Bài giảng Vật liệu điện - điện tử - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Tập bài giảng Vật liệu điện - điện tử được biên soạn phù hợp với chương trình Vật liệu điện - điện tử trường ĐHSPKT Nam Định nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu dẫn điện và vật liệu dẫn từ cho sinh viên các ngành điện của trường đại học kỹ thuật.

Bộ lao động thương binh và xã hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

tập bài giảng VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Mó số: TB2013-03-10

Ban biờn sọan: Th.S Trần Thị Hiền Th.S Đào Thị Hằng

Nam định, 2013

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong giai đoạn mở đầu của nền văn minh thông tin Một nền văn minh chuyển động với tốc độ siêu âm và vũ trụ, mở ra những chân trời mới bao la của sự phát triển kỳ diệu Trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiệm vụ điện khí hóa đóng một vai trò rất quan trọng Là một người kỹ

sư muốn nắm vững về chuyên môn không thể không có những kiến thức đầy đủ về vật liệu nói chung và về vật liệu điện - điện tử nói riêng Khái niệm vật liệu điện - điện tử hiểu theo nghĩa ứng dụng, bao gồm toàn bộ các loại vật liệu ở trạng thái rắn, lỏng, khí được sử dụng trong kỹ thuật điện và điện tử Thí dụ dây dẫn điện, các loại điện trở, cầu dao, tụ điện, các loại cách điện, bóng điện thắp sáng, linh kiện bán dẫn, các vi mạch những loại linh kiện này được sử dụng ở mọi lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật

Như vậy vật liệu điện - điện tử rất đa dạng, chúng có nguồn gốc hóa học cũng như phương pháp chế tạo rất khác nhau Tuy nhiên, chúng vẫn có đặc điểm chung là tính chất (tính chất từ, tính dẫn điện, tính chịu nhiệt, độ bền cơ học, sự hóa già khi sử dụng ) phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo bên trong của vật chất Để có thể sử dụng vật liệu trong lĩnh vực công tác của mình, người kỹ sư cần được cung cấp những kiến thức tối thiểu về mối quan hệ phụ thuộc giữa tổ chức và tính chất đó Ngoài ra do tính đa dạng và phong phú về chủng loại, nên việc nhận biết và sử dụng vật liệu điện trong từng trường hợp cụ thể cũng đòi hỏi những hiểu biết nhất định

Tập bài giảng "Vật liệu điện - điện tử" được biên soạn phù hợp với chương trình Vật liệu điện - điện tử trường ĐHSPKT Nam Định nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu dẫn điện và vật liệu dẫn từ cho sinh viên các ngành điện của trường đại học kỹ thuật

Tập bài giảng đề cập đến những vấn đề chính sau:

- Trình bày cấu tạo chung của vật liệu điện, phân loại vật liệu điện theo công dụng, thành phần cấu tạo và các đặc tính của chúng

- Giới thiệu những tính chất đặc trưng, chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu điện, cách phân loại chúng (theo công dụng, thành phần và tính chất), làm cơ sở cho việc lựa chọn và sử dụng vật liệu điện được thuận lợi, hiệu quả

- Nêu lên những tính chất chủ yếu của các loại vật liệu điện và ứng dụng của chúng trong ngành kỹ thuật điện, điện tử

Trong khi nghiên cứu tập bài giảng vì thời gian có hạn và sự hiểu biết còn hạn chế mong được sự góp ý của các thầy cô cũng như những ai quan tâm đến nội dung của tập bài giảng để tập bài giảng được hoàn thiện hơn

Mục lục

MỞ ĐẦU i

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 1

1.1 Khái niệm chung 1

1.2 Cấu tạo chung của vật liệu điện 1

1.2.1 Cấu tạo nguyên tử 1

1.2.2 Các mối liên kết của vật liệu điện 4

1.3 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn 7

1.3.1 Phân vùng năng lượng trong vật rắn 7

1.3.2 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng năng lượng 9

CÂU HỎI CHƯƠNG 1 11

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 12

2.1 Khái quát về vật liệu cách điện 12

2.1.1 Khái niệm 12

2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện 12

2.1.3 Tính chất chung của vật liệu cách điện 14

2.2 Sự phân cực của chất điện môi 24

2.2.1 Hiện tượng phân cực 24

2.2.2 Các dạng phân cực cơ bản 25

2.2.3 Hằng số điện môi 27

2.3 Tính dẫn điện của chất điện môi 28

2.3.1 Điện dẫn của điện môi 28

2.3.2 Sự hình thành dòng điện trong điện môi 30

2.3.3 Tính dẫn điện của điện môi 31

2.4 Tổn hao điện môi và sự đánh thủng điện môi 33

2.4.1 Tổn hao điện môi 33

2.4.2 Các dạng tổn hao điện môi 35

2.4.3 Sự phóng điện trong chất điện môi 38

2.5 Vật liệu cách điện ở thể khí 40

2.5.1 Tính chất 40

2.5.2 Một số điện môi khí chủ yếu 40

2.6 Vật liệu cách điện ở thể lỏng 42

2.6.1 Tính chất 42

2.6.2 Một số điện môi lỏng thường dùng 42

2.7 Vật liệu cách điện ở thể rắn 48

2.7.1 Vật liệu cách điện dạng sợi 48

2.7.4 Vật liệu gốm sứ 54

2.7.5 Thuỷ tinh 56

2.7.6 Cao su - Cao su tổng hợp 57

2.7.7 Nhựa, nhựa tổng hợp 59

2.7.8 Sơn cách điện và hợp chất sơn cách điện 63

2.8 Sử dụng vật liệu cách điện 65

2.8.1 Các nhóm cách điện cơ bản 65

2.8.2 Cách điện của máy biến áp .65

2.8.3 Cách điện trong máy điện quay 70

2.8.4 Cách điện của khí cụ điện 74

2.8.5 Cáp sợi quang .81

CÂU HỎI CHƯƠNG 2 87

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 88

3.1 Khái quát về vật liệu dẫn điện 88

3.1.1 Định nghĩa 88

3.1.2 Phân loại 88

3.1.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn điện 89

3.2 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 95

3.2.1 Đồng và hợp kim đồng 95

3.2.3 Kẽm (Zn-Zinic) 104

3.2.4 Sắt (Fe-Ferrum) 108

3.2.5 Magiê (Mg - Magnesium) 109

3.2.6 Vonfram (W- Wolfram) 110

3.2.7 Niken (Ni) 111

3.2.8 Môlipđen (Mo - Molybdenum) 113

3.2.9 Platin (Pt- Platium) 114

3.2.10 Bạc (Ag - Argentium) 115

3.2.11 Vàng (Au- Autrum) 116

3.2.12 Chì (Pb-Plumbum) 117

3.2.14 Thuỷ ngân (Hg- Hydrargyrum) 120

3.2.15 Lưỡng kim 122

3.2.16 Sử dụng vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 124

3.3 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 124

3.3.1 Các loại hợp kim có điện trở cao 124

3.3.2 Các kim loại khác 128

3.4 Các loại vật liệu dẫn điện khác 129

3.4.2 Than kỹ thuật điện 132

CÂU HỎI CHƯƠNG 3 147

CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU DẪN TỪ 148

4.1 Khái quát về vật liệu dẫn từ (VLDT) 148

4.1.1 Khái niệm chung về tính chất của vật liệu từ tính 148

4.1.2 Chu trình từ hoá của vật liệu sắt từ 154

4.2 Vật liệu sắt từ mềm 156

4.2.1 Khái niệm 156

4.2.2 Vật liệu sắt từ mềm tần số thấp 157

4.2.3 Vật liệu sắt từ mềm cao tần 161

4.2.4 Các loại sắt và thép sử dụng trong chế tạo máy 165

4.3 Vật liệu sắt từ cứng 166

4.3.1 Khái niệm 166

4.3.2 Thép hợp kim hoá được tôi đến trạng thái mactenxit 168

4.3.3 Hợp kim từ cứng đúc 168

4.3.4 Nam châm bột 170

4.3.5 Ferrite nam châm cứng 170

4.3.6 Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo 171

CÂU HỎI CHƯƠNG 4 173

CHƯƠNG 5 VẬT LIỆU BÁN DẪN 174

5.1 Khái quát về vật liệu bán dẫn 174

5.1.1 Định nghĩa 175

5.1.2 Chất bán dẫn điện chính dùng trong kỹ thuật điện 175

5.2 Điện dẫn của vật liệu bán dẫn 194

5.2.1 Điện dẫn của vật liệu bán dẫn nguyên chất 194

5.2.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn tạp 197

5.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới điện dẫn của chất bán dẫn 199

