Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 1 PHẦN I: VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI 1. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt nhân. Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất. Mô hình nguyên tử của Bohr. Trong nguyên tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ đạo đó năng lượng được bảo toàn. Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân có mức Nlượng nhỏ và ngược lại. Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Theo cơ học lượng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm sóng. Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó điện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây. 2. Các dạng liên kết a. Liên kết cộng hoá trị: Là mối liên kết của các nguyên tử hình thành phân tử bằng cách góp chung vác điện tử. Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau là phân tử trung tính (trung hoà). Các chất cấu tạo từ các phân tử này gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương không trùng nhau là phân tử lưỡng cực (cực tính). Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l. Được tính bằng tích số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương. b. Liên kết ion: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na + + Cl - Vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và nhiệt độ nóng chảy tương đối cao. c. Liên kết kim loại: Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung. Lực hút giữa các ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Sự tồn tại các điện tử 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 bằng sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng. d. Liên kết Vanđecvan: Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững chắc. Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 2 3. Phân loại vật liệu a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài. Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng thừa. Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện nhiều mức năng lượng mới nắm gần nhau trong phạm vi một lớp. Các mức năng lượng đó tạo nên các dải năng lượng khác nhau. Trong đó người ta quan tâm đến hai dải chính đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử) và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi “dải cấm”. Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu. Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10 -19 J) Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn năng lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lượng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần. Vì vậy chỉ cần một tác động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái. b. Phân loại theo từ tính: 3 loại. Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Ví dụ: Cu, Ag, Au, H 2 , khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, … Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 (  1) và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng. Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a), và của vật rắn (b). Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 3 PHẦN I: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trường ), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng với bản chất vật lý rất khác nhau. Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực. Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá bằng hằng số điện môi  và góc tổn thất điện môi  (nếu quá trình phân cực kèm theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên) Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi và theo bề mặt của nó. Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện của điện môi. Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên. Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp nhất định. Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện môi sẽ bị đánh thủng, vật liệu mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện. Được đánh giá thông qua độ bền điện E đt Trong quá trình vận hành ngoài tác động của điện trường, điện môi còn chịu tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời gian các tính chất cơ, lí, hoá và điện của điện môi bị thay đổi (thường là kém đi) - đó là sự hoá già điện môi. Chương 1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 1.1. SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cực điện môi Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch điện. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích của điện môi dịch chuyển về các điện cực cùng chiều hoặc ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu của chúng. Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng theo hướng điện trường. Hình 1.1. Hiện tượng phân cực điện môi Khi điện trường càng tăng mật độ di chuyển càng lớn, sự phân cực càng mạnh. Khi điện trường giảm sự phân cực giảm dần cho đến khi điện trường ngoài = 0 thì các điện tích trở về trạng thái ban đầu. Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 4 Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu. Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ E ’ ngược chiều với điện trường ngoài. Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định: Q = C.U với C: Điện dung của tụ U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q 0 + Q’ (1.1) Q 0 : Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không. Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi. 2. Hằng số điện môi Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi”. Nó được dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị. 00 0 0 Q 'Q 1 Q QQ Q Q    (1.2) Hằng số điện môi là tỷ số giữa điện tích của tụ chứa điện môi ấy khi có điện áp xác định với điện tích của tụ cùng kích thước cùng điện áp nhưng giữa các cực là chân không. 1.2. CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI 1. Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực điện môi *) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy ra tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không phát tán năng lượng. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện. *) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy ra tức thời, tăng giảm 1 cách chậm chạp và có kèm theo sự phát tán năng lượng trong điện môi và làm cho điện môi nóng lên. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện mắc nối tiếp một điện trở. 2. Các cơ chế phân cực Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một loại điện môi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau. a. Phân cực điện tử nhanh Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử hoặc ion. Thời gian xảy ra rất nhanh (t  10 -15 s) do đó sự phân cực điện tử được coi là tức thời. Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất năng lượng. Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R 0 :  = 4.. 0 R 0 3 (1.5) b. Phân cực ion nhanh Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn hồi của các ion liên kết. Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng. Thời gian xác lập phân cực này: t  10 - 13 s. Hệ số phân cực:  = 4.. 0 (a/2) 3 (1.6) Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi 0E  c. Phân cực Lưỡng cực chậm Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 5 Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực. Các phân tử lưỡng cực ở trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của điện trường gây nên sự phân cực. Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng. Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:  = KT m 3 2 0 (1.7) Với: m 0 - mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38.10 -23 J/ 0 K – hằng số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối. d. Phân cực ion chậm Xảy ra trong các điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc giữa các ion không chặt chẽ. Các ion liên kết yếu của chất trong khi chuyển động nhiệt hỗn loạn còn nhận thêm các chuyển dịch thừa theo hướng điện trường. Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion ràng buộc không chặt. Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ. Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ. e. Phân cực điện tử chậm Đặc trưng cho các điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có tính dẫn điện - điện tử. Nói cách khác: là các điện môi có các điện tử khuyết tật thừa hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng. Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả khi nhiệt độ âm. f. Phân cực cấu kết cấu Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất và khi có tạp chất. Sự phân cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể. Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật, sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau. g. Phân cực tự phát Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xenhit kèm theo khuếch tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt).  của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định. *)Sơ đồ đẳng trị của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ. Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 6 Trong đó: U là điện áp nguồn. Nhánh 1: Điện dung C 0 và điện tích Q 0 của tụ khi điện môi là chân không. Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu). Nhánh 9: R CĐ là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi. Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi. 1.3. HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN 1. Hằng số điện môi của điện môi khí Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất khí  =  2  1. Để xác định hằng số điện môi, ta có thể sử dụng phương trình Claudiut-Môxôpchi: 0 .3 . 2 1     N    (1.8) Đối với điện môi khí 1, nên (1.8) 00 . 1 . 1      TK PN  (1.9) Với TK P N .  là mật độ phân tử, P (at), T( 0 K),  là hệ số phân cực *Với điện môi khí trung tính: Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  =  e =4.. 0 R 0 3 Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng lớn, hằng số điện môi càng lơn. Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2. Hình 1.2: Quan hệ  =f(P), khi T là hằng số và  =f(T), khi P là hằng số Để đánh giá ảnh hưởng của  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng số điện môi: dt d1 TK     [độ -1 ] (1.10) Với chất khí trung hòa : 0 . )1(1  TdT d TK         (1.11) *Với chất khí cực tính tồn tại hai cơ chế phân cực chính đó là cơ chế phân cực điện tử nhanh (là chủ yếu), và cơ chế phân cực lưỡng cực chậm. Do vậy  =  e + lc, phương trình (1.8)  0 2 2 0 00 .).(3 . . 1)(1      TK mP TK PN e lce  (1.12) Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất và nhiệt độ. Hệ số nhiệt của hằng số điện môi : T.T. TK        2 1 (độ -1 ) (1.13) 2. Hằng số điện môi của điện môi lỏng Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 7 Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phan thành hai nhóm: Điện môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …) *. Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính Điện môi của chất lỏng trung tính được đặc trưng bởi phân cực điện tử nhanh do vậy   2 2÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số. Hình 1.3. Quan hệ giữa  của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số Về trị số tuyệt đối TK  của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu).     v TK dT d TK            3 211 (độ -1 ) (1.14) với TK v = dT dV V 1 là hệ số nhiệt của thể tích. *. Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu). Có nhiều thuyết đưa ra để tính  của điện môi cực tính, nói chung việc tính  của chất lỏng cực tính rất phức tạp. Mỗi công thức trên đều kèm giả thiết nên đều có tính chất gần đúng. Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:                KT m N e 332 1 2 0 0 (1.15) Quan hệ giữa  và nhiệt độ của chất lỏng lưỡng cực phức tạp hơn của chất lỏng trung hoà. Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi rất ít. Sau đó tăng mạnh theo đường dốc đứng đạt cực đại rồi giảm dần. Nhiệt độ mà ở đó  tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả năng tự định hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện môi. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng theo chiều điện trường. 3. Hằng số điện môi của điện môi rắn Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu trúc và thành phần, do vậy hằng số điện môi có giá trị lớn và nằm trong một dải rộng. a. Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà Điện môi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử: = 2 , là loại có  bé nhất. Quan hệ của  theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi số phân tử trong 1 đơn vị thể tích. Hình 1.4:  =f(t 0 ), f 1 <f 2 <f 3 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 8 Hệ số nhiệt của hằng số điện môi vẫn có thể tính theo công thức (1.14) b. Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân cực điện tử và ion nhanh. Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng. Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có giá trị dương. Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp đặc trưng bằng  không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn. c. Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong Ngoài ra còn các chất nhựa hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac ) và cả nước đá. Hằng số điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào giống ở các chất lỏng lưỡng cực. d. Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất Điện môi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác nhau.  của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo công thức tổng quát:  x =  1  1 x +  2  2 x (1.16a) Trong đó: ,  1 ,  2 là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần;  1 ,  2 là nồng độ theo thể tích của các thành phần:  1 +  2 = 1 x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1 Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1   =  1  1 +  2  2 (1.16b) Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1  2 2 1 1 1        (1.16c) Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln =  1 ln 1 +  2 ln 2 (1.16d) Trường hợp tổng quát ta có tổ hợp cách điện gồm n chất điện môi khác nhau thì ta tính  cho từng cặp 2 chất một rồi tính tiếp cho đến n chất. Hệ số nhiệt của  của tổ hợp cách điện: TK  = TK 1  1 + TK 2  2 (1.17) e. Hằng số điện môi của điện môi Xenhit:  rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ. Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện biến đổi chậm sau cường độ điện trường) Nhiệt độ mà ở đó  đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri. Với nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu không còn nữa.  không phụ thuộc cường độ điện trường nữa. Hình 1.5: Quan hệ  =f(t 0 ) của sứ cách điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 9 Chương 2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI 2.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc trong vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong điện môi. Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích tự do làm xuất hiện các dòng điện rò có trị số nhỏ. *) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy dòng biến thiên theo thời gian và: i = i rò +i pc (2.1) Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình 2.2 Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn thành chỉ còn dòng điện rò chạy qua điện môi. Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong suốt thời gian có điện áp. Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất lượng của vật liệu cách điện Điện trở thật của điện môi R cđ tính như sau: R CĐ =   pc ii U (2.2) i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào i PC : Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện môi thường được tính: ' I U R CĐ  (2.3) Với I’ là dòng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều. Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí, lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh. Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối  v và điện trở suất mặt  s . Về trị số điện trở suất khối  v bằng điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó. (cm). Với mẫu vật liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có: v v S R h   (cm) (2.4) (với: R v là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm 2 ), h là chiều dày khối mẫu (cm)). Điện dẫn suất khối 1  vv  ( -1 cm -1 ). Hình 2.1 Hình 2.2 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 10 Về trị số điện trở suất mặt  s bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vuông đó. (). Có thể tính điện trở suất mặt  s theo công thức: l d R ss  () (2.5) (R s là điện trở bề mặt của mẫu vật liệu giữa các điện cực song song có chiều rộng d nằm cách nhau 1 khoảng l), 1  ss  ( -1 ). 2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm. Những điện tích này được tạo nên nhờ quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên Quá trình ion hóa là quá trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngoài. (bức xạ mặt trời, các tia phóng xạ, điện trường ). Quá trình ion hóa tự nhiên là quá trình ion hóa xảy ra dưới tác động của các yếu tố tự nhiên. Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon. Số lượng điện tích xuất hiện trong quá trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó là những điện môi tốt. Nếu vì l do nào đó quá trình ion hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện môi khí tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể. Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được thể hiện như hình vẽ 2.3 Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến tính Khi điện áp đạt giá trị U 1 các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực và bị trung hoà trên các điện cực (dòng bão hoà). Khi điện áp đạt giá trị U 2 (giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm cho dòng trong chất khí lại tăng. Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dòng tăng lên theo hàm số mũ. 2.3. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện môi lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo. 2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng. Hình 2.3 [...]... chất bị bức xạ đều bị phân huỷ Chương 6 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 6.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN - PHÂN LOẠI * Tầm quan trọng của vật liệu cách điện: Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện Chúng được dùng để ngăn cách giữa phần mang điện và phần không mạng điện hoặc giữa những phần mang điện với nhau.Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo được bất... phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực 4.2.3 Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng điện trong điện môi khí: Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa 2 điện cực Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành... (5.2) cb (1) 5.1.2 Độ ẩm của vật liệu t Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều Hình 5.1 hút ẩm tức là khi đặt mẫu vật liệu có độ ẩm vl, trong môi trường có kk, sau một thời gian vật liệu sẽ đạt độ ẩm cân bằng cb Trên hình 5.1, nếu vl . và của vật rắn (b). Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 3 PHẦN I: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG. bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 1 PHẦN I: VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI 1. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật. bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 2 3. Phân loại vật liệu a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật