6 MH12 vat lieu dien CD

Theo đặc điểm, tính chất và công dụng , vật liệu điện được chia thành các loại cơ bản: vật liệu dẫn điện , vật liệu cách điện , vật liệu bán dẫn, vật liệu từ.Đểhiểu rõ hơn bản chất của v

TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

-GIÁO TRÌNH Môn học: Vật liệu điện

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thểđược phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo vàtham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinhdoanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điện, điện tử là một trong những ngành kỹ thuật có vị trí quantrọng trong các lĩnh vực sản xuất, đời sống, khoa học kỹ thuật

Gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện là việc ứng ứng dụng ngàycàng nhiều loại vật liệu mới trong chế tạo máy điện, thiết bị điện cũng như trongquá trình sản xuất, truyền tải, sử dụng điện năng Việc nghiên cứu và ứng dụngvật liệu là một yêu cầu quan trọng trong các ngành học có liên quan đến kỹ thuậtđiện, điện tử

Giáo trình vật liệu điện dùng cho trình độ cao đẳng nghề được biên soạntheo chương trình khung của Bộ lao động thương binh và xã hội

Giáo trình nhằm mục đích cung cấp cho người học những kiến thức cơbản về vật liệu điện Trong đó trọng tâm là giới thiệu về cấu tạo, đặc điểm, phạm

vi sử dụng của các loại vật liệu: Dẫn điện, cách điện, bán dẫn, vật liệu từ và một

số sản phẩm như các loại dây dẫn điện, dây cáp và dây điện từ

Trong quá trình biên soạn chúng đã cố gắng kết hợp các phần kiến thức cơbản và có cập nhật những thông tin mới trong những lĩnh vực có liên quan Tuynhiên đây không phải giáo trình chuyên sâu mà chủ yếu là tài liệu giảng dạy chomột môn học cơ sở, vì vậy nhiều nội dung không sâu, mang tính thực tế nhiềuhơn lý luận

Trong quá trình biên soạn chúng tôi có tham khảo nhiều tài liệu của cáctác giả trong lĩnh vực chuyên môn có liên quan, sử dụng nhiều phần trong các tàiliệu đó

Trong quá trình biên soạn chúng tôi cũng luôn nhận được sự giúp đỡ, góp

ý của các đồng chí có trách nhiệm trong hội đồng biên soạn của Bộ lao động thương binh xã hội, cùng với sự quan tâm tạo điều kiện của Ban lãnh đạoTrường Cao đẳng nghề bách nghệ Hải Phòng

-Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hợp tác của các đồng chí,

đã tạo điều kiện cho chúng tôi hoàn thành được giáo trình nay Chúng tôi cũngrất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đánh giá, góp ý của các bạn đồng

nghiệp, anh em sinh viên sử dụng tài liệu để chúng tôi có điều kiện bổ sung,chỉnh lý góp phần hoàn thiện thêm cho giáo trình.

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Trường Cao đẳng nghề Bách nghệ Hải Phòng

Khoa Điện –Điện tử

Số 196/143 - Đường Trường Chinh- Quận Kiến An - TP Hải Phòng Email: Khoadienbn@gmail.com

Hà nội, ngày …… tháng… năm 2013

Nhóm biên soạn

1 Chủ biên: Phạm Minh Tuấn

2 Đặng Văn Tuyên

3 Nguyễn Văn Vịnh

MỤC LỤC

TÊ MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN

Mã môn học: MH12

Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò của môn học.

- Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chungtrước các môn học nghề

Là môn lý thuyết cơ sở bắt buộc

Môn học cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về vật liệu điện,giúp các học viên có các kiến thức để phân biệt các loại vật liệu điện, lựa chọnđược các loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa thiết bị điện, bảo quảnđược các vật liệu trong quá trình sản xuất

Nội dung chính của môn học: Môn học vật liệu điện gồm năm chương.Chương1: Vật liệu dẫn điện

Chương 2: Vật liệu cách điện

Chương 3: Vật liệu bán dẫn

Chương 4: Vật liệu từ

Chương 5: Dây dẫn, dây cáp, dây điện từ

CHƯƠNG I VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Mã chương: MH 12 01.

Giới thiệu: Bài học giới thiệu những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn điện

và cách sử dụng vật liệu dẫn điện các lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất

Mục tiêu: Trình bày được các khái niệm về vật liệu dẫn điện.

Tính chất chung của kim loại, hợp kim.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫnđiện của kim loại và hợp kim

Phân loại, nhận dạng, chọn được vật liệu dẫn điện theo yêu cầu của côngviệc

Nội dung chính:

1 Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện

1.1 Khái niệm chung về vật liệu điện

Vật liệu điện là tất cả những loại vật liệu dùng để sản xuất các thiết bị tronglĩnh vực ngành điện

Theo đặc điểm, tính chất và công dụng , vật liệu điện được chia thành các loại

cơ bản: vật liệu dẫn điện , vật liệu cách điện , vật liệu bán dẫn, vật liệu từ.Đểhiểu rõ hơn bản chất của việc phân loại ta nghiên cứu cơ bản thêm phần cấu tạocủa vật chất

1.2 Cấu tạo của vật chất

1.2.1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử

Nguyên tử là những phần tử cơ bản nhất của vật chất Nguyên tử được cấu tạobởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm,chuyểnđộng xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định

Hạt nhân nguyên tử được tạo nên bởi các proton (p) và các notron (n),notron là các phần tử không mang điện, còn các proton mang điện tích dương(+) Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hòa về điện, tức là trong nguyên

tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng các điện tích âm của điện tử.Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện

tích dương gọi là ion dương Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện

tử thì sẽ trở thành ion âm

Trong quá trình chuyển động quanh hạt nhân, điện tử có một thế năng vàmột động năng Mỗi điện tử có một mức năng lượng khác nhau, năng lượng này

tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử

Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi

là quá trình ion hóa Năng lượng tối thiểu để cung cấp cho điện tử để điện tửtách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do gọi là năng lượng ion hóa (W).Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn mức ion hóa cũng có thể bị kíchthích và chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, nhưngchúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu Phần năng lượng cungcấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học.Năng lượng ion hóa cấp cho nguyên tử có thể là năng lượng nhiệt, điện trườnghoặc do va chạm, do tác dụng của tia cực tím, phóng xạ

Ngược lại với quá trình ion hóa là quá trình kết hợp:

Nguyên tử + e = ion

Ion (+) + e = nguyên tử, phân tử trung hòa

1.2.2 Cấu tạo phân tử

Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thái tự do nó mang đầy đủcác đặc điểm, tính chất của chất đó

Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua những liên kết phân

tử Trong vật chất tồn tại 4 dạng liên kết sau:

- Liên kết đồng hóa trị: đặc trưng của liên kết là một số điện tử trở thànhchung cho các nguyên tử tham gia hình thành phân tử Phân tử liên kết đồng hóatrị có thể là trung tính hoặc cực tính Phân tử có trọng tâm của điện tích dương

và điện tích âm trùng nhau là phân tử trung tính Các chất được tạo nên từ cácphân tử trung tính gọi là chất trung tính Phân tử có trọng tâm của điện tíchdương và điện tích âm không trùng nhau gọi là phân tử cực tính (hay phân tửlưỡng cực), các chất được tạo nên từ phân tử cực tính gọi là chất cực tính

- Liên kết ion : Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương

và ion âm trong phân tử Liên kết này chỉ xảy ra giữa các phân tử của cácnguyên tố hóa học có tính chất khác nhau

- Liên kết kim loại: Là liên kết trong các kim loại Dạng liên kết này tạonên các tinh thể mà hạt nhân là các nút của

mạng tinh thể, xung quanh hạt nhân có các

điện tử liên kết, ngoài ra còn có các điện tử tự

do Khi không chuyển động nhiệt thì các hạt

(gồm nguyên tử, phân tử hoặc ion) ở một vị trí

xác định gọi là nút, các nút được sắp xếp theo

một trật tự xác định hợp thành mạng tinh thể

(ví dụ mạng tinh thể lập phương)

- Liên kết Vandec – van: Là liên kết tương tự như liên kết kim loại nhưng

là liên kết yếu nên dễ bị phá vỡ bởi nhiệt Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liênkết này thường có nhiệt độ nóng chảy thấp

1.3 Lý thuyết về phân vùng năng lượng

Theo lý thuyết cấu tạo nguyên tử, mỗi điện tử đều có mức năng lượngnhất định Sơ đồ phân bổ vùng năng lượng của một vật rắn ở OoK có thể được

mô tả như sau:

- Các điện tử hóa trị lớp ngoài cùng tập trung lại thành một vùng gọi làvùng hóa trị hay vùng đầy (1)

W > ∆W (∆W: năng lượng vùng cấm)Dựa vào lý thuyết phân vùng năng lượng người ta chia vật liệu kỹ thuậtđiện thành: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn.

- Vật liệu cách điện: vùng dẫn rất nhỏ Vùng cấm rộng tới mức ở điềukiện bình thường các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng củatruyền động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng dẫn để trở thành điện tử tự

do Trong điều kiện bình thường, vật liệu có điện dẫn bằng 0 (hoặc nhỏ khôngđáng kể)

- Vật liệu bán dẫn: Có vùng hóa trị nằm sát hơn vùng dẫn so với vật liệucách điện Ở điều kiện bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng (1) với sự trợgiúp của chuyển động nhiệt có thể chuyển tới vùng dẫn (2) để hình thành tínhdẫn điện của vật liệu

- Vật liệu dẫn điện: có vùng hóa trị (1) nằm sát hơn vùng dẫn (2) so vớichất bán dẫn Các điện tử hóa trị có thể di chuyển một cách không điều kiện tớivùng (2), có những chất vùng dẫn và vùng hóa trị còn chồng lên nhau vì vậyluôn có một số lớn điện tử tự do Do đó loại vật liệu này có điện dẫn rất cao

1.4 Phân loại vật liệu điện

1.4.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện

Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại vật liệu điện thành: vậtliệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn điện

- Vật liệu cách điện: Là những chất ở điều kiện bình thường sự dẫn điệnbằng điện tử không xảy ra.

- Vật liệu bán dẫn: Là những chất ở điều kiện bình thường một số điện tửhóa trị được sự tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do

để tham gia vào dòng điện

- Vật liệu dẫn điện: Là những chất ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóatrị có thể di chuyển sang vùng tự do một cách dễ dàng, dưới tác dụng của điệntrường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn, vì vậy chất dẫn điện có tínhdẫn điện tốt

Lưu ý: Vật liệu điện không phải cố định hoàn toàn chúng có thể chuyể đổi

từ vật dẫn sang bán dẫn hoặc cách điện, hoặc ngược lại tùy thuộc vào nănglượng tác động giữa chúng hay điều kiện tác động của môi trường

1.4.2 Phân loại theo từ tính

Theo từ tính người ta phân vật liệu từ thành các chất: nghịch từ, thuận từ,

1.5 Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là những chất mà ở trạng thái bình thường có các điệntích tự do Nếu đặt chúng trong một điện trường các điện tích sẽ chuyển độngtheo một hướng nhất định mà tạo thành dòng điện Vật liệu dẫn điện có thể ở thểrắn, thể lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi

Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng (trongmột số trường hợp có thể không phải là kim loại hoặc hợp kim)

Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng gồm các kim loại lỏng và dung dịch điệnphân

- Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác độngcủa điện trường lớn

1.6 Phân loại vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện được chia làm 2 loại:

Vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn ion

- Vật liệu có tính dẫn điện tử: là các chất mà sự hoạt động của điện tíchkhông làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó Điển hình là các kim loại,hợp kim, hóa chất rắn không phải là kim loại như than đá

- Vật liệu có tính dẫn ion: Là những chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên

sự biến đổi hóa học Ví dụ như các dung dịch điện phân (axit, kiềm, dung dịchmuối)

Trong kĩ thuật điện vật liệu dẫn điện chủ yếu là kim loại và hợp kim vìvậy khi nghiên cứu về vật liệu dẫn điện ta nghiên cứu chủ yếu về kim loại vàhợp kim

2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim

2.1 Khái niệm về kim loại và hợp kim

2.1.1 Kim loại:

- Cấu tạo nguyên tử của kim loại

Cấu tạo nguyên tử của kim loại có một số đặc điểm sau:

+ Có ít điện tử hóa trị Hầu hết các kim loại có 1, 2, hoặc 3 điện tử ở lớpngoài cùng

+ Có cấu trúc mạng tinh thể Mạng tinh thể của kim loại có 3 dạng cơ bản:Mạng tinh thể lục phương

Mạng tinh thể lập phương tâm diện

Mạng tinh thể lập phương tâm khối

+ Liên kết trong kim loại là liên kết kim loại

Đặc điểm của liên kết này: tại các nút mạng là các hạt nhân mang điệntích dương Xung quanh là các điện tử tự do (thông qua các điện tử tự do các iondương tạo ra lực hút nhau, qua đó hình thành liên kết) Như vậy liên kết kim loạiđược hình thành do các điện tử tự do gắn kết các ion dương với nhau

2.1.2 Hợp kim

Cấu tạo của hợp kim: Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại

cơ bản và một số kim loại khác hoặc phi kim khác Hoặc có thể coi hợp kim làmột dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim loạivới nguyên tố phi kim Hợp kim có cấu tạo tinh thể Có các loại tinh thể hợp kimsau: tinh thể hỗn hợp, tinh thể dung dịch rắn, tinh thể hợp chất hóa học

- Tinh thể hỗn hợp: có nguồn gốc từ khi hỗn hợp các đơn chất trong hợpkim ở trạng thái lỏng Ở trạng thái này các đơn chất không tan vào nhau và cũngkhông tác dụng hóa học với nhau Kiểu liên kết chủ yếu là liên kết kim loại

- Tinh thể dung dịch rắn: có nguồn gốc từ hỗn hợp các đơn chất trong hợpkim ở trạng thái lỏng Ở trạng thái này các đơn chất trong hỗn hợp tan vào nhau,

ta có dung dịch lỏng Ở nhiệt độ thấp hơn dung dịch lỏng chuyển thành dungdịch rắn Kiểu liên kết này cũng chủ yếu là liên kết kim loại

- Tinh thể hợp chất hóa học: có nguồn gốc từ khi hợp kim ở trạng tháilỏng Ở trạng thái này nếu các đơn chất tham gia hợp kim có kiều mạng tinh thểkhác nhau, tính chất khoa học khác nhau và kích thước các ion khác nhau rõ rệtthì giữa những đơn chất này tạo ra hợp chất hóa học Kiểu liên kết này là liên kếtcộng hóa trị

2.2 Thực hành nhận dạng phân biệt kim loại, hợp kim với một số loại vậtliệu khác

3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim

3.1 Tính chất của kim loại:

3.1.1 Tính chất vật lý: Kim loại có các tính chất vật lý chung: tính dẻo,tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và có ánh kim

- Tính dẻo: là khả năng của kim loại biến đổi hình dạng khi bị tác độngđập, cán Kim loại có tính chất này là do các lớp mạng tinh thể trượt lên nhaunhưng vẫn liên kết được với nhau nhờ lực hút tĩnh điện của các điện tử tự do cácion dương kim loại

- Tính dẫn điện: Nhờ các điện tử tự do chuyển dời thành dòng có hướngdưới tác dụng của điện trường

- Tính dẫn nhiệt: Nhờ sự chuyển động của các điện tử tự do mang nănglượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.

- Ánh kim: nhờ các điện tử tự do có khả năng phản xạ ánh sáng

Kim loại còn có một số tính chất riêng:

- Khối lượng riêng: phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử

- Nhiệt độ nóng chảy: phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại

- Tính cứng: phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại

3.1.2 Tính chất hóa học:

Tất cả các kim loại đều có tính khử

Kim loại có thể tham gia phản ứng hóa học với các chất và hợp chất sau:

- Tác dụng với phi kim: tạo thành muối

- Tác dụng với axit: tạo thành muối giải phóng hiđro hoặc tạo thành nước

- Tác dụng với nước: chủ yếu là các kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ

Ở nhiệt độ cao một số kim loại cũng có tác dụng với nước

- Tác dụng với dung dịch muối, tác dụng với dung dịch kiềm

3.1.3 Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của một kim loại thường được đặc trưng bởi giới hạnbền kéo và độ giãn dài tương đối Các giới hạn này thay đổi theo phương phápgia công

3.2 Tính chất của hợp kim

3.2.1 Tính chất vật lý và tính chất cơ học

Tính chất vật lý và đặc biệt là tính chất cơ học của hợp kim khác nhiều sovới tính chất của các đơn chất tham gia thành phần hợp kim Hợp kim cũng cónhững tính chất vật lý chung: dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo và có ánh kim nhưkim loại, do trong cấu trúc mạng tinh thể cũng có nhiều điện tử tự do Tuy nhiên

- Có nhiều hợp kim có những tính chất rất ưu việt như: Hợp kim không gỉ,hợp kim chịu axit, chịu nhiệt, chịu ma sát tốt, hợp kim có độ cứng cao

3.2.2 Tính chất hóa học

Hợp kim có tính chất hóa học tương tự của các đơn chất tham gia tạothành hợp kim, chủ yếu là của kim loại cơ bản

3.3 Thực hành trên các mẫu đã chuẩn bị

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dẫn của kim loại: Để biểu thị khả năngdẫn điện của một loại vật điện ta sử dụng khái niệm điện dẫn xuất Từ công thứcxác định cường độ dòng điện đi trong một vật dẫn:

i = no.S.Vtb.e

Trong đó:

no : Nhiệt độ của phần tử mang điện

S: tiết diện của dây dẫn

Vtb: tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điệntrường

e: điện tích của phần tử mang điện

Thay Vtb = u.E (u: độ di chuyển của phần tử mang điện)

Ta có công thức cuối cùng: i = no.e.u.E = γ.E

γ: được gọi là điện dẫn xuất của chất dẫn điện Hệ số này nói lên khảnăng dẫn điện của một vật dẫn

Trong thực tế kĩ thuật thường sử dụng khái niệm điện trở suất Điện trở

xuất là đại lượng nghịch đảo của điện dẫn suất: δ γ

1

=

Điện trở suất của kim loại và hợp kim phụ thuộc vào nhiều yếu tố tức là

độ dẫn điện của chúng cũng phụ thuộc vào các yếu tố đó (nhưng theo chiềungược lại)

4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Điện trở suất của đa số kim loại và hợp kim đều tăng khi nhiệt độ tăng.Riêng điện trở suất của cacbon và dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ

Thông thường điện trở suất ở nhiệt độ t2 nào đó được tính toán xuất phát từ nhiệt

độ t1 (thường lấy chuẩn là 20oC)

- Ở OoK (K: nhiệt độ tuyệt đối: điện trở suất của kim loại tinh khiết giảmđột ngột (≈ 0) được gọi là tính siêu dẫn)

Khi bị chảy dẻo thì điện trở suất của kim loại tăng, nếu tiến hành nung để

nó kết tinh lại thì điện trở suất có thể giảm (do tác dụng của sự biến dạng làmcho kết cấu của kim loại được chặt chẽ và do sự phá hủy các màng oxit)

4.2 Ảnh hưởng của áp suất

Khi kéo hoặc nén (áp suất thay đổi) thì điện trở suất của vật dẫn cũng thayđổi theo biểu thức: δ = δo (1+ K.σ )

Trong đó: δo là điện trở suất ban đầu của mẫu

σ: ứng suất cơ khí của mẫu

K: hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất, K có dấu cộng (+) ứng vớibiến dạng khi kéo, có dấu trừ (-) ứng với biến dạng khi nén

Sự thay đổi của điện trở suất khi kéo hoặc nén là do sự thay đổi của biên

độ dao động của mạng tinh thể Khi kéo biên độ tăng - δ tăng, khi nén, biên độgiảm, δ giảm

Khi chọn vật liệu dẫn điện phải căn cứ theo yêu cầu sử dụng, các điềukiện và khả năng kĩ thuật để lựa chọn cho phù hợp

- Trước kết vật liệu phải đáp ứng các yêu cầu về tính dẫn điện

- Phải có các tính chất vật lý và hóa học phù hợp (tính nóng chảy, tínhdẻo, tính dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn, chịu tác động bất lợicủa môi trường )

- Đảm bảo độ bền về cơ học (giới hạn đàn hồi tính chịu va chạm, rungđộng)

- Khả năng gia công

- Có tính kinh tế

5.2 Chọn vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện được sử dụng trong kĩ thuật điện chủ yếu trong các lĩnhvực:

- Chế tạo máy điện (cuộn dây điện từ trong các máy điện)

- Chế tạo các loại khí cụ điện (các phần tử mang điện, dẫn điện, các tiếpđiểm )

- Các loại dây dẫn cho các mạng điện (dây dẫn, dây cáp điện)

- Các phần tử gia nhiệt (các loại lò nung điện trở, dụng cụ đốt nóng)

- Các phần tử dẫn điện trong các dụng cụ đặc biệt (vi mạch điện tử )Thông thường ta thường phải lựa chọn phục vụ cho các công việc sau: -Chế tạo các loại dây dẫn điện

- Chế tạo các phần tử hoạt động cho các khí cụ điện và dụng cụ điện

Trong chế tạo dây dẫn vật liệu phổ biến thường dùng là đồng và nhômChế tạo các phần tử dẫn điện trong các thiết bị điện cũng thường dùngđồng và nhôm

Các thiết bị gia nhiệt thường dùng các loại hợp kim có điện trở suất caonhưng phải đảm bảo độ bền nhiệt và ổn định

Vật liệu dùng cho các tiếp điểm dẫn điện, làm việc ở các chế độ đóng cắt

có dòng điện phải chọn các vật liệu chịu mài mòn có nhiệt độ nóng chảy caochịu được hồ quang điện

6 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng

Những kim loại có điện dẫn xuất cao là những loại vật liệu dẫn điện tốtnhư vàng bạc đồng nhôm và hợp kim của chúng, được sử dụng rộng rãi nhất làđồng và nhôm

- Độ bền cơ tương đối cao

- Trong đa số trường hợp đồng có tính chống ăn mòn tốt Đồng chị bị oxihóa mạnh ở nhiệt độ cao

- Khả năng gia công tốt: cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi, độ nhỏcủa dây có thể đạt vài phần nghìn mm

Hàn và gắn tương đối dễ dàng

- Có khả năng tạo thành hợp kim tốt

Đồng dùng trong kĩ thuật phải được tinh luyện bằng phương pháp điệnphân nếu có lẫn tạp chất điện dẫn suất của đồng có thể giảm rất nhiều Vì vậy đểlàm vật dẫn chỉ dùng đồng điện phân có độ tinh khiết 99,9% Cu

6.1.2 Các tính chất của Đồng

Ngoài những tính chất chung của một kim loại dẫn điện tốt, đồng có một

số tính chất riêng như sau:

Đồng được tiêu chuẩn hóa ở 20oC thường có đặc tính sau:

Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt

Các ảnh hưởng trên đều làm giảm điện dẫn suất của đồng

Tính chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng:

+ Các kim loại thêm vào (tạo thành hợp kim):

Thường sử dụng nhóm kim loại: kẽm, niken, nhôm Đều làm tăng độ bềncơ

+Ảnh hưởng của phương pháp gia công

Ở trạng thái ủ nhiệt độ bền kéo σk = 22kG/cm 2

Đồng được nung nóng rồi để nguội gọi là đồng mềm có độ bền về cơ kémnhưng có độ giãn dài lớn và có điện dẫn suất cao

Khi kéo nguội độ bền cơ tăng lên σk = 45kG/cm 2 và được gọi là đồngcứng, nó có sức bền cao nhưng độ giãn dài nhỏ, rắn và có khả năng đàn hồi

6.1.4 Hợp kim đồng

Ngoài việc dùng đồng tinh khiết làm vật dẫn người ta thường dùng cáchợp kim của đồng với các chất khác như thiếc, silic, photpho, Berili, Crom,Mangan Trong đó đồng là kim loại cơ bản còn các chất khác có hàm lượngthấp Hợp kim đồng có đặc điểm chung là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có

độ dai và có tính dễ nóng chảy, dễ gia công trên máy công cụ, dễ đúc thành cácchi tiết có hình dáng phức tạp và có thể dùng phủ lên bề mặt khác theo phươngpháp mạ điện

Căn cứ vào lượng và thành phần các chất chứa trong hợp kim người tachia hợp kim đồng thành các dạng chủ yếu sau:

- Đồng thanh (đồng đỏ) là hợp kim đồng có thêm một số kim loại khác đểtăng độ cứng, sức bền và dễ nóng chảy Tùy thuộc vật liệu thêm vào ta phân biệtcác loại thành đồng thanh:

+ Đồng thanh với thiếc:

+ Đồng thanh với thiếc và kẽm

+ Đồng thanh với nhôm

+ Đồng thanh với Berili

Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết dẫn điện trong các máy điện

và khí cụ điện, để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, cổ góp điện

- Đồng thau : Đồng thau là hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm khôngvượt quá 46% Ở nhiệt độ cao sức bền với sự ăn mòn do oxi hóa của đồng thaugiảm Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hóa người ta tẩm thiếc haytráng kẽm lên đồng thau khi còn nóng

Đồng thau được dùng trong kĩ thuật điện để gia công các chi tiết dẫn dòngnhư ổ cắm, các phích cắm, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các loại ốc vít

6.2 Nhôm và hợp kim của nhôm

- Nhôm là kim loại phổ biến, giá thành rẻ hơn đồng

- Nhôm sử dụng trong kĩ thuật điện phải đảm bảo tinh khiết tối thiếu99,5% nhôm

Ở nhiệt độ thường khi để trong không khí nhôm được bảo vệ bằng mộtlớp oxit có tác dụng chống ăn mòn Nhưng trong trường hợp trong khí quyển cótồn tại các loại khí như CO2, NH3, SO2 và độ ẩm lớn có thể phát sinh hiện

tượng ăn mòn điện hóa tạo nên sự ăn mòn nhanh của nhôm, đặc biệt ở những vịtrí tiếp xúc, nối giữa đồng và nhôm So với đồng nhôm kém hơn các tính chất vềđiện và cơ Trong kĩ thuật điện nhôm được sử dụng trong chế tạo

+ Dây dẫn điện đi trên không để chuyển tải và phân phối điện năng

+ Ruột của các loại cáp điện lực

+ Các thanh ghép, thanh dẫn và chi tiết trong các thiết bị điện

+ Dây quấn trong các máy điện, roto của các động cơ điện

6.2.2 Hợp kim của nhôm

Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc và để kéo dây dẫn điện

Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có thể là những loại sau:

Al – Zn – Cu, Al- Cu, Al – Cu – Ni, Al – Si

- Sắt rèn là sắt chứa tỷ lệ nhỏ hơn 0,5% Các bon

Trong kĩ thuật điện chủ yếu dùng thép làm vật liệu dẫn điện Thép dùnglàm vật liệu dẫn thường có hàm lượng C từ 0,1 – 0,19% C, có giới hạn kéo từ 70– 75 kg/mm2 có độ giãn dài kéo đứt (5-8%), có điện trở suất > đồng 6 - 7 lần.Nhược điểm của thép là dễ bị ăn mòn do hiện tượng gỉ ngay ở nhiệt độ bìnhthường, đặc biệt là gỉ rất nhanh ở nhiệt độ cao và môi trường ẩm ướt Để khắcphục hiện tượng này về mặt tiếp xúc của sắt được phủ một lớp vật liệu ổn địnhhơn như Cadmi, Zn, Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng thép cũng cómột số ưu điểm:

Thép có sức bền cơ khí lớn (gấp 2 – 2,5 lần so với đồng) do đó dây dẫnthép có thể dùng ở những khoảng cột lớn

- Với các đường dây truyền tải điện người ta thường sử dụng dây dẫn thépbằng nhiều sợi bện thành chão hoặc sử dụng chão thép – nhôm với dây thépđược tráng kẽm đặt ở giữa

- Để dùng thép làm thanh dẫn có thể dùng thép Các bon dát mỏng khinóng có điện trở suất δ = 0,135 (Ωmm2/m)

- Thép còn được dùng để làm dây dẫn, thanh dẫn để bảo vệ quá điện áp(chống sét) và các thiết bị bảo vệ nối đất

6.4.Một số kim loại và hợp kim khác

- Wonfram: là một kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, nhiệt độnóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại được sử dụng trong kĩ thuật điện.Wonfram được sử dụng để chế tạo thành sợi tóc trong các bóng đèn sợi đốt, cácđiện trở phát nóng trong các lò điện, các tiếp điểm điện

- Niken: là một kim loại bền, không bị oxi hóa trong không khí và trongnước ở điều kiện bình thường (chỉ bị oxi hóa ở nhiệt độ trên 500oC) dễ dát mỏng

và vuốt giãn được cả khi nguội và khi nóng Niken được dùng để chế tạo cácđiện trở phát nóng (đến 900oC), dùng để mạ bảo vệ các chi tiết bằng thép, dùng

để chế tạo các tiết điểm điện làm việc trong môi trường cacbuahydro với dòngđiện nhỏ và điện áp lớn, để chế tạo cực cho ắc quy kiềm

- Các hợp kim có điện trở cao: Hợp kim có điện trở cao được dùng trong

kĩ thuật điện để chế tạo các dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, biến trở, dụng cụnung nóng Các thiết bị trên đều có yêu cầu dây dẫn có điện trở suất cao và hệ sốbiến đổi của điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ Hiện nay thường dùng các hợpkim có chất là đồng như Manganin, constantan và nikennin, niken – crom, niken– nhôm

7 Nhận diện các loại vật liệu dẫn điện

7.1 Đặc điểm chung

Vật liệu dẫn điện là vật liệu ở trạng thái bình thường cho dòng điện chạy quaLĩnh vực sử dụng là các phần tử dẫn điện trong các máy điện hoặc thiết bịđiện

7.2 Cách nhận dạng

Với vật liệu dưới dạng nguyên liệu ta có thể lấy mẫu đo dòng điện quamẫu hoặc đo điện trở Nếu dòng điện qua mẫu lớn hoặc điện trở rất nhỏ có thể

kết luận đấy là vật liệu dẫn điện Trường hợp đặc biệt với những hợp kim cóđiện trở cao có thể giá trị điện trở cũng tương đối lớn.

Với vật liệu đã sử dụng trong thiết bị điện căn cứ vào cấu tạo, nguyên lýlàm việc để phân biệt các phần dẫn điện và cách điện

CHƯƠNG 2

VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

Mã chương: MH32.02 Giới thiệu:

Nội dung của chương giới thiệu với người học những kiến thức cơ bản vềvật liệu cách điện và ứng dụng trong kĩ thuật sản xuất

Mục tiêu:

Trình bày được các khái niệm, tính chất chung về vật liệu cách điện, cácyếu tố ảnh hưởng đến độ cách điện, tính chất một số vật liệu cách điện dùngtrong kĩ thuật

Phân loại và nhận dạng được các vật liệu cách điện

Nội dung chính:

1 Khái niệm chung về vật liệu cách điện

1.1 Vật liệu cách điện (còn gọi là chất điện môi) là các chất mà ở trongđiều kiện bình thường, điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên chỗ đó, tức là vậtliệu không dẫn điện Điện dẫn của chúng bằng 0 (hoặc nhỏ không đáng kể)

1.2 Điện dẫn của chất điện môi

Khi đặt điện môi vào trong một điện trường A, điện môi sẽ chịu tác độngcủa cường độ điện trường (mạnh hay yếu, một chiều, xoay chiều, tần số) và thờigian tác động của điện trường, trong điện môi sẽ xảy ra hiện tượng với các đặcđiểm khác nhau Đồng thời các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất cũng ảnhhưởng đến quá trình xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường Cóthể xảy ra hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cựcđiện môi Hiện tượng dẫn điện là do trong vật liệu cách điện dùng trong kĩ thuậtđiện không phải là tinh khiết tuyệt đối vẫn tồn tại các điện tích và điện tử tự do.Dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương chuyển động theo chiềucủa điện trường, các điện tích âm (bao gồm các điện tử tự do) chuyển động theochiều ngược lại chúng tạo nên một dòng điện đi trong điện môi Như vậy điệnmôi vẫn có điện dẫn Điện dẫn của điện môi được xác định bởi sự chuyển động

có hướng của các điện tích dưới tác dụng của điện trường

Trị số của dòng điện phụ thuộc vào số lượng điện tích tự do có trong điệnmôi Thực tế số lượng điện tích tự do của điện môi không nhiều, do đó dòngđiện đi trong điện môi có trị số rất nhỏ Quá trình đặc trưng chủ yếu trong điệnmôi là sự phân cực điện môi khi có điện trường bên ngoài tác động Phân cực là

sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hay là sự định hướng củacác phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường Trong quá trình phân cựccũng tạo nên dòng điện phân cực Như vậy khi đạt điện môi trong điện trường sẽ

có dòng điện đi qua điện môi, dòng điện này gồm 2 thành phần: dòng điện rò(iro) và dòng điện phân cực (ipc)

i = iro + ipcDựa vào trị số dòng điện rò ta đánh giá được chất lượng của vật liệu cáchđiện Nếu dòng điện rò có trị số bé thì cách điện tốt, nếu dòng điện rò có trị sốlớn thì tính chất cách điện của vật liệu kém Như vậy tính chất của vật liệu cáchđiện cũng được xác định qua các đặc trưng: là điện dẫn xuất γ hay điện trở suất(δ)

2 Phân loại vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện rất phong phú về chủng loại Trong quá trình sử dụngngười ta thường phân loại vật liệu cách điện để đảm bảo chất lượng cho các thiết

bị sử dụng vật liệu đó Có nhiều phương pháp phân loại, nhưng chủ yếu vật liệucách điện được phân loại theo 3 đặc điểm: theo trạng thái vật lý, theo thành phầnhóa học và theo tính chịu nhiệt

2.1 Phân loại theo trạng thái vật lý

Theo trạng thái vật lý ta có vật liệu cách điện ở các trạng thái: vật liệucách điện thể khí, vật liệu cách điện thể lỏng, vật liệu cách điện thể rắn

- Vật liệu cách điện thể khí: Trong số các vật liệu cách điện thể khí trướchết là không khí Không khí là vật liệu cách điện cho các đường dây tải điện trênkhông, cách điện của các thiết bị làm việc trong môi trường không khí tự nhiên,hoặc phối hợp với các chất cách điện lỏng và rắn

Các chất khí được dùng làm vật liệu cách điện hiện nay chủ yếu là cáchợp chất của các chất Halozen (Flo, Clo…)

Trong kỹthuật điện còn sử dụng khí Hyđro để làm mát cho các máy điệncông suất lớn (nhưng phải có biện pháp an toàn như không để tiếp xúc vớikhông khí bên ngoài).

- Vật liệu cách điện thể lỏng: thường dùng các loại vật liệu sau:

+ Dầu mỏ cách điện: Trong các vật liệu cách điện thể lỏng thì dầu máybiến áp được ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật điện Dầu máy biến áp đượcchế từ dầu mỏ

+ Dầu tụ điện: Cũng được điều chế từ dầu mỏ nhưng phải được làm sạchđặc biệt bằng các chất hấp phụ

+ Dầu cáp điện: được dùng trong sản xuất cáp điện lực, để tẩm các lớpcách điện của cáp làm cho độ bền điện tăng cao

+ Điện môi lỏng tổng hợp: Được điều chế trong công nghiệp, có một vàitính chất tốt hơn dầu mỏ cách điện

- Vật liệu cách điện thể rắn: Đây là dạng vật liệu được sử dụng phổ biếnnhất trong kỹ thuật điện Vật liệu cách điện thể rắn được phân thành các nhómtheo đặc điểm như: Vật liệu cách điện cứng, vật liệu đàn hồi, vật liệu dạng sợi,băng, màng mỏng

Giữa thể lỏng và thể rắn có một thể trung gian gọi là thể mềm như các loạisơn tẩm

Ngoài ra còn nhóm vật liệu cách điện đặc biệt là vật liệu hoá rắn Loại vậtliệu này ở thời điểm ban đầu khi đưa vào sản xuất chất cách điện thì chúng làchất lỏng nhưng sau khi chế tạo xong thì chúng là thể rắn (Ví dự như Epocxy,sơn và các chất hỗn hợp khác)

2.2 Phân loai theo thành phần hoá học

Theo thành phần hoá học vật liệu cách điện được chia ra là: Vật liệu cáchđiện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ

- Vật liệu cách điện hữu cơ được chia thành 2 nhóm:

+ Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên hoặc giữ nguyên thành phần hoáhọc như cao su, lụa, Xenlulo…

+ Nhóm nhân tạo: Thường gọi là nhựa nhân tạo như Phenon, Polieste,Polietylen….

Vật liệu hữu cơ có nhiều đặc tính quí, được sử dụng rất rộng rãi trong kỹthuật điện Tuy nhiên vật liệu hữu cơ có nhược điểm là sức bền nhiệt kém

- Vật liệu cách điện vô cơ: Gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy,các loại vật liệu rắn như gốm, thuỷ tinh, sứ, mica, amiăng Vật liệu cách điện vô

cơ thường có độ bền nhiệt cao hơn so với vật liệu cách điện hữu cơ

Trong những năm gần đây trong kỹ thuật điện còn sử dụng loại vật liệumới trung gian giữa nhứng tính chất của vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ Đó làcác vật liệu hữu cơ trong phân tử ngoài những nguyên tử cacbon còn có cácnguyên tố khác không có trong thành phần các chất hữu cơ và có đặc tính chovật liệu vô cơ nhiều hơn như Silic, Nhôm…

Ngoài ra còn có những tổ hợp cách điện thường gọi là Compozit, trongthành phần của chúng có chứa cả vật liệu hữu cơ và vô cơ Vật liệu này có nhiềutính năng cách điện tốt hơn so với từng chất thành phần

2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt

Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản phổ biến của vật liệucách điện dùng trong kỹ thuật điện Khi lựa chọn vật liệu cách điện đầu tiên làcần biết vật liệu có tính chịu hiệt theo cấp nào Người ta phân vật liệu cách điệntheo 7 cấp

Đây là nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép sử dụng các vật liệu đó trongcác thiết bị điện làm việc lâu dài ở điều kiện bình thường Ở nhiệt độ này thờigian phục vụ định trước theo yêu cầu, tính kinh tế, kỹ thuật của thiết bị điệnđược bảo đảm

Các vật liệu cách điện chủ yêu

Y 90 Giấy, vải, lụa, phíp… và các vật liệu tương tự không tẩm

nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC…

A 105 Giấy vải, lụa… trong dầu, cao su nhân tạo, sơn cách

điện có dầu làm khô…

E 120 Nhựa tráng Polyvinylphocman, epoxi, giấy, vải ép có

nhựa, vải tẩm polyamit…

B 130 Nhựa Polyeste, amiang, mica, thuỷ tinh có chất độn, sơn

cách điện có dầu làm khô …

F 155 Sợi amiang, sợi thuỷ tinh có chất kết dính

H 180 Silicon, sợi thuỷ tinh, mica có chất kết dính

C >180 Mica không có chất kết dính, thuỷ tinh, sứ,

Polytetraflotylen…

3 Tính chất chung của vật liệu cách điện

Khi lựa chọn sử dụng vật liệu cách điện không chỉ phải chú ý đến tínhchất cách điện của vật liệu mà còn phải xem xét sự ổn định của tính chất đó dướitác dụng của các yếu tố khác như tác động cơ học, hoá lý học, tác dụng của môitrường xung quanh… gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệucách điện Dưới tác động của điều kiện vận hành tính chất của vật liệu cách điện

bị giảm sút người ta gọi đó là sự lão hoá của vật liệu cách điện Do vậy tuổi thọcủa vật liệu cách điện phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện vận hành của thiết

bị Nghiên cứu về các tính chất cơ lý hoá và nhiệt của vật liệu cách điện ta có thể

có các biện pháp nâng cao tuổi thọ, giảm thiểu quá trình lão hoá của vật liệucách điện

Một số những tính chất cần quan tâm là: Tính hút ẩm của vật liệu cáchđiện, tính chất cơ học, tính chất hoá học, tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện

3.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện

Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm (hút hơinước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua).

Nước là loại điện môi cực tính mạnh, có độ dẫn điện (γ = 10-5- 10-61/cm)nên khi vật liệu bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút nghiêm trọng.Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt của vật liêụ cách điệnlàm cho dòng điện rò trên bề mặt tăng, điện áp phóng điện trên bề mặt giảm và

có thể gây lên sự cố cho các thiết bị điện

Trong không khí luôn chứa một lượng hơi nước nhất định Độ ẩm củakhông khí được đánh giá qua số lượng hơi nước chứa trong nó (độ ẩm gồm có

độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nướctrong một đơn vị thể tích không khí (g/cm3 Ở nhiệt độ xác định độ ẩm tuyệt đốilớn nhất m max gọi là độ ẩm bão hoà)

Độ ẩm của vật liệu (ψ): là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượngcủa vật liệu Khi vật liệu cách điện làm việc trong môi trường không khí có độ

ẩm và một nhiệt độ nào đó Sau một thời gian độ ẩm của vật liệu sẽ đạt tới giớihạn độ ẩm cân bằng tương ứng với độ ẩm của môi trường không khí (ψcb) Trị số

độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào độ ẩm không khí và đặc tính hút ẩm của vật liệu

Nếu vật liệu tương đối khô được đặt trong không khí ẩm thì vật liệu sẽ húthơi ẩm từ không khí, khi đó vật liệu sẽ có độ ẩm, độ ẩm sẽ tăng dần đến trị sốψcb Ta nói vật liệu bị ngấm ẩm

Ngược lại nếu độ ẩm trong vật liệu lớn (vật liệu bị ướt) có ψ > ψcb thì khiđặt trong môi trường không khí sau một thời gian độ ẩm trong vật liệu sẽ giảmxuống tới giá trị ψcb Hiện tượng này gọi là vật liệu được sấy khô (tự nhiên)

+ Loại vật liệu hấp phụ tốt có góc θ <90o.

+ Loại vật liệu hấp phụ yếu góc θ >90o

Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng điện rò lớn Sẽ hấp phụ củavật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu của vật liệu, nhiệt độ, độ

ẩm của môi trường

Trong quá trình sử dụng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không nhữngphụ thuộc vào kết cấu của loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào các yếu tố củamôi trường Do tính hút ẩm sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu cáchđiện, làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, có thể dẫn đến phá hỏng cáchđiện, đặc biệt là đối với cách điện ở thể rắn

Để hạn chế huy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện, người ta sửdụng các biện pháp để nâng co độ bền:

+ Sấy khô vật liệu để hơi ẩm thoát ra ngoài

+ Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện (Sơn tẩm sẽ lấp đầy các lỗxốp)

+ Quét lên bề mặt các vật liệu cách điện rắn một lớp sơn phủ để ngăn hơi

ẩm lọt vào bên trong

+ Thường xuyên vệ sinh bề mặt, tránh bụi bẩn bám vào bề mặt

3.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện.

Các chi tiết bằng vật liệu cách điện trong các thiết bị điện trong quá trìnhlàm việc ngoài sự tác động của điện trường còn phải chịu các tác động của phụtải cơ học Do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện phải xét đến tính chất cơ họccủa vật liệu Khi chọn vật liệu phải xem xét đến độ bền cơ học và khả năng chịuđựng của chúng mà không bị biến dạng

Đặc tính quan trọng nhất khi nghiên cứu đặc tính cơ học của vật liệu cáchđiện là:

+ Độ bền chịu kéo – nén - uốn

Các dạng đơn giản nhất của phụ tải tĩnh cơ học là kéo, nén, uốn

Khác với vật liệu dẫn điện bằng kim loại và hợp kim có độ bền kéo σk,nén σn, uốn σu gần như bằng nhau, với vật liệu cách điện các tham số trên chênhlệch nhau khá xa

Với các vật liệu có kết cấu không đẳng hướng (vật liệu có nhiều lớp, vậtliệu dạng sợi …) thì độ bền cơ học phụ thuộc vào phương tác dụng của tải trọng.Theo các hướng không gian khác nhau thì có trị số độ bền khác nhau

Với các vật liệu như thuỷ tinh, sứ, chất dẻo… độ bền uốn thường có trị số

bé ( ví dụ thuỷ tinh có σn =2.104kg/cm2, có σk =5.102kg/cm2) Vì vậy thường sửdụng theo dạng đỡ

Độ bền cơ học của vật liệu cách điện còn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độmôi trường (giảm khi nhiệt độ tăng), độ ẩm

Trong nhiều trường hợp khi xét đến độ bền cơ còn phải tính đến tính giòn

và độ cứng của vật liệu

+ Tính giòn: Vật liệu có tính giòn có độ bền tương đối cao với phụ tải tĩnhnhưng lại dễ bị phá huỷ bởi lực động bất ngờ Để đánh giá khả năng chịu tảitrọng động người ta xác định ứng suất dai va chạm

+ Độ cứng: độ cứng của vật liệu là khả năng của bề mặt chống lại biếndang gây lên bởi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó (vật gây tácđộng có mũi nhọn)

3.3 Tính chất hoá học của vật liệu cách điện.

Khi sử dụng vật liệu cách điện ta phải nghiên cứu tính chất hoá học đểđáp ứng 2 yêu cầu:

+ Độ tin cậy của vật liệu: Vật liệu phải đảm bảo làm việc lâu dài, không bịphân huỷ để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không ăn mòn kim loại tiếp xúcvới nó, không phản ứng với các chất khác (ví dụ: nước, axit, kiềm, dung dịchmuối, không khí …) Độ bền với tác động của các chất này với các loại vật liệucách điện khác nhau thì rất khác nhau

+ Phục vụ cho việc sản xuất các chi tiết trong thiết bị điện

Các loại vật liệu cách điện có thể được gia công bằng nhiều phương pháphoá công, hoà tan trong dung dịch Độ hoà tan của vật liệu rắn được đánh giábằng khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một đơn vị thời gian từmột đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi Hoặc có thể đánh giátheo khối lượng lớn nhất của chất có thể hoà tan vào trong dung dịch (tức làđánh giá theo nồng độ của dung dịch bão hoà

Khi nghiên cứu tính chất của vật liệu cách điện còn phải xem xét đến mức

độ bền của vật liệu dưới tác động của bức xạ, mức độ duy trì tính chất điện cơcủa chúng gọi là độ bền bức xạ Vì trong thực tế kỹ thuật các thiết bị điện có thểphải làm việc lâu dài hay ngắn hạn trong các môi trường có bức xạ hoặc sóngnăng lượng cao Tác động của bức xạ có thể dẫn đến hàng loạt các biến đổi phân

tử và phản ứng hoá học Khi bức xạ lâu dài hoặc với cường độ rất mạnh, cuốicùng các chất cách điện đều bị phá hỏng Độ bền điện của vật liệu cách điệndưới tác động của bức xạ có thể tăng hoặc giảm tuỳ thuộc vào các quá trình diễn

ra trong vật liệu

3.4 Tính chất nhiệt của vật liệu cách điện

Những tính chất nhiệt quan trọng của vật liệu cách điện là độ bền chịunóng (độ bền nhiệt), độ bền chịu lạnh, độ dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt Trong đóquan trọng nhất là tính chịu nhiệt

Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khă năng chịu tác động của nhiệt

độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được một nhiệt độ nhất định (tức là có

độ bền chịu nhiệt nhất định) Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làmthay đổi tính năng của vật liệu cách điện

Đối với vật liệu cách điện vô cơ: Độ bền chịu nhiệt được xác định bằngnhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt phẩm chất cách điện như tổn haođiện môi, điện trở cách điện giảm sút

Với vật liệu cách điện hữu cơ độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên cácbiến dạng cơ học, những biến dạng này dẫn đến sự suy giảm phẩm chất cáchđiện

Về mặt hoá học khi nhiệt độ tăng dẫn đến tốc độ các phản ứng hoá họctrong vật liệu cách điện tăng Vì vật sự giảm sút phẩm chất cách điện của vậtliệu sẽ gia tăng rất nhanh khi nhịêt độ tăng quá mức cho phép (Việc sử dụng vậtliệu cách điện phải theo quy định của phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ)

Tính chịu băng giá: Ở các nước có băng tuyết, thiết bị điện làm việc ngoàitrời phải chịu tác động của nhiệt độ thấp, vì vậy phải chú ý đến khả năng chịulạnh của vật liệu Tính chịu băng giá hay độ bền chịu lạnh là khả năng của vậtliệu cách điện làm việc không bị suy giảm độ tin cậy vận hành khi ở nhiệt độthấp Thông thường ở nhiệt độ thấp tính chất cách điện của vật liệu cách điệntăng, nhưng nhiều vật liệu trở lên giòn và cứng

Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng vì nhiệt toả ra do tổnthất trong quá trình làm việc của các thiết bị điện, dây dẫn điện phải được chấtcách điện truyền ra môi trường xung quanh Vì vậy độ dẫn nhiệt cũng ảnh hưởngtới độ bền nhiệt của vật liệu

Sự dãn nở nhiệt: Sự dãn nở nhiệt của vật liệu cách điện (cũng như các vậtliệu khác) được đánh giá theo hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ Khi sử dụng vật

liệu cách điện trong môi trường có nhiệt độ thay đổi nhiều cần chú ý đến tínhchất này.

3.5 Thực hành trên các mẫu vật liệu đã chuẩn bị

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cách điện

4.1 Khái niệm về độ bền cách điện

Mỗi một chất cách điện với chiều dày nhất định chỉ chịu được điện áp giớihạn nhất định Khi điện áp đặt vào vật liệu cao hơn trị số giới hạn sẽ xảy ra hiệntượng phóng điện làm hỏng chất cách điện Độ bền điện của vật liệu cách điện làkhả năng vật liệu chịu điện áp mà không bị phá huỷ Độ bền được đặc trưng bởitrị số cường độ điện trường đánh thủng

dt dt

U E h

= (Kv/mm)

Trong quá trình vận hành thiết bị điện, chất cách điện phải chịu tác độngcủa môi trường và điện trường Sau một thời gian các tính chất về cơ học, lýhoc, hoá học và điện của vật liệu cách điện sẽ bị thay đổi khác với tính chất banđầu, khi đó vật liệu cách điện bị biến tính (hay còn gọi là bị lão hoá) Như vậytrong quá trình làm việc có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ cách điện của vậtliệu

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ cách điện

4.2.1 Yếu tố bên ngoài;

- Cường độ điện trường: Nếu cường độ điện trường lớn hơn mức giới hạn

sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện phá hỏng vật liệu cách điện Mỗi chất cách điệnvới chiều dầy nhất định chịu được điện áp giới hạn nhất định

- Các yếu tố của môi trường làm việc: Độ ẩm, rung động cơ học, nhiệt độ,các hoá chất có tác động … ảnh hưởng nhiều đến độ cách điện như: làm tăngđiện dẫn ảnh hưởng đến các độ bền về nhiệt, cơ lý hoá …

4.2.2 Các yếu tố bên trong:

Phụ thuộc vào cấu tạo, kết cấu của vật liệu Các yếu tố này ảnh hưởngđến dòng điện rò trong chất cách điện Tính chất của vật liệu cách điện được xácđịnh qua điện dẫn xuất Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi trongchất cách điện sẽ thay đổi Nếu dòng điện này tăng chứng tỏ có sự tham gia củacác điện tích mới xuất hiện trong cấu trúc bên trong vật liệu, hay quá trình lãohoá xảy ra trong vật liệu dưới tác động của điện áp Quá trình này có thể gây lên

sự phá huỷ dần dần và dẫn tới hiện tượng đánh thủng Điện dẫn của vật liệu cáchđiện được xác định bởi nhiều yếu tố

- Vật liệu cách điện khí: trong các chất khí luôn tồn tại các điện tích tự do

đó là các điện tử, ion dương, ion âm Những điện tích này được tạo nên bởi cácquá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên Số lượng điện tích xuất hiện do quá trìnhion hóa tự nhiên là rất nhỏ Vì vậy điện dẫn của các chất khí có giá trị nhỏ vàhầu hết các chất khí ở trong một điều kiện môi trường nào đó là những chất cáchđiện tốt Nhưng khi cường độ điện trường mạnh, sẽ xảy ra hiện tượng ion hóa do

va chạm, khi đó mật độ điện tích sẽ tăng cao và gây nên hiện tượng phóng điện.Chất khí trở thành vật liệu dẫn điện

- Vật liệu cách điện lỏng: dòng điện trong chất cách điện lỏng được xácđịnh bởi sự dịch chuyển của các ion Trong vật liệu cách điện lỏng các điện tích

tự do xuất hiện bởi hai quá trình là ion hóa tự nhiên và phân ly các phân tử.Trong vật liệu cách điện lỏng kĩ thuật bao giờ cũng tồn tại một lượng tạp chấtnhất định Thông thường các phân tử tạp chất dễ bị phân ly hơn các phân tử củachính vật liệu Do vậy điện dẫn của chất cách điện lỏng bao gồm điện dẫn củavật liệu cách điện chính và điện dẫn của tạp chất Như vậy điện dẫn của vật liệucách điện lỏng phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu đó Nếu loại trừ được cáctạp chất sẽ làm tăng điện trở suất, giảm dòng điện rò trong vật liệu Nước làdạng tạp chất phổ biến nhất trong vật liệu cách điện lỏng, ngoài ra còn có các tạpchất ở dạng hạt keo, sợi, bụi bẩn cũng làm giảm tính chất cách điện của vật liệu

- Vật liệu cách điện rắn: Vật liệu cách điện rắn có nhiều loại đa dạng vềcấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất Do vậy

điện dẫn của vật liệu cách điện rắn rất phức tạp Điện dẫn của vật liệu cách điệnrắn cũng chủ yếu tạo nên do sự dịch chuyển của các ion tạp chất dưới tác dụngcủa điện trường Ở một số loại vật liệu có thể có thêm chuyển động của các điện

tử tự do Điện dẫn của vật liệu cách điện rắn không những được xác định bởiloại vật liệu mà còn được xác định bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việccủa chúng (ví dụ trong các vật liệu có cấu tạo tinh thể ion, điện dẫn phụ thuộcvào hóa trị của nguyên tử đó)

Các vật liệu có cấu tạo phân tử như lưu huỳnh, paraphin có điện dẫn xuấtnhỏ và chỉ phụ thuộc vào lượng tạp chất chứa trong đó Với vật liệu cách điện làthủy tinh khi đưa thêm vào thành phần thủy tinh các o xit kim loại của các nhómkhác nhau sẽ làm thay đổi rất nhiều độ cách điện

4.3.Thực hành trên các mẫu vật liệu đã chuẩn bị

- Khái niệm về điện trường:

Các điện tích có tác dụng lực tương tác với nhau vì điện tích tạo ra trongkhông gian quanh nó một điện trường Đặc trưng cho độ mạnh yếu của điệntrường là cường độ điện trường

q: điện tích tác dụng (C: Culong)

5.1 Điện môi đặt trong điện trường

Khác với kim loại và chất điện phân trong chất điện môi có rất ít hạt mangđiện tự do Sự phân bổ điện tích âm và dương trong phân tử thường đối xứng,các trọng tâm điện tích dương và điện tích âm trùng nhau Người ta gọi phân tử

đó là phân tử không phân cực

Khi đặt điện môi thuộc loại không phân cực trong điện trường, điệntrường sẽ chuyển các phân tử thành lưỡng cực điện Các lưỡng cực điện có đầudương hướng về phía cực âm của điện trường, đầu âm hướng về phía cực dươngcủa điện trường Kết quả là trong điện môi hình thành phân cực mới gọi là điệntrường phân cực ngược chiều với điện trường ngoài (Ep) Cường độ điện trườngphân cực nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài (End) nên cường độ điện trườngtổng hợp trong chất điện môi có chiều cùng với chiều của điện trường ngoài, và

có trị số cường độ nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài cho trước

Nếu cường độ điện trường trong chân không là E0, thì khi đặt điện môivào cường độ điện trường sẽ là E0

E

ε

= : ε là hằng số điện môi tương đối của chấtđiện môi Về cơ bản khi nghiên cứu điện môi trong điện trường ta xét tới 4 hiệntượng cơ bản của: sự dẫn điện của điện môi, sự phân cực của điện môi, tổn haođiện môi và đánh thủng điện môi

5.2 Điện dẫn của chất điện môi

Trong điện môi tồn tại các dạng điện tích tự do khác nhau, chúng có thể làcác điện tử, ion dương, ion âm, hay các khối mang điện tích Dưới tác dụng củađiện trường các điện tích này chuyển động với những vận tốc trung bình khácnhau Trong điện môi xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện dẫn, dòng điện nàyphụ thuộc vào mật độ điện tích trong điện môi và còn gọi là dòng điện rò thường

có giá trị rất nhỏ Dựa vào thành phần của dòng điện người ta chia điện dẫn củađiện môi thành 3 loại: