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: h U E =
Trang 1Chương 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:
h
U
E =
Trong đó: E: Điện áp đặt lên hai điểm cực
h: Khoảng cách giữa hai điểm cực
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 chiều của điện trường trùng với trục hình trụ
l = V
S
E
Trang 2Giả 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
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
3 Điện dẫn di (dòng điện dò)
Điện dẫn di là còn gọi là điện dẫn Molion, thành phần mang điện là các nhóm, các phần tử tích điện, các tạp cất tồn tại trong chất điện môi
ở trạng thái cân bằng trong chất điện môi có sự trao đổi liên tục giữa điện tích của điện môi và điện tích của nguồn dẫn đến dòng điện qua điện môi là không thay đổi và điện dẫn của điện môi cũng không đôi rheo thời gian Đó là trạng thái bảo toàn điện tích của điện môi
Trang 3III 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
-15 2
U
U 3
U 2
U 1
0
I bh
I
c
Trang 4Vùng 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 (-)
Trang 5- 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
Đơn vị của ρv là Ωcm
ρs: Điện trở mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình
Is
Is
IV
s
s v
v
γ
1 ρ , γ 1