5.3 Ứng dụng của vật liệu bán dẫn trong kỹ thuật điện, điện tử 202

5.3.1 Diode bán dẫn (đèn bán dẫn 2 cực) 203

5.3.2 Transistor (đèn bán dẫn 3 cực) 203

5.3.3 Pin mặt trời 204

5.3.4 Vật liệu màng mỏng 205

5.3.5 Vi mạch tích hợp 207

CÂU HỎI CHƯƠNG 5 209

TÀI LIỆU THAM KHẢO 210

Hình 1.1 C ấu tạo nguyên tử

Vỏ nguyên tử

Hạt nhân

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Mục đích chương này nhắc lại một số kiến thức cơ bản đã được học ở phổ thông trung học về cấu tạo vật chất trước khi nghiên cứu những vật liệu kỹ thuật điện – điện

tử cụ thể

1.1 Khái niệm chung

Vật liệu điện - điện tử là tất cả những chất liệu dùng để sản xuất các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện - điện tử Thường được phân ra các vật liệu theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó, là các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn từ

Trong kỹ thuật điện đã chỉ rõ bản chất của dòng điện là sự chuyển rời có hướng của các điện tích trong điện trường Do vậy khi nghiên cứu vật liệu điện - điện tử cần phải nghiên cứu cấu tạo của vật liệu, khảo sát sự tồn tại hay không tồn tại các điện tích trong vật liệu Trên cơ sở đó ta có thể phân loại được vật liệu điện - điện tử, biết được tính chất của vật liệu là cách điện, dẫn điện, dẫn từ hay bán dẫn và đồng thời ta biết

được ứng dụng của từng loại vật liệu đó trong lĩnh vực điện - điện tử

1.2 Cấu tạo chung của vật liệu điện 1.2.1 Cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất Mọi vật chất đều được cấu tạo từ

nguyên tử và phân tử theo mô hình nguyên tử của Bor

Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton-p và norton-n) và các điện tử mang điện tích âm (electron-e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định

Nguyên tử là phần nhỏ nhất của một phân tử có thể tham gia phản ứng hoá học, nguyên tử gồm có hạt nhân và lớp vỏ điện tử như hình 1.1

Hạt nhân của nguyên tử gồm có các hạt proton và norton

Proton mang điện tích dương với số lượng điện tích bằng Z.q

Trong đó:

q - Điện tích của điện tử, qe = 1,601.10-19 C

Z - Số điện tử của nguyên tử và cũng là số thứ tự của nguyên tố của nguyên tử trong bảng tuần hoàn của Mendeleev

Norton là các hạt không mang điện

Tuỳ theo mức năng lượng mà các điện tử được xếp thành lớp Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hoà về điện, tức là: (+)hạt nhân = (-)e

Khối lượng của e rất nhỏ: me = 9,1.10-31 kg

Thí nghiệm cho thấy rằng khối lượng hạt nhân gấp 1850 lần khối lượng của điện

tử, khối lượng của nguyên tử được tập trung ở hạt nhân Bình thường nguyên tử ở trạng thái trung hoà về điện, số điện tích dương của hạt nhân bằng số điện tích âm của các điện tử trong nguyên tử Nguyên tử bị mất đi một vài điện tử thì nó sẽ tạo thành ion dương, ngược lại nguyên tử nhận thêm điện tử nó sẽ tạo thành ion âm

Nguyên tử có thể mất đi hay nhận thêm điện tử là khi nguyên tử bị ion hoá hoặc

bị kích thích Điều đó có nghĩa là nguyên tử có thể nhận thêm hoặc phát năng lượng

Để có khái niệm về năng lượng của điện tử, xét trường hợp đơn giản của nguyên

tử hydro, theo bảng tuần hoàn Mendeleev, nguyên tử này được cấu tạo từ một proton

và một điện tử e

Xét trong trường hợp đặc biệt điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn có bán kính

r bao quanh hạt nhân thì giữa hạt nhân và điện tử e có 2 lực:

Lực hút (lực hướng tâm) của hạt nhân: F 1 = 2

Ở trạng thái trung hoà, hai lực này cân bằng: F 1 =F 2 =>

mr

q v

q mv

2 2

2

2 2

Như vậy : Mỗi điện tử của nguyên tử đều tương ứng với một mức năng lượng nhất

định và để di chuyển nó tới quỹ đạo xa hơn phải cấp năng lượng cho điện tử

Ví dụ : Khi di chuyển điện tử từ quỹ đạo bán kính r ra xa vô cùng thì sẽ phải tốn năng

lượng lớn hơn hoặc bằng

Năng lượng ion hoá tương ứng với các điện tử ở các quỹ đạo khác nhau trong cùng một nguyên tử cũng khác nhau

Điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng ứng với mức năng lượng ion hoá thấp nhất, các điện

tử này được gọi là điện tử hoá trị vì chúng thực hiện liên kết hoá học với nguyên tử nguyên tố khác

Khi điện tử nhận được năng lượng bé hơn mức năng lượng ion hoá, khi đó điện

tử sẽ di chuyển tới quỹ đạo xa hạt nhân hơn Ta nói nguyên tử ở trạng thái bị kích thích, mức năng lượng đó được gọi là mức năng lượng kích thích

Khi không còn bị kích thích nguyên tử quay về trạng thái ổn định, điện tử sẽ nhanh chóng trở về trạng thái ổn định ban đầu

Kết luận: Khảo sát cấu tạo nguyên tử cho biết sự tồn tại xuất hiện hay mất đi của các điện tử trong nguyên tử (kích thích, ion hoá) để hình thành các ion dương hoặc ion âm Đây là yếu tố cơ bản hình thành dòng điện trong vật liệu

1.2.2 Các mối liên kết của vật liệu điện

Là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thái tự do nó mang đầy đủ các đặc điểm, tính chất của chất đó, trong phân tử các nguyên tử kiên kết với nhau bởi liên kết hoá học Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết sau:

a Liên kết đồng hoá trị

Phân tử được tạo thành do các nguyên tử liên kết với nhau bởi điện tử góp chung Điều đó có nghĩa là một số điện tử tạo thành chung cho các nguyên tử tham gia liên kết hình thành phân tử Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững

Ví dụ : Phân tử Clo được hình thành bởi mối liên kết giữa hai nguyên tử Clo, mà

mỗi nguyên tử Clo có 17 điện tử (số thứ tự 17), xếp thành 3 lớp (chu kỳ III), trong đó lớp ngoài cùng có 7 điện tử (7 điện tử hoá trị) Hai nguyên tử Clo liên kết bền vững với nhau bằng cách cùng sử dụng chung 2 điện tử, lớp vỏ ngoài cùng mỗi nguyên tử được bổ xung thêm 1 điện tử của nguyên tử kia (hình 1.3)

Hình 1.3 Liên kết đồng hóa trị trong phân tử Clo

Phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hoặc cực tính Phân tử Clo thuộc loại trung tính vì các trung tâm điện tích dương và điện tích dương trùng nhau

Axit clohydric (HCl) là ví dụ của phân tử cực tính Các trung tâm điện tích dương và âm cách nhau một khoảng và như vậy phân tử này được xem như một lưỡng cực điện

Tuỳ theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia ra các phân

tử thành 2 loại:

- Phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương là phân

tử không phân cực hay còn gọi là phân tử trung tính Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính

- Phân tử mà trọng tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương một khoảng l

là phân tử phân cực hay còn gọi là phân tử cực tính

Để đặc trưng cho sự phân cực người ta dùng mô men lưỡng cực

l q

P 

Trong đó:

q- Điện tích l- Khoảng cách giữa trọng tâm điện tích dương và trọng tâm điện tích âm (có chiều –q đến +q và có độ lớn bằng l)

Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia thành chất cực tính yếu và chất cực tính mạnh Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất có cực tính

Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, ví dụ như kim cương

B: Hệ số tỷ lệ

r: Khoảng cách giữa hai ion

Liên kết này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hoá học có tính chất khác nhau Đặc trưng cho dạng liên kết ion là liên kết gữa các kim loại và phi kim

để tạo thành muối, cụ thể là halogen và kim loại kiềm gọi là muối halogen của kim loại kiềm

Liên kết này khá bền vững Do vậy nhiệt độ nóng chảy của các chất có liên kết ion rất cao

Ví dụ liên kết giữa Na và Cl trong muối NaCl là liên kết ion (vì Na có 1 electron lớp ngoài cùng cho nên dễ nhường 1electron tạo thành Na+, Cl có 7 electron ở lớp ngoài cùng cho nên dễ nhận 1 electron tạo thành Cl-, hai ion này trái dấu sẽ hút nhau

và tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm tnc = 8000C, tsôi< 14500C

c Liên kết kim loại

Là liên kết trong các kim loại mà hạt nhân ở các nút mạng tinh thể Xung quanh hạt nhân có các điện tử liên kết, ngoài ra còn có các điện tử tự do Do đó kim loại có tính chất dẫn nhiệt dẫn điện tốt

Là dạng liên kết tạo nên tinh thể rắn Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do, sức hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại Đó là các kiểu liên kết dưới dạng mạng tinh thể (lập phương, tâm khối, tâm diện, lục giác )

Sự tồn tại các điện tích tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion

Hình 1.5 Mô hình mạng tinh thể phổ biến của kim loại a) Lập phương tâm khối

b) Lập phương tâm diện c) Lục phương

d Liên kết Vanderwaals

Tương tự như liên kết kim loại nhưng là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc Liên kết này sinh ra do tương tác giữa những điện tử ngoài cùng của các nguyên tử trên những khoảng cách lớn, khi mây điện tử chưa tiếp xúc nhau Lúc ấy nguyên tử lệch về một phía tạo nên hiện tượng phân cực tức thời Điện trường của mô men lưỡng cực tức thời đó lại gây ra mô men lưỡng cực cảm ứng của các nguyên tử lân cận Kết quả là giữa chúng sẽ xuất hiện lực hút tĩnh điện Theo lý thuyết cổ điển có thể tính được trị số của lực hút đó:

7

1

r A

Giải (vùng) năng lượng

Mức ion hoá Mức kích thích Mức bình thường

Các điện tử

r- Khoảng cách giữa hai nguyên tử

Lực Vanderwaals luôn luôn được sinh ra giữa các nguyên tử hoặc ion bất kỳ, tuy

nhiên nó có trị số bé (tỷ lệ nghịch với r 7) nên khi có các liên kết khác cùng tồn tại thì

nó dễ bị che lấp Vì vậy mà liên kết này chỉ thể hiện rõ nét ở nhóm khí trơ

Do vậy những chất liên kết phân tử là liên kết Vanderwaals có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp (Ví dụ: parafin)

1.3 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn 1.3.1 Phân vùng năng lượng trong vật rắn

Lý thuyết về phân vùng năng lượng trong vật rắn giúp cho chúng ta giải thích, phân loại các nhóm vật liệu điện

Nghiên cứu cấu tạo nguyên tử cho thấy: điện tử của nguyên tử có mức năng lượng xác định Mặt khác khi nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định Điều đó cũng chứng tỏ rằng nguyên tử có những mức năng lượng xác định

Nguyên tử ở trạng thái bình thường sẽ có mức năng lượng tương ứng với mức năng lượng của lớp điện tử hoá trị

Khi các điện tử hoá trị được cung cấp năng lượng, đủ để di chuyển tới quỹ đạo xa hạt nhân hơn thì nguyên tử sẽ ở trạng thái bị kích thích, và có mức năng lượng cao hơn (mức kích thích)

Khi năng lượng cung cấp cho điện tử lớn hơn nữa, nguyên tử sẽ bị ion hoá và có mức năng lượng cao nhất (mức ion hoá)

Như vậy nguyên tử có 3 mức năng lượng khác nhau

Hình 1.6 Sơ đồ minh hoạ sự phân bố các mức năng lượng của nguyên tử

 w Vùng cấm

Vùng đầy Vùng dẫn

bị xê dịch và hình thành dải (vùng) năng lượng

Ở nhiệt độ tuyệt đối 00K, do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên

vùng năng lượng bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất được gọi là vùng đầy

hay là vùng hoá trị

Khi nguyên tử bị ion hoá, điện tử hoá trị trở thành điện tử tự do, nguyên tử có

mức năng lượng cao nhất, vùng năng lượng này được gọi là vùng dẫn hay là vùng tự

do (phần trên cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng)

Vùng năng lượng ở giữa vùng đầy và vùng rỗng được gọi là vùng cấm hay vùng

trống Và ta có sơ đồ phân bố vùng năng lượng vật rắn như hình 1.7

Để một điện tử hoá trị ở vùng đầy trở thành trạng thái tự do cần cung cấp cho nó một năng lượng W đủ để vượt qua vùng cấm:

W  W (W: năng lượng vùng cấm)

Khi điện tử từ vùng đầy vượt qua vùng cấm sang vùng tự do nó tham gia vào dòng điện dẫn Tại vùng đầy sẽ xuất hiện các lỗ trống (hình dung như một điện tích dương) do điện tử nhảy sang vùng tự do tạo ra Các lỗ trống liên tục thay đổi vì khi một điện tử của một vị trí bứt ra tạo thành một lỗ trống thì một điện tử của nguyên tử ở

vị trí lân cận lại nhảy vào lấp đầy lỗ trống đó và lại tạo ra một lỗ trống mới khác, cứ như vậy dẫn đến các lỗ trống liên tục được thay đổi tạo thành những cặp điện tử lỗ trống trong vật chất Khi có tác động của điện trường các lỗ trống sẽ chuyển động theo chiều của điện trường giống như các điện tích dương, còn các điện tử sẽ chuyển động theo chiều ngược lại Cả hai chuyển động này hình thành tính dẫn điện của vật chất

Số lượng điện tử trở thành trạng thái tự do tuỳ theo mức độ năng lượng từ cao

Hình 1.7 Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở 0 0 K

1.3.2 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng năng lượng

Dựa vào thuyết phân vùng năng lượng, người ta chia vật liệu kỹ thuật điện thành: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện (chất điện môi) và vật liệu bán dẫn điện

Hình 1.8 Sơ đồ phân bố năng lượng theo thuyết phân vùng năng lượng

a) Vật liệu cách điện b) Vật liệu dẫn điện c) Vật liệu bán dẫn điện

- Vật liệu cách điện (Chất điện môi)

Là vật liệu có vùng cấm rộng tới mức ở điều kiện bình thường hay kể cả khi các điện tử hoá trị được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt thì các điện tử không thể vượt qua vùng cấm để di chuyển tới vùng dẫn để trở thành điện tử tự do Vùng dẫn rất nhỏ, năng lượng W của vùng cấm lớn, WCĐ = 1,5  vài eV

Như vậy : Trong điều kiện bình thường chất điện môi là vật liệu không dẫn

điện Điện dẫn của chúng bằng 0 (hoặc là nhỏ không đáng kể)

- Vật liệu dẫn điện : Là vật liệu có vùng đầy nằm sát với vùng dẫn, các điện tử hoá trị

trong vùng đầy có thể chuyển động một cách dễ dàng tới vùng dẫn để trở thành điện tử

tự do Như vậy vật dẫn có tính dẫn điện cao

Mức năng lượng vùng cấm: WDĐ < 0,2 eV

+ Vật liệu dẫn điện tốt : W 0 + Vật liệu siêu dẫn: W< 0

- Vật liệu bán dẫn điện: Là vật liệu có chiều rộng dải cấm trung bình WBD = (0,2

1,5 eV) vùng đầy nằm sát với vùng dẫn Nên ngay ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị trong vùng đầy dưới tác động của chuyển động nhiệt đã có thể di

Vùng đầy Vùng cấm

Vùng dẫn

w

w

chuyển tới vùng dẫn để trở thành các điện tử tự do và hình thành tính dẫn điện của vật liệu

Như vậy, tính dẫn điện của bán dẫn điện là phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng cao thì số lượng điện tử tự do càng nhiều và điện dẫn của bán dẫn điện càng lớn

Trong chất bán dẫn điện khi 1 điện tử nào đó thoát khỏi vùng đầy thì tại đó hình thành 1 lỗ trống Lỗ trống này lập tức được lấp đầy bởi các điện tử của nguyên tử lân cận và điện tử này sẽ để lại 1 lỗ trống mới, lỗ trống mới đó cũng sẽ bị lấp đầy bởi điện

tử của nguyên tử lân cận khác cứ như vậy, sẽ hình thành những cặp "điện tử -lỗ trống" trong chất bán dẫn điện Khi đặt chất bán dẫn điện vào trong điện trường, dưới tác dụng của điện trường các lỗ trống sẽ di chuyển theo chiều của điện trường giống như các điện tích dương còn các điện tử sẽ di chuyển theo chiều ngược lại, cả 2

chuyển động này đều góp phần hình thành tính dẫn điện của chất bán dẫn điện

dẫn điện sang bán dẫn điện hoặc cách điện hoặc ngược lại … tuỳ thuộc vào năng lượng tác động giữa chúng hay phụ thuộc vào điều kiện tác động của môi trường Ở điều kiện này có thể là vật liệu cách điện nhưng ở điều kiện khác nó lại trở thành vật liệu dẫn điện

Ngoài cách phân loại vật liệu điện trên, dựa vào độ từ thẩm  người ta còn phân loại vật liệu theo từ tính Có 3 loại:

- Vật liệu nghịch từ là những chất có độ từ thẩm <1 và không phụ thuộc vào cường

độ từ trường bên ngoài Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu

cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali, antimoam

- Vật liệu thuận từ là những chất có độ từ thẩm  > 1 và cũng không phụ thuộc vào

cường độ từ trường bên ngoài Loại này gồm có ôxy, nitơ ôxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim

- Vật liệu dẫn từ là chất có >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Loại

này gồm có: sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và mangan, gadolonit, pherit có các thành phần khác nhau

CÂU HỎI CHƯƠNG 1

1 Trình bày khái niệm chung và cấu tạo nguyên tử của vật liệu điện - điện tử?

2 Trình bày bản chất các mối liên kết của vật liệu điện Những loại liên kết này thường gặp ở loại vật liệu nào ?

3 Trình bày cách phân loại vật liệu điện ? Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật rắn ?

4 Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm một nguyên tử biết me= 9,1.10-31 kg;

qe = 1,601.10-19 C; v = 1,26.105m/s

5 Tính năng lượng một nguyên tử biết me= 9,1 10-31 kg; qe = 1,601 10-19 C;

v = 1,24.106 m/s

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

2.1 Khái quát về vật liệu cách điện

2.1.1 Khái niệm

Vật liệu cách điện (còn gọi là chất điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở điều kiện bình thường, chất điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể

Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau Nhiệm vụ của vật liệu cách điện là chỉ cho những dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện

đã được sơ đồ quy định Rõ ràng là nếu thiếu cách điện sẽ không thể chế tạo được bất

kỳ một thiết bị nào kể cả loại đơn giản nhất Vật liệu cách điện dùng làm điện môi để tạo thành điện trong các tụ điện Ngoài ra còn có các điện môi hoạt tính có tính chất điều chỉnh được (chất xét nhét điện, chất áp điện, điện châm, ) Vì vậy việc nghiên cứu vật liệu cách điện là tìm hiểu các tính chất, đặc điểm để từ đó chọn lựa cho phù hợp

2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện

1 Phân loại theo trạng thái vật lý

Vật liệu cách điện thể rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng

Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như:

2 Phân loại theo thành phần hóa học

Dựa theo thành phần hoá học gồm có vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ

a Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc thiên

nhiên và nhóm nhân tạo

- Nhóm có nguồn gốc thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,

- Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phenol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, poyetylen, vinyl, polyamit,

b Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại

vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiang

Trong những năm gần đây xuất hiện những vật liệu mới trung gian giữa những tính chất của vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ Đó là các vật liệu hữu cơ trong phân tử ngoài những nguyên tử cacbon còn có các nguyên tố khác không gặp trong thành phần các chất hữu cơ và đặc trưng cho vật liệu vô cơ nhiều hơn như: Si, Al và các nguyên tố khác Ngoài ra còn có những tổ hợp cách điện thường gọi là compozit trong thành phần của chúng có chứa cả vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ với tỷ lệ thành phần nhất định với nhiều tính năng cách điện tốt hơn hẳn so với tính chất của từng thành phần

3 Phân loại theo tính chịu nhiệt

Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổ biến vật liệu cách điện dùng trong kỹ thuật điện Khi lựa chọn vật liệu cách điện, đầu tiên cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào Người ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt như bảng 2.1

Bảng 2.1 Các cấp cách điện của điện môi

Cấp cách điện

Nhiệt độ cho phép (0C)

Các vật liệu cách điện chủ yếu

Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự không tẩm nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC, polistinol, anilin, abomit

A 105 Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa polyeste, cao su nhân

tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô

E 120 Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi Giấy ép

hoặc vải ép có nhựa phendfocmandehit (gọi chung là

Bakelit giấy) Nhựa Melaminfocmandehit có chất động xenlulo Vải có tẩm thấm Polyamit Nhựa Polyamit Nhựa Phenol-Phurphurol có độn xenlulo

Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận tiếp xúc với không khí Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phenol Nhựa PhenolPhurol có chất độn khoáng, nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit

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

H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính

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

Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen

2.1.3 Tính chất chung của vật liệu cách điện

Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện không những cần phải chú ý đến các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh, gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi

đó là sự lão hóa vật liệu cách điện Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác

nhau trong những điều kiện khác nhau Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ, lý, hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện

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 hơi nước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua)

Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối  = 80  81, độ điện dẫn  =10-5  10-6(S/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm trầm trọng

Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng

và có thể gây nên sự cố cho các thiết bị điện

Hình 2.1 thể hiện quan hệ độ ẩm bão hòa tuyệt đối của không khí (mmax) theo nhiệt độ Như vậy ứng với mỗi nhiệt độ sẽ có lượng hơi nước bão hòa nhất định, khi nhiệt độ tăng cao lượng hơi nước bão hòa trong không khí tăng nhanh song không thể vượt quá một trị số nhất định vì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương

* Độ ẩm tương đối  k

Độ ẩm tương đối của không khí là tỷ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối và lượng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ đó

% 100

chỉ cho số liệu về độ ẩm tương đối k nên khi cần xác định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính theo công thức:

% 100

.mmax

m  k

và do m max là hàm của nhiệt độ môi trường không khí (t) nên m = f(  k, t)

Khí hậu Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên khác xa với khí hậu chuẩn

Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,70C, nhiệt độ cực đại có thể đạt tới 42,80C Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các đặc điểm nổi bật của khí hậu nước

ta Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở đồng bằng Bắc bộ là m = 24  26g/m3, trong các tháng hè có thể lên tới 30  33g/m3 và trong các tháng mùa đông cũng tới mức 13  17g/m3

b Độ ẩm của vật liệu

Độ ẩm của vật liệu  là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật

liệu Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm  k và nhiệt

độ t (0C) thì sau một thời gian nhất

là nó hút hơi ẩm trong không khí

khiến cho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng cb như đường cong 1 trên hình 2.2 (vật liệu ngấm ẩm) Ngược lại, nếu độ ẩm trong vật liệu lớn (vật liệu bị ướt) đặt trong môi trường không khí thì sau một thời gian vật liệu được sấy khô (sấy khô tự nhiên),

độ ẩm trong vật liệu sẽ giảm xuống và tiệm cận dần tới độ ẩm cân bằng cb như đường cong 2 trên hình 2.2 (vật liệu sấy khô)

Đối với những vật liệu dệt hay những vật liệu khác như: giấy, bìa, các tông,

người ta dùng khái niệm độ ẩm quy ước, tương ứng với độ ẩm cân bằng khi để trong

không khí ở điều kiện bình thường Ví dụ, đối với giấy cáp, độ ẩm quy ước lấy bằng 8% Cấu tạo và bản chất hóa học có ảnh hưởng quyết định đến tính hút ẩm của vật liệu Sự tồn tại và kích thước của các mao dẫn giữ một vai trò lớn trong việc hút ẩm

vật liệu có cấu tạo đặc vì phân tử nước có kích thước nhỏ (khoảng 2,7A0 ) có thể đi xuyên qua các lỗ xốp trong phân tử vật liệu cách điện

Ở điện áp xoay chiều, một trong những tham số thay đổi nhiều nhất là tg và hằng số điện môi  của vật liệu khi độ ẩm của vật liệu thay đổi Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta đo trị số điện dung để xác định vật liệu có bị ngấm ẩm hay không

Lượng hơi ẩm m (đo bằng microgam) trong thời gian  giờ đi qua mặt phẳng S(cm2) của lớp vật liệu cách điện có chiều dày h(cm) dưới tác dụng của hiệu số áp suất hơi nước P 1 và P 2 (mm cột thủy ngân) ở hai phía bề mặt vật liệu được tính bằng công thức sau:





.

) ( 1 2

h

S P P

Trong đó:  - Độ thấm ẩm của vật liệu

Độ thấm ẩm của các vật liệu khác nhau thì cũng khác nhau, ví dụ: parafin  =

0,0007 còn đối với polistirol - 0,03; còn triaxetat xenlulo bằng 1g/cm.mm cột thủy ngân

Để làm giảm độ hút ẩm và thấm ẩm của vật liệu cách điện xốp người ta thường dùng biện pháp tẩm Những vật liệu được tẩm sẽ làm cho sự hút ẩm của vật liệu chậm lại không làm cho điện trở suất  thay đổi nhiều sau thời gian tác động lâu dài của độ

ẩm Điều đó được giải thích bởi các phân tử của chất tẩm có kích thước lớn hơn nhiều

so với kích thước phân tử nước nên không có khả năng bịt kín hết các lỗ xốp của vật liệu nhất là khi vật liệu các lỗ xốp nhỏ Để khắc phục vấn đề này người ta dùng biện pháp tẩm sấy bằng chân không

Khi chọn vật liệu cho các thiết bị điện làm việc ở môi trường nhiệt đới cần phải thí nghiệm xác định tính bền nhiệt đới và tuổi thọ của vật liệu để thiết bị làm việc tốt nhất đem lại hiệu quả kinh tế cao

Với mục đích nâng cao tính chống nấm mốc của vật liệu cách điện hữu cơ người

ta đưa thêm vào thành phần của nó chất fungixit hoặc phủ lên chất cách điện lớp sơn chứa fungixit Chất fungixit là một chất độc hạn chế nấm mốc phát triển khi sử dụng đối với các vật liệu khác nhau cần có công thức pha chế cho thích hợp

d Sự hấp phụ nước trên bề mặt điện môi

Đối với vật liệu không thấm ẩm khi đặt vào trong môi trường có độ ẩm cao thì trên bề mặt vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước Quá trình ngưng tụ hơi nước trên bề mặt vật liệu gọi là sự hấp phụ nước của vật liệu

Lớp hấp phụ phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc bề mặt và loại vật liệu

Độ ẩm càng lớn thì bề dày của lớp hấp phụ càng lớn Những vật liệu có kết cấu ion hay cực tính mạch thì có khả năng hấp phụ mạnh vì lực tác dụng giữa các phân tử vật liệu với phân tử nước lớn; còn vật liệu trung tính hay cực tính yếu thì lực hút này nhỏ nên có sự hấp phụ yếu (ví dụ như parafin)

Hình 2.3 Giọt chất lỏng trên bề mặt vật liệu

a) Vật liệu dính nước tốt; b) Vật liệu không dính nước

Khả năng dính nước (hoặc chất lỏng khác) của điện môi được đặc trưng bởi “góc biên dính nước”  của giọt nước đổ lên bề mặt phẳng của vật liệu (hình 2.3) Góc 

càng nhỏ, sự dính nước càng mạnh, đối với vật liệu với bề mặt dính nước  < 900

(hình 2.3a), đối với bề mặt không dính nước (kị nước) có  >900 (hình 2.3b)

Như vậy, tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu

và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của môi trường làm việc Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn

Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện người ta đã sử dụng các biện pháp sau đây:

- Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài

 >900

 <900

- Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu

- Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong

- Để nâng cao điện áp phóng điện bề mặt phải tăng cường chiều dài dò điện bằng cách đặt thêm các gờ, tán như ở các sứ cách điện Trong điều kiện cho phép làm vệ sinh tẩy rửa bụi bẩn bám trên bề mặt vật liệu

2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện

Các chi tiết bằng vật liệu cách điện trong các thiết bị điện khi vận hành ngoài sự tác động của điện trường còn phải chịu tác động của các phụ tải cơ học nhất định Vì vậy khi chọn vật liệu cần phải xem xét đến độ bền cơ học của các vật liệu và khả năng chịu đựng của chúng mà không bị biến dạng

- Độ bền kéo dãn, nén và uốn: Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo

k

σ , nén σnvà uốn σuhầu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó

Các vật liệu có cấu tạo dị hướng (vật liệu có nhiều lớp, sợi …) 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 Đối với các vật liệu như: thuỷ tinh, gốm, sứ, nhựa … độ bền nén cao hơn so với độ bền kéo dãn và độ bền uốn Độ bền của thuỷ tinh tăng lên khi đường kính sợi thuỷ tinh giảm xuống, nhiệt độ tăng khi độ bền cơ học của điện môi giảm xuống

Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σn= 2.104 kg/cm2 trong khi độ bền kéo σk= 5.102 kg/cm2 Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ

Ngoài ra độ bền cơ của nhiều điện môi phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang của mẫu, phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và thường giảm khi nhiệt độ tăng

- Tính giòn: Là khả năng bị phá huỷ của vật liệu mà không bị biến dạng Độ giòn

còn phụ thuộc vào cấu trúc của điện môi và điều kiện thử Để đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải động người ta xác định ứng suất dai va đập Ứng suất dai va đập vd của vật liệu tìm được bằng cách chia năng lượng A tiêu tốn để bẻ gẫy vật mẫu có tiết diện ngang S cho tiết diện này Ứng suất dai va đập đo bằng kg/cm2 hoặc trong hệ SI bằng J/m2; 1 J/m2  10-3 kg/cm2

Polietylen có ứng suất dai va đập rất cao, vd> 100 kg/cm2, còn đối với vật liệu gốm và micalech chỉ khoảng 25 kg/cm2 Trong nhiều trường hợp người ta kiểm tra khả năng vật liệu cách điện chịu đựng được tác động rung lâu dài, tức là những dao động lặp lại có tần số và biên độ nhất định Cách kiểm tra này thường tiến hành cho các thành phẩm, vật để kiểm tra được lắp trên giá thử rung theo chế độ định trước bởi

cơ cấu truyền động tương ứng Việc xác định độ bền rung là rất quan trọng đối với vật liệu cách điện trong trang bị điện của máy bay

- Độ cứng: Là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực

nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó Độ cứng được xác định theo nhiều phương pháp Đối với vật liệu vô cơ, độ cứng được xác định theo thang khoáng vật, còn vật liệu hữu cơ - theo phương pháp Brinell và phương pháp con lắc của Cuznexov

Thang khoáng vật hay là thang thập phân quy ước của độ cứng Nếu ta quy ước hoạt thạch là một đơn vị thì thạch cao có độ cứng là 1,4; apatit - 44; thạch anh - 1500; hoàng ngọc (topa) - 5500; kim cương - 5.000.000

- Độ nhớt: Đối với vật liệu cách điện thể lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn, hỗn

hợp tráng, tẩm, dầu máy biến áp (MBA) v.v thì độ nhớt là một đặc tính cơ học quan trọng Có ba khái niệm về độ nhớt của chất lỏng

+ Độ nhớt động lực học  hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng

Tốc độ chuyển động của hòn bi rắn, bán kính r trong môi trường không giới hạn có độ

nhớt động lực học  dưới ảnh hưởng của lực F không lớn tác động liên tục lên hòn bi

là không đổi và có trị số xác định theo định luật Stốc:

r

F v

6 1

KT w

e A.



Trong đó: A - Hằng số đặc trưng cho chất lỏng đang xét;

w - Năng lượng kích thích bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn

định này sang trạng thái ổn định khác

Hằng số A có liên quan tới hằng số phân tử chất lỏng:

3

6

l f

KT

f - Tần số dao động nhiệt của phân tử, bằng 10121013 1/giây;

l - Khoảng cách giữa các phân tử

+ Độ nhớt tương đối theo Angle: đây là độ nhớt đo bằng tỷ số giữa thời gian chảy

từ nhớt kế Angle của 200ml chất lỏng (ở nhiệt độ thí nghiệm cho trước) với thời gian chảy của 200ml nước cất ở 200C (khoảng 51-52 giây)

0 0

3 Tính hoá học của vật liệu cách điện

Khi điện môi làm việc lâu dài, nó không được phép bị phân huỷ để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không gây ra ăn mòn kim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với các vật chất khác như không khí, nước, kiềm, axit … Độ bền vững dưới tác động của tất cả các ảnh hưởng nói trên ở mỗi điện môi rất khác nhau: vật chất có cực dễ hoà tan trong chất lỏng có cực, còn vật chất không cực dễ hoà tan trong chất lỏng không cực Vật chất có cấu trúc đường thẳng hoà tan dễ dàng hơn vật chất có cấu trúc không gian

Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng những phương pháp hóa công khác nhau - dính được, hòa tan trong dung dịch tạo thành sơn Độ hòa tan của vật liệu rắn có thể đánh giá bằng khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một đơn

vị thời gian từ một đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi Ngoài ra người

ta còn hay đánh giá độ hòa tan theo khối lượng lớn nhất của chất có thể hòa tan trong dung dịch (tức là theo nồng độ của dung dịch bão hòa)

Dễ hòa tan nhất là các chất có bản chất hóa học gần với dung môi và chứa các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử Các chất lưỡng cực dễ hòa tan hơn trong chất lỏng lưỡng cực, các chất trung tính - trong chất lỏng trung tính Ví dụ, hydro cacbon không cực tính hay cực tính yếu (parafin, cao su) dễ hòa tan trong hydro cacbon lỏng như: xăng, nhựa lưỡng cực chứa nhóm hydroxit (fenolfocmaldehit và các nhựa khác) hòa tan dễ dàng trong rượu và các dụng môi lưỡng cực khác

Khi tăng mức trùng hợp thì độ hòa tan giảm Các chất cao phân tử có cấu trúc mạch thẳng dễ hòa tan hơn so với cấu trúc không gian Khi tăng nhiệt độ thì độ hòa tan tăng lên

4 Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện

- Tính chịu nóng (độ bền nhiệt)

Khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu đựng không bị hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ được gọi là độ bền chịu nóng hay còn gọi là độ bền nhiệt

Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được một nhiệt độ nhất định (tức là có độ bền chịu nhiệt độ nhất định) Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện

Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt độ

mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện như tổn hao tg tăng, điện trở cách điện giảm sút

Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của nó

Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng (thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ) Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép

Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrical Commission)

đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép (đã nêu ở

bảng 2.1)

- Tính chịu băng giá

Ở các nước có băng tuyết, thiết bị thường làm việc ngoài trời và phải chịu tác động của nhiệt độ thấp, do vậy cần phải chú ý đến khả năng chịu băng giá (chịu lạnh) của vật liệu Tính chịu băng giá hay độ bền chịu lạnh là khả năng của chất cách điện làm việc không bị suy giảm độ tin cậy vận hành ở nhiệt độ thấp (khoảng -600C đến -700C)

Thông thường ở nhiệt độ thấp tính chất của vật liệu cách điện của điện môi thường tốt hơn, nhưng nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi ở trong điều kiện bình thường sẽ

trở lên rất giòn và cứng khi ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện

Thí nghiệm vật liệu cách điện và những thiết bị được chế tạo từ chúng theo tác động của nhiệt độ thấp thường được tiến hành đồng thời với tác động rung cơ học tần

số cao Đối với nước ta có thời tiết nóng ẩm của vùng nhiệt đới nên có thể không quan tâm nhiều đến tính chất chịu băng giá của vật liệu

- Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng là vì nhiệt tỏa ra do tổn thất công suất trong

dây dẫn bọc cách điện trong lõi thép của máy biến áp và tổn hao điện môi trong các chất cách điện được truyền ra môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác nhau Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng tới độ bền điện khi đánh thủng nhiệt và ảnh hưởng tới

độ bền của vật liệu đối với xung nhiệt Độ dẫn nhiệt của nhiệt độ đặc trưng bởi nhiệt dẫn suất  N trong phương trình Fourier:

S dl

∆S - Diện tích của vật liệu

So với kim loại thì trị số N của các vật liệu cách điện rất nhỏ Các vật liệu cách điện xốp có lẫn tạp chất không khí có  N nhỏ nhất Khi tẩm và cả khi làm đặc vật liệu

bằng áp lực bên ngoài thì  N tăng lên Trong bảng 2.2 đưa ra trị số nhiệt dẫn suất của một số điện môi

Bảng 2.2 Nhiệt dẫn suất của một số điện môi

Tên gọi vật liệu  N (w/cm.độ) Tên gọi vật liệu  N (w/cm.độ) Không khí (trong khe hở nhỏ) 0,00025 Nhựa đường 0,0007

- Sự giãn nở nhiệt:

Sự giãn nở nhiệt của điện môi cũng như các vật liệu khác được đánh giá bằng hệ

số giãn nở chiều dài theo nhiệt độ

dt

dL L

l

Những vật liệu mà hệ số giãn nở dài nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao hơn và ngược lại Để xác định L theo đồ thị đường cong quan hệ L = f(t0), trong bảng 2.3 đưa

ra hệ số giãn nở nhiệt của một số điện môi thường dùng

Bảng 2.3 Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ của một số điện môi

Các điện môi vô cơ có hệ số giãn nở dài bé nên các chi tiết chế tạo từ vật liệu vô

cơ có kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi Ngược lại, ở các điện môi hữu cơ hệ số giãn nở dài có trị số lớn gấp hàng trăm lần so với điện môi vô cơ Khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi cần chú ý đến tính chất này của vật liệu để tránh các trường hợp xấu xảy ra

2.2 Sự phân cực của chất điện môi

Tính chất quan trọng bậc nhất của điện môi là khả năng phân cực của nó dưới tác dụng của điện trường ngoài

2.2.1 Hiện tượng phân cực

Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí trong không gian của những thành phần mang điện và hình thành mômen điện

Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, trong điện môi xảy ra quá trình phân cực: trên bề mặt điện môi phía điện cực dương ta thấy xuất hiện các điện tích âm và ngược lại trên bề mặt điện môi phía điện cực âm - xuất hiện các điện tích dương trái dấu với điện cực bên ngoài Như vậy cả khối điện môi bị phân thành hai cực tính âm

và dương tạo nên sự phân cực trong điện môi Khi không còn điện trường bên ngoài tác động các điện tích lại quay về trạng thái ban đầu

Trong thực tế điện môi thường được tạo nên bởi sự liên kết các phân tử và nguyên tử trung tính hay cực tính (lưỡng tính) Dưới tác động của điện trường các điện tích ràng buộc trong phân tử, nguyên tử điện môi sẽ bị xoay theo hướng của lực điện trường Trong điện môi lưỡng cực khi không có điện trường, các lưỡng cực phân bố ngẫu nhiên do chuyển động nhiệt, nhưng khi có điện trường bên ngoài tác động các phân tử lưỡng cực định hướng và sắp

xếp lại tương ứng theo chiều của điện trường Như vậy, phân cực là sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích kiên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường

Khi xảy ra hiện tượng phân cực thì trên bề mặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu với dấu của điện cực bên ngoài Như vậy điện môi sẽ tạo thành một tụ điện với điện dung là C, điện tích của tụ điện là Q (hình 2.4)

Điện tích Q của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và được tính bởi công

2.2.2 Các dạng phân cực cơ bản

Trên cơ sở các phân tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực ta có các dạng phân cực sau:

1 Phân cực điện tử (hay phân cực chuyển dịch)

Nguyên tử khi không có điện trường bên ngoài, hạt nhân nằm ở tâm của nguyên

tử, các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân, tâm của điện tích dương trùng với tâm của điện tích âm Khi nằm trong điện trường, đám mây điện tử bị xê dịch khỏi tâm một đoạn, dạng phân cực như vậy gọi là phân cực điện tử

Như vậy : Phân cực điện tử là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn các quỹ đạo

+

Hình 2.4 Sự phân bố điện tích trong

chất điện môi phân cực

-

E + + + +

Phân cực điện tử thí nghiệm quan sát thấy ở tất cả nguyên tử, phân tử, ion

Đặc điểm nổi bật của phân cực điện tử là nó có thời gian ổn định phân cực vô cùng ngắn từ 10-15 giây (có thể so sánh với chu kỳ ánh sáng), nên được coi là tức thời Khả năng phân cực của các điện tử không phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng lại giảm khi nhiệt độ tăng vì sự giãn nở nhiệt của điện môi và do số lượng các hạt trong đơn vị thể tích bị giảm

2 Phân cực ion

Dạng phân cực này đặc trưng cho những điện môi có cấu trúc tinh thể ion và xác định bởi sự xê dịch ion dưới tác dụng của các điện trường bên ngoài (sự dịch chuyển đàn hồi của các ion liên kết)

Ví dụ : Sự phân cực của muối NaCl = Na+ + Cl-

Dưới tác dụng của điện trường ngoài các ion dương dịch chuyển theo chiều của điện trường, còn các ion âm dịch chuyển theo chiều ngược lại

Đặc điểm của phân cực ion là thời gian ổn định phân cực nhanh khoảng 10-13

-10-14 giây tùy theo kích thước của liên kết phân tử ion

3 Phân cực lưỡng cực (các phân tử có cực tính)

Những phần tử không đối xứng có tâm điện tích âm và dương không trùng nhau Nên ngay ở trạng thái bình thường chúng đã có mômen lưỡng cực Các phần tử loại này gọi là những phần tử có cực tính

Khi chưa có tác dụng của điện trường ngoài do tác động của chuyển động nhiệt các mômen này hướng theo mọi phương với cùng khả năng, do đó mômen tổng của chúng sẽ bằng 0

Nếu ta đặt 1 điện trường lên chất điện môi đó thì các lưỡng cực này sẽ định hướng theo chiều điện trường

Như vậy : Phân cực lưỡng cực là dạng phân cực gây lên bởi sự định hướng của các

lưỡng cực (các phân tử có cực tính) dưới tác dụng của điện trường bên ngoài

4 Phân cực kết cấu

Dạng phân cực này xảy ra trong các vật liệu có kết cấu không đồng nhất, thường

là vật liệu vô cơ như sứ, thuỷ tinh hay chất rắn, xuất hiện ở tần số thấp, gây tổn thất năng lượng lớn

Bản chất của phân cực kết cấu là sự dịch chuyển của những ion liên kết yếu dưới tác dụng của điện trường ngoài, tạo thành các điện tích không gian trên danh giới tiếp xúc giữa các miền khác nhau

Các ion liên kết yếu tồn tại trong điện môi có tạp chất và khuyết tật nhưng chúng không phải là điện tích tự do, do đó không thể đi qua xuyên suốt bề dày của điện môi không tạo ra điện dẫn của điện môi Chúng bị xoay hướng trong điện trường Quá trình phân cực kết cấu xảy ra trong thời gian dài có thể đến hàng giờ, nhiều giờ

5 Phân cực tự phát

Đó là sự phân cực tồn tại trong chất điện môi đặc biệt gọi là các xét nhét điện, các xét nhét điện có đặc điểm là tự phân cực khi không có tác dụng của điện trường bên ngoài Đặc điểm là đạt giá trị bão hoà, gây tổn thất năng lượng lớn, hệ số điện môi phụ thuộc vào điện trường

Khi không nằm trong điện trường, vector phân cực của các vùng phân cực tự phát của xét nhét điện rất khác nhau và hỗn loạn Do đó tổng vector phân cực của chúng bằng 0

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các vùng phân cực tự phát sẽ định hướng khác nhau, những vùng mà có hướng vector phân cực không khác nhau nhiều so với chiều điện trường bên ngoài sẽ lan rộng sang vùng có vector phân cực không theo chiều của điện trường

Trong đó: C- Điện dung của tụ điện;

Q- Điện tích đặt vào tụ điện

Điện tích Q bao gồm hai thành phần:

Q0- Điện tích có ở điện cực nếu như giữa các cực là chân không Q’- Đện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt

tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi ấy khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với Q0 là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không

0 0

0 0

1

Q

Q Q

Q Q Q

Từ biểu thức (2-14) ta thấy: hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào

cũng lớn hơn một và chỉ bằng một khi điện môi là chân không

Cần chú ý rằng giá trị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ đơn vị Trong hệ CGS (Centimetre Gram Second System - Hệ đơn vị của vật lý học) nó bằng

1, còn trong hệ SI (Systeme International d’unités - Hệ đo lường quốc tế) bằng

9

10 36

1

Giá trị hằng số điện môi tương đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc vào việc

chọn hệ đơn vị Đại lượng hằng số điện môi tương đối được dùng ngắn gọn là: “hằng

số điện môi” để đánh giá chất lượng của điện môi

Từ công thức (2-12) và (2-14), ta có thể viết biểu thức dưới dạng:

Trong đó: C0 - Điện dung của tụ điện khi giữa các điện cực là chân không

Như vậy hằng số điện môi của một điện môi bất kỳ có thể xác định bằng tỷ số giữa điện dung tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không Từ công thức (2-15) ta có:

Q Q

Q C

C

Hằng số điện môi của một chất là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện có chất đó làm điện môi với điện tích Q0 của tụ điện cùng kích thước, nhưng có điện môi là chân không, khi có cùng một điện áp Hằng số điện môi của không khí lấy  1

2.3 Tính dẫn điện của chất điện môi

2.3.1 Điện dẫn của điện môi

Dòng điện là sự chuyển rời có hướng của các điện tích dưới tác dụng của điện trường

Do vậy, mật độ dòng điện chạy trong điện môi được tính bằng tổng các điện tích

môi có dạng hình trụ với tiết diện vuông góc là S và chiều dài bằng vận tốc chuyển động trung bình của các điện tích  Chiều của điện trường bên ngoài trùng với trục của hình trụ

Giả thiết mật độ điện tích tự do chứa trong điện môi là n và mỗi phần tử có điện tích là q, dưới tác dụng của điện trường E, tất cả các điện tích tự do sẽ chuyển động đến các điện cực (điện tích dương đi về phía cực âm, điện tích âm đi về phía cực dương) và tạo nên dòng điện đi trong điện môi Tổng điện tích chuyển động qua tiết diện S bằng tổng điện tích chứa trong thể tích V của hình trụ

Trong đó:  gọi là điện dẫn suất của điện môi, nó đặc trưng cho khả năng dẫn

điện của vật liệu

Giá trị nghịch đảo của điện dẫn suất là điện trở suất:



Trong vật liệu kỹ thuật điện có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành ba loại sau:

- Điện dẫn điện tử: các thành phần mang điện là các điện tử, chúng là các điện tích tự do không phải là những hạt đại diện cho một nguyên tố hoá học nào cả nên trong điện dẫn điện tử không xảy ra sự chuyển rời vật chất và không thay đổi thành phần của điện môi

- Điện dẫn ion: các thành phần mang điện là các ion dương, ion âm Khác với điện tử, các ion mang đầy đủ tính chất 1 nguyên tố hoá học, nên trong điện dẫn ion

có xảy ra sự chuyển rời vật chất Các ion dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động đến 2 điện cực, bị trung hoà và tích luỹ trên đầu bề mặt 2 đầu điện cực giống như

quá trình điện phân Vì vậy, điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân

- Điện dẫn điện di: hay còn gọi là điện dẫn molion có thành phần mang điện

là các nhóm phần tử tích điện các tạp chất trong chất điện môi, chúng được tạo nên bởi

ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt

2.3.2 Sự hình thành dòng điện trong điện môi

Chú ý đến các dòng điện có trong chất điện môi để tránh sự sai lệch khi ta muốn

đo điện dẫn cuả điện môi

Khi một mẫu điện môi đặt trong điện áp nào đó sẽ xuất hiện những dòng điện rất nhỏ sau:

1 Dòng điện rò (I r ) do tồn tại những điện tích tự do trong chất điện môi chuyển

dịch tạo ra Dòng điện này thường có giá trị rất bé

2 Dòng điện phân cực (Ipc) là dòng điện do sự chuyển dịch của các điện tích

dàng buộc khi có phân cực điện tử hay phân cực ion

Dòng điện này chỉ tồn tại trong thời gian ngắn và không đo được

3 Dòng điện dung (I c ) là sự chuyển dịch của các điện tử trong các dạng phân

cực khác của chất điện môi

Đối với điện áp một chiều dòng điện hấp thụ chỉ xuất hiện khi đóng hoặc ngắt điện Đối với điện áp xoay chiều dòng xuất hiện trong suốt thời gian có điện trường

U - Điện áp đặt vào điện môi

I - Dòng điện đo được

i p - Tổng các dòng điện do các dạng phân cực gây nên

2.3.3 Tính dẫn điện của điện môi

Độ dẫn điện của điện môi còn phụ thuộc vào trạng thái điện môi: lỏng, khí, rắn

và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc lâu dài dưới điện áp

1 Điện môi khí

- Khi điện trường yếu chất khí có độ dẫn điện rất bé, dòng điện chỉ xuất hiện khi trong chất khí có các ion hoặc điện tử tự do Có 2 nguyên nhân chính dẫn đến sự ion hoá các phân tử khí:

- Khi điện trường đủ mạnh, các hạt mang điện va chạm với các phân tử khí tạo ra các ion

- Các yếu tố bên ngoài như tia cực tím, tia phóng xạ, nhiệt độ sẽ gây nên hiện tượng ion hoá các phân tử khí, phân tích thành ion âm và ion dương, dưới điện áp đặt vào sẽ di chuyển tạo thành dòng điện

- Khi điện trường quá lớn sẽ xảy ra hiện tượng thác điện tử và dòng điện tăng mãnh liệt tới khi chọc thủng khoảng cách giữa các điện cực

2 Điện môi lỏng: Trong các điện môi lỏng tồn tại 2 loại dẫn điện khác nhau đó là

điện dẫn ion và điện dẫn di Độ dẫn điện của điện môi lỏng liên quan tới cấu tạo phân

Trong chất lỏng có cực, độ dẫn điện còn phụ thuộc vào sự phân li của các phân tử bản thân chất lỏng Vì vậy điện môi lỏng có cực bao giờ cũng có độ dẫn lớn hơn so với điện môi lỏng không cực

Khi hằng số điện môi tăng thì điện dẫn cũng tăng Khử tạp chất có chứa trong điện môi lỏng sẽ làm giảm độ dẫn điện và tăng điện trở suất của nó

3 Điện môi rắn:

Độ dẫn điện trong điện môi rắn là do có sự dịch chuyển các ion bản thân điện môi, ion tạp chất và do các điện tử tự do Trong điện môi rắn có cấu tạo ion, độ dẫn điện được xác định chủ yếu do sự di chuyển của các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng của dao động nhiệt Nếu dòng điện là sự chuyển dịch của các ion thì :

Ở đó E i là tổng các năng lượng để giải phóng ion và năng lượng di chuyển nó từ

một trạng thái này sang trạng thái khác; A là hằng số

Với lượng tạp chất N khác nhau, điện dẫn suất của chúng cũng khác nhau (hình 2.7)

Do tồn tại đa dạng về thành phần hoá học và cấu trúc, về nguồn gốc và về độ sạch tạp chất

Do vậy điện dẫn của các loại điện môi rắn khác nhau không những được xác định bởi loại điện môi (có cấu trúc tinh thể ion, thuỷ tinh vô cơ, các polime ) mà còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng

Đặc biệt các điện tích tự do tồn tại ngay cả trong lúc ẩm, bụi bám trên bề mặt điện môi, do vậy tồn tại không chỉ dòng điện chạy qua bề dày của điện môi mà còn tồn tại dòng điện trên bề mặt của điện môi

Hình 2.7 Quan hệ của độ dẫn điện trong điện môi rắn với nhiệt độ

γ

2.4 Tổn hao điện môi và sự đánh thủng điện môi 2.4.1 Tổn hao điện môi

Trong điện môi xảy ra quá trình phân cực, phía cực dương xuất hiện điện tích

âm, phía cực âm xuất hiện điện tích dương Điện môi sẽ tạo thành tụ điện Hai quá trình điện dẫn và phân cực nói trên tác động lên điện môi làm cho nó phát nóng gây tổn hao điện môi

Vậy, tổn hao điện môi là phần năng lượng tản ra trong điện môi làm nó nóng

lên trong điện trường Khác với dây dẫn, phần lớn các điện môi có tổn thất công suất phụ thuộc vào tần số, điện áp đặt vào, tổn hao công suất ở điện áp xoay chiều lớn hơn

so với điện áp một chiều và tăng rất nhanh khi tăng tần số và điện áp

Khi khai thác các thiết bị điện, vấn đề tổn hao điện môi cần được chú ý đến, đặc biệt khi chúng làm việc ở điện áp cao hoặc tần số cao Bởi trong điện trường, tổn hao điện môi có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong điện môi, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện dẫn đến điện môi mất hẳn khả năng cách điện Tổn hao điện môi có thể đặc trưng bởi suất tổn hao điện môi, đó là công suất tổn hao tính trong một đơn vị thể tích của điện môi

R

U I R

P r

2 2



+Tổn hao điện môi với điện áp một chiều:

Đặt điện áp một chiều lên một đoạn cách điện, sau khoảng thời gian đủ lớn sẽ

có dòng điện rò (I r ) chảy qua điện môi, bao gồm: dòng điện rò khối (I v) và dòng

điện rò mặt (I s) chảy trên bề mặt điện môi:

R

U R

U R

U I I I

S V S V

1 1 1



 ; R V - Điện trở khối; R S - Điện trở mặt

Điện trở khối của điện môi được xác định bởi: R v = ρ v

I R

I C

U

δ φ

Hình 2.8 Góc tổn hao điện môi δ

l - Chiều dài đoạn cách điện (m);

S - Tiết diện đoạn cách điện (m2);

L - Chu vi của tiết diện (m)

Tổn hao điện môi:

R

U R I I U

2 2

+ Tổn hao điện môi với điện áp xoay chiều:

Để xác định khả năng tiêu tán năng lượng của điện môi trong điện trường,

ở đó góc δ là góc tổn hao điện môi

δ và tg δ đặc trưng cho tổn hao điện môi đối với dòng điện xoay chiều

Góc δ càng lớn tổn hao sẽ càng lớn

Thông thường giá trị tgδ được cho trước trong tham số của vật liệu

Điện môi chất lượng cao có tgδ =10-4 đến 10-3 tương đối nhỏ

Điện môi chất lượng kém có tgδ ≥ 10-2 dễ bị nóng và phá hủy

Z

U I

Tổn hao riêng của điện môi:

với U = E.h =>  f   S h E tg   f   S E tg 

Sh

p 1 2 0 . 2  2 0 . 2. (2-34)

đặt  = 2.f..0.tg  thì p =  E 2 (2-35)

 gọi là điện dẫn suất tích cực của điện môi dưới điện áp xoay chiều, nó phụ thuộc

vào tần số của điện áp xoay chiều

2.4.2 Các dạng tổn hao điện môi

Vì tổn hao điện môi là vật liệu không tốt của vật liệu Tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và bản chất vật lý của từng loại mỗi chất ta có các dạng tổn hao chính hay là các nguyên nhân gây ra tổn hao sau:

1.Tổn hao điện môi do phân cực

Thường xảy ra đối với các chất có sự phân cực chậm, điện môi có cấu tạo lưỡng cực và các chất điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ (thường là điện môi lỏng)

Tổn hao điện môi do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá hủy chuyển động nhiệt của các phân tử dưới tác động của cường độ điện trường Sự phá hủy này làm phát sinh năng lượng tiêu tán và điện môi bị phát nóng

Tổn hao điện môi trong các điện môi cực tính tăng theo tần số của điện áp đặt lên điện môi và biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao Khi ở các tần số cao, tổn hao điện môi có trị số lớn tới mức phá hủy vật liệu Do vậy, không nên dùng điện môi cực tính mạnh ở tần số cao trong kỹ thuật điện

Trong các loại điện môi có tổn hao do phân cực cần phải kể đến hiện tượng gọi là tổn hao cộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng Dạng tổn hao này thấy rõ trong một

số chất khí ở một tần số xác định có sự hấp thụ năng lượng điện trường Tổn hao cộng hưởng cũng có thể xảy ra ở chất rắn khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao động riêng của các hạt chất rắn Sự tồn tại điểm cực đại trong quan hệ tg với tần số cũng đặc trưng cho cả cơ chế cộng hưởng, nhưng trong trường hợp này nhiệt độ không ảnh hưởng đến vị trí điểm cực đại

2 Tổn hao điện môi do dòng điện rò

Trong bất kỳ điện môi nào luôn tồn tại các điện tích và điện tử tự do, dưới tác dụng của điện trường các điện tử tự do này sẽ dịch chuyển theo chiều tác dụng của điện trường, tạo nên dòng điện rò Dòng điện rò này kết hợp với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt