Giáo Trình: Vật Liệu Điện doc

a Vật dẫn Có miền đầy nằm sát với miền dẫn do đó điện tử trong kim loại được tự do, nó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn dưới tác dụng của cường độ điện trường E yếu đặt vào

Giáo trình Vật Liệu điện

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bất kỳ một ngành sản xuất nào thì nguyên vật liệu giữ một vai trò

vô cùng quan trọng, nhất là đối với sự phát triển với tốc độ chóng mặt của khoa học kỹ thuật thì nó đòi hỏi phải có những vật liệu mới để đáp ứng được nhu cầu phục vụ cho sự phát triển

Đặc biệt đối với ngành kỹ thuật điện thì vật liệu lại giữ một vai trò quyết định đến sự phát triển của ngành Vì nếu không có vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ thì không thể chế tạo một loại thiết bị điện nào dù là đơn giản nhất

Với một vai trò quan trọng như vậy và xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trình môn học của Trường Cao Đẳng Ngoại ngữ - Công nghệ Việt

Nhật Chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Vật liệu điện gồm 6 chương với

những nội dung cơ bản sau:

- Những lý thuyết cơ bản của vật liệu điện

- Nguyên nhân các hiện tượng vật lý xảy ra trong vật liệu điện

- Phân loại vật liệu điện

- Những đặc tính chủ yếu của vật liệu điện

Giáo trình Vật liệu điện được biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy

của giáo viên và là tài liệu học tập của học sinh

Do chuyên môn và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót, vậy rất mong nhận được ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đoc để cuốn sách đạt chất lượng cao hơn

Chương I: Sự phân cực điện môi

I cấu tạo vật chất

Vật chất được cấu tạo từ các hạt cơ bản: Proton, Notron và điện tử Proton mang điện tích dương, điện tử mang điện tích âm còn Notron không mang điện tích

Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và Notron, các điện tử lấp đầt lớp

vỏ nguyên tử làm cân bằng điện tích dương của hạt nhân

Trong nguyên tử, điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác

định, khi quay trên quỹ đạo đó năng lượng được bảo toàn Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng Quỹ đạo gần hạt nhân ứng với mức năng lượng thấp, quỹ

đạo xa hạt nhân ứng với mức năng lương cao hơn

Khi điện tử chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì hấp thụ hay giải phóng năng lượng Các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành phân tử Nguyên tử mất một điện tử trở thành ion dương nguyên tử nhận được thêm một điện tử sẽ trở thành ion âm các chất lỏng, rắn, khí có thể được cấu tạo từ nguyên tử hay phân tử hay ion

1 Các dạng liên kết vật chất

a) Liên kết đồng hoá trị

Là sự liên kết của một số nguyên tử thành phân tử nhở các điện tử góp chung

Ví dụ: O2, H2, Cl2 sự liên kết đồng hoá trị làm cho lớp điện tử ở ngoài cùng

được lấp đầy, nên rất vững chắc, nó khó có thể mất hoặc nhân thêm điện tử Vậy các chất có cấu tạo theo kiểu liên kết này thuộc loại vật liệu cách điện tốt

Trong liên kết đồng hoá trị được chia ra làm hai phần:

- Liên kết trung tính: Là liên kết đồng hoá rị có tâm của các điệ tích dương trùng với tâm điện tích âm

Ví dụ: Lấy cấu trúc của phân tử Cl làm ví dụ: Phân tử này gồm hai nguyên

tử Cl

Phân tử Cl có hai điện tử góp chung như vậy nguyên tử Cl sẽ có thêm một

điện tử ở lớp ngoài, tổng có 8 điện tử lớp ngoài nên rất bền vững

Cl

Cl + = Cl Cl = Cl Cl

- Liên kết cực tính (lưỡng tính): Là liên kết khi có tâm điện tích dương cách tâm điện tích âm một khoảng là a nào đó

Ví dụ: HCl (Axit Clohyđric)

b) Liên kết ion

Là liên kết do lực hút giữa các ion dương và các ion â với nhau, loại liên két này có sức bền chảy cao và cơ giới cao

Ví dụ: NaCl = Na+ + Cl

-c) Liên kết Van - đec – van

Loại liên kết này thường gặp ở loại vật liệu có mạng tinh thể không vững chắc, có nhiệt độ nóng chảy thấp như Parafin

2 Thuyết miền năng lượng

Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất dẫn điện của nó có thể nằm trong nhóm vật dẫn, bán dẫn hoặc điện môi Sự khác nhau giữa các nhóm được biểu thị bằng đồ thị năng lượng theo lý thuyết của các miền năng lượng của vật rắn

- Miền đầy: Có nhiều điện tử, sự liên kết giữa điện tử và hạt nhân là bền vững, tương ứng với nguyên tử trạng thái không bị kích thích

- Miền dẫn: Có nhiều điện tử tự do, các điện tử liên kết yếu với hạt nhân,

nó dễ bị chuyển động dưới tác dụng của điện trường (tương ứng với nguyên tử bị kích thích)

- Miền cấm: Điện tử tự do không có ở miền này

a) Vật dẫn

Có miền đầy nằm sát với miền dẫn do đó điện tử trong kim loại được tự

do, nó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn dưới tác dụng của cường

độ điện trường (E) yếu đặt vào vật dẫn

Có miền cấm hẹp, vùng này có thể khắc phục được nhờ tác dụng của năng lương từ bên ngoài vào các điện tử ở vùng đầy có thể chuyển động sang vùng dẫn được do vậy vật dẫn có thể dẫn điện

c) Điện môi

Có miền cấm lớn, các điện tử khó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn được Do đó điện môi muốn trở thành vật dẫn phải có từ trường E mạnh ở ngoài tác dụng vào

II sự phân cực của điện môi

Điện môi là tất cả các vật liệu cách điện, nó tồn tại ở các trạng thái: Khí, lỏng, rắn Một hiện tượng cơ bản phát sinh trong môi chất khi đặt vào nó trong

điện trường đó là hiện tượng phân cực

Sự phân cực của điện môi là sự chuyển dịch có hướng và có giới hạn của các điện tích hoặc sự định hướng từng phần của các phân tử lưỡng cực

Các đại lượng phân cực là:

p(γ ) : Điện trở suất, điện dẫn suất

ε : Hằng số điện môi

δ (hoặc tgδ ) : Góc tổn hao điện môi

Ect : Cường độ điện trường chọc thủng

1 Hiện tượng phân cực

a) Phân tử trung tính

- - -

+ + + + + + + Khi cú điện trường tỏc dụng Bỡnh thường

b) Phõn tử cực tớnh (lưỡng cực)

Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích liên kết của điện môi bị xoay theo hướng của lực tác dụng vào nó, cường độ điện trường càng mạnh, điện tích chuyển hướng càng mạnh Điện tích dương chuyển dịch theo hướng chuyển dịch của điện trường tác dụng, còn điện tích âm thì chuyển dịch theo hướng ngược lai Khi không còn điện trường tác dụng nữa thì các điện tích lại quay trở về trạng thái ban đầu

Trong điện môi lưỡng cực tác dụng của điện trường gây nên sự định hướng tương ứng các phần tử lưỡng cực kết quả là trên bề mặt của điện môi hình thành những lớp điện tích trái dấu nhau, ở mặt hướng về điện cực dương xuất hiện lớp

điện tích âm, còn ở mặt hướng về điện tích âm thì xuất hiện lớp điện tích dương lúc này sự phân cực đr xong Khi điện môi đó là một tụ điện được tích điện

U là điện áp đặt vào tụ điện

Điện tích Q ở trị số điện áp cho trước gồm hai thành phần:

-+

-+ -

Một trong những đặc tính quan trọng nhất cảu điện môi cs ý nghĩa đặc biệt

đối với kỹ thuật là hằng số điện môi tương đối Đại lượng này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi ấy khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với Q0 là điện tích của tụ cùng kích thươc đặt dưới điện áp cùng trị số nhưng giữa các điện cực là chân không

1 Q

Q' Q

Q Q' Q

Q Q

Q ε

0 0

0 0

Cần chú ý rằng giá tị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ

số đơn vị Trong hệ CGDE nó bằng 1 còn trong hệ SI nó bằng:

) m F ( 36π6π.

1

Giá trị hằng số điện môi tương đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị

Trong những phần tiếp theo chính đại lượng hằng số điện mội này dùng để

đặc trưng cho chất lượng của điện môi, nhưng để ngắn gọn ta bỏ bớt chữ “tương

đối”

Như vậy quan hệ 1.1 có thể biểu diễn dưới dạng phương trình:

Q = Q0ε = C.U = C0.U.ε (1.4) Trong đó: C0: Điện dung của tụ điện đó khi giữa các điện cực là chân không Từ (1.4) rõ ràng hằng số điện môi của ε của một chất nào đó có thể được xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi là chất đó với điện dung của tụ điện cùng kích thước nhưng mội là chân không

điện dung của tụ điện có cùng kích thước nhưng điện môi là chân không

III Các dạng phân cực của điện môi

Dựa trên nguyên tắc về thành phần, đặc điểm hoặc thời gian của sự phân cực người ta chia phân cực ra các dạng sau:

1 Theo các loại phần tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực

a) Phân cực điện tử

Là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động của cá điện tử dưới dạng của điện trường bên ngoài Phân cực điện tử xảy ra ở tất cả các nguyên tử, phân tử, ion Đặc điểm của dạng phân cực này nó có thời gian

ổn định phân cực vô cùng ngắn 10-14 ữ 10-13s

b) Phân cực ion

Là dạng phân cực gây nên bởi sự xê dịch của các ion liên kết của các chất

điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài thời gian ổn định phân cực 10-13 ữ

Là dạng phân cực xảy ra do biến dạng đàn hôi của các phân tử Phân cực

điện tử và phân cực ion là các phân cực đàn hồi

b) Phân cực nhiệt

Là dạng phân cực mà điện môi có mômen cảm ứng dưới tác dụng của bên ngoài do sự phân bố không đối xứng của các điện tích khi chúng ở trạng thái chuyển động nhiệt

3 Theo vận tốc phân cực

Chia ra các dạng sau:

a) Phân cực nhanh: Gồm các phân cực điện tử, ion (không toả nhiệt)

b) Phân cực chậm: Như phân cực kết cấu, thời gian xảy ra phân cực kéo

dài (có sự tổn thất năng lượng)

4 Sơ đồ đẳng trị của điện môi

Sự phân cực của điện môi có thể xảy ra nhiều loại phân cực trong điện môi

đó hoặc có loạiu điện môi chỉ phân cực ở loại này hoặc loại khác để biểu thị các loại phân cực của điện môi ta dùng sơ đồ đẳng trị

- Nhánh Qic, Cic và Ric đặc trưng cho sự phân cực ion chậm, loại này có các ion liên kết yếu trong mạng tinh thể sẽ chuyển dịch khi có điện trường tác dụng

- Nhánh Qic, Cic và Ric đặc trưng cho sự phân cực chậm

- Nhánh Qkc, Ckc và Rkc đặc trưng cho sự phân cực kết cấu, loại phân cực này chỉ xảy ra đối với các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng nhất

- Nhánh Qtp, Ctp và Rtp đặc trưng cho sự phân cực tự phát, loại này xảy ra

đối với các loại điện môi rắn có kết cấu ion gọi là điện môi Xe – Nhít Sự phân cực tự phát kèm theo khuếch tán năng lượng đáng kể tức là tỏa nhiệt

- Nhánh có Rcd là điện trở cách điện đặc trưng bởi dòng điện rò qua điện môi

IV hệ số điện môi của các loại môi chất

1 Hằng số điện môi của điện môi khí

Các chất khí có đặc điểm là mật độ rất bé, khoảng cách giữa các phân tử lớn Nhờ đó sự phân cực chất khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất khí gần bằng 1 Sự phân cực của chất khí có thể là thuần tuý điện tử hoặc lưỡng cực nếu phân tử khí đó có cực tính Nhưng ngay đối với khí có cực tính, sự phân cực điện tử vẫn có ý nghĩa chủ yếu

2 Hằng số điện môi của chất lỏng

So với môi chất khí môi chất lỏng có kết cấu phức tạp hơn nhiều nên quá trình phân cực trong chất lỏng cũng phức tạp hơn, do đó ta có thể phân làm hai loại moi chất lỏng sau:

a) Môi chất lỏng trung tính (Dầu Máy biến áp, Benzen )

Trong môi chất này chủ yếu xuất hện loại phân cực tức thời, trị số ε≤ 2,5

Ví dụ: Dầu Máy biến áp ε = 2,2 Dầu Benzen ε = 2,48

Đối với chất lỏng trung tính thì ε phụ thuộc vào nhiệt độ (hình vẽ 4.1) còn tần số lại không ảnh hưởng đến ε

- Khi nhiệt dộ tăng đến t1 thì ε tăng nhưng tăng chậm, tiếp tục tăng đến nhiệt độ t2 thì ε tăng nhanh

- Nếu tăng nhiệt độ t0 > t0

2 thì ε giảm, như vậy đường biến thiên có một

điểm cực đại ứng với điện môi lỏng ở trạng thái vật lý cực tính Trạng thái vật lý

đó là do sự cộng hưởng của hai dao động do nhiệt và do điện trường tác động (do cản trở của nhiệt độ làm cho sự phân cực khó khăn vì vậy khi t0 tăng sẽ làm cho

ε giảm)

* Xét quan hệ của ε với tần số: ε = f(ω) hoặc ε = F(f)

Ta thấy ε giảm vì f thay đổi tức là khi f tăng thì sự xoay hướn của cá phân

tử lưỡng cực càng khó khăn Nếu f tăng đến giá trị giới hạn nào đó thì sự phân cực trở lên không hoàn thành và ε giảm

3 Hằng số điện môi của chất rắn

a) Môi chất rắn có kết cấu phân tử trung tính (Parafin, lưu huỳnh ) và các môi chất rắn có kết cấu tinh thể chặt chẽ (NaCl, Al2O3)

Loại môi chất này có kết cấu trung tính và kết cấu ion chặt chẽ nên chỉ có phân cực tức thời của điện tử ion

Tên gọi vật liệu Hệ số khúc xạ n2

ε Parafin 1,43 2,06 1,9 ữ 2,2 Polistirol 1,55 3,4 2,4 ữ 2,6 Lưu huỳnh 1,92 3,60 3,6 ữ 4,0 Kim cương 2,40 5,76 5,6 ữ 5,8

* Xét khi nhiệt độ tăng

- Với môi chất có kết cấu phân tử trung tính (ví dụ: Parafin) ta thấy trị số ε giảm do mật độ phân tử giảm đến nhiệt độ nóng chảy của môi chất thì ε càng giảm xuống mạnh, vì mật độ phân tử lức đó có sự giảm nhảy vọt (ví dụ Parafin

- Môi chất có kết cấu ion chặt chẽ Khi nhiệt độ tăng thì khả năng cực hoá tăng hơn sự giảm của mật độ phân tử do vậy mà ε tăng

b) Môi chất rắn có kết cấu tinh thể yếu (tức kết cấu ion không chặt chẽ) Môi chất có kết cấu cực tính (như vật liệu Xenlulô, cao su, cao phân tử ) ngoài phân cực tức thời còn có thể có sự phân cực chậm Do đó quan hệ phụ thuộc của ε với niệt độ và tần số cũng giống như môi chất lỏng cực tính

c) Môi chất rắn có kết cấu phức tạp

Đây là môi chất thường gặp trong thực tế Kết cấu của nó gồm nhiều thành phần có trị số ε khác nhau

Trị số ε của loại môi chất này được xác định gần đúng như sau:

εx = θ1εx1 + θ2εx2Trong đó: ε, ε1 và ε2 tương ứng với hằng số điện môi của hỗn hợp và của các thành phần riêng

θ1, θ2: Nồng độ theo thể tích của các thành phần thoả mrn biểu thức

θ1+ θ2 = 1 x: Hằng số đặc trưng cho sự phân bố của các thành phần và giá trị

từ +1→-1

- Khi mắc nối tiếp các thành phần x = -1 ta có:

2

2 1

1

ε

θ ε

θ ε

1 +

=

- Khi mắc song song các thành phần x = -1 biểu thức có dạng:

ε = θ1ε1 + θ2ε2

Chương II: Tính dẫn điện của điện môi

I Đặc điểm của điện môi trong điện trường

Khi các điện môi nằm trong điện trường khi chịu tác dụng của một cường

độ điện trường E, trong trường hợp đồng nhất thì E được xác định:

Điện môi đặt dưới điện trường thì xảy ra hiện tượng cơ bản đó là sự dẫn

điện của điện môi và sự phân cực của điện môi

Điện dẫn của điện môi được xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong điện môi (các điện tích tự do có thể là điện tử ,ion hoặc các nhóm phần tử mang điện)

Dưới tác dụng của điện trường: F = E.q (N) Trong đó: q: Điện tích của các phần tử mang điện tự do Các điện tích (+) chuyển động theo chiều của E và ngược lại dẫn đến trong điện môi xuất hiện một dòng điện Trị số của dòng điện phụ thuộc vào mật độ các điện tích tự do trong điện môi Trong điện môi tồn tại rất ít các điện tử tự do còn lại là các điện tích có liên kết chặt chẽ nên dưới tác dụng của lực điện trường chúng không thể chuyển doọng xuyên suốt điện môi để tạo thành dòng điện mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hướng theo chiều của điện trường

Quá trình dẫn điện và phân cực một phần năng lượng bị tiêu hao và toả ra dươí dạng nhiệt năng dẫn đến điện môi nóng lên đó là sự tổn hao điện môi lâu dài dẫn đến điện môi bị lro hoá

II Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi

Về giá trị dòng điện chạy qua điện môi bằng tổng điện tích chuyển động qua một tiết diện vuông

góc trong một đơn vị diện tích thời gian

Xét một mô hình điện môi có dạng hình trụ có tiết diện vuông góc là S chiều dài bừng vận tốc

chuyển động trung bình của các phần tử trong một

thời gian xác định Vchiều của điện trường trùng với trục hình trụ

l = V

S

E

Giả thiết diện tích chứa trong điện môi là n và mỗi phần tử có điện tích là

q Dưới tác dụng của E sau một đơn vị thời gian thì các điện tích tự do chuyển

động qua hết tiết diện S Tổng điện tích qua S bằng tổng điện tích chứa trong thể tích hình trụ

Như vậy dòng qua điện môi là:

V q.n.s.

q.n.v Q

I = = = (A) (1.2) Hoặc I = J.S (J = q.n.V)

Trong đó: J là mật độ dòng điện A/m2 Tức là tổng điện tích chuyển

động qua một đơn vị điện tích các tiết diện vuông góc trong một đơn vị thời gian

q: Là điện lượng của điện tích n: là mật độ của điện tích

V: Vận tốc trung bình của các điện tích

1 Điện dẫn điện tử (dòng chuyển dịch)

Thành phần mang điện tích là các điện tử, loại điện dẫn này có trong tất cả các điện môi Các điện tử không phải là những hạt đại diện cho một nguyên tố hoá học nào cả nên trong điện dẫn điện tử không xảy ra sự chuyển rời vật chất và không thay đổi của điện môi

2 Điện dẫn ion

Các thành phần mang điện là các ion dương (+) và ion âm (-), khác với

điện tử cá ion mang đầy đủ tính chất của một nguyên tố hoá họcm nên trong

điện dẫn ion có sự chuyển rời vật chất các ion dưới tác dụng của điện trường dẫn

đến chuyển rời về hai điện cực bị trung hoà và tích luỹ dẫn trên hai điện cực, giống như quá trình điện phân

III điện dẫn của các điện môi khí

Trong các chất khí mật độ phân rử rất nhỏ khoảng cách giữa chúng lại lớn cho nên lực tương tác giữa chúng rất nhỏ trong chất khí luôn tồn tại một số ít các

điện tích tự do, chúng là kết quả quá trình ion hoá

Mặc dù trong quá trình điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hoá tự nhien nhưng vì luôn có một số lượng điện tích tự do nhất định dẫn đến sự ion hoá các tác hợp cân bằng nhau (số điện tích xuất hiện do ion hoá cân bằng với số điện tích bị tác hợp)

Trong điện trường mạnh dẫn tới sự ion hoá do va chạm tăng lên, lượng

điện tích tự do tăng nhanh Dưới tác dụng của điện trường các điện tích tự do bắt

đầu chuyển động dẫn tới các điện tích tham gia cả vào quá trình tái hợp và cả quá trình dẫn điện

Khi điện trường tăn dẫn đến dòng điện qua điện môi khí tăng do càng có nhiều điện tích chuyển động đến điện cực

Điều này được giải thíc là:

Do cường độ điện trường mạnh cho nên các điện tích tự do chuyển động nhanh hơn về điện cực nên ít có khả năng tái hợp

Hình vẽ biểu diễn quan hệ phụ thuộc của dòng điện chạy qua chất điện môi vào điện áp đặt

Vùng I: ứng với khu vực điện trường bứ cho nên cường độ điện trường rất

hở dẫn tới số lượng điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện nhỏ hơn so với số lượng điện tích bị tái hợp Như vậy mật độ điện tích tự do ít và là một hằng số

Điện dẫn của điện môi khí trong điện trường yếu ta thấy dòng điện tăng tuyến tính với điện áp

Vùng II: ứng với khu vực có dòng điẹn bro hoà, điện trường tăng dần dến

số điện tích chuyển động đến điện cực tăng, tại điểm a tất cả các điện tích xuất hiện do ion hoá đều tham gia vào quá trình dẫn điện Rõ ràng là dòng điện bro hoà không phụ thộc vào điện áp, các yếu tố gây ion hoá tự nhiên là yếu tố quyết

định dòng bro hoà, mật độ dòng điện bro hoà J = 6.10-15(A/m2)

Vùng III: ứng với khu vực điện trường mạnh (điện áp cao) ở khu vực này bắt dầu dòng điện tăng nhanh, không giống như định luật Ôm, điều này chỉ có thể giải thích trên cơ sở của hiện tượng ion do va chạm, số ion hoá xuất hiện tăng nhanh, nó là hàm của cường độ điện trường:

N0 = NE ⇒ J = NE.q.h (A/m2) Trong đó: q là điện tích của phần tử mang điện (c)

h là khoảng cách hai điện cực (m) Tại điểm xảy ra quá trình phóng điện trong chất khí tức là nối liền hai điện cực bằng một cầu có điện dẫn cao, lúc này không khí trở thành vật dẫn điện

IV điện dẫn của các điện môi lỏng

Trong các điện môi lỏng tồn tại 2 loại điện dẫn khác nhau: Đó là điện dẫn ion và điện dẫn điện di

1 Điện dẫn ion của các điện môi lỏng

Khác với các điện môi khí trong điện môi lỏng các điện tích tự doxuất hiện không chỉ do sự ion hoá gây nên mà còn do quá trình phân ly của các phân

tử của chính chất lỏng Trong các điện môi lỏng bao giờ cũng lẫn tạp chất thông thường Vì các tạp chất rất dễ phân ly hơn các phân tử của điện môi chính, nên

điện dẫn của điện môi lỏng gồ điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của tạp chất

Nước là loại tạp chất phổ biến lẫn vào điện môi lỏng Nó tồn tại dưới 3 dạng: Nước tan, nước huyền phù và nước dư Nước dư có thể nổi hoặc chình tròng điện môi tuỳ thuộc vào tỷ trọng của nước và tỷ trọng của điện môi, tỷ trọng

điện môi > 1000 kg/m2 thì nước dư nổi và ngược lại

Khả năng phân ly của các phân tử cang lớn dẫn đến điện môi lỏng có điện dẫn lớn

2 Điện dẫn điện di

Điện dẫn điện di còn gọi là điện dẫn Molion là sự chuyển dích có hướng của nhóm các phần tử mang điện (tích điện) dưới tác dụng của điện trường ngoài

Trong điện môi lỏng có tồn tại nhiều hạt dạng keo tích điện chuyển động trong điện trường giống như các phần tử tích điện tự do

Tuỳ theo sự quan hệ giữa ε của chất lỏng và ε của tạp chất dạng keo này

mà chúng có thể tích điện tích dương (+) hoặc âm (-)

- Nếu εtc < ε chất lỏng: Hạt keo tích điện âm (-)

- Nếu εtc > ε chất lỏng: Hạt keo tích điện dương (+) Trong điện trường các hạt keo tập trung ở các điện cực hoặc là vùng có cường độ điện trường lớn, do mật độ tạp chất các vùng này tăng cho nên tạp chất trong điện môi giảm tức là làm sạch điện môi Điện dẫn của điện môi lỏng sau khi đóng vào điện một chiều thì giảm do hiệu ứng làm sạch Hiệu ứng này không xuấ hiện ở nguồn điện xoay chiều bởi vì có sự thay đổi hướng liên tục của các hạt keo tích điện này

V Điện dẫn của các điện môi rắn

Điện môi rắn có rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học và cấu trúc,

về độ sạch và tạp chất Trong điện môi rắn các phần tử bị ràng buộc vào điểm mút, chúng có chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng này quá trình chuyển dịch của các phần tử từ vị trí này đến vị trí khác rất khó khăn Điện dẫn của điện môi rắn rất khác nhau, không những bởi loại điện môi mà còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng

Trong điện môi rắn thành phần mang điện tích là các điện tích tự do tồn

tại trong điện môi, chúng có thể là điện tử,

ion hoặc ion của các tạp chất Điện dẫn

của điện môi rắn có thể là điện dẫn của

điện tử, điện dẫn ion hay tổng hợp của hai loại điện dẫn này Các điện tích tự do còn tồn tại ngay cả lớp bụi, ẩm bám trên bề mặt của điện môi Do đó mà tồn tại không chỉ dòng điện chạy xuyên qua bề dầy điện môi (dòng điện khối Iv) mà còn tồn tại dòng điện chạy theo bề mặt của nó (dòng điện mặt Is)

Chính vì vậy mà đối với điện môi rắn có hai khái niệm Điện dẫn suất khối

γV và điện dẫn suất mặt γs

ρv: Điện dẫn suất của điện môi

Về trị số của điện troẻ suất khối là điện trở suất của một khối vật liệu có dạng hình lập phương có cạnh là 1cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện

v

γ

1 ρ , γ 1

Chương III: sự phóng điện trong

điện môi khí

I khái niệm chung

Sự phóng điện trong điện môi khí

Khi nghiên cứu về điện dẫn của điện môi khí ta đr biết quan hệ giữa mật

độ dòng điện khí với cường độ điện trường tác dụng

- Khi E < E2 thì dòng điện trong điện môi khí không tự duy trì

- Khi E > E2 trong điện môi khí bắt đầu xảy ra hiện tượng io hoá va chạm, dòng điện

trong chất khí tự duy trì, dòng điện lúc này tăng

lên rất nhanh, do đó chất khí sẽ mất hết tính chất

cách điện (chất khí cách điẹn bị chọc thủng)

Điện áp ứng với trường hợp này gọi là điện áp

chọc thủng chất khí và cường độ điện trường

UCT: Điện áp chọc thủng chất khí d: Bề dày điện môi chỗ chọc thủng

- Khi chất khí bị chọc thủng thì nó trở thành chất dẫn điện, có dố điện tử

tự do và số ion lớn gọi là Plasma Plasma có điện dẫn lớn

Vậy sự phóng điện trong chât khí là sự hình thành Plasma của toàn bộ hay một phần chất khí trong không gian giữa các điện cực, sự phóng điện đó phụ thộc vào dạng của điện trường, công suất của nguồn và áp suất của chất khí môi trường xung quanh

II Các dạng phóng điện trong điện môi khí

ở đây ta nêu ra các dạng phóng điện sau:

Phóng điện tở sáng thường chiếm cả khoảng không gian giữa các điện cực, thí dụ như phóng điện trong đèn neon

2 Phóng điện tia lửa

Phóng điện tia lửa phát sinh trong khe hở không khí khi có áp suất cao, công suất của nguồn không lớn lắm hoặc lớn nhưng thời gian tác dụng của điện

áp nhỏ và chỉ phát sinh ra tia lửa hẹp giữa hai điện cực Do công suất nhỏ, thời gian tác dụng ngắn do đó tia lửa của nó bị gián đoạn, chập chờn gẫy khúc và có khi chia thành nhánh giữa hai điện cực

3 Phóng điện hồ quang

Phóng điện hồ quang là giai đoạn tiếp theo của phóng điện tia lửa khi công suất của nguồn lớn Trường hợp này có thể có dòng điện lớn chạy qua khe hở làm nóng chất khí giữa khe hở dẫn đến sự ion hoá nhiệt tăng, điện dẫn của khe

hở khí tăng và do đó lại làm cho dòng điện trong khe hở tăng tiếp đến khi đạt

đến trạng thái cân bằng (tức là khi tổn hao nhiệt của tia phóng điện là chấm dứt

sự tăng của nhiệt độ) Quá trình này cần có một thời gian, do đó phóng điện tia lửa sẽ không tr thành phóng điện hồ quang nếu điện áp tác dụng lên khe hở trong thời gian quá ngắn

Như vậy phóng điện hồ quang đặc trưng bởi nhiệt cao và độ ion hoá cao

4 Phóng điện vầng quang

Phóng điện vầng quan là một dạng phóng điện xảy ra trong điện trường không đồng nhất Trường hợp này sự phóng điện (sự ion hoá) chỉ phát sinh trong một khu vực bé xung quanh điện cực có cường độ điện trường lớn Khi có phóng

điện vầng quang khe hở khí không phải đr mất tính chất cách điện, tuy vậy trong các kết cấu cách điện không nên để xảy ra phóng điện vầng quang

II Hiện tượng ion hoá kích thích kết hợp khuếch tán

1 Hiện tượng ion hoá

Là hiện tượng nguyên tử khí hoặc phân tử hấp thụ thêm năng lượng ở bên ngoài (do va chạm hoặc do các tia lửa bức xạ) làm cho một điện tử của nguyên tử hoặc phân tử trung tính tách ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử đó Điện tử bị tách

ra có thể thàh điện tử tự do hoặc bị nguyên tử trung tính khác hấp thụ để trở

thành ion âm Do có điện tử tách ra nên nguyên tử, phân tử bị mất cân bằng về

Wi là năng l−ợng cần thiết để ion hoá chất

Wi = q.Ui Ui: Điện áp để ion hoá

q: Điện tích của điện tử

III các dạng ion hoá - các hệ số

1 Các dạng ion hoá

Người ta chia quá tình ion hoá chất khí ra làm hai loại: ion hoá bề mặt và ion hóa thể tích

1.1 Ion hoá bề mặt

Là hiện tượng điện tử tự do trong lớp kim loại làm điện cực âm vì một lý

do nào đó nhận thêm năng lượng để thoát ra khỏi bề mặt của các điện cực Muốn giải thoát một điện tử khỏi bề mặt điện cực thf phải cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn công thoát (We > Wi)

Dựa vào nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình ion hoá, người ta chia các dạng ion hoá bề mặt như sau:

a) Phát xạ nhiệt điện tử

Do cực âm bị đốt nóng, nhiệt độ cực âm tăng, tốc độ chuyển động của các

điện tử lớn cho động năng của điện tử lớn hơn công thoát thì điện tử sẽ chuyển vượt qua khỏi hàng rào thế năng và thoát ra khỏ bề mặt của điện cực âm

Phát xạ nhiệt điện tử được ding trong các dụng cụ điện tử, ở đó cực âm

c) Phát xạ quang điện tử

Trường hợp này ion hoá bề mặt xảy ra do có cá tia bức xạ sang ngắn tác dụng lên bề mặt kim loại sẽ cung cấp năng lượng cho điện tử để điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loịa đó

Dạng ion hoá bề mặt này thường gặp trong các khe hở của thiết bị cao áp 1.2 Ion hoá thể tích

Xảy ra trong lớp khí giữac hai điện cực, có 3 dạng sau:

a) Ion hoá va chạm: Là hiện tượng ion hoá gây bởi sự va chạm của điện tử

tự do với phân tử khí

Khi điện tử được đặt trong điện trường lực tác dụng của E, F = E.q (q: điện tích điện tử) sẽ buộc điện tử di chuyển ngược với chiều của điện trường Khi di chuyển thì điện tử tích luỹ năng lượng dưới dạng động năng W = q.E.x (x là

đoạn đường di chuyển của điện tử) và khi va chạm với phân tử khí nếu thoả mrn

điều kiện We > Wi thì phân tử mày bị ion hoá

b) Ion quang hoá

Ion quang hoá là hiện tượng ion hoá năng lượng W nhân được tử bức xạ quang học

Nếu ν và λ là tần số và bước sang (độ dài) của bức xạ quang học thì năng lượng W nhân được xác định:

λ

c.h h.ν

- Bức xạ quang học do quá trình kết hợp của các điện tích khác dấu

- Bức xạ quang học do quá trình hoàn nguyên của các phân tử khí bị kích thích

d) Ion hoá nhiệt

Bao gồm tất cả các quá trình ion hoá do nhiệt độ cao của chất khí gây nên Khi ở nhiệt dộ cao các phân tử khí chuyển động mạnh va chạm vào vách bình chứa hoặc vào các vật rắn khác thì phân tử khí sẽ mất hết động năng và sinh ra các tia bức xạ, khi nhiệt độ càng lớn thì năng lượng của các tia bức xạ càng lớn

do đó gây ra sự ion hoá

Muốn thực hiện ion hoá nhiệt cần phải có điều kiện: Động năng trong chuyển động nhiệt của cácphân tử khí phải lớn hơn năng lượng để ion hoá

W = q.E.x

2 Các hệ số ion hoá

Có 3 hệ số ion hoá:

2.1 Hệ số ion hoá do điện tử va chạm (hệ số Taoxen 1 – Ký hiệu ααα)

Là số lần ion hoá thực hiện bởi một điện tử khi chuyển động trên đoạn

đườn 1cm theo phương của điện trường

2.2 Hệ số ion hoá do ion dương va chạm (hệ số Taoxen 2 – Ký hiệu βββ)

Là số lần ion hoá thực hiện bởi một ion dương khi chuyển độngtrên đoạn

đường 1cm theo phương của điện trường

2.3 Hệ số ion hoá mật (hệ số Taoxen 3 – Ký hiệu δδδδ)

Là số điện tử trung bình được giải thoát từ bề mặt của cực âm khi một ion dương đập vào

Chương IV: Đặc tính cơ lý hoá của

điện môi

Khi chọn và sử dụng vật liệu điện không những phải chú ý đến những đặc tính của nó trong điều kiện bình thường mà còn xét đến các đặc tính của điện môi khi chịu tác dụng của những đặc tính vật lý, cơ giới, hoá học…

Ta biết các bộ phận cách điện của thiết bị điện chịu ảnh hưởng tới các đặc tính vật lý như: tiếng ồn, nhiệt độ môi trường…

- Các đặc tính cơ: uốn, kéo, nén, đàn hồi, va đập…

- Các đặc tính hoá học: Oxy hoá

I đặc tính vật lý của điện môi

1 Tính hút ẩm và tính thấm nước của vật liệu cách điện

1.1 Tính hút ẩm

Phần lớn tang vật liệu cách điện đều có tính hút ẩm làm cho đặc tính điện của nó xấu đi, trong thực tế hầu hết các thiết bị điện đều được đặt trong môi trường không khí Trong không khí thì luôn luôn chứa một lượng nước nhất định (có một độ ẩm nhất định) Nước có điện dẫn rất lớn, khi các thiết bị điện hút ẩm thì đặc tính điện bị kém đi

- Xác định độ ẩm của điện môi: là độ ẩm mà điện môi đó hút được, nhưng việc đo độ ẩm này rất khó khăn vì vậy người ta thường đo điện trở cachs điện hoặc điện dng của điện môi từ đó suy ra độ ẩm của điện môi Thực nghiệm cho thấy rằng nếu điện môi cùng hút một lượng ẩm như nhau thì đăc tính điện của

điện môi sẽ thay đổi khác nhau

Xét hai chất điện môi cùng đặt trong một môi trường, trong cùng một thời gian,

Nếu đặt vật liệu cách điện trong môi trường có nhiệt độ và độ ẩm khác với

độ ẩm cuẩ vật liều đó thì sau một thời gian vật liệu sẽ có một độ ẩm cân bằng ổn

1.2 Tính thấm nước của điện môi (tính hấp thụ)

Những điện môi không hút ẩm chúng sẽ tạo ra trên bề mặt của điện môi một màng ẩm, khi đặt điện môi trong môi trường ẩm, quá trình ngưng tụ hơi nước để tạo màng ẩm đó người ta gọi là tính thấm nước của điện môi

Tính thấm nước của điện môi ảnh hưởng nhiều đến điện dẫn mặt δs của

điện môi, cụ thể là làm cho δs tăng Vậy tính thấm nước phụ thuộc vào tính trạng

bề mặt của điện môi, phu thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường Nếu độ

ẩm của môi trường càng lớn thì độ dày của màng ẩm càng tăng

Để giảm tính thấm nước của điện môi thì ta làm cho bề mặt của điện môi nhẵn và có thể tráng men hoặc bôi lên bề mặt của điện môi rắn một lớp Parafin ngoài ra phải để điện môi rắn ở nơi khô ráo và định kỳ sơn sấy

2 Đặc tính nhiệt của điện môi

2.1 Tính chịu nhiệt của điện môi

Là khả năng chịu được nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hoặc lâu dài và khi nhiệt độ thay đổi đột ngột không bị hư hỏng nghĩa là không làm cho tính chất của điện môi xấu Tiêu chuẩn về tính chịu nhiệt được xác định tuỳ theo loại

điện moi và công dụng của nó Dựa vào tính chịu nhiệt của điện môi, người ta đr phân loại điện môi theo cấp chịu nhiệt và nhiệt độ làm việc cho phép lớn nhất của chúng

Cấp chịu nhiệt Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc

cho phép lớn nhất 90

0 1050 1200 1300 1550 1800 >1800

- Cấp Y: Bao gồm vật liệu sợi gôc là xenlulô và tơ (sợi vải, giấy, gỗ) nó chưa được ngâm tẩm vào trong chất cách điện lỏng

- Cấp A: Bao gồm các loại vật liệu hữu cơ nh− trên nh−ng đr đ−ợc tẩm bằng sơn hoặc ngâm trong chất cách điện lỏng

- Cấp E: Gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và chất liên kết nhiệt cứng

- Cấp B: Gồm các vật liệu vô cơ nh− Mica, amiăng, và sợi thuỷ tinh, đ−ợc dẫn bằng những vật liệu hữu cơ

- Cấp F: Bao gồm micanít, các sản phẩm thuỷ tinh không co chất đệm hoặc có chất đệm vô cơ và dùng chất co tính chịu nhiệt cao để dán

- Cấp H: Bao gồm những chất hữu cơ ở cấp F nh−ng dùng chất silic hữu cơ có tính chịu nhiệt cao để dán và tẩm

- Cấp C: Bao gồm vật liệu thuần tuý vô cơ, không dán hoặc tẩm bằng vật liệu có thành phần hữu cơ

Ví dụ: Ôxyt nhôm, mica, thuỷ tinh, thạch anh, amiăng, micalếch, micanit chịu nhiệt (dán bằng chất vô cơ)

2.2 Điểm chớp cháy và điểm cháy

Điểm chớp cháy là một trong những đặc tính riêng của môi chất lỏng

Điểm chớp cháy của chất lỏng là nhiệt độ mà khi nung nóng chất lỏng tới nhiệt độ đó sẽ làm cho hỗn hợp của hơi chất lỏng với không khí bùng cháy Khi tiếp xúc với ngọn lửa bé tong thời gian ngắn

Điểm cháy của chất lỏng là nhiệt độ mà khi tiếp xúc với ngọn lửa thì chất lỏng đó bôc cháy

Điểm cháy cao hơn điểm chớp cháy

Đối với dầu MBA thì điểm chớp cháy quy định phải ≥ +1350C, còn điểm cháy là +1650C

Trong đó: tA là thời gian chảy của 200ml chất lỏng ở 500C

tB là thời gian chảy của 200ml nước cất ở 200C

Ví dụ: Dầu MBA có độ nhớt quy định là η = 1,8

Nếu η > 1,8 chứng tỏ dầu đr đặc, có nhiều tạp chất, khó lưu thông, làm lạnh kém

Nếu η < 1,8 thì dầu lỏng quá, dễ bị cháy

2.4 Nhiệt dẫn của điện môi

Nhiệt dẫn của điện môi là khả năng truyền nhiệt của vật liệu từ môi trường này sang môi trường khác Nhiệt dẫn có ảnh hưởng đến cường độ cách điện của

điện môi, nhất là khi có sự phóng điện do nhiệt hoặc khi điện môi chịu sự biến

đổi đột ngột của nhiệt độ

Nhiệt dẫn của điện môi luôn bé hơn hiều so với kim loại

Vật liệu cách điện xốp có nhiệt dẫn bé nhất vì không khí dẫn nhiệt kém, khi đr được tẩm thì nhiệt dẫn tăng lên

Vật liệu có kết cấu inh thể có nhiệt dẫn lớn hơn vật liệu có kết cấu vô định hnhf

Drn nở nhiệt có liên quan đến tính chịu nhiệt của vật liệu Vật liệu có hệ

số drn nở nhiệt bé thì có tính chịu nhiệt cao và ngược lại

ii Đặc tính cơ giới của điện môi

1 Sức bền chịu kéo, nén, uốn của vật liệu

Khái niêm về sức bền chịu kéo, nén, uốn đr được nghiên cứu trong môn Cơ kỹ thuật

Còn đối với vật liệu có kết cấu sợi thì sức bền cơ giới phụ thuộc vào phương tác dụng của tải trọng

Đối với vật liệu xốp thì sức bền cơ giới phụ thuộc nhiều vào độ ẩm

Đối với một số vật liệu như thuỷ tinh, vật liệu gốm và nhiều loại chất dẻo… thì sức bền chịu nén ớn hơn nhiều so với sức bền chịu kéo

θ = 20 000 kg/cm2; θ = 500 kg/cm2

Sức bền cơ giới của nhiều vật liệu còn phụ thuộc vào nhiệt độ, sức bền cơ giới giảm khi nhiệt độ tăng

2 Độ giòn

Vật liệu giòn là vật liệu có khả năng chịu được tải trọng tĩnh (tải trọng không hay đổi) và dễ bị hư hỏng khi có tải trọng động (tải trọng thay đổi đột ngột)

Để đánh giá khả năng chịu tải trọng của vật liệu người ta dùng phương pháp thử “Độ dai va đập”, Độ dai ca đập δvđ của vật liệu được xác định bằng tỷ

số giữa lực Q làm vỡ mẫu thử với tiết diện ngang S của mẫu bị va đập:

h D

P TB

.

π

= (kg/mm2)

III đặc tính hoá học của điện môi

Trong quá trình làm việc lâu dài, vật liệu cách điện trong các cơ cấu điện luôn luôn tiếp xúc với các chất khác như kim loại, khí, nước, axit, bazơ…

Vì vậy về phương diện hoá học, điện môi cần đạt được những yêu cầu cơ bản sau:

- Vật liệu cách điện phải ổn định khi làm việc lâu dài

- Không bị phân huỷ và gây nên các tạp chất khác

- Không ăn òn kim loại khi tiếp xúc với kim loại

- Không có tác dụng hoá học lên các môi trường khác như khí, nước, axit, bazơ, dung dịch muối… và trong quá trình làm việc lâu dài không bị ảnh hưởng của phóng xạ có tia năng lượng cao và cần phải ổn định khi chịu tác dụng của những tia đó