Vật liệu điện - Chương 1 pdf

a Liên kết đồng hoá trị Là sự liên kết của một số nguyên tử thành phân tử nhở các điện tử góp chung.. b Phõn tử cực tớnh lưỡng cực Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích liên kết c

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

- 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

b) Bán dẫn

1 Miền đầy 2

1

2

3

1

2

3

1

2 Miền dẫn (rỗng)

3 Miền cấm

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

2 Hệ số điện môi (εεεε)

ý nghĩa của điện môi: Là một đại lượng đánh giá sự phân cực mạnh hay yéu của chất điện môi

Xét điện môi bất kỳ có gắn các điện cực được cắm vào mạch điện đều có thể xem như là một tụ điện có điện dung xác địn như ta biết, điện tích của tụ điện

sẽ là:

Trong đó: C là điện dung của tụ

U là điện áp đặt vào tụ điện

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

Q = Q0 + Q’ (1.2)

Q0 Là thành phần có ở điện cực nếu như giữa các cực là chân không

Q’ Là thành phần tạo nên bởi sự phân cực điện môi giữa các điện cực

+ + + + + + +

+ + + + + + +

-+

+

-+

-Khi cú điện trường tỏc dụng Bỡnh thường

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

0

+

=

+

=

=

Từ biểu thức (1.3) ta sẽ suy ra được hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không

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

0 C

C

Vậy ta định nghĩa: Hằng số điện môi của một chất điện môi nào đó được xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi làm bằng chất đó và

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

10-12s

c)Phân cực lưỡng cực

Là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng các phân tử có cự tính dưới tác dụng của điện trường ngoài

d) Phân cực kết cấu

Là loại phân cực xảy ra trong các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng nhât Trong gianh giới giữa hai môi trường khác nhau của chất điện môi sẽ tích luỹ một lượng điện tích gây ra sự phân cực, quá trình này kéo dài hàng phút đến hàng giờ

e) Phân cực tự phát

Là dạng phân cực của các điện môi Xec – nhet Nó có đặc điểm là tự phân cực khi E ngoài bằng 0

Dưới tác dụng của điện trường ngoài dẫn tới phân cực rất mạnh, ε cao có tiêu tần năng lượng

2 Theo các dạng tác dụng có các dạng sau:

a) Phân cực đàn hồi

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

Trong đó:

- Nhánh Q0 và C0 đặc trưng cho sự phân cực chân không

- Nhánh Qc và Cc đặc trưng cho sự phân cực điện tử

- Nhánh Qi và Ci đặc trưng cho sự phân cực ion dưới tác dụng của điện trường (E) các ion của điện môi sẽ chuyển dịch

- Nhánh Qlcc và Clcc đặc trưng cho sự phân cực lưỡng cực chậm dưới tác dụng của E các phân tử lưỡng cực sẽ xoay theo hướng của điện trường Do đó sự phân cực này có tiêu hao năng lượng nên trong sơ đồ điện dung C được nối tiếp với điện trở, điện trở R này đặc trưng cho sự tiêu hao năng lượng cho sự phân cực gây ra

- 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

Rcd

Ci

Qc

Cc

Q0

C0

Rkc

Qkc

Ckc

Rtp

Qtp

Ctp

Rcc

Qcc

Ccc

Ric

Qic

Cic

Rlcc

Qlcc

Clcc

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

b) Môi chất lỏng có cực tính

Môi chất lỏng này có kết cấu là những phân tử không trung hoà về điện hoặc kết cấu lưỡng cực

Ví dụ: Nước cất, dầu thầu dầu, sơn Sôn vô

Tên gọi chất lỏng ε ở t0 = 200C và f = 50Hz

* Xét quan hệ của ε với nhiệt độ: ε = f(t)

t0 sôi

ε

ε

Hình vẽ 4.1

- 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

* 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

có nhiệt độ nóng chảy ở t0 = 500C)

εmax

0

t0

t0

1 t0

2

ε

0

f

ε

εlc

ε

- 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 + θ2εx2 Trong 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