thác e cỡ 10-5s Thực tế 10-8s

- Hình dạng phóng điện (càng xa số e sinh ra càng nhiều theo hàm mũ)

Trang 26

Do α và γ đều phụ thuộc vào E và P nên ứng với mỗi giá trị của d sẽ có một giá trị của điện trường E (hay điện áp V) thỏa mãn điều kiện Townsend

Giá trị điện áp V thỏa mãn điều kiện Townsend được gọi là điện áp chọc thủng

Đối với những chất khí có độ âm điện lớn, hiện tượng trung hòa do nhập điện tử luôn diễn ra cùng lúc với các quá trình α và γ Vì thế phương trình về dòng điện của Townsend phải tính thêm đến hệ số nhập điện tử η

 Tương tự như α, η được định nghĩa là số va chạm để tạo nên sự nhập điện tử do một điện tử chuyển động trên một đơn vị chiều dài theo chiều điện trường gây ra Khi đó dòng điện chạy trong mạch được viết lại thành:

Do đó điều kiện phóng điện Townsend đối với các khí có độ âm điện lớn bây giờ

Trang 27

Độ âm điện?

• Trong hóa học, độ âm điện là đơn vị đo lực hút của nguyên tử đối vớielectron trong liên kết hóa học Nguyên tử có độ âm điện cao sẽ hút electronvới lực mạnh, ngược lại nguyên tử có độ âm điện thấp sẽ hút electron với lựcyếu

• Ví dụ, trong phân tử NaCl (natri

clorua), nguyên tử clo có độ âm điện

tương đối cao và nguyên tử natri có độ

âm điện tương đối thấp Do đó các

electron bị kéo về phía nguyên tử

clo và cách xa nguyên tử natri.

Trang 28

-Trong khoảng thời gian ban đầu T0 dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đặt vào

và gần như không đổi ở giá trị I01 (nửa đầu của khoảng T1)

-Khi điện áp vượt quá trị một trị số V2 nào đó dòng điện bắt đầu tăng nhanh chóng tương ứng với quá trình ion hóa do va chạm (nửa sau của T1)

-Quá trình thứ cấp ứng với khoảng thời gian T2, và sau đó là phóng điện chọc thủng

Biến thiên dòng điện theo điện áp đặt vào trong lý thuyết phóng điện Townsend

(điện trường đều)

Trang 29

9.4.2 Lý thuyết phóng điện Streamer

Cơ chế phóng điện

-Hình thành thác e đầu tiên do quá trình sơ cấp

(cũng chiếu 1 tia UV)

-Điện trường đầu thác được tăng cường

-Thác e thứ cấp xuất hiện ngay ở đầu thác sơ cáp

Chiếu 1 tia UV kích thích→1e xuất hiện→va chạm→2e mới →… →tạo khu vực toàn e (nhẹ, cđ nhanh) → gọi là khu vực điện tích không gian âm (KVĐTKG -)

Ion + nặng, di chuyển chậm → khu vực điện tích không gian dương (KVĐTKG +)

Trang 30

9.4.2 Lý thuyết phóng điện Streamer

Các điện trường phụ:

Do mật độ EΣở E3>E1 →EΣ đầu thác sơ cấp lớn hơn

-Điện trường ở đầu thác được tăng cường mạnh mẽ →các nguyên tử khí ở khu vực này bị kích thích và khi trở về trạng thái bình thường → bức xạ các photon →gây ion hóa quang cho các nguyên tử khí khác ngay đầu thác

-Thác e thứ cấp sẽ xuất hiện ngay đầu thác sơ cấp

-Quá trình cứ thế tiếp diễn → phóng điện chọc thủng trên Đ.M.K

Trang 31

9.4.3 Định luật Paschen

Trang 32

- Nhánh 2: p tăng →Vpt tăng: Khi đó mật độ các phân tử khí tăng, do đó các e trên đường bay về anode va chạm với rất nhiều các phân tử khí nên để tạo nên ion hóa Tuy nhiên do mật độ khí cao nên quãng đường di chuyển ngắn vì vậy năng lượng

Trang 33

Giá trị điện áp phóng điện nhỏ nhất của một số chất khí được cho trên bảng:

Trang 34

Trang 35

9.5 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất

Trải qua 2 giai đoạn:

1 Phóng điện vầng quang: là giai đoạn phóng điện ban đầu, nó xảy ra quanh khu vực có bán kính cong nhỏ

2 Phóng điện chọc thủng: là giai đoạn tiếp theo của phóng điện vầng quang, lúc này tia lửa điện kéo dài giữa 2 cực

(giới hạn giữa 2 phóng điện rất mong manh)

Trường không đồng nhất tạo bởi điện trường giữa 2 điện cực không giống nhau

VD: Hệ đường dây và mặt đất là hệ mũi nhọn và cực bản

Vậy đường dây mang điện tích gì?

Tiêu đề	Chương 8 và 9 - Phạm Thành Chung
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật liệu kỹ thuật điện
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,81 MB