Câu hỏi ôn tập vật liệu điện trong hệ thống điện

 các loại dđiện ,chất đmôi - Tn đo dđiện trog chất đmôi - Đườg 1: dđiện qua đmôi khi đặt trog đ.áp 1 chiều - Đườg 2: I gồm 2 tphần: + dòng rò Irò + dòng pcực Ipc I = Irò + Ipc - Ipc

Câu 1: Lý thuyết phân vùng Năng lượng, dựa vào đó để phân loại vật liệu

 Nội dung của lý thuyết phân vùng năng lượng:

-Các ngtử # có mức NL #

-Khi ngtử ở tr.thái bt (ko bị kthích)thì 1số mức NL bị các đtử lấp đầy,còn các mức NL khác đtử chỉ có thể có mặt khi ngtử bị kthích,các ngtử bị kthích có xu hướg trở về tr.thái bt,khi trở

về tr.thái bthườg sẽ phát ra phần NL dư thừa dưới dạng photon ásáng

-Trog các vật rắn,do các ph.tử ở gần nhau nên các mức NL bị xê dịch do tđộng của các ngtử bên cạnh tạo thành một dải NL hay còn gọi là vùng các mức NL.Phân vùng NL:

-Miền đầy(vùng hóa trị): có nhiều đtử, sự lkết giữa các đtử với hạt nhân là bền vững,ứng với tr.thái không bị kthích

-Miền dẫn:có nhiều đtử tự do,các ngtử có mức NL cao hơn,lkết với hnhân, nó dễ dàng cđộng dưới tdụng của đtrườg E (miền bị kthích)

-Miền cấm: các đtử tự do ko có ở miền này

 Phân loại vật liệu:

-Vliệu cáchđiện:là chất có miềncấm lớn đến mức khi đặt chất đmôi dưới tdung của đtr thì ko dẫn điện W ≥1,8eV

-Vliệu bdẫn:có miền cấm hẹp hơn chất cđiện 0,2eV W<1,8eV.Vùng này cthể tđộng nhờ NL

từ ngoài vào.Nếu NL từ ngoài vào đủ lớn có thể làm cho e từ miền đầy chuyển sag miền dẫn trở thành e tự do thì các e cđộng dưới tdụng của đtrườg tạo thành dđiện dẫn của chất bán dẫn -Vật dẫn:có miền cấm rất hẹp.Thậm chí ko tồn tại miền cấm do miền dẫn nằm sát hoặc chồng lên miền đầy W<0,2eV

Vật dẫnđiện có slg đtử tự do lớn,ở đk bt các e htrị trong vùng đầy cthể chuyển sang vùng tự

do rất dễ dàng Dưới tdụng của đ trường các e tự do tgia vào dđiện dẫn  vật dẫn có tính dẫn điện tốt

Sơ đồ phân loại vật dẫn

Câu 2: Những hiện tượng chung khi đặt điện môi và trong điện trường

 Có 2 hiện tượng cơ bản:

-Trên bề mặt đmôi xhiện các đtích trái dấu với đtích trên bề mặt các bcực.Do sự định hướng của các ptử lưỡng cực dưới tdụng của đtrường => htượng này gọi là htượg pcực

- Xhiện sự chuyển dời có hướng của các đtích dưới tđộng của đtrường ngoài sinh ra dđiện rất nhỏ đi từ bản cực này sang bản cực kia => hiện tượng dẫn điện

Vì vậy bên trog đmôi có 1 phần NL chuyển thành điện năng => đmôi bị nóng lên => gọi là htượng tổn hao đmôi

-Với 1 vliệu đmôi ở đk P,f,T ko đổi => đmôi đó có 1 đ/a ghạn mà khi áp đặt vào đmôi lớn hơn đ.áp ghạn đó => điện môi bị phóng điện( đmôi bị đánh thủng) đ/a đó gọi là điện áp đánh thủng Uđt => độ bền điện của điện môi(Ebđ) Khi E>Ebđ => đm bị đánh thủng

Ebđ = Uđt/h

h: độ dày của điện môi

Câu 3: Sự phân cực điện môi và hằng số điện môi

 Khái niệm về sự phân cực:

- ĐN: p/c trong đmôi đc xđịnh bởi sự cđộng có ghạn của các đtích ràng buộc hoặc sự định hướng của các ptử lưỡng cực dưới tdụng của lực đtrường.Khi pcực xảy ra,trên bề mặt đmôi xhiện đtích trái dấu với dấu of đcực bên ngoài

- Có thể coi cả khối đmôi như một tụ điện có đtích Q

Q = C.U ( C: điện dung của tụ điện; U: đ/a đặt vào tụ)

Q = Q0 + Q’ (Q0 : đtích của tụ điện mà giữa 2 bản cực là chân ko; Q’ : đtích sinh ra bởi qtrình pcực của đmôi)

 Hằng số điện môi:

- Là 1 trong những đặc tính qtrọng nhất của đmôi,và có ý nghĩa đbiệt với kt điện

- Hằng số đmôi tương đối ε

 = Q/Q0

Q: là đtích của tụ điện mà giữa 2 bản cực là chất đmôi

(Q0+Q’)/Q0=1+Q’/Q01

 = 1 khi mtrường giữa 2 bản cực là chân ko

Hằng số đmôi tuyệt đối ε0

Câu 4: Điện trường cục bộ bên trong điện môi Phương trình Claudiut-Moxôtchi

A / Điện trường cục bộ bên trong điện môi

 KN: Đtrườg cục bộ bên trong đm là đtrườg thực tế tđộng đến đmôi tại 1 điểm nào đó bên trong đmôi đtrườg này đc biết như là tổng của đtrườg ngoài và đtrườg đc tạo nên bởi các đtích của các ptử bên cạnh tđộng đến ptử đang xét +Nếu kcách giữa các ptử là lớn,lực lkết giữa các ptử yếu thì E cục bộ  Engoài (VD ckhí) +Trong các chất rắn và lỏng,cực tính mạnh thì

Ecb>>Engoài

N:mđộ ptử chất đmôi; :Hsố pcực đtrưng cho knăng pcực

Pt (1*)để tính ε của vliệu cho những chất đmôi trung tính hoặc cực tính yếu, hoặc đmôi có ctrúc tinh thể đxứng

Câu 5: Tính dẫn điện, điện dẫn của điện môi

 Bản chất vật lý của sự dẫn điện trong vật chất:

Là sự cdịch có hướng của các hạt mang điện khi chất đmôi đặt trong đtrườg

 các loại dđiện ,chất đmôi

- Tn đo dđiện trog chất đmôi

- Đườg 1: dđiện qua đmôi khi đặt trog đ.áp 1 chiều

- Đườg 2: I gồm 2 tphần:

+ dòng rò Irò

+ dòng pcực Ipc

I = Irò + Ipc

- Ipc khi đặt trog U1c chỉ xhiện trog qtr quá độ

- Ipc khi đặt trong U thì sẽ tồn tại trong suốt tgian đặt đ.áp

- Irò dùng để đgiá knăng cách điện của vliệu cách điện, xhiện suốt tgian đặt U~ và U1c

- Nếu Irò bé => vật liệu cách điện có knăng cách điện tốt và ngược lại

 Điện trở cách điện của khối đmôi Rcđ

- Là đlượg đtrưng cho knăng cách điện của vliệu Nó đc đo = tỉ số giữa đ/a đặt vào khối đmôi

và dđiện rò sinh ra

Rcđ =U/Irò = U/(i-Σipc)=U/iro

- Vì dđiện rò rất khó pbiệt với dòg pcực nên để xđ Rcđ ngta đo dđiện qua đmôi đó 1 phút sau khi đặt trog đtrườg 1chiều

R’cđ = U/I’ro < Rcđ thựcte vì ko triệt tiêu hết dòng pân cực nên I’ > Irò

 Điện trở suất khối:

- ĐN: Là đtrở của 1khối lập phương có cạnh 1cm hình dung cắt ra từ 1 khối vliệu khi dđiện đi qua 2 mặt của khối lập phương đó

 Điện dẫn cách điện của khối điện môi:

- ĐN: Là đlg đtrưng cho knăng cho dòng rò đi qua và được xđ = nghịch đảo của đtrở cách điện

Gcđ = 1/Rcđ =Iro/U (-1)

- Với vl rắn có 2 loại:

+ điện dẫn cách điện mặt Gscđ

+điện dẫn cách điện khối Gvcđ

*Điện dẫn suất khối:

- Nguồn1chiều: P=I2.R=U.I

- Nguồn xoay chiều:

