GIÁO TRÌNH ÁP CAO VÀ VẬT LIỆU ĐIỆN

Phân loại vật liệu kỹ thuật điện *Phân loại vật liệu theo độ dẫn điện * Phân loại vật liệu theo độ từ tính - Vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ, dẫn từ * Điện môi: là các chất mà t/c đ

-Tài liệu tham khảo

Nguyễn Đình Thắng – Giáo trình vật liệu kỹ thuật điện, NXB KHKT-2002

Võ Việt Đan – Giáo trình kỹ thuật điện cao cấp, Hà Nội – 1972

Chương 1 Cấu tạo vật chất $1.1 Cấu tạo nguyên tử

Vật chất cấu tạo từ các điện tích (+),(-)

Phân biệt 2 loại điện tích:

+ Điện tích tự do: điện tử tự do, ion(+) và một số loại khác+ Điện tích rằng buộc: điện tử, hạt nhân,…

$1.2 Cấu tạo phân tử

Liên kết ion:Nacl

Liên kết hoá trị

Liên kết kim loại

$1.3 Lý thuyết vùng năng lượng

$ 4 Phân loại vật liệu kỹ thuật điện

*Phân loại vật liệu theo độ dẫn điện

* Phân loại vật liệu theo độ từ tính

- Vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ, dẫn từ

* Điện môi: là các chất mà t/c điện từ cơ bản là khả năng bị phân cực dưới tác dụng của điện trường bên ngoài

Chương 2 Vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện, siêu dẫn.

$1 Chuyển động của các điện tích

Tính dẫn điện của các vật liệu là thước đo khả năng cho một dòng điện đi qua khi nối với một nguồn điện, sự chuyển động của các điện tích tự do nghĩa là dòng điện

* Phân biệt dòng điện dẫn và dòng điện do các điện tích rằng buộc

Điện tích (-) chuyển động ngược với chiều điện trường bên ngoài

Điện tích (+) cuyển động cùng chiều với chiều điện trường bên ngoài

Quy ước chiếu dòng điện từ (+)  (-)

Lượng điện tích chuyển dời qua một tiết diện vuông trong một đơn vị thời gian

i = ∫Jds

J = ∫dS dI (A/m2)

Các điện tử dẫn trong một vật dẫn có vận tốc có hướng hỗn độn v = 106 m/s

Dòng có hướng hoặc vận tosc trôi của các điện tử dẫn nhỷo hơn v = 10-3m/s

4 Điện trở và điện trở suất của kim loại

5 Quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ

Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn của các điệ n tử chịu một va chạm

3

1 2

ϕ điện trở suất co tán xạ của điện tử tạp chát

7 Điện dẫn cảu kim loại sạch <tinhkhiết>

độ dẫn điện của kim loại được biểu diễn

- Vẻ sáng của kim loại

d) Tính chất hoá học của kim loại

e) Tính chất cơ học của kim loại

Tính chất ảnh hưởng đến độ dẫn điện và độ bền cơ của đồng

Sự kéo, dát mỏng -> giảm điện dẫn suất

Độ bền cơ khá cao trong một số trường hợp

Thoả mãn độ bền đối với môi trường xung quanh (oxi hoá chậm hơn Fe ngay cả trong môi trường có độ ẩm cao), chỉ bị oxi hoá ở nhiệt độ cao

Công nghệ sản xuất: dễ gia công, cán mỏng, dễ hàn

b) Các hợp kim của đồng

Đồng, vàng hoặc đồng thau (laiton): hợp kim của đồng + kẽm

Ghép đấu nối,… sử dụng các hợp kim đồng vì có độ bền và độ cứng lớn

Đồng thanh hoặc đồng đỏ (Bronze)

- Dẫn điện sau Ag, Cu

Nhược điểm: Xử lý tiếp xúc khó -> sử dụng ít trong gia đình

a) Các tính chất:

- Nhôm dùng để sản xuất các vật liệu dẫn điện phải có độ tinh khiết cao

- Nhiệt độ nóng chảy thấp hơn Cu -> giá rẻ hơn

- Khó đấu nối do các lớp oxit Al2O3 cách điện tốt ->Rtx lớn

- Đối với dây bọc cách điện, cáp, nếu tăng kích thước -> tăng cách điện

+ Hạ thế: ít ảnh hưởng -> Cả Al, Cu đều được sử dụng

+ Trung thế: sử dụng Al vẫn kinh tế hơn

+ Cao thế: Cách điện tăng dáng kể sử dụng đồng

+ Dây vặn xoắn

AC – nhôm lõi thép

c) Máy biến áp và động cơ

- Nếu sử dụng Al -> tăng kích thước của các cửa sổ gông từ

4) Các kim loại khác

Ag, Au, bạch Kim, Pb, Wolfram, Hg

$4 Các điện kim có điện trở suất cao

1 Các hợp kim có điện trở suất cao

Sử dụng cấu tạo các fần dẫn điện của các dụng cụ đo lường

Hệ số nhiệt của điện trở suất nhỏ, không biến tính

Vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao

Sử dụng trong truyền tải

Chương 4 Các quá trình điện lý của điện môi

$1 Nhắc lại các khái niệm cơ bản về tĩnh điện

1 Các khái niệm cơ bản về tĩnh điện

1.1 Định luật Culong

- Q1 cách Q2 một khoảng r trong môi trường có hệ số điện môi tương đối

- Lực tương tác giữa chúng:

1.2 Điện trường và đinh luật Gauss

Khi các điện tích gần nhau thì điện tích đã thay đổi đặc tínhvật lý của môi trường

mà nó nằm trong

Xung quanh mỗi điện tích là một điện trường có cương độ E

1.3 Thông lượng của cường độ điện trường

1.4 Liên hệ giữa địện thế và điện trường

1.5 Lưỡng cực điện

$2 Điện môi đặt trong điện trường một chiều

- Hầu như không có điện tích tự do

- Các điện tích tồn tại dưới dạng điện tích rằng buộc

- Thanh Cu đồng chất, đẳng hướng, chiều dài l giữa hai điện cực kim loại tiết diện S trong điện trường một chiều

+ Coi điện môi lý tưởng (không có diện tích tự do nên không có dòng điện) ngoài l,R của dây nối thì một mạch như vậy chỉ tồn tại điện dung C

- Dòng nạp

- R,l rất nhỏ thì quá trình nạp rất ngắn

Thực tế mọi điện môi đều có điện tích tự do

- Sự dẫn điện của điện môi gây bởi sự chuyển động của các điện tích tự do ứngvới nó là dòng điện dẫn

- Sự phân cực điện môi do sự xê dịch của các điện tích rằng buộc làm xuất hiệndòng điện hấp thụ

$4.3 Sự dẫn điện của vật liệu điện môi

1 Đặc tính chung

Kim loại:

- Môi trường bên ngoài

- E tăng -> quá trình xảy ra càng nhanh

- E tăng -> ion hoáva chạm, phân ly, bức xạ điện tử

-> Sự dẫn điện của các vật liệu được xem xét riêng rẽ cho 2 miền cường độ E khác nhau 2 khái niệm điện dẫn suất hoặc ρ của các điện môi là ứng với E yếua) Trong điện trường yếu

J tăng tuyến tính với E ngoài trong dải 10-6 (v/m)

b)Trong E mạnh

E tăng -> sự dẫn điện của các vật liệu cách điện mất dẫn tích chất định luật Ôm

i tăng nhanh do sự can thiệp: ion va chạm trong các điện môi khí -> sinh ra và tựdo

Sự tăng điện trường kéo dài xảy ra phân điện chọc thủng, mất dần tính chất cách điện

c) Điện trở suất

G =

V I

R =

I V

1

1 +

$4 Sự phân cực của vật liệu điện môi

I HIện tượng phân cực

1 Tụ điện và địên dung

a) Tụ điện:

Gồm 2 điện cực được ngăn cách bằng một vật liệu điện môi

b) Điện dung:là tỉ số giữa điện tích trên bản tụ và hiệu điện thế giữa hai bản tụ

Tụ chân không: q0 = C0.V d- chiều dày

ε

Tụ trụ: C0 =

1

2 ln(

2

R R

2

R R

πε

Tụ cầu: C =

1 2

2 1 4

R R

R rR o

−

ε πε

=

1 2

2 1 4

R R

R R o

−

ε ε

c) khi đặt một điện môi trong điện trường

C = εr.C0

εr: Hệ số điện môi tương đối của vật liệu đưa vào

2 Hằng số điện môi (ko đơn vị là hệ số điện môi tương đối)

ε a= ε0εr : hệ số điện môi tuyệt đối

Qp Qo Qo

Q Co

- trên toàn khối điện môi

M = Qd d- chiều dày của khối điện môi

4 Vecto phân cực, P

Momen điện của 1 đơn vị thể tích

-nếu điện môi đồng chất, đẳng hướng P =

V M E

n m n m

1

[∀phân tử phân cực như nhau

- Nếu điện môi không đồng chất: P = lim

dV

dM V

ε r =

S oE

S s

Qp oE o

Qp q s Qo

Qp Qo C

C

.

) (

oE

P oE d

S

.

ε ε

ε ε

Qd V

σ

s o c s o c Sd

Sd V

M

.

.

=

= ⇒ σ= P.cosα = Pn

về trị số, σ xuất hiện khi có phân cực là pháp tuyến Pn

6 Đường sức E, đường cảm ứng điện qua mặt phân cách hai điện môi

- khi qua mặt phân cách của hai chất điện môi có εr khác nhau, E bị biến đổi đột

ngột

⇒ các đường sức bị gián đoạn ở mặt phân cách 2 môi trường

⇒ Đại lượng vật lí ∉ môi trường: D

Điện trường thực tế tác dụng lên phân tử: E

+) nếu hệ cô lập E = Ecục bộ= Engoài

+) điện môi El = Engoài+ ∑Ed

∑Ed: điện trường tổng hợp của các phân tử lưỡng cực trong điệnmôi lên từ phân

tử đang xét, trừ điện trường của phân tử đang xét

El = E + En + Et

a) tính En

- Hướng từ (+) → (-)

σ = P cosθ- θ góc tạo bởi chiều E với vecto pháp tuyến với 1 đơn vị diện

tích mặt cầu

dEN =

R 4

) (

o

dS

πε

θ σ

cosθ

dEN =

R o

dq

.

4 πε cosθ = o

d R s o Pc

πε

θ θ π θ

4

sin 2

- Điện trưòng bên trong qủ cầu gây ra lên điểm A = 0→ Et=0

+) điện môi trung tính

2 Hệ số phân cực: đại lượng đặc trưng cho khả năng phân cực của từng nguyên

ε α

- phân cực điện tử → hệ số phân ực điện tử

- phân cực ion → hệ số phân cực ion

- phân cực lưỡng cực → hệ số phân cực lưỡng cực

- phân cực kết cấu (các điện môi không đều)

- phân cực tự phát

- phân cực do tác dụng của lực bên ngoài

III Phân loại các dạng phân cực – cơ chế phân cực

+) điện môi phân cực do tác dụng của E ngoài ( phân cực thụ động): điện tử, ion,lưỡng cực, tiếp giáp

+) điện môi tự phân cực không cần E ngoài

tự phát do tác đọng lực bên ngoài

1 phân cực điện tử

- Sự xê dịch quỹ đạo tương đốicủa điện tử so với hạt nhân

E đồng nhất.

E đồng nhất ⇔ E≡phương, hướng, độ lớn

I Thác điện tử - lý thuyết phóng điện Townsend

Điện tử mầm→ tăng tốc chuyển động, tích luỹ năng lượng → va chạm →phát triển thác điện tử

+) do E = const  hệ số ion hoá va chạm = const trong toàn bộ khoảng

P = const không phân giữa hai điện cực

+) E đồng nhất →đối xứng → quá trình hình thành và phát triển của phân điện

∉ cực tính của

+) Giả sử ban đầu có no điện tử rời khỏi cathode

Chương 5 Hiện tượng phóng điện trong điện môi thẻ khí

1.Hiên tương phòng điện

khi có Eđủ lớn lên 2 diện cực với môi trường cách điên (chân không hoạc 1 đm )

sễ xảy ra qua trình đặc biệt Môi truờng vốn cách điên sẽ bị nối liền bằng 1 tia lửa điện hồ quang có điên dẫn rất cao

+) với chất khí ,sau khi phóng điện kết thúc  tính chất cách điện đuợc phục hồi nên chỉ mất cách điện tạm thời

+)chất rắn -> mỗi làn phóng điện là quá trình không thuận nghich1 kênh dẫn sẽ phsa huỷ cách điện không phục hồi cấch điện hoan toàn hoặc mất cách điên vĩnh viễn

*2 loại phóng điện

+) phóng điện một pầhn -1 dạng phóng điên nói chung , khong hoàn toàn ,

vi dụ : phóng diện vầng quang,phóng điện cục bộ,… có thể nghe thấy

+)phógn điện chọc thủng là dạng phóng điện hoàn toàn ,khi toàn bộ không gain bị giữa 2 điện cực bị ngắn mạch bởi 1 tia lửa diện

*Độ bền điện : đặc trưng cho khả năng có thể làm viẹc lâu dài dưới t5ác dụng của

U và E cao.Là cường độ điẹn trường mã có thể dặt lên vật liệumà không đến phóng điện

+)E = 0 trạng thái cân bằng thể hịên :no=α.n2

+)E≠ 0 có quá trình đẫn điện  trạng thái cân băng mới

No= Nt + Nj

No :e xuất hiện do ion hoá

Nt : sô e mất di do tái hợp trong toàn bộ của chất khí

Nj : số e tham ja vào quá trình dẫn điện

3 Điện dẫn trong điện trường mạnh

-phóng điện trong điện môi khí

1.các quá trình hình thành điênj tích trong điện môi khí

1.1 Ion hoá do va chạm

Năng lượng ion hoá > Năng lượng diện tử

Khi nguyên tử bị ion hoá :

A + e  A+ +

2A + 2e  2A+

+4e-E va chạm vào các nguyên tử trung hoà, động năng của chúng sẽ được truyền cho nhau và ion hoà chỉ sảy ra nếu năng lwngj của điên tử lớn hơn năng lượng ion hoá

T Po

.

động năng của hạt tích điện dọc theo phương của điện trường là

K - tần suất va chạm  tốc độ tổn hao động năng là :

Theo Newton: mvk = qE

- thời gian giữa 2 lần vận chuyển liên tiếp τ = λ/k

vi Vo

- Đối với không khí thành phần chủ yếu là khí Nitơ

- Mỗi điện tử khi đi được quãng đường là x trong trường có cường độ E  tíchluỹ một năng lượng qEx

- Để thắng được lực tương tác hạt nhân ⇔điện tử, qEx phải tích luỹ 1 năng

lượng tối thiểu bằng năng lượng ion hoá Wi

* Hệ số ion hoá do va chạm, α

số lần gây ion hoá va chạm của 1 điện tử khi nó chuyển động với quãng đường

là 1cm dọc theo chiều điện trường ngoài với điện tử qEx = e.Ex

Ion hoá ↔ eEx≥Wi

Tia lửa điện

* Ion hoá va chạm làm sản sinh

Ion hoá quang ( ion hoá do bức xạ)

Khi nguyen tử nhận được 1 năng lượng yếu

5.3.2 Các quá trình xảy ra trên điện cực âm (cathode)

1 Bắn phá cathode bằng ion (+) hoặc nguyên tử ở trung tâm hình thành (foton)

- Khi ion (+) bắn vào âm cực (cathode), nó sẽ giải phóng ít nhất 2 điện tử trên 2 cực trên 2 điện cực: 1 điện tử trung hoà ion (+), 1 điện tử thoát ra khỏi cathode

Năng lượng cần thiết của ion (+)đó là có trị số ≥ 2 lần

2 quang thoát

5 Nhiệt thoát ( thermionic emision)

6 Thoát do điện trường ( field emission)

5.3.3 Các quá trình trung hoà điện tích trong điện môi khí

- làm giảm số lượng các điện tử trong điện môi

- Ngăn cản sự phát triển của thác điện tử

1 Quá trình tái hợp

Tồn tại song song với quá trình ion hoá đảm bảo trong không khí luôn

có một số lượng điện tích nhất định

- Trạng thái cân bằng xác lập khi mà số các điện tích xuất hiện do ion hoá bằng

số lượng e mất đi do tái hợp

- Các ion (+) và (-) có xu hướng tái hợp  nguyên tử trung hoà

A+ + B-  AB +

3 Trung hoà do nhập điện tử ( Electric attachment )

Khí âm điện O2, CO2, SF6 có xu hướng lấy thêm điện tử  ion nặng⇔

A+eA

4 Trung hoà do khuyếch tán ( diffusion)

5.3.4 Hình thành và phát triển thác điện tử ( Avalanche elẻctonique )

- ion hoá va chạm  số lượng e mới xuất hiện trong không khí tăng lên nhanh chóng  hình thành 1 thác điện tử trong khu vực giữa hai điện cực

- Giả sử ban đầu trên cathode có no điện tử khởi đầu

- Dưới tác dụng của E  e bay về anode sẽ va chạm vào các phân tử khí  gây ion hoá với hàm số ion hoá α

x  n điện tử

Khi đi đươc dx  ion hoá dn = α n.dx

+ nếu E đồng nhất ( E = constant), α= const

J = n0(E) ed = n0 ed no(E) - sự phụ thuộc

- sự xuất hiện các e luôn đi đôi với các ion (+)  thác điện tử

- dưới tác dụng của E, quá trình ion hoá diễn ra không ngừng

+) điện tử càng tăng về kích thước cũng như số lượng e trong thác Khi cận với điểm cực (+), các e của thác sẽ bị trung hoà trên điện cực

+) quá trình này chưa thể gọi là phóng điên vì chưa tạo thành d lưu thông giữa 2 điện cực ⇒ sự tăng lên của thác điện tử chấm dứt

+) để có thể duy trì phóng điện cần phải xuất hiện các e mới để hình thành các thác điện tử mới không nhờ đến yếu tố ion hoá từ bên ngoài mà nhờ đến các yếu

tố gây ion hoá trong nội bộ chất khí ⇔e thứ

+) ion hoá quang trong nội bộ chất khí xảy ra ở đầu thác

a) điều kiện phóng điện tự duy trì – tiêu chuẩn

+) để duy trì phóng điện tự duy trì cần ít nhất 1e thứ cấp xuất hiện trước khi điện

tử đầu tiên đến điểm cức đối diện

+) số điện tử trong thác sơ cấp là eα d số các ion(+)đươc sản sinh ít, số ion

Để có thể duy trì sự phóng điện phải có ít nhất 1e thứ cấp xuất hiện trước khi thác e đầu tiên bị triệt tiêu

γ (eα d -1 ≥ 1+) Điều kiện phóng điện tự duy trì : γ (eα d – 1) + fηeα d ≥ 1

f : hệ số foton do 1 điện tử phát ra

n ; số điện tử được giải thoát do sự bức xạ của 1 foton

γ : hệ số giải thoát e từ bề mặt (-) cực do sự bắn phá của các ion (+)

- ở áp suất cao: eα d γ ≥ 1

- 1 số dạng phát điện

+) phát điện toả sáng: xảy ra ở áp suất thấp

+) phát điện tia lửa

+) phát điện vầng quang

+) phát điện hồ quang

=>I ch¹y trong chÊt khÝ víi sè elÎcton trong 1s:

I=I0eαx

Io dßng ®iÖn ban ®Çu ë catèt

+ GØa sö ban ®Çu cã no ®iÖn tö.Do ion ho¸ sinh ra ns ®iÖn tö tho¸t khái catèt trong 1s.VËy sè ®iÖn tö tho¸t khái catèt trong 1s lµ :

. Lý thuyÕt phãng ®iÖn streamer

+I t¨ng chØ phô thuéc vµo qu¸ tr×nh ion ho¸

+thùc tÕ Uphãng ®iÖn cßn phô thuéc vµo d¹ng vµ kho¶ng c¸ch gi÷a

2 ®iÖn cùc +thêi gian phãng ®iÖn träc thñng t=10-5s

+thÝ nghiÖm thêi gian ng¾n h¬n t=10-7s

*Lý thuyÕt streamer

-Sù h×nh thµnh cña th¸c ®iÖn tö bëi 1elÎct«n ®Çu tiªn

-E ph¸t triÓn m¹nh ë phÇn ®Çu cña th¸c

- Sù x©m lîc cña qu¸ tr×nh ion ho¸ quang,c¸c ph©n tö khÝ ë kho¶ng kh«ng gian ®Çu cña th¸c ®iÖn tö

III>§Þnh luËt pasen

-®iÖn ¸p phãng ®iÖn ban ®Çu nhá nhÊt:

áp suất tăng từ điểm Umin về phía phảI đồ thị.Khi đó mật

độ phân tử khí tăng dễ ion hoá.Nhng do mật độ khí cao làm quãng đờng di chuyển ngắn vì vậy năng lợng tích luỹ trong

điện trờng bé do va chạm.Để có phóng điện ta phảI tăng U Phía tráI thì mật độ phân tử khí nhỏ.Quảng đờng giữa hai va chạm lớn xác suất va chạm nhỏ.Do vậy muốn có phóng

-không tồn tại phóng điện vầng quang

-Khi E tăng,phóng điện tự duy trì,phóng điện trọc thủng +Trờng không đồng nhất:

-Khi U cha đạt tới trị số Ucthủng sẽ xảy ra một dạng phóng

điện không hoàn toàn tồn tại trong khu vực này gọi là phóng

II>Phóng điện vầng quang

+Từ trờng đồng nhất va không đồng nhất,khi U tăng hiện tợng phóng điện trọc thủng sẽ xảy ran gay sau khi có hiện tợng ionhoá

+Trong từ trờng không đồng nhất khi U tăng hiện tợng phóng điện do sự hình thành của các thác điện tử xuất hiẹn trứoc tiên ở những điểm có Emax(phóng điện cục bộ)

+phóng điện vầng quang đợc quan sát bầng những đốm sáng tiếng nổ nhỏ,vùng không bao quanh điện cực bị õi hóa

thành ôzôn

+Điện trờng hình thành hồ quang

Là Emax khi đó xuất hiện hồ quang(trên bề mặt điện cực)