Giáo trình Vật liệu điện

- Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trởsuất - Đồng chuẩn hóa có ρ = 0.0172Ω.mm2/m + Ảnh hưởng của tạp chất: Với bạc, - Đồng cứng dùng để chế tạonhững dây dẫn không cáchđiện của các đường dây

Mục lục

Mục lục 1

Chương 1 2

VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2

1.4 Hợp kim có điện dẫn suất thấp (Điện trở cao) 11

1.5 Các kim loại khác 12

1.5.1 Won fram 12

1.5.2 Mô líp đen 13

1.5.3 Niken 13

1.5.4 Chì 14

1.5.5 Thiếc 14

1.5.6 Kẽm 15

1.5.7 Bạch kim (Platin - Pt) 15

1.5.8 Thuỷ ngân 15

1.6 Ứng dụng của hợp kim trong kỹ thuật điện 16

1.6.1 Hợp kim dùng làm điện trở 16

1.6.2 Hợp kim dùng làm tiếp điểm điện 18

1.7 Dây dẫn, dây cáp 22

1.7.1 Cơ sở phân loại cáp 23

2.5.3 Cách điện của khí cụ điện 50

Chương 3 60

VẬT LIỆU SẮT TỪ 60

3.1 Khái quát 60

Chương 1 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

1.1 Khái niệm, phân loại và đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện

a Khái niệm vật liệu dẫn điện

Vật liệu dẫn điện là một vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự

do (ngay ở điều kiện thường ) Khi đặt chúng trong điện trường các điện tích tự dochuyển động theo một hướng nhất định của điện trường tạo thành dòng điện lúc đó ta nóirằng vật liệu có tính dẫn điện

Vật liệu có thể tồn tại ở các thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể làchất khí

Ở dạng chất rắn, vật dẫn điện có kim loại và hợp kim của chúng, trong một số trườnghợp là những chất không phải là kim loại; chất lỏng dẫn điện và kim loại ở trạng tháichảy lỏng và những chất điện phân

Khí là hơi có thể trở nên dẫn điện ở cường độ điện trường lớn, chúng tạo nên ion hóa

do va chạm hay sự ion hóa quang

b Phân loại

Nhóm 1:

Vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại 1 (vật dẫn kim loại)

Phần lớn thuộc về kim loại, hợp kim, một số ít là phi kim loại, thường tồn tại ở thể

rắn,trường hợp đặc biệt ở thể lỏng là thủy ngân

- Đặc trưng của nhóm vật liệu dẫn điện là: Mọi sự hoạt động của các điện tích không làm thay đổi thực thể tạo nên vật dẫn đó

- Có hai loại vật liệu dẫn điện có tính dẫn điện tử

Loại 1: Có điện trở suất nhỏ gồm các vật liệu như đồng, nhôm, vàng, bạc Khi sửdụng thường là hợp kim

Ứng dụng: Dùng làm dây dẫn, dây điện từ trong máy điện, khí cụ điện và một số dụng cụ

đo lường

Loại 2: Có điện trở suất cao ví dụ như: Hợp kim Manganin, Constantan

Ứng dụng: Dùng làm biến trở, điện trở mẫu, dùng trong các loại bóng đèn.

Nhóm 2: Vật liệu dẫn điện có tính dẫn ion hay vật dẫn loại 2 (vật dẫn điện phân)

Phần lớn chúng tồn tại dưới dạng dung dịch như axit, kiềm, muối…

Đặc trưng của nhóm là: Khi dòng điện chạy qua vật dẫn làm thay đổi hoặc biến đổi hóahọc trong nó

c Đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện

• Điện trở (R)

Khái niệm: Là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độdòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn Hoặc là quan hệ giữa điện áp không đổi trênhai đầu vật dẫn và cường độ dòng điện chảy trong vật dẫn

Biểu thức: R = ρ.l/s Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ

Trong đó: ρ: Điện trở suất phụ thuộc vào từng loại vật liệu tạo nên vật dẫn

l, s: Chiều dài và tiết diện dây dẫn

• Điện dẫn (G)

Khái niệm: Là đại lượng nghịch đảo của điện trở

Biểu thức: G = 1/R Đơn vị: 1/Ω = Ω-1 hoặc Siemen (S)

• Điện trở suất (ρ)

Khái niệm: Điện trở suất là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và

tiết diện là một đơn vị điện tích

Nếu S tính bằng mm2 , l tính bằng m thì ρ = Ω.mm2/m hoặc Ω.cm, và µΩ.cm với quan hệlà

1 Ω.cm = 10-2 Ω.m = 104 Ω.mm2/m = 106 µΩ.cm

• Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ (α)

Phần lớn các vật dẫn khi nhiệt độ trong nó tăng thì điện trở suất cũng tăng, một số ítcác vật dẫn khác lại có tính chất ngược lại (Cacbon và dung dịch điện phân)

Cách tính hệ số như sau: Đối với khoảng chênh lệch nhiệt độ (t2 –t1) thì hệ số α trungbình sẽ là: α = ρt2 – ρt1/ [ρt1(t2 – t1)] Khi nóng chảy, điện trở suất của kim loại thay đổi,thông thường tăng lên trừ Ăngtimoan, Bitmut lại bị giảm

Ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K) ρ của kim loại tinh khiết bị giảm đột ngột, đó là hiệntượng siêu dẫn

Trước đây hiện tượng siêu dẫn không được sử dụng trong thực tế vì: Với một giátrị nào đó của cường độ từ trường nó đã phá hoại hiện tượng siêu dẫn (với kim loại thuầnnhất thì cường độ từ trường không lớn) Người ta sử dụng hợp kim có nhiệt độ tương đốicao khi chuyển sang siêu dẫn và giữ được trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh vá chodòng điện lớn đi qua

Nb3Sn : Triniobi – Thiếc : có nhiệt độ siêu dẫn 18,2 0 K

V3Ga: Tri vanadi – Gali: có nhiệt độ siêu dẫn 16,80 K

Nb – Ti :Niobi – Titan: có nhiệt độ siêu dẫn gần 100K

Nb – Zn: Niobi – Ziriconi: có nhiệt độ siêu dẫn gần 100K

Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của một số kim loại

Kim loại Điện trở suất

Ω.mm 2 /m

Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/độ)

suất ở 20 0 C Ω.mm 2 /m

Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1/độ)

Bạc 0.016-0.0165 0.0034-0.00429 Kẽm 0.0535-0.063 0.0035-0.00419Đồng 0.0168-0.0182 0.00392-0.00445 Niken 0.0614-0.138 0.0044-0.00692Vàng 0.022-0.024 0.0035-0.00398 Thép 0.0918-1.150 0.0045-0.00657Nhôm 0.0262-0.040 0.0040-0.0049 Platin 0.0866-0.116 0.00247-0.00398Manhê 0.0446-0.046 0.0039-0.0046 Thiếc 0.113-0.143 0.0042-0.00465Môlipđen 0.0476-0.057 0.0033-0.00512 Chì 0.205-0.222 0.0038-0.00428Wonfram 0.0530-0.0612 0.004-0.0052 Thủy

ngân

0.952-0.959 0.0009-0.00099

• Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất

Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo: ρ = ρ0(1 kσ)

Trong đó dấu “+” ứng với biến dạng do kéo, dấu “ –” ứng với biến dạng do nén

σ: Ứng suất cơ khí của mẫu, đơn vị kg/mm2

K: Hệ số, với nhôm K = 3.815.10-6, thiếc K= -9.79.10-6, Mg có K= -3.9 10-6

Điện dẫn suất : γ là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất

• Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng với điện trở suất

Điện trở suất của kim loại cũng biến đổi tương tự khi đặt trong một môi trường từ và

ρ của một số vật liệu cũng biến đổi dưới ảnh hưởng của ánh sáng

• Hiệu điện thế tiếp xúc và suất nhiệt điện động.

Khi tiếp giáp 2 kim loại khác nhau với nhau, giữa chúng sẽ sinh ra hiệu điện thế, đây

là cơ sở để xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa

Nguyên nhân: Do có sự khác nhau về công suất điện tử và số lượng điện tự do Điệnthế tiếp xúc này có thể từ vài phần mười đến vài vôn.

Người ta thường gọi 2 kim loại có sức nhiệt điện động lớn và quan hệ đường thẳngvới nhiệt độ để làm nhiệt ngẫu cặp nhiệt để do nhiệt độ như : Platinorodi –Platin đo đến

độ dẫn điện lại giảm Điện trở nhỏ biến đổi theo nhiệt độ, hệ số giãn nở nhiệt rất lớn khi

có sự thay đổi nhiệt độ

+ Hợp kim là sản phẩm nấu chảy của hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu làkim loại và hợp kim có tính chất của kim loại

Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, hoặc điện phân, thiêu kết…

1.2.2 Cấu tạo kim loại hợp kim

(Xem sách Vật Liệu Kỹ Thuật Điện – Tg: Nguyễn Xuân Phú – NXB Khoa hoc và kỹthuật - Trang 13 - 18)

1.2.3 Tính chất chung.

a Tính chất lý học.

• Vẻ sáng mặt ngoài Sự phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài gọi là màu của kim loại

Ví dụ: Đồng màu đỏ, thiếc màu trắng bạc, kẽm màu xám, ngoài ra còn có màu của lớpoxit khi bị oxi hóa chúng tạo thành màu sắc khác nhau khi ở nhiệt độ khác nhau…

- Người ta chia kim loại thành : + Kim loại đen gồm Sắt và hợp kim của sắt

+ Kim loại màu gồm tất cả các kim loại còn lại

• Tính nóng chảy:

Kim loại có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội

Nhiệt độ ứng với kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóngchảy Nó có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc kim loại Điểm nóng chảy của hợpkim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên nó

• Tính dẫn nhiệt:

Là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh Các vật có tính dẫnnhiệt kém muốn đốt nóng hoàn toàn phải có thời gian dài và khi làm nguội nhanh có thểgây nứt vỡ

Ví dụ: Sắt và hợp kim của sắt còn lại các kim loại khác hầu như không có tính này

- Tính nhiễm từ của sắt phụ thuộc vào thành phần và vào tổ chức bên trong của kimloại

Do vậy nó không cố định với mỗi loại vật liệu

Ví dụ: Ở nhiệt độ 7680C sắt có tính nhiễm từ và khi nhiệt độ lớn hơn thì không có khảnăng đó nữa

b Tính chất hóa học.

Tính chất hóa học là biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụnghóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau

+ Tính chống ăn mòn: Khả năng chống lại sự ăn mòn của không khí , oxy, nước khi

ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao

+ Tính chịu axit: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit

c Tính chất cơ học (cơ tính)

Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại (độ đàn hồi, độ bền,

độ dẻo, độ cứng, chịu mỏi)

- Bạc tinh khiết bị ăn mòn và dínhchặt Nó được tìm thấy dưới dạng mỏhay tự nhiên (quặng kim loại có tới98% bạc) hoặc trong các mỏ chì, kẽm,đồng hoặc có thể thấy trong nước biểnvới 0.001mg/1lit.

- Có màu trắng và chiếu sáng Ở nhiệt

độ cao không bị oxi hóa Tác dụngvới Ozon tạo ra Ag2O, còn Sulfua vàHyđro Sulfurơ làm bạc ngả màu đen

Phản ứng với Clo và lưu huỳnh

- Bay hơi ở t0 = 1400 16000C

- Dễ vuốt giãn, mềm dễ uốn cong, cóthể gia công theo quy trình lót, dátmỏng, rèn và kéo sợi

làm dây chảy trong cấu chì,làm khung cho tụ điện…

- Dùng quấn các cuộn dâytrong kỹ thuật vô tuyến

- Hợp kim với Niken hayMangan dùng làm dây dẫntrong các máy đo

- Hợp kim palađi, vàng làm tiếp điểm điện vớidòng nhỏ trong thông tin viễnthông

bạc Chế tạo các chi tiết nhỏ nhưđinh tán, đinh vít, các đầu cực

- Dùng sản xuất các màn ở cácbóng Catốt và của các tế bàoquang điện

+ Đồng mềm (MM) là đồng đem ủnhiệt

+ Đồng hơi cứng+ Nửa cứng

- Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trởsuất

- Đồng chuẩn hóa có ρ = 0.0172Ω.mm2/m

+ Ảnh hưởng của tạp chất: Với bạc,

- Đồng cứng dùng để chế tạonhững dây dẫn không cáchđiện của các đường dây truyềntải trên không, thanh góp chonhững thiết bị phân phối, hoặccho cổ góp máy điện

- Đồng mềm được sử dụng chếtạo dây dẫn cách điện của cápđiện và dây quấn máy điện

- Hợp kim đồng thanh (đồngvới thiếc, kẽm hoặc chì dùnglàm các chi tiết vòng trượt, giá

đỡ chổi than, lò xo dẫn điện, ổ

cađimi làm γ giảm ít, còn sắt, siliclàm γ giảm nhiều

+ Ảnh hưởng của gia công cơ khí:

Khi rát, kéo nguội làm γ giảm Đườngkính dây < 1mm thì γ giảm đồng thờikhi giảm đường kính

+ Ảnh hưởng của xử lý nhiệt: Sự thayđổi γ tùy theo độ nung nóng trở lại

Ví dụ: Để có đồng mềm dùng làmdây quấn và cáp thì nung trở lại t0khoảng 400-5000C

- Là kim loại có màu đỏ nhạt sángrực, sức bền cơ khí tương đối lớn Dễdát, dễ vuốt giãn gia công dễ dàng khinóng và khi lạnh (rèn, kéo sợi, rátmỏng) có sức bền lớn khi và đập và

ăn mòn, sức đề kháng cao khi thời tiếtxấu, có khả năng tạo thành hợp kimtốt với các kim loại khác có giá trịnhư: Đồng thanh, đồng thau, có khảnăng gắn và hàn dễ dàng

- Khi gia công t0> 9000C làm giảmtính chất cơ học

cắm điện…)

- Hợp kim đồng thau (đồngvới kẽm)

Nếu kẽm = 39% hợp kim dẻodùng làm các chi tiết đặc biệtphức tạp bằng cách dập, vuốt.Nếu kẽm > 39% dùng đúc cácchi tiết định hình

Các loại đồng hơi cứng, nửacứng dùng trong các khí cụđiện

3 Vàng - ρ = 0.022-0.024 Ωmm2 /m, Ở 200C

là kim loại màu vàng đăc trưng sángrực, màu này không bị mất đi trongkhông khí và axit

- Không bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao,hòa tan trong dung dịch axit Clohidric

- Dùng trong kỹ thuật điệnnhư gia công các hợp kim làmtiếp điểm

- Dùng làm điện trở trong điện

kế, trong các dụng cụ tĩnhđiện

- Trọng lượng riêng < đồng 3.3 lần,điện trở nhôm > đồng 1,68 lần.

- Tính nóng chảy thấp, tính dẻo caotương đối bền khi bị ôxy hóa

- Nhôm nguyên chất bền vững trongnước biển Bị phá hủy nhanh trongH2SO4 (Axit Sunfuric) loãng và dungdịch kiềm

- Lớp ôxit nhôm có tính ổn định caochống ăn mòn trong môi trườngAmoniac (NH3) và một số chất khíkhác

- Hợp chất nhôm với tạp chất tạothành thể rắn thì giảm tính dẫn điện

- Hợp chất nhôm với tạp chất tạothành khác thể rắn thì không dùng dẫnđiện

- Nhôm nguyên chất dùng làmdây dẫn, dây cáp, thanh góp,ống nối, dây quấn máy điện, lánhôm làm tụ,…

- Hợp kim nhôm có ρ caodùng đúc rôto lồng sóc động

cơ không đồng bộ có mô-menkhởi động lớn, động cơ nhiềutốc độ, làm dây dẫn (đi trầntrên không, ruột cáp)

- Ở dòng điện xoay chiều điện trở

- Làm dây dẫn đi trên khôngnhưng cấm sử dụng nhỏ hơntiết diện tính toán

- Được dùng ở lưới điện cókhoảng cách cột lớn

- Làm vật liệu dẫn điện vớidạng thanh dẫn, đường ray tảiđiện, tàu điện ngầm, lõi dây

tăng so với dòng một chiều.

- Có khả năng chịu được điện áp cao

- Trọng lượng riêng tương đối lớn(7,86kg/dm3)

nhôm…

- Khi sử dụng để khắc phụchiện tượng han gỉ người tathường mạ kẽm

- Làm dây chống sét

1.4 Hợp kim có điện dẫn suất thấp (Điện trở cao)

1 Manganin - Thành phần: Là hợp kim gốc

đồng 86% Cu, 12%MN, 2%Ni

- Có màu vàng, kéo được thànhsợi mang 0.02 mm và được sảnxuất thành tấm

- Hệ số điện trở suất nhỏ, điệntrở suất với độ ổn định cao

- Dùng trong các dụng cụ đođiện, điện trở mẫu, biến trở vàcác dụng cụ đốt nóng bằngđiện

2 Constantan - Là hợp kim Đồng – Niken với

60% Cu, 40% Ni Hàm lượngNiken trong hợp kim quyết địnhtrị số ρ lớn và αρ nhỏ nhất Trị

số của αρ gần bằng không vàthường có trị số âm

- Có thể kéo thành sợi, cán thànhtấm như Manganin

- Dùng sản xuất dây biến trở,dụng cụ đốt nóng bằng điện cónhiệt độ làm việc không quá

4000 C

- Sử dụng thích hợp trong cáccặp nhiệt điện để đo nhiệt độkhông quá vài trăm độ

lò điện, mỏ hàn …

sự thay đổi đường kính theochiều dài dây và sự đồng nhấtthành phần hợp kim

- Để tăng tuổi thọ xoắn thành lò

xo và đặt trong môi trường trơ,rắn như đất sét, gạch chịu lửa

- Dùng trong thiết bị đốt bằngđiện công suất lớn và lò điệncông nghiệp

1.5 Các kim loại khác

1.5.1 Won fram

+ Đặc điểm : ρ = 0.0476 – 0.0057 (Ω.mm2/m)

Là kim loại rất cứng có màu xám tro, chiếu sáng nó không thay đổi ở nhiệt độ thường

dù có hơi nước, ở nhiệt độ 7000C bắt đầu bị ô xi hoá tạo thành màu trắng nếu tăng nhiệt

độ thì lớp ôxít sẽ trở nên màu vàng

- Ở nhiệt độ cao phản ứng với ôxít cacbon, nitơ, hơi nước nó không phản ứng vớihyđro, hơi thuỷ ngân

- Không tan trong axít, các chi tiết tuy dày nhưng dễ vỡ, đứt

+ Ứng dụng :

- Làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng Làm điện trở nung nóng

- Làm điện cực catốt (cực âm) ở bóng điện tử mạnh, làm việc với điện áp cao, nhiệtđộ

cao, làm nhiệt ngẫu

- Làm tiếp điểm điện nó không bị hàn chặt trong thời gian làm việc, có sức bền vớisự

mài mòn cơ khí.

- Hợp kim với bạc, đồng dùng làm tiếp điểm công suất lớn

1.5.2 Mô líp đen

+ Đặc điểm : ρ = 0.0476- 0.057 (Ω.mm2/m) ở 200C Là kim loại có màu trắng xám tro,

ở dạng bụi bột có màu xám tro còn khi nóng chảy nó có màu trắng bạc Khi nguội trongkhông khí nó khó bị ôxít hoá, khi bị ôxy hoá mất lớp rực sáng

- Khi nguội không bị tác dụng của kiềm hay axít clohyđric, bị tác dụng của axítsunfuaric, nó không phản ứng với hyđro

- Dẻo dễ lát mỏng, sức bền cơ khí khi gia công phụ thuộc vào độ lớn của hạt

+ Ứng dụng :

- Làm chi tiết đỡ cho sợi tóc bóng đèn nung sáng, lưới của bóng điện tử…

- Dây mảnh và băng dẹt được dùng làm các phần tử đốt nóng trong chân không, ở những lò điện trở có nhiệt độ tới 16000C

- Dùng làm nhiệt ngẫu, tiếp điểm điện ở các bộ điều hoà dụng cụ từ kế

- Hợp kim Môlipđen-Vônfram có thể dùng ở máy cắt điện trong chân không hay khítrơ

- Hợp kim với niken, crôm dùng làm điện trở nung nóng

quá 5000C nó bị ôxy hoá có tính hơi giòn và giảm sức bền vật liệu

- Niken không tác dụng với dung dịch kiềm, bazơ nóng chảy và hợp chất hữu cơ

- Trong chân không nó bay hơi ở 7500C (trước nhiệt độ nóng chảy)

- Là kim loại bền dễ dát, vuốt giãn, rèn dập

- Ở trạng thái lỏng có độ chảy lỏng thấp và hấp thụ nhiều khí

+ Ứng dụng :

- Người ta dùng niken để mạ thép, dùng làm kính phản chiếu trong kỹ thuật ánh sáng

- Trong kỹ thuật chân không làm giá đỡ dây tóc bóng đèn nung sáng và bóng đèn điệntử.

- Dùng chế tạo nhiệt ngẫu (Ni-Fe, Ni- Cr)

- Chế tạo một số tiếp điểm điện trong môi trường hyđro cacbua có điện áp lớn vàdòng

điện nhỏ

- Dùng chế tạo điện trở phát nóng đến 9000C

- Chế tạo điện cực dương cho các ắc quy

- Hợp kim Ni để làm điện trở và các tiếp điểm điện, biến trở, chảo điện

- Bền với thời tiết xấu, với muối Clorua, dầu, không bền với chất kiềm không bị tácdụng của axit Clohyđric, Amôniac

- Dễ phản ứng hóa học nhiệt độ cao, độ bền thấp ở nơi thường xuyên dao động Hợpkim chì có sức bền dao động hơn, nhưng ít bền với sự ăn mòn, sự bay hơi của chì rất độchại

- Là kim loại có màu trắng bạc, sáng

- Sức bền tốt đối với ảnh hưởng của môi trường, không bị ôxy hoá trong không khí

- Không chịu tác dụng của axit và các chất kiềm chỉ khi các chất này bị nung nóng

và

đậm đặc

- Mềm, dễ lát mỏng và uốn dẻo Khi bẻ cong ta nghe thấy âm thanh.

- Điện trở suất thay đổi đột ngột khi chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng

- Là kim loại không kết hợp với ôxít và rất bền vững đối với thuốc thử hoá học

- Dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng

+ Ứng dụng :

- Dùng sản xuất cặp nhiệt độ làm việc tới 16000C

- Với dây mảnh < 0.001mm dùng treo hệ thống động trong đồng hồ điện và cácđồng

hồ đo có độ nhạy cao

- Hợp kim với Iridi(Ir) dùng làm tiếp điểm

1.5.8 Thuỷ ngân

- Ở nhiệt độ thường thì thủy ngân tồn tại dạng lỏng

- Sản xuất từ hợp chất (HgS) sunfit xinoba bằng cách nhiệt phân trong không khí ở nhiệt độ 2000C

- Hơi thuỷ ngân khác khí thường và khí trơ là có điện thế ion hoá thấp

- Có tính bền hoá học chỉ bị oxy hoá ở nhiệt độ gần độ sôi, tác dụng yếu với hyđro,magiê, nhôm, kiềm và kim loại kiềm thổ

- Hiện tượng siêu dẫn phát hiện đầu tiên là thuỷ ngân

* Than kỹ thuật điên

+ Đặc điểm :

- Là một dạng của cacbon có thể sản xuất từ than cốc

- Nó tồn tại dưới các dạng :

+ Graphit thô chưa gia công cơ khí

+ Graphit cô đặc đã chịu gia công cơ khí

- Có sức bền cơ khí đặc biệt ở các máy điện chịu rung, va đập

- Chổi than dùng cho máy điện tạo thành tiếp xúc động giữa phần cố định và phầnquay

- Chổi than điện graphit, chổi than graphit, chổi than kim loại graphit được dùng ởcác

máy điện có điện áp thấp và động cơ không đồng bộ roto dây quấn

1.6 Ứng dụng của hợp kim trong kỹ thuật điện

1.6.1 Hợp kim dùng làm điện trở

1 Khái quát và phân loại

- Vật liệu được sử dụng để chế tạo các điện trở phải có điện trở suất lớn, hệ số biến đổiđiện trở suất theo nhiệt độ phải nhỏ

- Phân loai :

* Theo mục đích sử dụng gồm :

+ Vật liệu dùng làm điện trở chính xác : Dùng ở dụng cụ đo lường và điện trở mẫuNhững vật liệu này có một sức điện động nhỏ so với những vật liệu khác và đặc tínhkhông được thay đổi theo thời gian để nó không tạo nên những sai số trong nhữngphương pháp đo

+ Vật liệu dùng làm biến trở khởi động

Là những vật liệu phải có sức bền với thời gian kéo dài ở nhiệt độ cao ( không được nóng chảy và không bị ôxy hoá) Chúng phải gia công dễ dàng và làm việckhông được rút ngắn chiều dài

* Theo bản chất vật liệu người ta phân biệt :

+ Kim loại tinh khiết hay ít hợp kim dùng làm điện trở

+ Hợp kim dùng làm điện trở

2 Hợp kim dùng làm điện trở

- Những kim loại tinh khiết hay ít hợp kim có giới hạn trong việc sử dụng và dùng ởkết cấu điện trở Vì thông thường chúng có điện trở suất nhỏ hơn hợp kim của chúng, hệ

số biến đổi điện trở suất nhiều hơn hợp kim của chúng, đồng thời nó bị ăn mòn ở nhiệt độcao

- Người ta sử dụng những hợp kim của kim loại khó nóng chảy (Cu, Ni, Fe, Cr, Mn)những hợp kim này rất bền đối với sự ăn mòn ở nhiệt độ cao so với những kim loại hợpthành

a Hợp kim dùng làm điện trở chính xác và dùng làm bộ biến trở

- Hợp kim loại mangan (86% Cu, 2% Ni, 12% Mn) người ta dễ kéo thành băng vàdây

- Hợp kim loại Constantan và Niken

+ Constantan : Chứa 60% Cu và 40% Niken gia công dễ dàng khi nguội và khi nóng cóthể kéo thành sợi rất mỏng thành băng chiều dày 0.02mm Dễ hàn và dính chặt Hệ sốbiến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé

Khi dùng làm biến trở và điện trở nung nóng không được dùng ở quá nhiệt độ 4500C

vì nó sẽ bị ôxy hoá Nhưng nung nóng ở 9000C thời gian 3 giây rồi để nguội trong khôngkhí thì trên bề mặt sẽ tạo thành màng ôxit ngăn cách dễ uốn dẻo và có độ bền

+ Niken chứa 25-35% Ni, 2-3% Mn, 67% Cu nên rẻ tiền hơn constantan Nó được giacông rất dễ, có điện trở suất nhỏ hơn và hệ số biến đổi điện trở suất đối với nhiệt độ thấphơn constantan Dùng làm biến trở khởi động

- Hợp kim trên cơ sở kim loại quý

Đó là hợp kim có vàng với Crôm (20%) bạc với mangan và thiếc, bạc với niken.Chúng có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi điện trở suất đối với nhiệt độ nhỏ tuỳ thuộcvào việc xử lý già hoá.

Người ta thường dùng hợp kim này làm điện trở chính xác

- Hợp kim đồng – kẽm và đồng- niken- kẽm: Là hợp kim rẻ tiền, được sử dụngtrong

các dụng cụ đo lường thông dụng và làm bộ biến trở đối với dòng điện lớn

b Hơp kim dùng làm điện trở sưởi nóng và nung nóng

- Hợp kim trên cơ sở niken và crôm (nicrom, crômniken) Có sức bền tốt ở nhiệt độ cao, điện trở suất lớn và hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ

- Dùng làm dây dẫn mảnh (đường kính 0.01- 0.3mm) chứa 60-70% niken, 15-20% crôm và 15-25% sắt, có thể thêm vào 1-2% Mn để làm chất khử oxy Điện trở suất củahợp kim này khoảng 1 Ω.mm2/m và thay đổi tuỳ theo các thành phần cấu tạo nên

Hợp kim trên cơ sở niken- sắt- crôm Trong kỹ thuật truyền thanh người ta dùngnhững điện trở có giá trị lớn xong kích thước nhỏ như các hợp kim của nhôm được mangtên là ohmax (ρ = 1.67 (Ω.mm2/m, α = 0.00035)

-Hợp kim crôm-silic-sắt(feronicrom) là những hợp kim chịu được nhiệt độ cao vì vậychúng rất thông dụng

Dây làm điện trở trên cơ sở Cacbua Silic Vật liệu từ Cacbua Silic được đưa thêm vậtliệu gốm vào, chúng có dạng thanh hay ống với các đầu được kim loại hoá Dùng cho lòđiện có nhiệt độ 1000- 14000C

1.6.2 Hợp kim dùng làm tiếp điểm điện

- Có sức bền đối với sự ăn mòn do tác nhân bên ngoài

- Có nhiệt độ nóng chảy và hoá hơi cao

- Ôxít của nó phải có điện dẫn suất lớn

- Có thể gia công dễ dàng, giá thành hạ.

* Điều kiện riêng :

- Đối với tiếp đỉểm cố định : +Có sức bền khi nén để có thể chịu áp suất ép lớn

+Phải có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâudài

- Đối với tiếp điểm điện động:

+Phải có sức bền đối với sự ăn mòn, do tác động cơ khí hoặc va chạm khi đóng và

mở

+Phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện Không bị hàn chặt

+ Đối với tiếp điểm trượt : (Máy cắt điện, dao cắt, vòng cổ góp…có sức bền đốivới

sự mài mòn cơ khí do ma sát)

2 Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền

Sức bền tiếp điểm bị ảnh hưởng bởi :

+ Bản chất bề mặt : Điện trở của tiếp điểm ngày càng lớn khi điện trở suất của vật

liệu càng lớn, điện trở càng nhỏ khi ứng suất nghiền đập cảu vật liệu ngày càng nhỏ Vậtliệu càng mềm thì sự biến dạng càng dễ dàng, số lượng tiếp điểm tiếp xúc ngày càng lớn.Trong một số trường hợp tiếp điểm được làm bằng vật liệu cứng hơn song lại được bọcbằng vật liệu mềm hơn Bản chất của vật liệu ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm

Khi phụ tải thay đổi và khi ngắn mạch có thể sinh ra ứng lực rất lớn, có thể dẫn đếnvượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu và làm yếu tiếp điểm

Vậy bản chất của vật liệu và những điều kiện làm ảnh hưởng đến sự ăn mòn làm xấutính chất dẫn điện do vậy điện trở tiếp xúc tăng

Sự ăn mòn thể hiện rõ ở trong môi trường như : Amôniac, clo, hơi axit…

Những tiếp điểm làm bằng 2 kim loại khác nhau sẽ ăn mòn lớn hơn tiếp điểm làmbằng cùng kim loại

Để tránh ăn mòn người ta phủ lên tiếp điểm những kim loại có sức bền đối với sự ănmòn và tránh các môi trường như trên

+ Lực ấn Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở của tiếp điểm

- Khi cùng độ lớn của bề mặt tiếp xúc thì điện trở càng nhỏ khi lực ấn càng lớn (vìdiện

+Nhiệt độ tiếp điểm

Nếu lực ấn duy trì không đổi với nhiệt độ 2500C thì điện trở suất tăng theo nhiệt

độ Giữa 250 - 4000C sức bền cơ học của vật liệu giảm Vật liệu trở nên mềm làm tăngdiện tích tiếp xúc thực tế và giảm điện trở mà dòng điện đi qua

+ Trạng thái bề mặt trong lúc tiếp xúc

Khi gia công cần loại bỏ màng ôxít và những vật chất xa lạ, đồng thời phải tạođược tối đa các điểm tiếp xúc khi tiếp xúc các bề mặt

3 Vật liệu dùng làm tiếp điểm cố định

mòn không cho tiếp tục đi vào trong tiếp điểm.

4 Vật liệu dùng cho các tiếp điểm cắt

- Platin có tính ổn định cao đối với sự ăn mòn trong không khí tạo nên màng oxit dovậy đảm bảo được sự ổn đinh điện của tiếp điểm dẫn đến dòng điện qua tiếp điểm sẽ nhỏPlatin có độ cứng thấp nên nên mài mòn nhanh do đó ít sử dụng dạng tinh khiếtthường dùng với iridi có độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao Do đó chúng được chế tạocác tiếp điểm quan trọng có độ chính xác cao ở dòng điện nhỏ Có sức bền tốt với sự tácđộng của hồ quang điện

- Pladi tính chất tương tự Platin nó có sức bền tốt hơn không khí

- Rodi có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao điện dẫn suất và dẫn nhiệt cao, tính

sẽ bị ăn mòn nhiều, dễ dàng bị dính chặt giữa chúng

Tiếp điểm bằng hợp kim bạc với đồng có độ cứng cao ăn mòn nhỏ dùng cho nhữngtiếp điểm có áp suất lớn Hợp kim bạc với cadimi dùng cho tiếp điểm có công suất lớn

- Ngoài ra còn : Vonfram, molipden…

5 Vật liệu tổng hợp dùng làm tiếp điểm có công suất lớn

Những vật liệu tổng hợp hay dùng gồm : Bạc – Vonfram, Bạc – Molipden, Bạc –Niken, Đồng – Vonfram, Đồng – Molipden

Một kim loại có điện trở suất lớn còn loại kia có sức bền cơ khí lớn Như vậy vậtliệu tổng hợp có tính cơ học rắn chắc với điện nên dẫn suất lớn, ổn định nhiệt cao Sửdụng ở những tiếp điểm có yêu cầu công suất lớn, áp suất tiếp xúc lớn và độ cứng cao.Dưới dạng các viên mỏng dính chắc lên trên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm cắt ở khí cụđiện

6 Vật liệu dùng làm tiếp điểm trượt

- Đồng : Ở cổ góp máy điện và những tiếp điểm của máy cắt điện, dao cách ly Đểtạo

ra sức bền cơ khí cao người ta dùng hợp kim với cadimi hoặc mạ bạc

- Các hợp kim của đồng : Đồng thanh, đồng thau, được dùng làm vòng tiếp xúc hay

cổ

góp chúng có độ bền cơ khí cao với sự mài mòn và ăn mòn

- Vật liệu làm bằng gang hình cầu đôi khi được dùng làm vòng góp

- Nhôm được dùng làm các chi tiết tiếp xúc ở cần lấy điện của các phương tiện vậntải

bằng điện

- Vật liệu Cacbon graphit dùng trong khí cụ điện, làm chi tiết tiếp xúc của phươngtiện vận tải vì chúng không mài mòn dây dẫn truyền tải điện và có tuổi thọ cao

* Hợp kim dùng làm cặp nhiệt điện

- Copen (Cu = 56% và niken = 44%)

- Alumen (Niken = 95% và Si, Al, Mg)

- Platinrođi (Rh = 10%)

Cụ thể : Khi đo nhiệt độ tới 16000C dùng platin – platinrôđi

Khi đo nhiệt độ tới 3500C dùng đồng – Constantan và đồng côban

Khi đo nhiệt độ tới 6000C dùng Sắt – Constantan

Khi đo nhiệt độ 9000C đến 10000C Cromen – Alumen

1.7 Dây dẫn, dây cáp

Trong công nghiệp cáp và dây dẫn cơ bản dùng để truyền tải và phân phối điệnnăng, đồng thời dùng để đấu các máy điện, thiết bị điện với nhau Mặt khác còn dùng đểtruyền tín hiệu với các tần số khác nhau

Thông thường cáp điện được tạo nên từ ba thành phần chính : phần dẫn, phần cáchđiện và phần bảo vệ Cáp điện cần thoả mãn rất nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau như :tính dẫn điện, cách điện, độ bền cơ – lý – hoá, thời gian phục vụ, độ kín của lớp bảo vệ…

Do vậy khi sản xuất cáp cần phải lựa chọn vật liệu, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình côngnghệ, tính toán thiết kế, thử nghiệm theo tiêu chuẩn.

1.7.1 Cơ sở phân loại cáp

a Phân loại theo thành phần kết cấu

Ta có cấu trúc của cáp bao gồm: lõi dẫn, cách điện, màn chắn điện và lớp bảo vệ Lõidẫn điện có nhiệm vụ truyền dòng năng lượng điện và tín hiệu tin tức liên lạc Cách điện

là tạo lên khoảng cách cách điện ổn định giữa lõi dẫn và bề mặt đất Các lớp bảo vệ dùngbảo vệ lõi dẫn và cách điện khỏi bị tác động cơ học, khí hậu hay hóa học Màng chắn đểtạo lên cách điện bên trong điện từ trường hướng tâm hay là bảo vệ cho tín hiệu điệntruyền đi khỏi bị nhiễu từ bên ngoài

- Theo thành phần kết cấu các chi tiết cáp có thể chia thành: dây dẫn không cáchđiện (dây cáp trần) và dây dẫn có cách điện, dây cáp mềm và cáp điện

+ Dây cáp trần được tạo lên từ lõi dẫn, còn dây có cách điện được tạo lên từ haithành phần lõi và lớp cách điện

+ Dây cáp mềm được tạo lên từ tổ hợp hai hay nhiều dây dẫn mềm có cách điệnđược bao bọc chung một lớp bảo vệ

- Cáp điện được tạo lên từ ba thành phần kết cấu: các lõi dẫn, cách điện và vỏ bảovệ

b.Phân loại theo vật liệu cách điện

- Dây trần, cáp điện và dây dẫn cách điện bằng giấy (tẩm hay không tẩm)

- Cáp điện dây dẫn và dây cáp mềm cách điện bằng cao su và polime

- Dây êmay

- Dây dẫn và cáp cách điện bằng sợi và cách điện tổ hợp

c Phân loại theo mục đích sử dụng

- Cáp và dây dẫn điện áp cao: Có điện áp làm việc > 1000V

- Cáp và dây dẫn điện áp thấp: Dùng phân phối điện năng trong mạch nhị thứ, dùngđấu nối trong sơ đồ, thiết bị, dụng cụ đo lường, cung cấp điện và điều khiển hệ thốngkiểm tra…

- Cáp và dây thông tin dùng cho tất cả các dạng liên lạc (điện thoại, điện tín, rađio,tivi…)

- Dây quấn điện từ dùng để quấn các cuộn dây máy biến áp, máy điện, thiết bịđiện…

d Phân loại theo lĩnh vực sử dụng

- Cáp và các chi tiết cáp sử dụng đại chúng dùng để cung cấp điện năng trong côngnghiệp, trong giao thông, liên lạc và dùng cho xây dựng, nhà ở…

- Cáp và dây dẫn chuyên dùng sử dụng trong kỹ thuật chuyên ngành riêng, trongđiều kiện khí hậu khắc nghiệt Ví dụ: Cáp tàu thủy tàu biển, dùng trong hàng không vũtrụ, trong hầm lò, dầu mỏ, dùng trong thiết bị di chuyển (cần trục, cầu trục)

• Một số loại dây dẫn, cáp điện

+ Dây điện đơn:

+ Dây đơn mềm: Là dây dẫn có bọc cách điện bằng nhựa PVC hoặc cao su lưu

hóa, có ruột bằng đồng, gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính 0.2 mm xoắn lại nên rất mềm Dây đơn mềm được sử dụng để đi dây trong bảng phân phối điện, dầu dây đưa ra ngoài của các máy điện…

+ Dây điện đôi

Tạo bởi hai dây dẫn ruột đồng, mềm, được bọc cách điện song song với nhau, chấtcách điện là nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa Dây dẫn được tạo bởi nhiều sợi có đườngkính 0,2 mm nên mềm dẻo và dễ di động Dây đôi dùng để dẫn điện cho các thiết bị cần

di động, đồ dùng điện trong sinh hoạt như quạt bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình

Các thông số của dây đôi mềm

Chỉ danh Cấu tạo Tiết diện (mm2) Cường độ dòng điện tối đa

(A)0.4 mm2

0.380.50.50.750.760.741.011.021.021.54

68810101012121216

+ Dây cáp: Là loại dây dẫn tải dòng điện lớn, có bọc cách điện bằng cao su lưu hóa

hoặc nhựa PVC Ruột bằng đồng được tạo bởi nhiều sợi dây đơn nên có thể mềm hơn.Thường dùng làm dây tải chính cho các hộ tiêu thụ Có thể đặt trên buli hoặc đi trongống

Để tăng cường sức chịu đựng lực kéo và nén cho dây cáp, người ta còn chế tạo cácloại cáp với lớp vỏ bọc bằng thép ở bên ngoài; các loại cáp này thường được dùng để đingầm cho các công trình lớn

Lớp vỏ bọc cách bằng thép có thể được tạo bởi nhiều sợi dây thép bện xoắn hoặc làcác băng thép mỏng bao kín phía ngoài của các sợi dây và ngoài cùng là một lớp vỏ bọcbằng nhựa PVC hoặc cao su che kín và bảo vệ cho lớp vỏ thép và các dây điện của cáp

1.7.2 Vật liệu cáp điện

a Vật liệu dùng làm lõi dẫn và màng chắn điện

Trong kỹ thuật cáp sử dụng lõi dẫn bằng đồng, nhôm và thép, dùng dây dẫn điệntrở thấp và điện trở cao, kích thước giới hạn từ vài micro đến 10mm Yêu cầu cơ bản đốivới vật liệu là: độ dẫn điện cao, đặc tính cơ cao, không bị ăn mòn, dễ chế tạo, kinh tế và

là nguyên tố không hiếm

b Vật liệu cách điện

- Vật liệu từ tự nhiên: giấy cách điện, vải, cao su, amiăng, cánh kiến…

- Vật liệu nhân tạo: poliêtylen, polistirol, cao su nhân tạo (cao su butađien, cao subutyl, cao su silicon…), sơn êmay các loại

- Vật liệu màng mỏng: giấy cáp và giấy telephone…các loại này có các tính năngcách điện tốt, cường độ cách điện cao, hằng số điện môi nhỏ, tổn hao điện môi nhỏ, chịuđược môi trường nóng ẩm, độ bền cơ – lý – hóa cao, chịu nhiệt tốt.

Chương 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

2.1 Những hiểu biết cơ bản trong kỹ thuật cách điện

2.1.1 Điện trường

Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách điện đặttrong điện trường vì vậy tránh các hiện tượng sau:

- Phóng điện trong vật liệu cách điện

- Đánh thủng toàn phần hoặc bộ phận bên trong vật liệu

- Phóng điện bề mặt ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu

Hiện tượng phóng điện xảy ra nếu điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cáchđiện và kết cấu hình học của điện cực trị số này là điện áp phóng điện Điện áp mà bắtđầu có phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện

Nếu ta tăng điện áp giữa hai điện cực thì có thể xảy ra hiện tượng:

+ Một là: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp ở một hoặc nhiều chỗ điện tíchchạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện Chúng ta nói rằng tấmcách điện bị đánh thủng

+ Hai là: Điện áp tăng tới mức nào đó ở cạnh mép của tấm cách điện xuất hiện vầngquang phát triển thành những tia điện trên bề mặt tấm cách điện và nối liền với nhau ởcạnh bên của tấm cách điện, hiện tượng này gọi là phóng bề mặt

- Với vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng thì chỉ có thể xảy ra trong giây lát, sau

đó cách điện lại được phục hồi

- Với vật liệu cách điện ở thể rắn thì đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng

bị phá hủy vĩnh viễn không sử dụng được

- Phóng điện bề mặt thường không gây hiệu quả nghiêm trọng, nhiệt độ của hồquang có thể làm mủn bề mặt cách điện, làm nứt rạn nó nhưng cách điện thường khônghỏng hoàn toàn và buộc phải thay thế ngay mà vẫn có thể tiếp tục sử dụng trong thời giannhất định

- Điện áp đánh thủng là điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh

thủng Ký hiệu (U đt)

- Điện áp phóng điện bề mặt là điện áp sinh ra phóng điện bề mặt trên mặt cách

điện Ký hiệu (U pđ)

- Điều kiện để cách điện làm việc lâu dài: U đt < U pđ < U

+ Hệ số an toàn đối với đánh thủng là: ađtb

+ Hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt là: apđ

- Độ bền cách điện là điện áp tính trên cách điện có bề dày 1cm

• Chú ý: Ở một số vật liệu cách điện thì điện áp đánh thủng tăng tỷ lệ thuận với bề

dày cách điện

2.1.2 Sự già hóa của vật liệu cách điện

Tính chất của vật liệu cách điện (chủ yếu là vật liệu hữu cơ) trong thời gian vậnhành, khả năng cách điện thường bị giảm dần Vật liệu cách điện hóa già thì tính chất củavật liệu cách điện thay đổi đến mức không thể hoàn thành chức năng cách điện giữa cácchi tiết mang điện ở các điện thế khác nhau Tuổi thọ của vật liệu do điều kiện vận hànhquyết định (nhiệt độ làm việc, tác nhân hóa học, tác dụng cơ học…)

- Qúa trình hóa già thực chất là kết quả của sự biến đổi hóa chất xảy ra nhanh hoặcchậm do điều kiện vận hành tác động

- Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hóa già của vật liệu:

+ Nhiệt độ làm việc: Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi nhiệt độtăng tức là tốc độ phản ứng hóa học tăng theo hàm mũ với nhiệt độ

+ Các tác nhân hóa học từ bên ngoài tác động trực tiếp hay gián tiếp ảnh hưởng đến

sự hóa già của vật liệu như:

• Vật liệu cách điện gần bền: Sơn tẩm, dầu…

• Môi trường bao quanh vật liệu cách điện: chất bẩn thể khí, khí ozôn, độ ẩm…

• Vật liệu điện cực

- Những tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, vận hành

- Qúa trình hóa học chủ yếu gây sự hóa già là: sự oxy hóa, sự thủy phân, sự bay hơi,

sự trùng hợp

- Tổn hao trong điện môi

+ Khái niệm: Xét tụ điện môi trường giữa hai điện cực là cách điện có hằng số điệnmôi Nối và tụ điện áp xoay chiều, dòng điện tích trong tụ (It) gồm 2 thành phần:

• Ic: Dòng điện tích thực sự

• Ir: Dòng tổn hao làm nóng điện môi trùng pha với điện áp

Với δ là góc tổn hao, tgδ là hệ số tổn hao, ε là hằng số điện môi, ε.tgδ gọi là số tổnhao

• Điện áp xoay chiều: Pđ = U.IR = ω.C.U2.tgδ (w)

Với IR = Ic.tgδ = ω.C.U.tgδ

• Điện áp một chiều: Pđ = I2.R

+ Các dạng tổn hao trong điện môi

• Tổn hao do dòng điện rò (là do các điện tích tham gia vào dòng điện dẫn dướitác dụng của điện trường)

• Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất

• Tổn hao điện môi do phân cực xẩy ra ở các chất có phân cực chậm Các điệnmôi có cấu tạo lưỡng cực, các điện môi có cấu tạo không dàng buộc

2.1.3 Tính chất cơ lý hóa của điện môi.

+ Độ ẩm tương đối (φ%): Là tỷ số giữa độ ẩm tương đối với độ ẩm bão hòa tínhtheo phần trăm (%)

φ% = mmax 100%

b Độ ẩm của vật liệu cách điện

- Khi đặt vật liệu vào không khí ta có độ ẩm tương đối ở nhiệt độ nào đó Sau một

thời gian thì vật liệu đó có độ ẩm là φ và đạt tới độ ẩm cân bằng φcb

Với φ là g/đvị trọng lượng vật liệu

- Nếu đặt vật liệu cách điện khô có (φ < φ cb) thì nó bị thấm (hút hơi nước) để đạt tới

φ cb

- Nếu vật liệu quá ẩm (φ > φ cb ) cũng đặt ở không khí Sau thời gian nó có φ = φ cb

tức là nó được không khí sấy khô

S: Diện tích điện môi

τ: Thời gian vật liệu chịu đựng (giờ)

h: Độ dày điện môi (cm)

d Độ ngưng tụ trên bề mặt

Là khả năng ngưng tụ và hình thành màng ẩm trên bề mặt vật liệu Nó phụ thuộc vào:

- Bề dày vật liệu

- Độ ẩm môi trường

- Các loại vật liệu khác nhau

Khả năng đó đặc trưng bằng góc biên dính nước trên bề mặt vật liệu

Ví dụ: Vật liệu liên kết ion, phân cực (có cực tính) thì dính nước mạnh tức là góc biên

θ <900 và ngược lại

e Ảnh hưởng của độ ẩm tới phẩm chất cách điện của vật liệu cách điện.

- Nước là vật liệu có cực tính mạnh, dẫn điện cao Vì vậy khi xâm nhập vào thì điệntrở

- Khi màng ẩm bề mặt tăng thì dòng điện rò tăng và Uphóng điện giảm tức là U nhỏcũng

gây lên hiện tượng phóng điện

Ví dụ: Khi đường dây đi qua vùng có nhiều bụi bẩn thì không khí ẩm (màng ẩm)bám vào sứ sẽ gây ra phóng điện ngay với cả Ulv

- Khi sấy khô kể cả trong chân không để lượng hơi nước thoát ra hết rồi tẩm sơncách

điện làm cho sản phẩm tăng tính cách điện

2 Đặc tính nhiệt vật liệu

a Tính chịu nóng:

Là khả năng chịu được ở niệt dộ cao và cả khi nhiệt độ thay đổi đột ngột

- Tính chịu nóng đặc trưng bởi độ bền chịu nóng

+ Với điện môi vô cơ thì nhiệt độ chịu được là điểm bắt đầu có sự thay đổi phẩm chấtcách điện, là tổn hao điện môi dẫn đến điện trở cách điện giảm

+ Với điện môi hữu cơ thì nhiệt độ chịu được là khi đó có biến dạng cơ học và suygiảm phẩm chất cách điện

- Dựa vào khả năng chịu nhiệt của vật liệu người ta chia ra các loại sau:

Gồm 7 cấp : Y, A, E, B, F, H, C theo chiều tăng dẫn của nhiệt độ

b Tính chịu băng giá

- Ở nhiệt độ thấp thường tính chất của vật liệu cách điện tốt hơn nhưng vật liệu dẻo

và đàn hồi lại trở nên giòn và cứng gây khó khăn cho sự làm việc của vật liệu cách điện

c Độ dẫn nhiệt

- Có tác dụng truyền nhiệt ra xung quanh khi trong các vật liệu có nhiệt do tổn thấtcông suất Ví dụ: Trong dây dẫn, trong lõi thép máy biến áp và cả tổn hao điện môi trongchất cách điện

- Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến độ bền điện khi đánh thủng và độ bền vật liệu

- Độ dẫn nhiệt của vật liệu đặc trưng bới nhiệt dẫn xuất γN so với kim loại điện dẫnsuất rất nhỏ

d Sự giãn nở nhiệt

Được đánh giá bằng hệ số giãn nở chiều dài theo nhiệt Những vật liệu có hệ sốgiãn nở dài nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao hơn và ngược lại.

2.2 Phân loại và tính chất cơ bản của vật liệu cách điện

2.2.1 Phân loại

a Phân loại theo trạng thái vật lý.

Vật liệu cách điện có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí Giữa thể lỏng và thể rắn còn cómột thể trung gian gọi là thể mềm nhão như các vật liệu có tính chất bôi trơn, các loại sơntẩm

b Phân loại theo thành phần hóa học

Vật liệu cách điện hữu cơ:

Nhóm 1: Có nguồn gốc thiên nhiên hoặc giưa nguyên thành phần hóa học như:

vải sợi, giấy, bitum hoặc biến đổi thành phần hóa học như cao su, phíp, lụa…

Nhóm 2: Vật liệu nhân tạo thường được gọi là lụa nhân tạo như: Nhựa phenol,

nhựa polieste, nhựa epoxy, vinyl

- Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các vật liệurắn như gốm sứ, thủy tinh, amiăng

c Phân loại theo tính chịu nhiệt:

Đây là sự phân loại rất cơ bản và là cơ sở để lựa chọn vật liệu

Cấp cách

điện

Nhiệt độ cho phép(0C)

Các vật liệu cách điện chủ yếu

Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su Các loại

nhựa PVC, Polietilen, cacbamit

cao su nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầulàm khô

ép hoặc vải có nhựa polivinylphocman (gọichung là bekelit giấy)…

B 130 Nhựa poliste, amiăng, mica, thủy tinh có

chất độn, sơn cách điện có dầu làm khô dùng ởcác bộ phận không tiếp xúc với không khí.Nhựa epoxy, sợi thủy tinh, nhựa melaminfocmandehit, amiăng, mica hoặc thủy tinh cóchất độn.

C Trên 180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ

Politetraflatilen, Polimonoclortrifloetilen

2.2.2 Các tính chất cơ bản

a Tính chất vật liệu cách điện thể khí

- Điện môi gần bằng 1, là hằng số

- Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc vào điện áp

- Hệ số tổn hao tgδ phụ thuộc vào điện áp

- Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điệncực, thời gian tác dụng của điện áp

b Tính chất cách điện của thể lỏng (đặc trưng là dầu biến thế)

(Sách tham khảo Vật Liệu Kỹ Thuật Điện – NXB Khoa học và Kỹ thuật- Trang 201)

198-c Tính chất cách điện thể rắn.

Với vật liệu thể rắn thông thường mỗi vật liệu bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau,tùy thuộc vào vật liệu cơ bản và tỷ lệ thành phần của các vật liệu khác mà các thông sốtính chất của cách điện biến thiên trong phạm vi rộng để thể hiện rõ xét riêng từng loạivật liệu

Có 2 loại cánh kiến chính: Muxcovit và Flogopit

• Muxcovit: có thành phần hóa học là K2O.3Al2O3.6SiO2H2O

- Đặc điểm:

+ Ở dạng mỏng, trong suốt, mầu trắng hoặc màu hồng có bề mặt nhẵn bóng

+ Có độ bền cơ và điện cao, tổn hao điện môi nhỏ

- Ứng dụng: Dùng trong các thiết bị có yêu cầu độ bền cao về cơ và điện như trongcổ

góp máy điện

• Flogopit: Có thành phần hóa học là K2O.3Al2O3.13SiO3.2H2O

- Đặc điểm: + Màu vàng sáng hoặc màu nâu, xanh lá cây và đen

+ Bề mặt sù sì có đường vân như cành lá bụi cây

+ Mềm hơn Muxcovit, cách điện kém hơn

+ Đặc điểm: Màu xám sáng trông như đá hiện rõ các đốm li ti óng ánh của cánhkiến.

+ Ứng dụng: Dùng làm buồng dập hồ quang điện trong máy cắt, tay nắm phích cắmđiện ở bếp điện, làm các tấm đệm chịu được dao động

2 Vật liệu gốm

a Phân loại:

- Phân theo đặc tính:

+ Nhóm có hằng số điện môi ε = 6 và tổn hao điện môi nhỏ

+ Nhóm có tổn hao điện môi nhỏ và hằng số điện môi lớn

+ Nhóm có tính năng điện kém hơn, nhưng có hệ số giãn nở nhỏ hơn

- Phân theo tính năng sử dụng:

Gồm các loại như: sứ đỡ, sứ treo, sứ xuyên, sứ cao áp, sứ hạ áp

đó cho và khuôn định hình đem tráng men và nung tạo thành sứ

- Để tăng cường cách điện, điện áp phóng điện, người ta tráng lên sứ một lớp mengần

giống thủy tinh

c Đặc điểm:

Chịu nước, chịu ẩm, không bụi bẩn, ít rò điện, độ bền cơ giới cao

d Phạm vi sử dụng:

Làm các chi tiết cách điện, các phần tử đốt nóng, hộp buồng dập hồ quang, tấm ngăn

hồ quang và các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao

3 Thủy tinh và amiăng

a Thủy tinh:

+ Đặc điểm:

- Tính chịu nhiệt cao, khả năng dẫn nhiệt lớn hơn vải 4 lần.

- Sợi thủy tinh không hút ẩm, vải thủy tinh hút ẩm 5% còn vải hút ẩm 9%

- Có khả năng chịu dầu, axit và xút

- Không bị mục, nấm mốc khi dùng ở khí hậu nóng ẩm

- Không già hóa, điện trở cách điện cao hơn các loại vật liệu có sợi khác, độ bềncách điện cao

- Hóa bụi nếu bị cọ sát nhưng có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách bôidầu hoặc tẩm sơn

+ Ứng dụng:

- Thủy tinh dùng cách điện như sứ

- Cách điện Stato máy phát, động cơ điện kéo xe lửa, động cơ sử dụng ở chỗnóng, hay đóng cắt đảo chiều như: Động cơ cấu trục, máy biến thế hàn

- Cách điện cho cuộn dây của các máy, khí cụ làm việc ở nơi nóng

b Amiăng

Amiăng là tên gọi của nhóm vật liệu khoáng chất có cấu trúc sơ tên phổ biến làCrizotin, là sự biến dạng sơ cuả khoáng chất Crizotin (loại đá xenpentinit)3MgO.2SiO2.2H2O, nó có từng lớp trong nham thạch

+ Đặc điểm:

- Tính chịu nhiệt cao, sợi amiăng mịn dễ uốn, màu trắng hoặc xanh lá cây, nóngchảy ở

nhiệt độ 15000C không chịu axit

- Giấy amiăng tẩm nhựa silicon chịu axit bazơ, dầu điện áp đánh thủng 1550v dùnglàm cách điện cuộn dây biến khô

- Giấy mica – amiăng gồm mica dán nên amiăng nó chịu nhiệt cao, cơ tính cao,thường dùng ở cuộn dây điện trở, đệm ở lắp khí cụ điện phân phối điện

- Xi măng amiăng có cơ tính tốt, cứng, chịu nhiệt , được ép thành tấm hay hìnhdạng

khác nhau Dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt hoặc bộ khống chế

2.3.2 Vật liệu dẻo và đàn hồi