- Nế ssánh 2 loại đmôi có cùg kthước với cùg kthước đcực thì chịu tdụng của 1 giá trị đ.áp, ta

có tỷ số csuất tổn thất đmôi của 2 loại đmôi

Câu 7: các dạng tổn hao điện môi

- Mọi vliệu đều tồn tại đtích và đtử tự do,dưới tdụng của đtrường các đtích tự do này sẽ cđộng

có hướng tạo thành dđiện rò, gây tổn hao

- Tổn hao do pcực tăng theo tsố đ.áp đặt vào đmôi

- Tổn hao phụ thuộc vào t°, sẽ đạt max tại một gtrị t° nhất định đtrưng mỗi chất đmôi

c/ Tổn hao do ion hóa

- Xảy ra ở c.khí khi cđộ đtrường ko đồng nhất, khi trị số đ.áp> trị số đ.áp ban đầu ion hóa của chất khí đó

Pi= A.f(U-Ui)3

A: hằng số; f: tsố đtrường

U: đ.áp đặt vào;

Ui: đ.áp tại tđiểm bđầu xảy ra ion hóa

Ui phụ thuộc vào: loại vliệu đmôi;áp suất, nhiệt độ

- khi xảy ra ion hóa => trong khối khí sẽ:

+ Hấp thu 1phần NL đtrường để ion hóa nó

+ Phát sinh ra nhiều đtích tự do cđộng có hướg trong đtrường => tổn hao tăng

+ Trong k.khí có:02, N2, H20

02 > 03

03 + H20 + N2 -> HN03

=> nếu qtr ion hóa xảy ra lien tục, nồng độ axit tăng thì sẽ ăn mòn vật liệu

d/ Tổn hao do kcấu ko đồng nhất của vật liệu đmôi

Loại tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trog thực tế, vì các vliệu đmôi làm cách điện trog tbị điện thườg có ctrúc ko đồng nhất.Do ctrúc đa dạng và tphần đa dạng của vliệu cách điện mà ko thể có 1 cthức chung để xđ loại tổn hao này.Xét t.hợp đgiản nhất: đmôi gồm 2 lớp nối tiếp nhau

Câu 8: Tổn hao điện môi trong sơ đồ thay thế

- Đặt đmôi vào trog đtrường

+xảy ra htượng dẫnđiện=> Irò

+Htượng pcực:

Ipc nhanh: Ichuyển dịch (Icd)

Ipc chậm : Ihấp thụ (Iht)

Sơ đồ thay thế

- Sơ đồ tđương// ( 1R//1C) hoặc nt (1R nt 1C)

phải tmãn các yếu tố sau

+ Csuất tổn hao trog sđồ phải = csuất tiêu hao đmôi

Pnt = P// = P

+ Góc lệch pha giữa dòng và áp của sđồ phải =góc lệch pha trog thực tế của đmôi khi cùng tsố và U

Sđồ song song

C

n t C

Câu 9: Tổn hao đmôi mtrường lỏng, rắn, khí

a/ Tổn hao trog đmôi lỏng:

-Đmôi lỏng tinh khiết,trung tính hoặc cực tính yếu,tổn hao rất bé: tg = (1,8.1012)/(f)

- Nhưng nếu chất lỏng đó mà bị lẫn tạp chất: các tạp chất rất dễ bị ply thành ion (-) và ion (+) nên làm cho điện dẫn tăng => dẫn đến tg tăng

- Đmôi lỏng cực tính:tùy theo nhiệt độ và tsố bên ngoài thì tổn hao sẽ gồm cả tổn hao do Idẫn

và tổn hao do pcực gây nên => tổn hao lớn hơn tổn hao lỏng trung tính.Phụ thuộc vào nhiệt đô,

f, U

b/ tổn hao trong đmôi rắn

Đmôi rắn có nhiều loại, đa dạng nên trog đmôi rắn có nhiều loại tổn hao

Các chất trung tính và có ctrúc tinh thể đxứng thì tổn hao chủ yếu do Idan gây ra

Các chất cực tính, ngoài tổn hao do Idan gây ra còn có tổn hao do dòng pcực lưỡng cực gây nên

Ngoài ra, phụ thuộc vào lượng bọt khí chứa trong nó, nhất là khi ghép các chất # mà ko khít sẽ sinh ra pcực kcấu, tổn hao tăng.Và các đmôi rắn có tổn hao phụ thuộc công nghệ gia công ctạo

Chú ý ko dùng chất có cực tính mạnh ở tần số cao

c/ Tổn hao điện môi trong các chất khí

- Đối với các chất khí: mật độ ptử bé, các ptử khí ở xa nhau Nếu đ.áp thấp thì các chất khí có điện dẫn rất bé => tổn hao chủ yếu do dđiện dẫn gây nên => tổn hao rất bé Khi U tăng vượt quá Ui thì trong chất khí xảy ra ion hóa => tổn hao tăng mạh

P = A.f.(U-Ui)3

- Với đdây tải điện trên ko có phóng điện vquang và để giảm phóng điện vầng quang ta có thể sdụng bpháp phân pha ddẫn (làm ảnh hưởng đến tính toán các tham số)

Câu 10: Nêu những yêu cầu chung đối với chất khí cách điện Trình bày các dạng ion hóa trong chất khí

a/ Yêu cầu chung của các chất khí cách điện

- Phải là khí trơ,ko tgia phản ứng hh khi txúc

- Phải có cđộ đtrường Eđt cao: kinh tế vì giảm kithước vliệu, giảm chiphí nhà xưởng

- Nhiệt độ hóa lỏng thấp: nhiệt độ hóa lỏng càng thấp thì càng nén được ở áp suất cao

- Phải rẻ, dễ kiếm

- Phải có khả năng truyền nhiệt, làm mát tốt

hóa học

Ecd/

Ekk

t° hóa lỏg

kk elagaz Freon Tetra clorua cacbon

-

SF6CCl2F2CCl4

1 2,5 2,5 6,3

- -62o

-30°+76o

- 2Qtrình trên nếu ko có tác nhân nào xảy ra tương đương gọi là qtrình ion hóa tự nhiên

- Ngoài ra còn 4dạng ion hóa#

T: nhiệt độ tuyệt đối

+ ion hóa bề mặt:xảy ra trên bề mặt điện cực âm để bật ra điện tử trở thành e tự do

NL đc gây ion hóa bề mặt có thể là:

+Nung nóng bề mặt âm cực

+Bắn phá bề mặt âm cực bằng các ptử có động năng lớn

+Dùng tia sóng ngắn chiếu lên bề mặt âm cực

+Bức xạ nguồn chiếu ánh sáng cường độ mạnh

Phụ thuộc công thoát của khối lương làm điện cực và trạng thái bề mặt điện cực

Tên kim loại

Công thoát (eV) Nhôm

Đồng Sắt

1,8 3,9 3,9

Câu 11: Trình bày quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí

a/ Quy luật tăng số điện tích giữa 2 bản cực

- Gsử bđầu phía cực âm có 1 đtử tự do dưới tdụng của đtrường,đtử tự do đó sẽ cdịch về phía cực + trog qtrình di chuyển đó sẽ gây ion hóa do va chạm với các ptử khí trung hòa với hêsố ion hóa α Các đtử mới sinh ra này lại tiếp tục dichuyển cũng gây nên htượng ion hóa va chạm

Vì thế số đtử sinh ra giữa 2 bản cực ngày càng nhiều

- Gsử ở tọa độ (x) có số điện tử là n ; ở tọa độ (x+dx) có số điện tử là (n+dn)

=> dn = n.α.dx



.0

H2

H3

- Các đtử nhỏ nhẹ độ linh hoạt lớn nên dồn tập trung ở đầu tháp với mật độ lớn // với sự ptriển của đtử cũng sinh ra tương tự các ion dương, các ion dương cđộng chậm tập trung ở phía đuôi tháp như hình H2

- Các ion và đtử của tháp làm bđổi dạng đtrường ngoài ( tạo đtrường phụ) như đường 2 của H3

- Qua đó ta thấy đầu tháp cđộ đtrường tăng vọt hơn so với cđộ đtrường đặt vào nên dễ ion hóa phần khí tiếp theo tạo tháp T2, cứ như thế tạo nên thác điện tích

b/ Quá trình hình thành môi trường plasma

- Khi thác đtích ptriển và tiếp cận đến điện cực đối diện thì nó trung hòa tại điện cực Nhưng đến điện cực nó bị trung hòa thì vẫn chưa gọi là phóng điện vì chưa thành dòng liên thông phải

có thác kế tiếp Do vậy muôn có phóng điện cần đảm bảo: có nhiều thác điện tử trong khe hở, thác thế hệ sau phải sinh ra ngay sau khi thác thế hệ trước bị triệt tiêu

- Mỗi thác điện tử đòi hỏi có ít nhất 1 điện tử tác động ba đầu và điên tử ban đầu đó phải sản sinh ngay trong nội bộ khe hở không khí Điều này phụ thuộc vào

+ Áp suất chất khí ( nếu P nhỏ thì các ion đập vào bền mặt âm cực gây ion hóa bề mặt tạo ra điện tử trung hòa  hiện tượng ion hóa bề mặt áp suất thấp

+ Phụ thuộc vào sự giảm trường đột ngột ngay sau đầu thác làm phát sinh ra các photon năng lượng lớn Các photon này có thể gây ion hóa nội bộ ở thân và đuôi thác làm sinh ra các điện tích bổ trợ ho việc tạo thành các điện tử và gây nên gây nên hiện tượng ion hóa quang ở bề mặt

âm cực phát sinh ra các điện tử tiếp

- Khi phát triển đến gần điện cực đối diện thì toàn điện áp đặt dồn lên khe hở S’ tại đó E = U/S’tăng vọt lên làm bứt các ion dương từ cực dương đi theo chiều ngược lại và khi chúng hòa nhập vào 1 thì sinh ra tiếng nổ, lúc này gọi là hiện tượng phóng điện giữa 2 điện cực, khi đó điện môi khí bị đánh thủng , dòng này gọi là dòng plasma

-Tóm lại quá trình hình thành phóng điện xảy ra khi mật độ điện tích đủ lớn (1012/cm2) thì sẽ tạo thành dòng phóng điện giữa 2 điện cực

Câu 12: Trình bày đặc tính Von-Ampe và các dạng phóng điện trong điện môi khí

a/ Đặc tính V-A của chất khí

- Vùng I: khi U tăng thì dẫn đến điện trường E tăng khi đó E = U/S và F = q.E cũng tăng theo dẫn đến v tăng => mật độ điện tích giữa cũng tăng lên => dòng điện tăng lên theo định luật Ohm

- Vùng II: Vì số lượng điện tích có hạn, mặt khác khi U tăng thì vận tốc chuyển động của các điện tích lớn và nó sẽ lại bị trung hòa hết => I không tăng và đạt đến trị số bão hòa

- Vùng III: U>UB => xảy ra quá trình ion hóa chất khí

+ Số lượng điện tử sinh ra ne= n0.eαx

+ Đồng thời sinh ra các ion dương ni = n0.eαx -1

Vì công xuất nguồn có hạn nên điện áp phải trở về điện áp tự duy trì Utdt Để hạn chế dòng bảo

vệ thiết bị => dùng RI>

b/ Các dạng phóng điện trong điện môi khí

Tùy thuộc vào công suất nguồn, áp suất chất khí, dạng điện trường mà có nhiều dạng phóng điện khác nhau

 Phát điện tỏa sáng:

- Áp dụng ở đền neon, đèn quảng cáo

- Xảy ra với áp suất thấp, P thấp là mật độ phân tử bé nên điện dẫn thấp

 Phóng điện tia lửa

- Xảy ra ở áp suất lớn, dòng plasma chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa 2 điện cực, mật độ điện tích trong plasma rất lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn boiwr công suất nguồn

- Áp dụng ở bugi xe máy, đánh lửa ở bếp ga

 Trong phóng điện hồ quang

- Tương tự như phóng điện tia lửa nhưng công suất nguồn lớn, có tác dụng trong thời gian dài xảy ra ở áp suất cao

- Áp dung: hàn, làm nóng chảy

 Phóng điện vầng quang\

- Đặc biệt xảy ra ở cường độ điện trường không đồng nhất dòng phóng điện này trong hoàn toàn vì dòng plasma không nối liên 2 điện cực

Câu 13: Phóng điện trong điện trường đồng nhất: trường đồng nhất và đặc điểm của phóng điện trong điện trường này Trình bày định luật Pasen và giải thích điện áp phóng điện:

1.Phóng điện trong môi trường điện môi đồng nhất

-đặc điểm của điện trường đồng nhất E=const với mọi điểm các đường sức từ song song

) , ( P E

f





nếu P  const    const

Phóng điện trong trường đồng nhất không phụ thuộc cực tính

a.Phóng điện trong trường đồng nhất có áp suất thấp

Khi nghiên cứu quá trình phóng điện lượng tử sinh ra bởi quá trình ion hóa khi thác thứ nhất phát triển trên toàn bộ khoảng cực là:

ne=eαS

=>số lượng ion sinh ra: ni= eαS-1

Gọi γ là hệ số ion hóa do các iondương gây ion hóa bề mặt âm cực =>lượng điện tử mới được sinh ra:

γ.( eαS-1)1(1):điều kiện duy trì phóng điện

-Do ở đầu tháp có sự giảm trường đột ngột làm phát sinh photon

Nếu gọi +f:hệ số photon do 1 điện tử sinh ra

+:hệ số ion hóa quang do photon ion hóa bề mặt âm cực

=>Lượng điện tử mới sinh ra do photon:  f eαS1(2):điều kiện duy trì phóng điện

Vì 2 quá trình xảy ra song song=>điều kiện duy trì phóng điện: