Giáo Trình- Vật Liệu Điện

Giỏo trỡnh Vật Liệu điện Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 3 LỜI NểI ĐẦU Trong bất kỳ một ngành sản xuất nào thỡ nguyờn vật liệu giữ một vai trũ vụ cựng quan trọng, nhất là đối với sự phỏt triển với tốc độ chúng mặt của khoa học kỹ thuật thỡ nú đũi hỏi phải cú những vật liệu mới để đỏp ứng được nhu cầu phục vụ cho sự phỏt triển. Đặc biệt đối với ngành kỹ thuật điện thỡ vật liệu lại giữ một vai trũ quyết định đến sự phỏt triển của ngành. Vỡ nếu khụng cú vật liệu cỏch điện, vật liệu dẫn từ... thỡ khụng thể chế tạo một loại thiết bị điện nào dự là đơn giản nhất. Với một vai trũ quan trọng như vậy và xuất phỏt từ yờu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trỡnh mụn học của Trường Cao Đẳng Ngoại ngữ - Cụng nghệ Việt Nhật. Chỳng tụi đó biờn soạn cuốn giỏo trỡnh Vật liệu điện gồm 6 chương với những nội dung cơ bản sau: - Những lý thuyết cơ bản của vật liệu điện. - Nguyờn nhõn cỏc hiện tượng vật lý xảy ra trong vật liệu điện. - Phõn loại vật liệu điện. - Những đặc tớnh chủ yếu của vật liệu điện. Giỏo trỡnh Vật liệu điện được biờn soạn phục vụ cho cụng tỏc giảng dạy của giỏo viờn và là tài liệu học tập của học sinh. Do chuyờn mụn và thời gian cú hạn nờn khụng trỏnh khỏi những thiếu sút, vậy rất mong nhận được ý kiến đúng gúp của đồng nghiệp và bạn đoc để cuốn sỏch đạt chất lượng cao hơn. TÁC GIẢ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 4 Ch−ơng I: Sự phân cực điện môi I. cấu tạo vật chất Vật chất đ−ợc cấu tạo từ các hạt cơ bản: Proton, Notron và điện tử. Proton mang điện tích d−ơng, điện tử mang điện tích âm còn Notron không mang điện tích. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và Notron, các điện tử lấp đầt lớp vỏ nguyên tử làm cân bằng điện tích d−ơng của hạt nhân. Trong nguyên tử, điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác định, khi quay trên quỹ đạo đó năng l−ợng đ−ợc bảo toàn. Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng l−ợng. Quỹ đạo gần hạt nhân ứng với mức năng l−ợng thấp, quỹ đạo xa hạt nhân ứng với mức năng l−ơng cao hơn. Khi điện tử chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì hấp thụ hay giải phóng năng l−ợng. Các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành phân tử. Nguyên tử mất một điện tử trở thành ion d−ơng. nguyên tử nhận đ−ợc thêm một điện tử sẽ trở thành ion âm. các chất lỏng, rắn, khí có thể đ−ợc cấu tạo từ nguyên tử hay phân tử hay ion. 1. Các dạng liên kết vật chất. a) Liên kết đồng hoá trị Là sự liên kết của một số nguyên tử thành phân tử nhở các điện tử góp chung. Ví dụ: O2, H2, Cl2 sự liên kết đồng hoá trị làm cho lớp điện tử ở ngoài cùng đ−ợc lấp đầy, nên rất vững chắc, nó khó có thể mất hoặc nhân thêm điện tử. Vậy các chất có cấu tạo theo kiểu liên kết này thuộc loại vật liệu cách điện tốt. Trong liên kết đồng hoá trị đ−ợc chia ra làm hai phần: - Liên kết trung tính: Là liên kết đồng hoá rị có tâm của các điệ tích d−ơng trùng với tâm điện tích âm. Ví dụ: Lấy cấu trúc của phân tử Cl làm ví dụ: Phân tử này gồm hai nguyên tử Cl. Phân tử Cl có hai điện tử góp chung nh− vậy nguyên tử Cl sẽ có thêm một điện tử ở lớp ngoài, tổng có 8 điện tử lớp ngoài nên rất bền vững. Cl Cl Cl Cl + = = Cl Cl Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 5 - Liên kết cực tính (l−ỡng tính): Là liên kết khi có tâm điện tích d−ơng cách tâm điện tích âm một khoảng là a nào đó. Ví dụ: HCl (Axit Clohyđric). b) Liên kết ion Là liên kết do lực hút giữa các ion d−ơng và các ion â với nhau, loại liên két này có sức bền chảy cao và cơ giới cao. Ví dụ: NaCl = Na+ + Cl- c) Liên kết Van - đec – van. Loại liên kết này th−ờng gặp ở loại vật liệu có mạng tinh thể không vững chắc, có nhiệt độ nóng chảy thấp nh− Parafin. 2. Thuyết miền năng l−ợng Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất dẫn điện của nó có thể nằm trong nhóm vật dẫn, bán dẫn hoặc điện môi. Sự khác nhau giữa các nhóm đ−ợc biểu thị bằng đồ thị năng l−ợng theo lý thuyết của các miền năng l−ợng của vật rắn. - Miền đầy: Có nhiều điện tử, sự liên kết giữa điện tử và hạt nhân là bền vững, t−ơng ứng với nguyên tử trạng thái không bị kích thích. - Miền dẫn: Có nhiều điện tử tự do, các điện tử liên kết yếu với hạt nhân, nó dễ bị chuyển động d−ới tác dụng của điện tr−ờng (t−ơng ứng với nguyên tử bị kích thích). - Miền cấm: Điện tử tự do không có ở miền này. a) Vật dẫn Có miền đầy nằm sát với miền dẫn do đó điện tử trong kim loại đ−ợc tự do, nó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn d−ới tác dụng của c−ờng độ điện tr−ờng (E) yếu đặt vào vật dẫn. b) Bán dẫn 1. Miền đầy 2 1 2 3 1 2 3 1 2. Miền dẫn (rỗng) 3. Miền cấm H Cl Cl H + = Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 6 Có miền cấm hẹp, vùng này có thể khắc phục đ−ợc nhờ tác dụng của năng l−ơng từ bên ngoài vào các điện tử ở vùng đầy có thể chuyển động sang vùng dẫn đ−ợc do vậy vật dẫn có thể dẫn điện. c) Điện môi Có miền cấm lớn, các điện tử khó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn đ−ợc. Do đó điện môi muốn trở thành vật dẫn phải có từ tr−ờng E mạnh ở ngoài tác dụng vào. II. sự phân cực của điện môi Điện môi là tất cả các vật liệu cách điện, nó tồn tại ở các trạng thái: Khí, lỏng, rắn. Một hiện t−ợng cơ bản phát sinh trong môi chất khi đặt vào nó trong điện tr−ờng đó là hiện t−ợng phân cực. Sự phân cực của điện môi là sự chuyển dịch có h−ớng và có giới hạn của các điện tích hoặc sự định h−ớng từng phần của các phân tử l−ỡng cực. Các đại l−ợng phân cực là: p(γ ) : Điện trở suất, điện dẫn suất ε : Hằng số điện môi δ (hoặc tgδ ) : Góc tổn hao điện môi Ect : C−ờng độ điện tr−ờng chọc thủng 1. Hiện t−ợng phân cực a) Phân tử trung tính - - - - - - - - - - + + + + + + + Khi cú điện trường tỏc dụng Bỡnh thường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 7 b) Phõn tử cực tớnh (lưỡng cực) D−ới tác dụng của điện tr−ờng, các điện tích liên kết của điện môi bị xoay theo h−ớng của lực tác dụng vào nó, c−ờng độ điện tr−ờng càng mạnh, điện tích chuyển h−ớng càng mạnh. Điện tích d−ơng chuyển dịch theo h−ớng chuyển dịch của điện tr−ờng tác dụng, còn điện tích âm thì chuyển dịch theo h−ớng ng−ợc lai. Khi không còn điện tr−ờng tác dụng nữa thì các điện tích lại quay trở về trạng thái ban đầu. Trong điện môi l−ỡng cực tác dụng của điện tr−ờng gây nên sự định h−ớng t−ơng ứng các phần tử l−ỡng cực kết quả là trên bề mặt của điện môi hình thành những lớp điện tích trái dấu nhau, ở mặt h−ớng về điện cực d−ơng xuất hiện lớp điện tích âm, còn ở mặt h−ớng về điện tích âm thì xuất hiện lớp điện tích d−ơng lúc này sự phân cực đr xong. Khi điện môi đó là một tụ điện đ−ợc tích điện. 2. Hệ số điện môi (ε) ý nghĩa của điện môi: Là một đại l−ợng đánh giá sự phân cực mạnh hay yéu của chất điện môi. Xét điện môi bất kỳ có gắn các điện cực đ−ợc cắm vào mạch điện đều có thể xem nh− là một tụ điện có điện dung xác địn nh− ta biết, điện tích của tụ điện sẽ là: Q = C.U (1.1) Trong đó: C là điện dung của tụ U là điện áp đặt vào tụ điện. Điện tích Q ở trị số điện áp cho tr−ớc gồm hai thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.2) Q0 Là thành phần có ở điện cực nếu nh− giữa các cực là chân không Q’ Là thành phần tạo nên bởi sự phân cực điện môi giữa các điện cực + + + + + + + + + + + + + + - + + - + - + - + - + - Khi cú điện trường tỏc dụng Bỡnh thường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 8 Một trong những đặc tính quan trọng nhất cảu điện môi cs ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ thuật là hằng số điện môi t−ơng đối. Đại l−ợng này là tỷ số giữa điện 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 cùng kích th−ơc đặt d−ới điện áp cùng trị số nh−ng giữa các điện cực là chân không. 1Q Q' Q QQ' Q Q Q Q ε 00 0 00 += + === (1.3) Từ biểu thức (1.3) ta sẽ suy ra đ−ợc hằng số điện môi t−ơng đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không. Cần chú ý rằng giá tị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ số đơn vị. Trong hệ CGDE nó bằng 1 còn trong hệ SI nó bằng: ) m F( 36pi6pi. 1 ε 9= Giá trị hằng số điện môi t−ơng đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị. Trong những phần tiếp theo chính đại l−ợng hằng số điện mội này dùng để đặc tr−ng cho chất l−ợng của điện môi, nh−ng để ngắn gọn ta bỏ bớt chữ “t−ơng đối”. Nh− vậy quan hệ 1.1 có thể biểu diễn d−ới dạng ph−ơng trình: Q = Q0ε = C.U = C0.U.ε (1.4) Trong đó: C0: Điện dung của tụ điện đó khi giữa các điện cực là chân không. Từ (1.4) rõ ràng hằng số điện môi của ε của một chất nào đó có thể đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi là chất đó với điện dung của tụ điện cùng kích th−ớc nh−ng mội là chân không. 0C C ε = Vậy ta định nghĩa: Hằng số điện môi của một chất điện môi nào đó đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi làm bằng chất đó và điện dung của tụ điện có cùng kích th−ớc nh−ng điện môi là chân không. III. Các dạng phân cực của điện môi Dựa trên nguyên tắc về thành phần, đặc điểm hoặc thời gian của sự phân cực ng−ời ta chia phân cực ra các dạng sau: 1. Theo các loại phần tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực. a) Phân cực điện tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 9 Là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động của cá điện tử d−ới dạng của điện tr−ờng bên ngoài. Phân cực điện tử xảy ra ở tất cả các nguyên tử, phân tử, ion. Đặc điểm của dạng phân cực này nó có thời gian ổn định phân cực vô cùng ngắn 10-14 ữ 10-13s. b) Phân cực ion Là dạng phân cực gây nên bởi sự xê dịch của các ion liên kết của các chất điện môi d−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài thời gian ổn định phân cực 10-13 ữ 10-12s. c)Phân cực l−ỡng cực Là dạng phân cực gây nên bởi sự định h−ớng các phân tử có cự tính d−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài. d) Phân cực kết cấu Là loại phân cực xảy ra trong các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng nhât. Trong gianh giới giữa hai môi tr−ờng khác nhau của chất điện môi sẽ tích luỹ một l−ợng điện tích gây ra sự phân cực, quá trình này kéo dài hàng phút đến hàng giờ. e) Phân cực tự phát Là dạng phân cực của các điện môi Xec – nhet. Nó có đặc điểm là tự phân cực khi E ngoài bằng 0. D−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài dẫn tới phân cực rất mạnh, ε cao có tiêu tần năng l−ợng. 2. Theo các dạng tác dụng có các dạng sau: a) Phân cực đàn hồi Là dạng phân cực xảy ra do biến dạng đàn hôi của các phân tử. Phân cực điện tử và phân cực ion là các phân cực đàn hồi. b) Phân cực nhiệt Là dạng phân cực mà điện môi có mômen cảm ứng d−ới tác dụng của bên ngoài do sự phân bố không đối xứng của các điện tích khi chúng ở trạng thái chuyển động nhiệt. 3. Theo vận tốc phân cực Chia ra các dạng sau: a) Phân cực nhanh: Gồm các phân cực điện tử, ion (không toả nhiệt) b) Phân cực chậm: Nh− phân cực kết cấu, thời gian xảy ra phân cực kéo dài (có sự tổn thất năng l−ợng). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 10 4. Sơ đồ đẳng trị của điện môi Sự phân cực của điện môi có thể xảy ra nhiều loại phân cực trong điện môi đó hoặc có loạiu điện môi chỉ phân cực ở loại này hoặc loại khác. để biểu thị các loại phân cực của điện môi ta dùng sơ đồ đẳng trị. Trong đó: - Nhánh Q0 và C0 đặc tr−ng cho sự phân cực chân không. - Nhánh Qc và Cc đặc tr−ng cho sự phân cực điện tử. - Nhánh Qi và Ci đặc tr−ng cho sự phân cực ion d−ới tác dụng của điện tr−ờng (E) các ion của điện môi sẽ chuyển dịch. - Nhánh Qlcc và Clcc đặc tr−ng cho sự phân cực l−ỡng cực chậm d−ới tác dụng của E các phân tử l−ỡng cực sẽ xoay theo h−ớng của điện tr−ờng. Do đó sự phân cực này có tiêu hao năng l−ợng nên trong sơ đồ điện dung C đ−ợc nối tiếp với điện trở, điện trở R này đặc tr−ng cho sự tiêu hao năng l−ợng cho sự phân cực gây ra. - Nhánh Qic, Cic và Ric đặc tr−ng cho sự phân cực ion chậm, loại này có các ion liên kết yếu trong mạng tinh thể sẽ chuyển dịch khi có điện tr−ờng tác dụng. - Nhánh Qic, Cic và Ric đặc tr−ng cho sự phân cực chậm. - Nhánh Qkc, Ckc và Rkc đặc tr−ng cho sự phân cực kết cấu, loại phân cực này chỉ xảy ra đối với các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng nhất. - Nhánh Qtp, Ctp và Rtp đặc tr−ng cho sự phân cực tự phát, loại này xảy ra đối với các loại điện môi rắn có kết cấu ion gọi là điện môi Xe – Nhít. Sự phân cực tự phát kèm theo khuếch tán năng l−ợng đáng kể tức là tỏa nhiệt. - Nhánh có Rcd là điện trở cách điện đặc tr−ng bởi dòng điện rò qua điện môi. Rcd U Qi Ci Qc Cc Q0 C0 Rkc Qkc Ckc Rtp Qtp Ctp Rcc Qcc Ccc Ric Qic Cic Rlcc Qlcc Clcc Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 11 IV. hệ số điện môi của các loại môi chất 1. Hằng số điện môi của điện môi khí Các chất khí có đặc điểm là mật độ rất bé, khoảng cách giữa các phân tử lớn. Nhờ đó sự phân cực chất khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất khí gần bằng 1. Sự phân cực của chất khí có thể là thuần tuý điện tử hoặc l−ỡng cực nếu phân tử khí đó có cực tính. Nh−ng ngay đối với khí có cực tính, sự phân cực điện tử vẫn có ý nghĩa chủ yếu. 2. Hằng số điện môi của chất lỏng So với môi chất khí môi chất lỏng có kết cấu phức tạp hơn nhiều nên quá trình phân cực trong chất lỏng cũng phức tạp hơn, do đó ta có thể phân làm hai loại moi chất lỏng sau: a) Môi chất lỏng trung tính (Dầu Máy biến áp, Benzen...) Trong môi chất này chủ yếu xuất hện loại phân cực tức thời, trị số ε≤ 2,5 Ví dụ: Dầu Máy biến áp ε = 2,2 Dầu Benzen ε = 2,48 Đối với chất lỏng trung tính thì ε phụ thuộc vào nhiệt độ (hình vẽ 4.1) còn tần số lại không ảnh h−ởng đến ε. b) Môi chất lỏng có cực tính Môi chất lỏng này có kết cấu là những phân tử không trung hoà về điện hoặc kết cấu l−ỡng cực. Ví dụ: N−ớc cất, dầu thầu dầu, sơn Sôn vô... Tên gọi chất lỏng ε ở t0 = 200C và f = 50Hz Thầu dầu 4,5 Xô vôn 5,0 * Xét quan hệ của ε với nhiệt độ: ε = f(t) t0 sôi ε t0 f 0 0 ε Hình vẽ 4.1 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 12 - Khi nhiệt dộ tăng đến t1 thì ε tăng nh−ng tăng chậm, tiếp tục tăng đến nhiệt độ t2 thì ε tăng nhanh - Nếu tăng nhiệt độ t0 > t02 thì ε giảm, nh− vậy đ−ờng biến thiên có một điểm cực đại ứng với điện môi lỏng ở trạng thái vật lý cực tính. Trạng thái vật lý đó là do sự cộng h−ởng của hai dao động do nhiệt và do điện tr−ờng tác động (do cản trở của nhiệt độ làm cho sự phân cực khó khăn vì vậy khi t0 tăng sẽ làm cho ε giảm). * Xét quan hệ của ε với tần số: ε = f(ω) hoặc ε = F(f) Ta thấy ε giảm vì f thay đổi tức là khi f tăng thì sự xoay h−ớn của cá phân tử l−ỡng cực càng khó khăn. Nếu f tăng đến giá trị giới hạn nào đó thì sự phân cực trở lên không hoàn thành và ε giảm. 3. Hằng số điện môi của chất rắn a) Môi chất rắn có kết cấu phân tử trung tính (Parafin, l−u huỳnh..) và các môi chất rắn có kết cấu tinh thể chặt chẽ (NaCl, Al2O3). Loại môi chất này có kết cấu trung tính và kết cấu ion chặt chẽ nên chỉ có phân cực tức thời của điện tử ion. Tên gọi vật liệu Hệ số khúc xạ n2 ε Parafin 1,43 2,06 1,9 ữ 2,2 Polistirol 1,55 3,4 2,4 ữ 2,6 L−u huỳnh 1,92 3,60 3,6 ữ 4,0 Kim c−ơng 2,40 5,76 5,6 ữ 5,8 * Xét khi nhiệt độ tăng - Với môi chất có kết cấu phân tử trung tính (ví dụ: Parafin) ta thấy trị số ε giảm do mật độ phân tử giảm đến nhiệt độ nóng chảy của môi chất thì ε càng giảm xuống mạnh, vì mật độ phân tử lức đó có sự giảm nhảy vọt (ví dụ Parafin có nhiệt độ nóng chảy ở t0 = 500C). εmax 0 t0 t01 t 0 2 ε 0 f ε εlc ε Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 13 - Môi chất có kết cấu ion chặt chẽ. Khi nhiệt độ tăng thì khả năng cực hoá tăng hơn sự giảm của mật độ phân tử do vậy mà ε tăng. b) Môi chất rắn có kết cấu tinh thể yếu (tức kết cấu ion không chặt chẽ) Môi chất có kết cấu cực tính (nh− vật liệu Xenlulô, cao su, cao phân tử....) ngoài phân cực tức thời còn có thể có sự phân cực chậm. Do đó quan hệ phụ thuộc của ε với niệt độ và tần số cũng giống nh− môi chất lỏng cực tính. c) Môi chất rắn có kết cấu phức tạp Đây là môi chất th−ờng gặp trong thực tế. Kết cấu của nó gồm nhiều thành phần có trị số ε khác nhau. Trị số ε của loại môi chất này đ−ợc xác định gần đúng nh− sau: εx = θ1εx1 + θ2εx2 Trong đó: ε, ε1 và ε2 t−ơng ứng với hằng số điện môi của hỗn hợp và của các thành phần riêng θ1, θ2: Nồng độ theo thể tích của các thành phần thoả mrn biểu thức θ1+ θ2 = 1 x: Hằng số đặc tr−ng cho sự phân bố của các thành phần và giá trị từ +1→-1. - Khi mắc nối tiếp các thành phần x = -1 ta có: 2 2 1 1 ε θ ε θ ε 1 += - Khi mắc song song các thành phần x = -1 biểu thức có dạng: ε = θ1ε1 + θ2ε2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 14 Ch−ơng II: Tính dẫn điện của điện môi I. Đặc điểm của điện môi trong điện tr−ờng Khi các điện môi nằm trong điện tr−ờng khi chịu tác dụng của một c−ờng độ điện tr−ờng E, trong tr−ờng hợp đồng nhất thì E đ−ợc xác định: h UE = Trong đó: E: Điện áp đặt lên hai điểm cực h: Khoảng cách giữa hai điểm cực Điện môi đặt d−ới điện tr−ờng thì xảy ra hiện t−ợng cơ bản đó là sự dẫn điện của điện môi và sự phân cực của điện môi. Điện dẫn của điện môi đ−ợc xác định bởi sự chuyển động có h−ớng của các điện tích tự do tồn tại trong điện môi (các điện tích tự do có thể là điện tử ,ion hoặc các nhóm phần tử mang điện). D−ới tác dụng của điện tr−ờng: F = E.q (N) Trong đó: q: Điện tích của các phần tử mang điện tự do. Các điện tích (+) chuyển động theo chiều của E và ng−ợc lại dẫn đến trong điện môi xuất hiện một dòng điện. Trị số của dòng điện phụ thuộc vào mật độ các điện tích tự do trong điện môi. Trong điện môi tồn tại rất ít các điện tử tự do còn lại là các điện tích có liên kết chặt chẽ nên d−ới tác dụng của lực điện tr−ờng chúng không thể chuyển doọng xuyên suốt điện môi để tạo thành dòng điện mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay h−ớng theo chiều của điện tr−ờng. Quá trình dẫn điện và phân cực một phần năng l−ợng bị tiêu hao và toả ra d−ơí dạng nhiệt năng dẫn đến điện môi nóng lên đó là sự tổn hao điện môi lâu dài dẫn đến điện môi bị lro hoá. II. Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi Về giá trị dòng điện chạy qua điện môi bằng tổng điện tích chuyển động qua một tiết diện vuông góc trong một đơn vị diện tích thời gian. Xét một mô hình điện môi có dạng hình trụ có tiết diện vuông góc là S chiều dài bừng vận tốc chuyển động trung bình của các phần tử trong một thời gian xác định V chiều của điện tr−ờng trùng với trục hình trụ. l = V S E Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 15 Giả thiết diện tích chứa trong điện môi là n và mỗi phần tử có điện tích là q. D−ới tác dụng của E sau một đơn vị thời gian thì các điện tích tự do chuyển động qua hết tiết diện S. Tổng điện tích qua S bằng tổng điện tích chứa trong thể tích hình trụ. Nh− vậy dòng qua điện môi là: Vq.n.s.q.n.vQI === (A) (1.2) Hoặc I = J.S (J = q.n.V ) Trong đó: J là mật độ dòng điện A/m2. Tức là tổng điện tích chuyển động qua một đơn vị điện tích các tiết diện vuông góc trong một đơn vị thời gian. q: Là điện l−ợng của điện tích n: là mật độ của điện tích V : Vận tốc trung bình của các điện tích 1. Điện dẫn điện tử (dòng chuyển dịch) Thành phần mang điện tích là các điện tử, loại điện dẫn này có trong tất cả các điện môi. Các điện tử 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 của điện môi. 2. Điện dẫn ion Các thành phần mang điện là các ion d−ơng (+) và ion âm (-), khác với điện tử cá ion mang đầy đủ tính chất của một nguyên tố hoá họcm nên trong điện dẫn ion có sự chuyển rời vật chất các ion d−ới tác dụng của điện tr−ờng dẫn đến chuyển rời về hai điện cực bị trung hoà và tích luỹ dẫn trên hai điện cực, giống nh− quá trình điện phân. 3. Điện dẫn di (dòng điện dò) Điện dẫn di là còn gọi là điện dẫn Molion, thành phần mang điện là các nhóm, các phần tử tích điện, các tạp cất tồn tại trong chất điện môi. ở trạng thái cân bằng trong chất điện môi có sự trao đổi liên tục giữa điện tích của điện môi và điện tích của nguồn dẫn đến dòng điện qua điện môi là không thay đổi và điện dẫn của điện môi cũng không đôi rheo thời gian. Đó là trạng thái bảo toàn điện tích của điện môi. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 16 III. điện dẫn của các điện môi khí Trong các chất khí mật độ phân rử rất nhỏ khoảng cách giữa chúng lại lớn cho nên lực t−ơng tác giữa chúng rất nhỏ trong chất khí luôn tồn tại một số ít các điện tích tự do, chúng là kết quả quá trình ion hoá. Mặc dù trong quá trình điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hoá tự nhien nh−ng vì luôn có một số l−ợng điện tích tự do nhất định dẫn đến sự ion hoá các tác hợp cân bằng nhau (số điện tích xuất hiện do ion hoá cân bằng với số điện tích bị tác hợp). Trong điện tr−ờng mạnh dẫn tới sự ion hoá do va chạm tăng lên, l−ợng điện tích tự do tăng nhanh. D−ới tác dụng của điện tr−ờng các điện tích tự do bắt đầu chuyển động dẫn tới các điện tích tham gia cả vào quá trình tái hợp và cả quá trình dẫn điện. Khi điện tr−ờng tăn dẫn đến dòng điện qua điện môi khí tăng do càng có nhiều điện tích chuyển động đến điện cực. Điều này đ−ợc giải thíc là: Do c−ờng độ điện tr−ờng mạnh cho nên các điện tích tự do chuyển động nhanh hơn về điện cực nên ít có khả năng tái hợp. Hình vẽ biểu diễn quan hệ phụ thuộc của dòng điện chạy qua chất điện môi vào điện áp đặt. Vùng I: ứng với khu vực điện tr−ờng bứ cho nên c−ờng độ điện tr−ờng rất hở dẫn tới số l−ợng điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện nhỏ hơn so với số l−ợng điện tích bị tái hợp. Nh− vậy mật độ điện tích tự do ít và là một hằng số. Điện dẫn của điện môi khí trong điện tr−ờng yếu ta thấy dòng điện tăng tuyến tính với điện áp. Vùng II: ứng với khu vực có dòng điẹn bro hoà, điện tr−ờng tăng dần dến số điện tích chuyển động đến điện cực tăng, tại điểm a tất cả các điện tích xuất hiện do ion hoá đều tham gia vào quá trình dẫn điện. Rõ ràng là dòng điện bro hoà không phụ thộc vào điện áp, các yếu tố gây ion hoá tự nhiên là yếu tố quyết định dòng bro hoà, mật độ dòng điện bro hoà J = 6.10-15(A/m2). U U3 U2 U1 0 Ibh I I II III a b c Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 17 Vùng III: ứng với khu vực điện tr−ờng mạnh (điện áp cao). ở khu vực này bắt dầu dòng điện tăng nhanh, không giống nh− định luật Ôm, điều này chỉ có thể giải thích trên cơ sở của hiện t−ợng ion do va chạm, số ion hoá xuất hiện tăng nhanh, nó là hàm của c−ờng độ điện tr−ờng: N0 = NE ⇒ J = NE.q.h (A/m 2) Trong đó: q là điện tích của phần tử mang điện (c) h là khoảng cách hai điện cực (m) Tại điểm xảy ra quá trình phóng điện trong chất khí tức là nối liền hai điện cực bằng một cầu có điện dẫn cao, lúc này không khí trở thành vật dẫn điện. IV. điện dẫn của các điện môi lỏng Trong các điện môi lỏng tồn tại 2 loại điện dẫn khác nhau: Đó là điện dẫn ion và điện dẫn điện di. 1. Điện dẫn ion của các điện môi lỏng Khác với các điện môi khí trong điện môi lỏng các điện tích tự doxuất hiện không chỉ do sự ion hoá gây nên mà còn do quá trình phân ly của các phân tử của chính chất lỏng. Trong các điện môi lỏng bao giờ cũng lẫn tạp chất thông th−ờng. Vì các tạp chất rất dễ phân ly hơn các phân tử của điện môi chính, nên điện dẫn của điện môi lỏng gồ điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của tạp chất. N−ớc là loại tạp chất phổ biến lẫn vào điện môi lỏng. Nó tồn tại d−ới 3 dạng: N−ớc tan, n−ớc huyền phù và n−ớc d−. N−ớc d− có thể nổi hoặc chình tròng điện môi tuỳ thuộc vào tỷ trọng của n−ớc và tỷ trọng của điện môi, tỷ trọng điện môi > 1000 kg/m2 thì n−ớc d− nổi và ng−ợc lại. Khả năng phân ly của các phân tử cang lớn dẫn đến điện môi lỏng có điện dẫn lớn. 2. Điện dẫn điện di Điện dẫn điện di còn gọi là điện dẫn Molion là sự chuyển dích có h−ớng của nhóm các phần tử mang điện (tích điện) d−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài. Trong điện môi lỏng có tồn tại nhiều hạt dạng keo tích điện chuyển động trong điện tr−ờng giống nh− các phần tử tích điện tự do. Tuỳ theo sự quan hệ giữa ε của chất lỏng và ε của tạp chất dạng keo này mà chúng có thể tích điện tích d−ơng (+) hoặc âm (-). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 18 - Nếu εtc < ε chất lỏng: Hạt keo tích điện âm (-) - Nếu εtc > ε chất lỏng: Hạt keo tích điện d−ơng (+) Trong điện tr−ờng các hạt keo tập trung ở các điện cực hoặc là vùng có c−ờng độ điện tr−ờng lớn, do mật độ tạp chất các vùng này tăng cho nên tạp chất trong điện môi giảm tức là làm sạch điện môi. Điện dẫn của điện môi lỏng sau khi đóng vào điện một chiều thì giảm do hiệu ứng làm sạch. Hiệu ứng này không xuấ hiện ở nguồn điện xoay chiều bởi vì có sự thay đổi h−ớng liên tục của các hạt keo tích điện này. V. Điện dẫn của các điện môi rắn Điện môi rắn có rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học và cấu trúc, về độ sạch và tạp chất... Trong điện môi rắn các phần tử bị ràng buộc vào điểm mút, chúng có chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng này. quá trình chuyển dịch của các phần tử từ vị trí này đến vị trí khác rất khó khăn. Điện dẫn của điện môi rắn rất khác nhau, không những bởi loại điện môi mà còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng. Trong điện môi rắn thành phần mang điện tích là các điện tích tự do tồn tại trong điện môi, chúng có thể là điện tử, ion hoặc ion của các tạp chất. Điện dẫn của điện môi rắn có thể là điện dẫn của điện tử, điện dẫn ion hay tổng hợp của hai loại điện dẫn này. Các điện tích tự do còn tồn tại ngay cả lớp bụi, ẩm bám trên bề mặt của điện môi. Do đó mà tồn tại không chỉ dòng điện chạy xuyên qua bề dầy điện môi (dòng điện khối Iv) mà còn tồn tại dòng điện chạy theo bề mặt của nó (dòng điện mặt Is). Chính vì vậy mà đối với điện môi rắn có hai khái niệm. Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γs ρv: Điện dẫn suất của điện môi. Về trị số của điện troẻ suất khối là điện trở suất của một khối vật liệu có dạng hình lập ph−ơng có cạnh là 1cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện. Đơn vị của ρv là Ωcm. ρs: Điện trở mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình vuông khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện, đơn vị là Ω. Is Is IV s s v v γ 1 ρ , γ 1 ρ == Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 19 Ch−ơng III: sự phóng điện trong điện môi khí I. khái niệm chung Sự phóng điện trong điện môi khí Khi nghiên cứu về điện dẫn của điện môi khí ta đr biết quan hệ giữa mật độ dòng điện khí với c−ờng độ điện tr−ờng tác dụng. - Khi E < E2 thì dòng điện trong điện môi khí không tự duy trì. - Khi E > E2 trong điện môi khí bắt đầu xảy ra hiện t−ợng io hoá va chạm, dòng điện trong chất khí tự duy trì, dòng điện lúc này tăng lên rất nhanh, do đó chất khí sẽ mất hết tính chất cách điện (chất khí cách điẹn bị chọc thủng). Điện áp ứng với tr−ờng hợp này gọi là điện áp chọc thủng chất khí và c−ờng độ điện tr−ờng chọc thủng là: d UE CTCT = (KV/cm) Trong đó: ECT: C−ờng độ điện tr−ờng chọc thủng UCT: Điện áp chọc thủng chất khí d: Bề dày điện môi chỗ chọc thủng. - Khi chất khí bị chọc thủng thì nó trở thành chất dẫn điện, có dố điện tử tự do và số ion lớn gọi là Plasma. Plasma có điện dẫn lớn. Vậy sự phóng điện trong chât khí là sự hình thành Plasma của toàn bộ hay một phần chất khí trong không gian giữa các điện cực, sự phóng điện đó phụ thộc vào dạng của điện tr−ờng, công suất của nguồn và áp suất của chất khí môi tr−ờng xung quanh. II. Các dạng phóng điện trong điện môi khí ở đây ta nêu ra các dạng phóng điện sau: 1. Phóng điện toả sáng Phóng điện toả sáng là dạng phóng điện trong khe hở không khí có áp suất thấp. Tr−ờng hợp này Plasma không thể có điện dẫn lớn, mặc dù mức độ ion hoá có cao nh−ng vì số phân tử khí trong đơn vị khối rất ít. 0 E E2 = ECT E1 j Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 20 Phóng điện tở sáng th−ờng chiếm cả khoảng không gian giữa các điện cực, thí dụ nh− phóng điện trong đèn neon. 2. Phóng điện tia lửa Phóng điện tia lửa phát sinh trong khe hở không khí khi có áp suất cao, công suất của nguồn không lớn lắm hoặc lớn nh−ng thời gian tác dụng của điện áp nhỏ và chỉ phát sinh ra tia lửa hẹp giữa hai điện cực. Do công suất nhỏ, thời gian tác dụng ngắn do đó tia lửa của nó bị gián đoạn, chập chờn gẫy khúc và có khi chia thành nhánh giữa hai điện cực. 3. Phóng điện hồ quang Phóng điện hồ quang là giai đoạn tiếp theo của phóng điện tia lửa khi công suất của nguồn lớn. Tr−ờng hợp này có thể có dòng điện lớn chạy qua khe hở làm nóng chất khí giữa khe hở dẫn đến sự ion hoá nhiệt tăng, điện dẫn của khe hở khí tăng và do đó lại làm cho dòng điện trong khe hở tăng tiếp đến khi đạt đến trạng thái cân bằng (tức là khi tổn hao nhiệt của tia phóng điện là chấm dứt sự tăng của nhiệt độ). Quá trình này cần có một thời gian, do đó phóng điện tia lửa sẽ không tr thành phóng điện hồ quang nếu điện áp tác dụng lên khe hở trong thời gian quá ngắn. Nh− vậy phóng điện hồ quang đặc tr−ng bởi nhiệt cao và độ ion hoá cao. 4. Phóng điện vầng quang Phóng điện vầng quan là một dạng phóng điện xảy ra trong điện tr−ờng không đồng nhất. Tr−ờng hợp này sự phóng điện (sự ion hoá) chỉ phát sinh trong một khu vực bé xung quanh điện cực có c−ờng độ điện tr−ờng lớn. Khi có phóng điện vầng quang khe hở khí không phải đr mất tính chất cách điện, tuy vậy trong các kết cấu cách điện không nên để xảy ra phóng điện vầng quang. II. Hiện t−ợng ion hoá kích thích kết hợp khuếch tán 1. Hiện t−ợng ion hoá Là hiện t−ợng nguyên tử khí hoặc phân tử hấp thụ thêm năng l−ợng ở bên ngoài (do va chạm hoặc do các tia lửa bức xạ) làm cho một điện tử của nguyên tử hoặc phân tử trung tính tách ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử đó. Điện tử bị tách ra có thể thàh điện tử tự do hoặc bị nguyên tử trung tính khác hấp thụ để trở Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 21 thành ion âm. Do có điện tử tách ra nên nguyên tử, phân tử bị mất cân bằng về điện và sẽ trở thành ion d−ơng. Điều kiện để có hiện t−ợng ion hoá là: We ≥ Wi Trong đó: We là năng l−ợng mà điện tử nhận đ−ợc We = E.q.λ E: C−ờng độ điện tr−ờng tác dụng q: Điện tích của điện tử λ: Đoạn đ−ờng di chuyển tự do trung bình của điện tử Wi là năng l−ợng cần thiết để ion hoá chất Wi = q.Ui Ui: Điện áp để ion hoá q: Điện tích của điện tử 2. Hiện t−ợng kích thích Là hiện t−ợng nguyên tử khí hấp thụ một năng l−ợng bé hơn năng l−ợng ion hoá (We< Wi), lúc đó các điện tử chỉ có thể chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác có mức năng l−ợng cao hơn. Nh−ng trạng thái đó chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn 10-7 ữ 10-8. Sau thời gian này các điện tử trở về trạng thái ban đầu có mức năng l−ợng thấp hơn.. Năng l−ợng đr tiêu thụ cho quá trình kích thích, lúc này đ−ợc thoát ra d−ới dạng các tia sáng điện tử (quang tử). 3. Hiện t−ợng kết hợp Là hiện t−ợng mà các ion d−ơng va chạm với các điện tử tự do hoặc với các ion âm kết hợp với nhau để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hoà. Hiện t−ợng này làm giảm điện tích trong không gian. Quá trình kết hợp cũng phát ra một năng l−ợng d−ới dạng bức xạ. 4. Hiện t−ợng khuếch tán Là hiện t−ợng các ion và điện tử di chuyển từ vùng có mật độ lớn sang vùng có mật độ bé. Nguyên nhân của hiện t−ợng này là do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn chứ không phải do sự đẩy nhau của các ion cùng dấu, bởi vì dù cho mật độ các ion và điện tử rất lớn nh−ng về t−ơng đối thì khoảng cách giữa chúng là rất lớn. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 22 III. các dạng ion hoá - các hệ số 1. Các dạng ion hoá Ng−ời ta chia quá tình ion hoá chất khí ra làm hai loại: ion hoá bề mặt và ion hóa thể tích. 1.1. Ion hoá bề mặt Là hiện t−ợng điện tử tự do trong lớp kim loại làm điện cực âm vì một lý do nào đó nhận thêm năng l−ợng để thoát ra khỏi bề mặt của các điện cực. Muốn giải thoát một điện tử khỏi bề mặt điện cực thf phải cung cấp cho nó một năng l−ợng lớn hơn công thoát (We > Wi). Dựa vào nguồn cung cấp năng l−ợng cho quá trình ion hoá, ng−ời ta chia các dạng ion hoá bề mặt nh− sau: a) Phát xạ nhiệt điện tử Do cực âm bị đốt nóng, nhiệt độ cực âm tăng, tốc độ chuyển động của các điện tử lớn cho động năng của điện tử lớn hơn công thoát thì điện tử sẽ chuyển v−ợt qua khỏi hàng rào thế năng và thoát ra khỏ bề mặt của điện cực âm. Phát xạ nhiệt điện tử đ−ợc ding trong các dụng cụ điện tử, ở đó cực âm đ−ợc đốt nóng để phát xạ nhiều điện tử. b) Phát xạ nguội (tính điện) D−ới tác dụng của điện tr−ờng mạnh (E = 1.000HV/cm), điện tử trong kim loại bị lực điện tr−ờng kéo ra ngoài. Dạng ion hoá này ít gặp trong các kế cấu cách điện công nghiệp. Tuy nhiên d−ới tác dụng của điện tr−ờng trung bình và yếu nó có tác dụng làm giảm công thoát của kim loại, tạo điều kiện thuận lợi để gây ra các dạng ion hoá bề mặt khác. c) Phát xạ quang điện tử Tr−ờng hợp này ion hoá bề mặt xảy ra do có cá tia bức xạ sang ngắn tác dụng lên bề mặt kim loại sẽ cung cấp năng l−ợng cho điện tử để điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loịa đó. Dạng ion hoá bề mặt này th−ờng gặp trong các khe hở của thiết bị cao áp. 1.2. Ion hoá thể tích Xảy ra trong lớp khí giữac hai điện cực, có 3 dạng sau: a) Ion hoá va chạm: Là hiện t−ợng ion hoá gây bởi sự va chạm của điện tử tự do với phân tử khí. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 23 Khi điện tử đ−ợc đặt trong điện tr−ờng lực tác dụng của E, F = E.q (q: điện tích điện tử) sẽ buộc điện tử di chuyển ng−ợc với chiều của điện tr−ờng. Khi di chuyển thì điện tử tích luỹ năng l−ợng d−ới dạng động năng. W = q.E.x (x là đoạn đ−ờng di chuyển của điện tử) và khi va chạm với phân tử khí nếu thoả mrn điều kiện We > Wi thì phân tử mày bị ion hoá. b) Ion quang hoá Ion quang hoá là hiện t−ợng ion hoá năng l−ợng W nhân đ−ợc tử bức xạ quang học. Nếu ν và λ là tần số và b−ớc sang (độ dài) của bức xạ quang học thì năng l−ợng W nhân đ−ợc xác định: λ c.hh.νW == Trong đó: h là hằng số Plank c là tốc độ ánh sáng Điều kiện ion hoá đ−ợc viết iW c.h λ ≤ Số điện tích đ−ợc sản sinh do quá trình ion hoá quang tự nhiên sẽ cân bằng với số điện tích tham gia quá trình kết hợp (các ion d−ơng và ion âm kết hợp lại để trở thành các phân tử trung tính). Trong phóng điện chất khí ion hoá quang học còn đựoc sản sinh bởi các nguyên nhân sau: - Bức xạ quang học do quá trình kết hợp của các điện tích khác dấu - Bức xạ quang học do quá trình hoàn nguyên của các phân tử khí bị kích thích. d) Ion hoá nhiệt Bao gồm tất cả các quá trình ion hoá do nhiệt độ cao của chất khí gây nên. Khi ở nhiệt dộ cao các phân tử khí chuyển động mạnh va chạm vào vách bình chứa hoặc vào các vật rắn khác thì phân tử khí sẽ mất hết động năng và sinh ra các tia bức xạ, khi nhiệt độ càng lớn thì năng l−ợng của các tia bức xạ càng lớn do đó gây ra sự ion hoá. Muốn thực hiện ion hoá nhiệt cần phải có điều kiện: Động năng trong chuyển động nhiệt của cácphân tử khí phải lớn hơn năng l−ợng để ion hoá. W = q.E.x 2. Các hệ số ion hoá Có 3 hệ số ion hoá: Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 24 2.1. Hệ số ion hoá do điện tử va chạm (hệ số Taoxen 1 – Ký hiệu α) Là số lần ion hoá thực hiện bởi một điện tử khi chuyển động trên đoạn đ−ờn 1cm theo ph−ơng của điện tr−ờng. 2.2. Hệ số ion hoá do ion d−ơng va chạm (hệ số Taoxen 2 – Ký hiệu β) Là số lần ion hoá thực hiện bởi một ion d−ơng khi chuyển độngtrên đoạn đ−ờng 1cm theo ph−ơng của điện tr−ờng. 2.3. Hệ số ion hoá mật (hệ số Taoxen 3 – Ký hiệu δ) Là số điện tử trung bình đ−ợc giải thoát từ bề mặt của cực âm khi một ion d−ơng đập vào. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 25 Ch−ơng IV: Đặc tính cơ lý hoá của điện môi Khi chọn và sử dụng vật liệu điện không những phải chú ý đến những đặc tính của nó trong điều kiện bình th−ờng mà còn xét đến các đặc tính của điện môi khi chịu tác dụng của những đặc tính vật lý, cơ giới, hoá học… Ta biết các bộ phận cách điện của thiết bị điện chịu ảnh h−ởng tới các đặc tính vật lý nh−: tiếng ồn, nhiệt độ môi tr−ờng… - Các đặc tính cơ: uốn, kéo, nén, đàn hồi, va đập… - Các đặc tính hoá học: Oxy hoá I. đặc tính vật lý của điện môi 1. Tính hút ẩm và tính thấm n−ớc của vật liệu cách điện 1.1. Tính hút ẩm Phần lớn tang vật liệu cách điện đều có tính hút ẩm làm cho đặc tính điện của nó xấu đi, trong thực tế hầu hết các thiết bị điện đều đ−ợc đặt trong môi tr−ờng không khí. Trong không khí thì luôn luôn chứa một l−ợng n−ớc nhất định (có một độ ẩm nhất định). N−ớc có điện dẫn rất lớn, khi các thiết bị điện hút ẩm thì đặc tính điện bị kém đi. - Xác định độ ẩm của điện môi: là độ ẩm mà điện môi đó hút đ−ợc, nh−ng việc đo độ ẩm này rất khó khăn vì vậy ng−ời ta th−ờng đo điện trở cachs điện hoặc điện dng của điện môi từ đó suy ra độ ẩm của điện môi. Thực nghiệm cho thấy rằng nếu điện môi cùng hút một l−ợng ẩm nh− nhau thì đăc tính điện của điện môi sẽ thay đổi khác nhau. Xét hai chất điện môi cùng đặt trong một môi tr−ờng, trong cùng một thời gian, cùng nhiệt độ thì chúng sẽ hút một l−ợng ẩm khác nhau. Tính hút ẩm của điện môi không bảo giờ đ−ợc quy chuẩn hoá, còn tính hút ẩm của vật liệu đ−ợc đặc tr−ng bởi độ ẩm của vật liệu đó. ϕ ϕp t0 b a Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 26 Nếu đặt vật liệu cách điện trong môi tr−ờng có nhiệt độ và độ ẩm khác với độ ẩm cuẩ vật liều đó thì sau một thời gian vật liệu sẽ có một độ ẩm cân bằng ổn định. Lúc đó độ ẩm của vật liệu điện nhỏ hơn độ ẩm của môi tr−ờng thì sau một thời gian độ ẩm của vật liệu sẽ tăng đến độ ẩm cân bằng ổn định ϕp (đ−ờng b). Ng−ợc lại nếu lúc đầu độ ẩm của vật liệu hớn hơn độ ẩm của môi tr−ờng thì sau một thời gian độ ẩm của vật liệu giảm xuống cân bằng với độ ẩm của môi tr−ờng ϕp (đ−ờng a). 1.2. Tính thấm n−ớc của điện môi (tính hấp thụ) Những điện môi không hút ẩm chúng sẽ tạo ra trên bề mặt của điện môi một màng ẩm, khi đặt điện môi trong môi tr−ờng ẩm, quá trình ng−ng tụ hơi n−ớc để tạo màng ẩm đó ng−ời ta gọi là tính thấm n−ớc của điện môi. Tính thấm n−ớc của điện môi ảnh h−ởng nhiều đến điện dẫn mặt δs của điện môi, cụ thể là làm cho δs tăng. Vậy tính thấm n−ớc phụ thuộc vào tính trạng bề mặt của điện môi, phu thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi tr−ờng. Nếu độ ẩm của môi tr−ờng càng lớn thì độ dày của màng ẩm càng tăng. Để giảm tính thấm n−ớc của điện môi thì ta làm cho bề mặt của điện môi nhẵn và có thể tráng men hoặc bôi lên bề mặt của điện môi rắn một lớp Parafin ngoài ra phải để điện môi rắn ở nơi khô ráo và định kỳ sơn sấy. 2. Đặc tính nhiệt của điện môi 2.1. Tính chịu nhiệt của điện môi Là khả năng chịu đ−ợc nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hoặc lâu dài và khi nhiệt độ thay đổi đột ngột không bị h− hỏng nghĩa là không làm cho tính chất của điện môi xấu. Tiêu chuẩn về tính chịu nhiệt đ−ợc xác định tuỳ theo loại điện moi và công dụng của nó. Dựa vào tính chịu nhiệt của điện môi, ng−ời ta đr phân loại điện môi theo cấp chịu nhiệt và nhiệt độ làm việc cho phép lớn nhất của chúng. Cấp chịu nhiệt Y A E B F H C Nhiệt độ làm việc cho phép lớn nhất 900 1050 1200 1300 1550 1800 >1800 - Cấp Y: Bao gồm vật liệu sợi gôc là xenlulô và tơ (sợi vải, giấy, gỗ) nó ch−a đ−ợc ngâm tẩm vào trong chất cách điện lỏng. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 27 - Cấp A: Bao gồm các loại vật liệu hữu cơ nh− trên nh−ng đr đ−ợc tẩm bằng sơn hoặc ngâm trong chất cách điện lỏng. - Cấp E: Gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và chất liên kết nhiệt cứng. - Cấp B: Gồm các vật liệu vô cơ nh− Mica, amiăng, và sợi thuỷ tinh, đ−ợc dẫn bằng những vật liệu hữu cơ. - Cấp F: Bao gồm micanít, các sản phẩm thuỷ tinh không co chất đệm hoặc có chất đệm vô cơ và dùng chất co tính chịu nhiệt cao để dán. - Cấp H: Bao gồm những chất hữu cơ ở cấp F nh−ng dùng chất silic hữu cơ có tính chịu nhiệt cao để dán và tẩm. - Cấp C: Bao gồm vật liệu thuần tuý vô cơ, không dán hoặc tẩm bằng vật liệu có thành phần hữu cơ. Ví dụ: Ôxyt nhôm, mica, thuỷ tinh, thạch anh, amiăng, micalếch, micanit chịu nhiệt (dán bằng chất vô cơ)... 2.2. Điểm chớp cháy và điểm cháy Điểm chớp cháy là một trong những đặc tính riêng của môi chất lỏng. Điểm chớp cháy của chất lỏng là nhiệt độ mà khi nung nóng chất lỏng tới nhiệt độ đó sẽ làm cho hỗn hợp của hơi chất lỏng với không khí bùng cháy. Khi tiếp xúc với ngọn lửa bé tong thời gian ngắn. Điểm cháy của chất lỏng là nhiệt độ mà khi tiếp xúc với ngọn lửa thì chất lỏng đó bôc cháy. Điểm cháy cao hơn điểm chớp cháy. Đối với dầu MBA thì điểm chớp cháy quy định phải ≥ +1350C, còn điểm cháy là +1650C. 2.3. Độ nhớt Độ nhớt là một đặc tính quan trọng của các chất lỏng. Điện môi lỏng th−ờng dùng để cách điện, để tẩm, ngâm, làm lạnh nên phải có một độ nhớt nhất định. Độ nhớt th−ờng đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp Engter, theo ph−ơng pháp này thì độ nhớt của chất lỏng xác định bằng tỷ số giữa thời gian cháy của 200ml chất lỏng ở nhiệt độ 500C qua một lỗ nhỏ có đ−ờng kính xác định với thời gian chảy của 200ml n−ớc cất ở nhiệt độ 200C cũng qua lỗ nhỏ ấy (vào khoảng 51 ữ 52giây). B A t t =η Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 28 Trong đó: tA là thời gian chảy của 200ml chất lỏng ở 50 0C tB là thời gian chảy của 200ml n−ớc cất ở 20 0C Ví dụ: Dầu MBA có độ nhớt quy định là η = 1,8 Nếu η > 1,8 chứng tỏ dầu đr đặc, có nhiều tạp chất, khó l−u thông, làm lạnh kém. Nếu η < 1,8 thì dầu lỏng quá, dễ bị cháy. 2.4. Nhiệt dẫn của điện môi Nhiệt dẫn của điện môi là khả năng truyền nhiệt của vật liệu từ môi tr−ờng này sang môi tr−ờng khác. Nhiệt dẫn có ảnh h−ởng đến c−ờng độ cách điện của điện môi, nhất là khi có sự phóng điện do nhiệt hoặc khi điện môi chịu sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ. Nhiệt dẫn của điện môi luôn bé hơn hiều so với kim loại. Vật liệu cách điện xốp có nhiệt dẫn bé nhất vì không khí dẫn nhiệt kém, khi đr đ−ợc tẩm thì nhiệt dẫn tăng lên. Vật liệu có kết cấu inh thể có nhiệt dẫn lớn hơn vật liệu có kết cấu vô định hnhf. 2.5. Dãn nở nhiệt Drn nở nhiệt là sự drn nở của vật liệu khi vật liệu đ−ợc gia nhiệt và đ−ợc xcs định bởi hệ số drn nở nhiệt. Hệ số drn nở nhiệt là độ biến thiên t−ơng đối của kích th−ớc vật liệu khi nhiệt độ tăng lên 1 đơn vị. Drn nở nhiệt có liên quan đến tính chịu nhiệt của vật liệu. Vật liệu có hệ số drn nở nhiệt bé thì có tính chịu nhiệt cao và ng−ợc lại. ii. Đặc tính cơ giới của điện môi 1. Sức bền chịu kéo, nén, uốn của vật liệu Khái niêm về sức bền chịu kéo, nén, uốn đr đ−ợc nghiên cứu trong môn Cơ kỹ thuật. Còn đối với vật liệu có kết cấu sợi thì sức bền cơ giới phụ thuộc vào ph−ơng tác dụng của tải trọng. Đối với vật liệu xốp thì sức bền cơ giới phụ thuộc nhiều vào độ ẩm. Đối với một số vật liệu nh− thuỷ tinh, vật liệu gốm và nhiều loại chất dẻo… thì sức bền chịu nén ớn hơn nhiều so với sức bền chịu kéo. θn = 20 000 kg/cm2; θk = 500 kg/cm2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 29 Sức bền cơ giới của nhiều vật liệu còn phụ thuộc vào nhiệt độ, sức bền cơ giới giảm khi nhiệt độ tăng. 2. Độ giòn Vật liệu giòn là vật liệu có khả năng chịu đ−ợc tải trọng tĩnh (tải trọng không hay đổi) và dễ bị h− hỏng khi có tải trọng động (tải trọng thay đổi đột ngột). Để đánh giá khả năng chịu tải trọng của vật liệu ng−ời ta dùng ph−ơng pháp thử “Độ dai va đập”, Độ dai ca đập δvđ của vật liệu đ−ợc xác định bằng tỷ số giữa lực Q làm vỡ mẫu thử với tiết diện ngang S của mẫu bị va đập: S Q vd =δ (kg/cm2) 3. Độ cứng Độ cứng của vật liệu là khả năng lớp bề mặt của vạt liệu chống lại sự biến dạng khi có một lực tác dụng lên bề mặt qua một vật thể có khích th−ớc bé. Độ cứng đ−ợc xác định bằng ph−ơng pháp Brinel Đặt lên mẫu thử một viên bi co đ−ờng kính D, và ép lên đó một lực P, trên mặt vật liệu sẽ có nột vết lõm có độ sâu h thì độ cứng theo ph−ơng pháp Brinel là: hD PTB ..pi = (kg/mm2) III. đặc tính hoá học của điện môi Trong quá trình làm việc lâu dài, vật liệu cách điện trong các cơ cấu điện luôn luôn tiếp xúc với các chất khác nh− kim loại, khí, n−ớc, axit, bazơ… Vì vậy về ph−ơng diện hoá học, điện môi cần đạt đ−ợc những yêu cầu cơ bản sau: - Vật liệu cách điện phải ổn định khi làm việc lâu dài. - Không bị phân huỷ và gây nên các tạp chất khác. - Không ăn òn kim loại khi tiếp xúc với kim loại - Không có tác dụng hoá học lên các môi tr−ờng khác nh− khí, n−ớc, axit, bazơ, dung dịch muối… và trong quá trình làm việc lâu dài không bị ảnh h−ởng của phóng xạ có tia năng l−ợng cao và cần phải ổn định khi chịu tác dụng của những tia đó. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 30 Ch−ơng V: Vật liệu cách điện I. Vật liệu cách điện thể khí 1. Không khí: Không khí đ−ợc sử dụng rất rộng rri để làm cách điện trong các thiết bị điện, hoặc phối hợp với chất cách điện rắn và lỏng nh− không khí xung quanh các sứ cách điện, không khí trên mặt lớp dầu MBA… không khí là chất cách điện chủ yếu giữa các đ−ờng dây trên không. Nh− ta đr biết không khí ở trạng thái trung tính có tính chất cách điện rất tốt. Không khí ở trạng thái tự nhiên, do tác dụng của các nhân tố ion hoá bên ngoài làm sản sinh ra trong không khí các điện tích tự do nên cách điện kém. C−ờng độ cách điện của không khí sẽ tăng nếu chân không của không khí cao, không khí có −u điểm lớn là giá thành rất thấp nh−ng khi bị oxy hoá lại tạo thanh ôzôn, õxyt… những chất này làm ăn mòn rất mạnh những bộ phận bằng kim loại của thiết bị điện và oxy hoá chác chất cách điện hữu cơ làm cho tính chách điện của chúng giảm dần. 2. Khí Êlêgazơ (SP6) và Frêon (CCL2F2): Êlêgazơ và Frêon là hai chất cách điện khí đ−ợc ding nhiều nhất, đặtc biệt là trong các thiết bị Xquang, trong tụ điện nh− nhau và bằng 2.5 lần c−ờng độ cách điện của không khí. Chúng còn là những khí trơ, có tính ổn định hoá học cao, nh−ng khi bị ion hoá thì sinh ra một ít chất hoá học có tác dụng ăn mòn kim loại. Nhiệt độ hoá lỏng của chúng thấp nên cho phép sử dụng chúng ở áp suất cao (20at đối với Êlêgazơ và 6at đối với Frêon). ở áp suất cao thì c−ờng độ cách điện của chúng đ−ợc tăng lên rất nhiều. - Nh−ợc điểm: giá thành rất cao. 3. Khí Hyđrô (H2) Khí Hyđrô rất nhẹ và có hệ số tản nhiệt lớn nên hay đ−ợc dùng để làm lạnh máy điện thay cho không khí, mặt khác dùng Hyđrô để làm lạnh sẽ giả đ−ợc tổn hao công suất do ma sát giữ rôto với khí (vì tổn hao này tỷ lệ với mật độ của khí) và do đó nâng cao đ−ợc hiệu suất của máy điện. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 31 Ngoài ra khi dùng khí Hyđrô để làm lạnh máy điện, vì không có oxy nên sẽ làm giả tốc độ già cỗi của vật liệu cách điện hữu cơ và khử đ−ợc sự cố chát cuộn gây khi có ngắn mạch bên trong máy điện. Nh−ợc điểm của việc sử dụng khí Hyđrô để làm lạnh máy điện là phải bọc kín máy điện, phải giữ cho áp suất của khí Hyđrô trong áy điện cao hơn áp suất khí quyển để cho không khí không lọt vào chống chát nổ gây ra tai nạn. II. Vật liệu cách điện thể lỏng (Dầu mỏ cách điện và điện môi lỏng tổng hợp) 1. Dầu mỏ cách điện Dầu mỏ cách điện là vật liệu cách điện hữu cơ th−ờng dùng Dầu mỏ đ−ợc lấy từ mỏ dầu sau khi qua các biện pháp lọc khử n−ớc, bùn và các biện pháp tinh luyện t−ơng đối phức tạp thì sữ đ−ợc một loại dầu tốt và có nhiều công dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện và công nghệ điện. Thành phần củ yếu của dầu mỏ là các nguyên tố cácbon (C) và Hyđrô (H2). C chiếm 85 ữ 87%, H2 chiếm 11 ữ 14% ngoài ra còn có một số chất khác. * Dầu MBA a) Công dụng: Dầu MBA đ−ợc ding trong MBA với mục đích: − Lấp kín các lỗ xốp của vật liệu cách điện sợi, lấp kín các khoảng trống giữa các cuộn dây với vỏ để là tăng khả năng cách điện của các vật liệu đó. − Làm lạnh các cuộn dây và lõi từ của MBA. − ở trong các máy điện, dầu MBA có tác dụng dập tắt hồ quang khi cắt điện. Khi có hồ quang Dầu MBA sẽ bị phân hoá thành khí Mêtan, hyđrô với áp lực cao thổi tắt hồ quang. b) Các đặc tính quan trọng của Dầu MBA - Độ nhớt: Độ nhớt của Dầu MBA đ−ợc quy định: η = 1.8 E (độ lingler) Nếu độ nhớt quá lớn thì tác dụng làm lạnh sẽ kém. - Điểm chợp cháy: Đối với Dầu MBA đ−ợc quy định là ≥ +1350C (điểm cháy là +1650C). - Tổn hao điện môi: Với tần số 50 Hz thì: ở 200 quy định tgδ <0.003 ở 700 quy định tgδ <0.025 - C−ờng độ cách điện: Là một đặc tính rất quan trọng của dầu MBA, c−ờng độ cách điện của dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− n−ớc, tạp chất, nhiệt độ, áp suất… Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 32 Tiêu chuẩn về c−ờng độ cách điện của Dầu MBA theo bảng sau: C−ờng độ cách điện KV/2.5mm (Không nhỏ hơn) Cấp điện áp (KV) Dầu mới Dầu cũ ≤ 6 25 20 10 ữ 35 30 25 110 ữ 220 40 35 330; cao hơn 50 45 c) Sự già cỗi của dầu BMA Trong quá trình vận hành dầu th−ờng bị xấu đi, chất l−ợng của dầu th−ờng bị giả dần, đó là sự già cỗi của dầu. Khi dầu bị già cỗi thì trong dầu hình thành nhiều keo nhựa, hắc ín làm cho dầu có màu tối và đặc. Sự tản nhiệt của dầu kém. độ axit của dầu càng tăng lên và tính chất cách điện của dầu bị giảm. Tôc độ già cỗi của dầu sẽ tăng nhanh khi: − Có tạp chất trong dầu do quá trình tinh luyện không khử hết hoặc trong quá trình vận hành để lọt vào. − Dầu bị oxy hoá, trong dầu có cácbua nên khi tiếp xúc với khôngkhí nhất là tiếp xúc với ozon sẽ bị oxy hoá mạnh. Quá trình oxy hoá đ−ợc đẩy mạnh khi dầu ở nhiệt độ cao. − Có các phản ứng hoá học khi dầu tiếp xúc với kim loai Cu, Fe, Pb… và vài chất khác có tác dụng nh− chất xúc tác của sự già cỗi. − Dầu chịu tác dụng của ánh sáng. d) Tái sinh dầu MBA Khi dầu bị già cỗi, muốn sử dụng lại đ−ợc phải tái sinh lại dầu nghĩa là phải khử các sản phẩm làm dầu bị già cỗi, khôi phục lại các tính chất ban đầu, khôi phục lại các tính chất ban đầu của dầu bằng các ph−ơng pháp lọc. * Khử tạp chất bằng ph−ơng pháp lọc: − Dùng máy đun: Đem dầu đun lên đến 1000C, n−ớc sẽ bị bốc hơi bay ra, ph−ơng pháp này chỉ khử đ−ợc n−ớc và th−ờng ding ở những trạ phát điện nhỏ ch−a có thiết bị hoàn thiện. − Dùng máy ly tâm: Máy này làm cho dầu quay với tốc độ lớn (6000 ữ 10000 vòng/phút). D−ới tác dụng của lực ly tâm các tạp chất cơ giới sẽ văng ra. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 33 Ph−ơng pháp này làm sạch nhanh nhất là với máy ly tâm chân không, trong quá trình lọc không khí không lọt vào đ−ợc nên không bị oxy hoá. − Dùng máy lọc ép: Dùng máy bơm để ép dầu đi qua các lớp giấy lọc, tạp chất sẽ bị các lớp giấy lọc giữ lại. Ph−ơng pháp này có thể lọc đ−ợc cả n−ớc và tạp chất rắn và lọc đ−ợc cả những hạt bụi rất nhỏ, nh−ng khi lọc các thớ của giấy lọc có thể rơi vào dầu. Do đó th−ờng dùng phối hợp cả hai ph−ơng pháp dùng máy ly tâm và máy lọc ép sẽ đạt kết quả tốt. * Khử tạp chất bằng ph−ơng pháp hấp thụ: Ph−ơng pháp hấp thụ là ph−ơng pháp dùng các hỗn hợp hoặc các chất hấp thụ để hết các tạp chất hoà tan trong dầu. Ng−ời ta có thể tiến hành hấp thụ các hoạt chất hoà tan trong dầu bằng các biện pháp sau: − Hấp thụ tiếp xúc: Tr−ớc hết đun nóng dầu để làm giảm độ nhớt của dầu, sau đó khuấy trộn dầu với các hợp chất hấp thụ đr nghiền nhỏ, các hỗn hợp hấp thụ tiếp xúc với dầu hút tạp chất và lắng xuống. − Hấp thụ thấm lọc: Cho dầu đr đun nóng qua một lớp hỗn hợp hấp thụ dầy, tạp chất sẽ bị lớp hấp thụ giữ lại. − Hấp thụ th−ờng xuyên: Ph−ơng pháp này ding ở những MBA có công suất lớn. Trong quá trình vận hành thì dầu nóng nên l−u thông qua chất hấp thụ, ph−ơng pháp này hạn chế sự già cỗi của dầu. Chú ý: Trong ph−ơng pháp hấp thụ này muốn khử đ−ợc các tạp chất hoà tan trong dầu thì phải lọc và khử hết các tạp chất cơ giới. 2. Điện môi lỏng tổng hợp Đối với các loại dầu mỏ có những −u điểm là: Rẻ tiền, sản xuất đ−ợc nhiều, nếu làm sạch tốt thì tổn hao tgδ bé và c−ờng độ cách điện cao. Nh−ng khuyết điểm của dầu mỏ là dễ chát, dễ nổ, ít ổn định hoá học khi có nhiệt độ cao và khi tiếp xúc với không khí, hệ số điện môi bé, phạm vi làm việc bị gới hạn bởi nhiệt đọ gây nên sự già cỗi và khi có điện tr−ờng tác dụng. Vì vậy ng−ời ta đr nghiên cứu các loại dầu tổng hợp có một số đặc tính tốt hơn dầu mỏ. Nguyên tắc để tạo ra dầu tổng hợp là sự clo hoá các loại cácbua hyđrô. 2.1. Dầu Xôvôn C12H5Cl5: Thay 5 nguyên tử Hyđrô trong cacbuahyđrô diphenyl C12H5 bằng 5 nguyên tử Clo. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 34 Dầu Xôvôn là một chất lỏng, có đặc tính nhiệt là làm việc ở nhiệt dộ cao hơn so với dầu MBA và dầu Xôvôn trong suốt không màu. Trong điện tr−ờng lớn, dầu Xôvôn ổn định hơn dầu mỏ và không bị cháy. Nh−ng nh−ợc điểm của dầu Xôvôn là: Độ nhớt lớn, và làm lạnh kém và đắt hơn dầu mỏ nhiều nên ít dùng trong MBA. Công dụng: Dùng tẩm giấy các tụ điện dùng trong động học. 2.2. Dầu xốp tôn (C6H3Cl3) Do sự Clo hoá Benzen (C6H6) mà ta có. Thay 3 nguyên tử Hyđrô bằng 3 nguyên tử Clo ng−ời ta đ−ợc dầu Xốptôn, dầu này không cháy nh−ng không ding đ−ợc trong máy cắt điện vì chúng sinh nhiều cặn và ăn mòn kim loại, mặt khac chúng là chất độc đối với ng−ời nên cần chú ý khi sử dụng. Ngoài các loại dầu mỏ và dầu tổng hợp th−ờng gặp nói trên thì còn có một số loại dầu thực vật lấy từ hạy của một số cây nh−: Dầu gai, dầu thầu dầu… 3. Dầu gai và dầu thầu dầu: 3.1. Dầu gai (dầu khô) Khi chịu tác dụng của nhiệt, ánh sáng và khi tiếp xúc với không khí thì dầu khô lại và trở thành một lớp rắn gắn chặt vào các chi tiết khác và nó có c−ờng độ cách điện cao, lớp dầu khô chịu đ−ợc cả tác dụng củ dầu mỏ ngay cả khi ở nhiệt độ cao nh−ng ít chịu đ−ợc tác dụng của cácbua thơm nh− Benzen. 3.2. Dầu thực vật Dầu này khô rất chậm. Hoặc không khô nên không có sự gia công hoá học. Vì vậy nó đ−ợc dùng làm điện môi lỏng (tẩm giấy tụ điện). Dầu thầu dầu không hoà tan trong Benzen, ét xăng, r−ợu etylen. ở 200 độ bền là 15 ữ 20 Kv/mm; tgδ = 0.01 ữ 0.03; ε = 4 ữ 4.5. III. Vật liệu cách điện rắn hữu cơ 1. Nhựa cách điện Nhựa là một nhóm vật liệu có gốc khác nhau và tính chất phụ thuộc vào thành phần hoá học của chúng. Nhựa là một hỗn hợp phức tạp của các loại cao phân tử hữu cơ có độ trùng hợp khác nhau. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 35 ở nhiệt độ thấp, nhựa là một khối vô định hình, có dạng thuỷ tinh và hơi dòn. ở nhiệt độ cao và nếu giữ nhiệt độ trong thời gian dài thì bị mềm, dẻo và nếu ở nhiệt độ cao hơn nữa thì hoá lỏng. Nhựa dùng trong kỹ thuật điện (KTĐ) là loại không hoà tan trong n−ớc, ít hút ẩm nh−ng dễ hoà tan trong các dung môi hữu cơ t−ơng ứng. Nhựa có tính chất dính, khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn thì bám chặt vào vật liệu mà nó tiếp xúc. Nhựa trong KTĐ đ−ợc dùng nhiều dể chế tạo sơn, hỗn hợ cách điện, kéo thành sợi. Tuỳ theo nguồn gốc mà ta có thể chia nhựa ra làm hai loại: - Nhựa thiên nhiên (nhựa tự nhiên) - Nhựa nhân tạo. 1.1. Nhựa thiên nhiên Là nhựa có nguồn gốc từ động vật hay thực vật. a) Nhựa cánh kiến Là một loại nhựa do một loại côn trùng sống ở vùng nhiệt đới (Đông nam á) sinh ra. Nó là nhữn vẩy mỏng, dòn, màu nâu hay hơi đỏ. Thành phần cơ bản của cánh kiến là các axit hữu cơ có kết cấu phức tạp, dễ tan trong r−ợu nh−ng không hoà tan trong Cacbua hyđrô. Các đặc tính điện của cánh kiến nh− sau: Điện trở suất ρ = 1015 ữ 1016 Ωcm; ε = 3.5; tgδ = 0.01; ECT = 20 ữ 30 KV/mm. ở nhiệt độ 50 ữ 600 C thì dẻo, dễ uốn, trên 600C thì mềm và chảy. Nh−ng nếu tiếp tục nung nóng nữa thì nó dẽ động lại vf mất tính chất hoà tan. Cánh kiến trong lĩnh vực cách điện đ−ợc dùng để chế tạo sơn dầu đặc biệt là dùng để chế tạo micanít. b) Nhựa thông Là loại nhựa dòn có màu vàng hay nâu đen, đ−ợc chế tạo bằng cách ch−ng cắt dầu thông. Thành phần cơ bản của nhựa thông là axit hữu cơ. Nhựa thông có thể hoà tan trong nhiều dung môi nh− dầu mỏ nhất là khi đun nóng các loại Cacbua hyđrô, r−ợu, dầu thảo mộc... Đặc tính của nhựa thông: ρ = 1014 ữ 1015 Ωcm; ECT = 10 ữ 15 KV/mm. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 36 Vì loại vật liệu có đặc tính nên trị số ε và tgδ của nó phụ thuộc vào t0. Nhiệt độ mềm của nhựa thông khoảng 50 ữ 700 C Công dụng: Nhựa thông pha với dầu mỏ đê tạo ra hỗn hợp dùng để tẩm và ngâm cáp, dùng làm sơn dầu cách điện. 1.2. Nhựa nhân tạo a) Nhựa có tổn hao điện môi bé (nhựa trung tính) Bao gồm những vật liệu trùng hợp có những tính chất sau: − tgδ bé − Thuộc loại dẻo, độ mềm phụ thuộc vào kết cấu và mật độ phân tử của chúng. − ít hút ẩm. − Đàn hồi − Chịu đ−ợc tác dụng của axit, bazơ. Nhờ đặc tính tổn hao điện môi bé nên các loại vật liệu này đ−ợc dùng nhiều trong kỹ thuật cao tần nh− dùng làm cách điện của cáp cao tần, của các thiết bị vô tuyến truyền hình, vô tuyến định vị, cáp thông tin, gần đây một số loại đr đ−ợc dùng làm cách điện của cáp điện lực (nh− polyetylen) hoặc dùng làm hỗn hợp cách điện, dạng keo, sơn (nh− polyezô, butylen, polystyrôn). * Nhựa Polyetylen: Dẻo, dễ uốn ở nhiệt độ thấp, chịu đ−ợc tác dụng của axit, bazơ. Có công dụng: Vì nó có tổn hao nhỏ do đó đ−ợc dùng trong cách điện cáp cao tần. * Nhựa Polyezo butylen: Giống ca su, rất dính, có tính chịu lạnh tốt, ở nhiệt độ (0 ữ 800C) nó vẫn dẻo, có độ bền hoá học, độ hút ẩm nhỏ, khi làm cách điện ng−ời ta tăng thêm một số chất để nó cứng hơn và dùng để bọc cáp cao tần, để chế tạo hỗn hợp cách điện và keo, ngoài ra gần đây còn dùng để bọc cáp thay chì và nhôm. * Nhựa Poly styron. Là một loại nhựa trong suốt gần giống thuỷ tinh, ở nhiệt độ thấp thì khá dòn và chịu nhiệt độ kém, hút ẩm ít, đ−ợc dùng làm điện môi trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, làm vỏ bọc các cuộn dây. b) Nhựa có tổn hao điện môi lớn (nhựa cực tính) − Có kết cấu cực tính. − C−ờng độ cách điện thấp hơn so với loại trung tính. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 37 − tgδ lớn. * Polyelovinit: Dùng làm cách điện của dây điện thoại, day dẫn, làm vỏ bọc cáp, bỏ bình ắc quy, chế tạo sơn. * Polymetyl meterilat: Trong suốt không có màu nên có khi còn gọi là thuỷ tinh hữu cơ, dùng trong công nghiệp chế tạo máy bay. Trong kỹ thuật điện nhờ tính linh hoạt khi tiếp xúc với hồ quang loại này sinh ra nhiều loại khí nh−: CO; H2, SO2... có thể dập tắt hồ quang nên đ−ợc dùng để chế tạo các thiết bị chống sét và các thiết bị cần dập hồ quang khác. * Nhựa Fenol – Fomandehit Tuỳ theo hàm l−ợng Fenol – Fomandehit mà ta có Bakenit hoặ Novolắc. Bakenit đ−ợc dùng để tẩm gỗ và chế tạo các chất dẻo, vải tẩm nhựavà giấy. Novolắc: th−ờng dùng để chế tạo các chất dẻo. * Epocxit: Th−ờng dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện tạo sơn keo và các loại chất dẻo. 1.3. Bitum Bitum là một loại vạt liệu thuộc nhóm vô định hình có cực tính, thành phần của nó gồm có Cacbua hyđrô, oxy và l−u huỳnh. Bitum có màu nâu hoặc đen, ở nhiệt độ thấp thì dòn, khi vỡ có hình xoắn ốc, rất ít hút ẩm, không hoà tan trong n−ớc và r−ợu nh−ng hoà tan trong dầu. Tuỳ theo nguồn gốc mà ng−ời ta chia Bitum làm hai loại: − Loại tự nhiên gọi là Alfan: loại này th−ờng có những tạp chất khoáng sản. − Loại nhân tạo: Đ−ợc ch−ng cất từ dầu mỏ mà có thể dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện, dùng để sơn, tẩm. 2. Vật liệu sợi Vật liệu sợi đ−ợc dùng nhiều trong lĩnh vực KTĐ và vô tuyến điện. Vật liệu sợi đ−ợc chia ra làm hai nhóm: − Vật liệu sợi hữu cơ − Vật liệu sợi vô cơ nh− amiăng, sợi thuỷ tinh. * Vật liệu sợi hữu cơ Nguyên liệu là các loại thực vật nh− gỗ, giấy bông, sợi; động vật nh− tơi tằm, gần đây ng−ời ta còn dùng vật liệu sợi có gốc là vật liệu tổng hợp. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 38 Đặc điểm của vật liệu sợi hữu cơ là rất xốp, hút ẩm mạnh nên tính chất điện không cao. Để nâng cao c−ờng độ cách điện thì phải dùng biện pháp sấy và tẩm, biện pháp này không hoàn toàn làm mất đặc tính hút ẩm và các lỗ nhỏ trong vật liệu rất bé th−ờng khoảng 10-8cm, do đó sơn và prafin không lấp đ−ợc hết các lỗ đó nên n−ớc vẫn lọt vào đ−ợc. Tuy vậy biện pháp tẩm còn có tác dụng nâng cao tính dẫn nhiệt và giả khả năng ion hoá không khí trong lỗ xốp và nâng cao đ−ợc độ bền cơ giới của vật liệu. Sau đây ta xét một số loại vật liều sợi th−ờng dùng: 2.1. Gỗ Đặc điểm riêng của nó phụ thuộc vào các yếu tố là tuổi thọ, loại gỗ, vị trí nơi mọc, gỗ có độ bền cơ giới cao, ứng suất kéo δk = (700 ữ 1300 kg/cm2) - Nh−ợc điểm: hút ẩm mạnh nên c−ờng độ cách điện giảm và làm cho gỗ dễ cong, dễ mục và dễ cháy. Để nâng cao c−ờng độ cách điện của dỗ ng−ời ta th−ờng sơn tẩm gỗ bằng prafin hoặc dầu gai. Sau khi sơn tẩm thì tính hút ẩm giảm, c−ờng độ cách điện tăng và chống mục. Công dụng: Chế tạo các tay cầm của bộ phận truyền động trong dao cách ly và máy cắt dầu, làm giá đỡ cho các chi tiết dùng để chêm trong MBA và máy phát điện 2.2. Giấy Là loại vật liệu có sợi ngắn, thành phần chủ yếu là Xenlulo. Muốn lấy Xenlulo thuần tuý từ trong gỗ ra để làm giấy cách điện phải qua phản ứng hoá học với bazơ để khử tạp chất làm giảm tính dẫn điện của giấy. Các loại giấy cách điện gồm có: + Giấy cáp: Loại này th−ờng có độ dày 0,08; 0,12; 0,77, và đ−ợc dùng làm cách điện trong cáp điện lực, cáp kiểm tra, giấy cáp có các đặc điểm sau: - Sức bền cơ giới cao (dai xoắn không rách) - C−ờng độ cách điện lúc ch−a tẩm khoảng 8 ữ 10Kv/mm. Sau khi tẩm bằng hỗ hợp dầu, nhựa thông thì đạt tới 70 ữ 80 Kv/mm. + Giấy tụ điện: Dùng để làm điện môi trong tụ điện giấy, có chiều dày 0,002 ữ 0,007mm, c−ờng độ chọc thủng cách điện lúc ch−a tẩm 35 ữ 40 Kv/mm. Để tụ điện đ−ợc an toàn với c−ờng độ điện tr−ờng cao thì giấy tụ điện phải rất đồng nhất và không có tạp chất. Giá thành loại giấy này rất cao. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 39 2.3. Cát tông Dùng trong KTĐ và đ−ợc chế tạo từ sợi thực vật nh− giấy nh−ng có độ dày lớn và có hai loại nh− sau: Loại dùng trong dầu: có cấu trúc xốp, mềm hơn, dùng chủ yếu trong MBA, có độ dày 2,5 ữ 3mm và có c−ờng độ chọc thủng cách điện ECT > 7,5 Kv/mm. 2.4. Vật liệu dệt Dùng trong cách điện có gốc là Xenlulo, có độ bền hơn giấy, khi độ ẩm tăng thì c−ờng độ cách điện giảm nhanh hơn giấy (vì có rất nhiều lỗ nhỏ). Vật liệu dệt bao gồm những loại sau: a) Bó sợi (do nhiều sợi vải se lại) Sợi dùng chế tạo bó sợi co sthể là sợi thực vật nh− bông, sợi động vật nh− tơ tằm hoặc các sợi tổng hợp. Loại này th−ờng dùng cách điện cho dây dẫn. b) Băng vải Th−ờng dùng d−ới dạng tẩm sơn và đ−ợc dùng để cách điện chủ yếu trong các máy điện và chống va chạm cơ giới cho cuộn dây máy điện. c) Tơ tự nhiên và tơ nhân tạo - Tơ tự nhiên lấy từ kén tằm, sợi tơ có đ−ờng kính hiệu dụng 0,01 ữ 0,015 mm, với tơ này thì lớp cách điện sẽ mỏng hơn vải, chịu đ−ợc tác dụng của ẩm, c−ờng độ cơ giới cao và đẹp hơn vải nh−ng vì đắt tiền nên rất ít dùng. - Tơ nhân tạo: Gồm có tơ Visco và tơ Axetat: loại này dễ dàng hoà tan trong các dung môi thích hợp, tơ Visco có tính chất điện kém hơn cả vải, còn tơ Axetat thì lại tốt hơn cả tơ tự nhiên. d) Vải sơn: Dùng làm cách điện đ−ợc chế tạo từ vải bông hay bằng lụa đr đ−ợc tẩm bằng sơn dầu hay sơn bitum. Vải có tác dụng vè sức bền còn sơn thì nâng cao c−ờng độ chọc thủng cách điện. - Nếu dùng sơn dầu thì vải sơn có: ECT = 30 Kv/mm (sợi bông) ECT = 50 KV/mm (đối với sợi tơ) Nếu tẩm bằng sơn Bitum thì ECT = 70 ữ 90Kv/mm vải. 3. Cao su Đặc điểm: Cao su có tầm quan trọng trong lĩnh vực KTĐ và đời sống, có tính đàn hồi rất cao, ít thấm n−ớc. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 40 Cao su tự nhiên do ng−ng tụ từ mủ cấy cao su và khử tạp chất mà có. Loại này nếu nng đến 500 thì mềm và trở nên dính, ở nhiệt độ thấp thì dòn vì vậy không đ−ợc dùng để chế tạo cách điện. Còn cao su dùng trong công nghiệp là cao su tự nhiên đr đ−ợc l−u hoá nghĩa là cao su tự nhiên đ−ợc đun nóng và cho thêm l−u huỳnh vào. Khi đ−ợc l−u hoá cao su sẽ có tính chịu nhiệt và tính chịu lạnh cao, sức bền cơ giới và chịu đ−ợc tác dụng của các dung môi. Tuỳ theo tỷ lệ l−u huỳnh trong cao su mà có các loại cao su khác nhau. 3.1. Cao su mềm Có tỷ lệ l−u huỳnh từ 1 ữ 3%, còn gọi là Renzin. Loại này có tính đàn hồi và độ drn cao. Khuyết điểm của Renzin là tính chịu nhiệt thấp (khi nung nó thì già và trở nên dòn và nứt), ít chịu tác dụng của dầu mỡ, benzen, ít chịu đ−ợc tác dụng của ánh sáng đặc biệt là tia cực tím vì nó già nhanh, ít chịu đ−ợc tác dụng của ozon nhất là khi làm việc ở trạng thái căng (chống già). Khi tiếp xúc với đồng thì ăn mòn đồng sinh ra Sunfua đồng. Gần đây ng−ời ta đr chế tạo ra loại cao su mềm có tính chịu nhiệt rất cao và có thể cho tiếp xúc với đồng bằng cách trong quá trình l−u hoá không dùng l−u huỳnh thuần tuý mà có pha thêm một số chất khác. Trong công nghiệp điện Renzin đ−ợc dùng làm cách điện trong cáp, dây dẫn, chế tạo các dụng cụ an toàn nh− găng tay, ủng cách điện, thảm cách điện. 3.2. Cao su cứng (Êbonit) Là loại cao su trong đó có 30 ữ 35% là l−u huỳnh. Êbônit là loại vật liệu rắn có khả năng chịu đ−ợc tải trọng xung. Ngoài ra cao su tự nhiên còn có các loại cao su tổng hợp nh−: - Cao su Butadien dùng làm điện môi cao tần. - Cao su Coropen có tính chất cách điện không cao, không chịu đ−ợc dầu, ozon nên chỉ dùng làm vỏ bảo vệ của cáp. IV. Sơn Sơn là một dung dịch keo bao gồm nhựa, bitum, dầu khô và các chất t−ơng tự tạo nên. Đặc điểm: Sau khi xấy khô thì các dung môi bay hơi (dung môi hoà tan các chất trên) còn có gốc sơn sẽ chuyển sang trạng thái rắn tạo thành một màng sơn. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 41 Căn cứ vào công dụng ng−ời ta chia thành 3 loại sơn: 1. Sơn tẩm Dùng để tẩm các loại vật liệu cách điện rắng, xốp hay sợi (vải, gỗ, giấy, cách điện cuộn dây MBA). Sau khi tẩm sơn sẽ lấp kín các lỗ xốp nên nâng cao đ−ợc c−ờng độ cách điên, giảm tính hút ẩm, nang cao đ−ợc sức bền cơ giới và tăng nhiệt dẫn của vật liệu cách điện. 2. Sơn bảo vệ (sơn bọc) Loại này dùng để chế tạo ra một lớp màng sơn chắc, láng bóng phủ lên bề mặt vật liệu sau khi đr đ−ợc tẩm nằm tiếp tục nâng cao điện trở suất mặt PS và Utd mặt ngoài tăng dẫn đến tính hút ẩm giảm và giảm đ−ợc tính bám bụi, đồng thời làm cho bề mặt ngoài đẹp hơn. Trong loại sơn bảo vệ có các loại sau: − Sơn men có màu: Là những loại sơn trong đó các chất sắc tố (th−ờng là các ôxyt kim loại) làm cho sơn có màu, tăng c−ờng độ cơi giới và tính dẫn nhiệt. − Sơn men bảo vệ kim loại: Đ−ợc dùng để quét lên các lá thép dùng làm gông từ trong máy điện, MBA đê cách điện và chống ăn mòn. − Sơn men bán dẫn: Đ−ợc dùng trong các bộ dây của máy điện có điện áp cao nhằm làm cho điện tr−ờng phân bố đều hơn dọc bó dây nhất là những chỗ bẻ góc của các bối dây. 3. Sơn dán Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn với nhau (nh− khi chế tạo micanit) hoặc dán vật cách điện rắn với kim loại. Sơn này có tính chất cách điện cao, hút ẩm ít cà có độ dính cao. V. điện môi sáp và hỗn hợp cách điện 1. Điện môi sáp Đ−ợc dùng trong kỹ thuật điện vô tuyến điện, có màu trắng hoặc vàng t−ơi, nó là một chất cách điện rắn, dễ nóng chảy và dễ cháy, có kết cấu mạng tinh thể, độ bền cơ thấp, ít hút ẩm, khi đông đặc thì co lại khá nhiều. 1.1.Parafin Thuộc loại vật liệu trung tính có kết cấu tinh tể, nhiệt độ nóng chảy là 520C còn ở nhiệt độ bình th−ờng thì ổn định về hoá học. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 42 ở nhiệt độ cao dễ bị ôxy hoá, không hoà tan trong n−ớc và r−ợu, nh−ng hoà tan tan cacbua hyđrô lỏng và đ−ợc dùng dể tẩm giấy tụ điện, cáp và một số vật liệu Xenlulô. 1.2. Xêrêzin Thuộc loại vật liệu trung tính có kết cấu tinh thể, ở nhiệt độ nóng chảy là 750C, có trị số điện trở suất lớn hơn điện trở suất của Parafin, có hệ số điện môi ε ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn so với Parafin. 1.3. Vazelin ở nhiệt độ bình th−ờng là một chất nửa lỏng, là một hỗn hợp của Cacbua hyđrô lỏng và rắn. Dùng để tẩm giấy tự nhiên. 2. Hỗn hợp cách điện Hỗn hợp cách điện là một hợp của các vật liệu điện cách điện khác nhau nh− BItum, sáp, Xenlulô. Khi đun đến nhiệt độ cao sẽ chuyển sang trạng thái lỏng và khi để nguội thì đông lại. Để nâng cao tính chất của hỗn hợp cách điện này ng−ời ta thêm vào hỗn hợp những chất phụ nh− bột thạch anh, bột đá tan. Theo công dụng chia hỗn hợp ra thành 2 loại sau: 2.1. Loại để tẩm Để nâng cao c−ờng độ chọc thủng cách điện của một số vật liệu có tính hút ẩm cao, ng−ời ta th−ờng dùng Bitum có nhiệt độ mềm cao để chế tạo hỗn hợp. Dùng để tẩm các cuộn dây Stato của máy phát điện (không dùng tẩm cuộn Rôto). Dầu mỏ có pha thêm nhựa thông hoặc các loại nhựa tổnghợp khac đ−ợc dùng để đổ vào các đầu cáp hoặc chỗ nối cáp để bảo vệ cho cách điện không bị ẩm để nâng cao điện áp phóng điện giữa ruột với vỏ cáp bảo vệ chỗ nối không bị h− hỏng cơ giới. 2.2. Loại để ngâm Để lấp kín các khe hở giữa các chi tiết kách nhau trong thiết bị điện để nâng cao điện áp phóng điện. Tăng khả năng cần nhiệt và tăng khả năng chống ẩm. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 43 V. Vật liệu cách điện rắn vô cơ thUỷ tinh – vật liệu gốm – mi ca Vật liệu cách điện (VLCĐ) rắn vô cơ gồm có: Gốm, thuỷ tinh, mica. VLCĐ rắn vô cơ có một vị trí quan trọng trong công nghiệp điện và vô tuyến điện. VLCĐ rắn vô cơ có các đặc tính sau: − Chịu nhiệt độ cao, khó cháy − Phần lớn không hút ẩm − Có đặc tính điện và cơ giới tốt, ổn định − Chịu đ−ợc tác dụng của môi tr−ờng, có hoạt tính cao, ít bị già cỗi và chịu đ−ợc tác dụng của bức xạ có năng l−ợng cao. − Là nguyên liệu rẻ tiền. 1. Vật liệu gốm Là vật liệu vô cơ dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng khác nhau. Tr−ớc kia gốm đ−ợc chế tạo chủ yếu là đất sét, khi hoìa với n−ớc thành một chất dẻo cho vào khuôn thì đ−ợc các chi tiết khác nhau sau đó nung cứng. Hiện nay vật kiều gốm có hàm l−ợng đất sét rất ít hoặc không có đất sét, thành phần chủ yếu của nó là thạch anh, cao lanh, tinh thạch. Để chế tạo sứ thì đem thạch anh, cao lanh, tinh thạch nghiền nhỏ sau đo khử hết tạp chất trộng với n−ớc để tạo thành một chất dẻo, sau đó khử hết n−ớc rồi cho chất dẻo đó vào khuôn để có các chi tiết, mang các chi tiết đi tráng mem và nung cứng. Sau khi nung có các đặc điểm sau: δN = 4000 ữ 6000 kg/cm2; δN = 350 ữ 500 kg/cm2; ρ = 104 ữ 105 Ωcm Hệ số điện môi ε = 6 ữ 7; Tang của góc tổn hao điện môi tgδ = 0,015 ữ 0,02 ít dòn hơn và chịu đ−ợc nhiều tác dụng của các nhân tố hoá học. C−ờng độ điện tr−ờng chọc thủng cách điện ECT = 10 ữ 35 KV/mm. Nhờ có lớp mem bên ngoài nhẫn bóng nên giảm đ−ợc tính hút ẩm của sứ làm cho sứ có thể chịu đ−ợc ẩm của không khí nâng cao đ−ợc điện áp phóng điện mặt ngoài và hạn chế đ−ợc dòng dò. Công dụng: Làm cách điện cho đ−ờng dây (nh− sứ đỡ , sứ treo), sứ dùng trong trạm (sứ đỡ, sứ xuyên) và thiết bị chống sét. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 44 2. Thuỷ tinh Thuỷ tinh là loại vật liệu vô định hình, thành phần của thuỷ tinh là một hỗn hợp phức tạp của các loại ôxit, trong đó chủ yếu là SiO2 Dựa vào công dụng thì có các loại thuỷ tinh sau: a) Thuỷ tinh tụ điện Dùng làm môi chất trong tụ điện, dùng trong các bộ lọc cao thế. Trong các máy phát sóng điện áp và dòng điện xung kích loại này cần có ε l;ớn, c−ờng độ cách điện cao và góc tổn hao nhỏ. b) Thuỷ tinh dùng trong các thiết bị điện Dùng để chế tạo các chi tiết định hình, sứ cách điện, các chi tiết trong dụng cụ đo l−ờng, loại này cần có tính chịu nhiệt cao, đặc biệt khi có sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ và c−ờng độ điện tr−ờng. c) Thuỷ tinh làm đèn Dùng làm bóng đèn và trong các dụng cụ điện tử, loại này yêu cầu phải hàn đ−ợc với kim loại (Vonfram,Molipden) yêu cầu phải chú ý đến hệ số drn nở. d) Men thuỷ tinh Là loại thuỷ tinh dễ cháy, dùng để bọc các sản phẩm. e) Sợi thuỷ tinh Thuỷ tinh đ−ợc kéo hình thành sợi mềm để chế tạo vật liệu dệt nh− vải bằng thuỷ tinh, ứng dụng làm cách điện cho cuộn dây của Máy phát điện. 3. Mica Là loại vật liệu cách điện vô cơ thuộc loại khoáng sản (gốc là quặng) có một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện. Mica có đặc tính tôt nh−: c−ờng độ cơ giới và c−ờng độ cách điện cao, độ uốn lớn, chịu đ−ợc nhiệt và chịu ẩ do đó Mica đ−ợc dùng làm cách điện trong thiết bị quan trọng, đặc biệt là làm cách điện các Máy điện có điện áp cao, công suất lớn và làm điện mooi của tụ đện. Dựa vào thành phần hoá học ng−ời ta chia mica ra làm hai loại sau: a) Mica Mutscovit Thành phần hoá học (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) có màu trắng, hơi đỏ hoặc hơi xanh có độ bền cơ cao dễ uốn và co drn tốt, điện trở suất ρ = 104 ữ 106 Ωm. Hệ số điện môi ε = 7, tgδ = 150.10-4. Tính chịu nhiệt ở 100ữ1500C, tính chịu nhiệt và cơ giới không đổi từ 500 ữ 6000C thì hơi n−ớc trong Mica bốc hơi, Mica phóng lwn c−ờng độ cách điện và cơ giới sẽ bị giảm. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 45 Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì kết cấu tinh thể Mica bị phá huỷ dần, khi t0 = 1250ữ13000C thì Mica bị bốc cháy. Công dụng: Làm cách điện trong các vành góp điện và làm điện môi trong các tụ điện, làm cách điện cho các máy điện có công suất lớn và điện áp cao. b) Mica Flôgpít (Mica hổ phách) Tthành phần hoá học (K2O.6MgO.Al2O3.6SiO2.2H2O) Có màu đen hay đen nâu, đặc tính về điện thấp hơn so với loại trên, điện trở suất ρ = 1013 ữ 1014Ωcm, tgδ = 500.10-4; Tính chịu nhiệt cao hơn hai loại trên nên th−ờng dùng làm cách điện trong các thiết bị nung, khi t0 = 500 ữ 9000C thì tính chất cách điện và cơ bị giảm. Công dụng: Làm cách điện trong máy điện có công suất lớn và điện áp cao, dùng làm bàn là, mỏ hàn, bếp điện. c) Các sản phẩm của Mica (chế tạo từ gốc Mica) - Micalit: Là loại Mica có dán vật liệu hữu cơ là giấy hoặc vải bằng các loại keo hoặc nhựa dính, tính chịu kéo sẽ cao hơn so với Mica nguyên chất. Ng−ời ta có thể sản xuất thành tấm, thành cuộn, tính chịu nhiệt cao vì Mica chiếm 50% và dùng tấm cách điện trong máy điện. - Micalêch: Là loại vật liệu gồm 60% là Mica, 40% là thuỷ tinh dễ cháy và đ−ợc ép nóng ở nhiệt độ 6000C với áp lực 500 ữ 700 kg/cm2. Có tính chịu nhiệt cao, c−ờng độ cơ giới cao, khả năng bị va đập và chịu hồ quang rất lớn. ECT = 10 ữ 20 KV/mm; tgδ = 0.03 ữ 0.01; ε = 6 ữ 8.5 Micalech chịu đ−ợc tác dụng của ẩm, nh−ng ít đ−ợc tác dụng của axit và bazơ. Micalech chế tạo khó, phải có lò công suất lớn, nhiệt độ cao và máy có thuỷ lực lớn nên Micalêch đắt và ít đ−ợc dùng rộng rri mà th−ờng chỉ đ−ợc dùng cho vô tuyến điện. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 46 Ch−ơng VI: Vật liệu dẫn điện I. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện 1. Khái niệm Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) có thể là vật liệu rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể là thể khí. − Thể rắn: Đồng, nhôm, sắt − Thể lỏng: Các kim loại nóng chảy, các dây dẫn điện phân và thuỷ phân − Thể khí: là tất cả các khí và hơi kể cả hơi kim loại khi c−ờng độ điện tr−ờng v−ợt quá trị số giới hạn sẽ gây ra ion hoá va chạm và chất khí trở thành vật dẫn. 2. Các tính chất cơ bản a) Điện dẫn suất và điện trở suất Điện trở: Là quan hệ giữa điện thế không đổi đặt lên vật và dòng điện chạy qua trong vật dẫn đó: s l ρR = ρ: Điện trở suất của vật liệu (Ωm) l: Là chiều dài dây dẫn s: Tiết diện dây dẫn Điện dẫn: Là đại l−ợng nghịch đảo của điện trở       Ω = 11 R G Điện trở suất ρ: Là điện trở của dây dẫn chiều dài là 1 đơn vị và tiết diện là 1 đơn vị. Điện dẫn suất: Là đại l−ợng nghịch đảo với điện trở suất của dây dẫn: ρ γ 1= Điện trở suất và điện dẫn suất thay đổi rất lớn theo nhiệt đô. b) Hệ số nhiệt độ của điện trở suất (αp) Điện trở suất có quan hệ với nhiệt độ theo công thức: pt = p0(1+αpt) Trong đó: pt: Điện trở suất ở nhiệt độ t Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 47 mV P0: Điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu t0 αp: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất. Hệ số nhiệt độ của điện trở suất ( ) tp pp α 0 01 p − = Các kim loại nguyên chất ở thể rắn cho trị số nhiệt độ gần bằng nhau và đ−ợc xác định α = 1/273 ≈ 0,004 Tuy nhiên khi chuyển trạng thái rắn sang lỏng đa số các kim loại có điện trở suất tăng. c) Nhiệt dẫn suất Nhiệt dẫn suất là khả năng truyền nhiệt của vật dẫn, nó có quan hệ với điện dẫn suất. Đa số các kim loại có nhiệt dẫn suất lớn, nếu gọi nhiệt dẫn suất lớn là δt = at. δ: Điện dẫn suất của vật dẫn a: Hệ số phụ thuộc vào loại vật dẫn t: Nhiệt độ tuyệt đối d) Sức nhiệt điện động Khi có hai thanh kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện một hiều điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát điện từ của các kim loại khác nhau. Điện tử của thanh kim loại có công thoát bé sẽ khuyếch tán qua chỗ tiếp xúc sang thanh kim loại có công thoát lớn và tạo ra hiệu điện thế giữa hai thanh. Nhiệt độ càng cao thì điện tử khuyếch tán sang nhau càng nhiều và nhiều điện thế tiếp xúc càng lớn. Đo hiệu điện thế tiếp xúc có thể xác định đ−ợc nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Nh− vậy chỗ tiếp xúc giữa hai thanh kim loại khác nhau là một nguồn điện. Sức điện động của nguồn này phụ thuộc vào nhiệt độ nên gọi là sức nhiệt điện động. Hiện t−ợng nêu trên đ−ợc ứng dụng làm nhiệt ngẫu do nhiệt độ và làm các cặp pin nhiệt điện. e) Tính chất cơ giới Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 48 Tính chất cơ giới là tính chất quan trọng của vật dẫn, đ−ợc đặc tr−ng bởi giới hạn bền kéo δk và độ drn dài t−ơng đối khi đúc l ∆ϕ . II. Vật liệu có điện dẫn cao Vật liệu có điện dẫn cao nh− Cu, Al, Fe trong đó đồng, nhôm đ−ợc sử dụng rộng rri. 1. Đồng Đồng là vật liệu quan trọng trong tất cả cácloại vật liệu dùng trong kỹ thuật điện. − Có điện trở suất nhỏ ρ = 0,0172 (Ωmm2/m) và γ = 58 (m/Ωmm2) − Độ bền cơ giới t−ơng đối cao. − ở nhiệt độ bình th−ờng chịu đ−ợc tác dụng của môi tr−ờng. − Dễ gia cong, hàn gắn dễ dàng. a) Đồng nguyên chất: Loại này tỷ lệ tạp chất rất ít (0,05%) trong đó có thêm một số nguyên tố mà tỷ lệ không đáng kể nh− kẽm, magiê, thiếc, nhôm. Loại đồng này th−ờng có màu đỏ, mềm và đ−ợc dùng làm thanh dẫn, ruột cáp và các tiếp điểm dẫn điện. b) Đồng không có Oxy: Loại này l−ợng tạp chất chiếm 0,06% và l−ợng Oxy nhỏ là 0,02%, có c−ờng độ cơ giới tốt khi gia công theo ph−ơng pháp kéo nguội sẽ làm cho đồng cứng lại, loại này có độ drn dài bé và có sự đàn hồi khi uôn. Nó đ−ợc áp dụng làm vành tr−ợt cổ góp trong Máy phát điện, làm lò so dẫn điện trong các đồng hồ đo. Khi gia công bằng ph−ơng pháp nóng thì đ−ợc một loại đồng mềm có sức bền cơ giới kém nh−ng có điện dẫn cao và dùng làm dây dẫn đ−ờng điện trên không và hệ thống thanh góp trên trạm biến áp. c) Các hợp kim của đồng. − Đồng thanh: Khi pha chế đồng với thiếc, Silic, phốt pho thì sẽ cho các sản phẩm gọi là đồng thanh, có độ bền kéo tăng, điện trở suất lớn và đặc tính cơ lớn hơn vói đồng nguyên chất. − Đồng pha với kẽm đ−ợc sản phẩm là đồng thau có độ drn dài cao và độ bền kéo cao hơn so với đồng nguyên chất, loại này dùng làm các chi tiết dẫn điện lò xo. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 49 2. Nhôm Là vật dẫn quan trọng thứ hai sau đồng, đó là kim loại màu bạc trắng thuộc kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần và có hệ số drn nở dài, nhiệt dung riêng và nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng. Trong kỹ thuật điện th−ờng dùng loại dây nhôm có tạp chất chiếm 0,05% dùng làm vật dẫn d−ới dạng lá nhôm, thanh nhôm và dây dẫn nhiều sợi. Độ bền cơ của nhôm nhỏ hơn đồng. Ví dụ: Cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở của dây nhôm > 1,63 lần dây đồng. Vậy để điện trở dây khôm bằng dây đồng thì đ−ờng kính của dây nhôm phải lớn hơn 1,3 lần dây đồng. * Ưu điểm: Giá thành rẻ, khi nhôm bị oxy hoá thì lớp vỏ ngoài có tác dụng bảo vệ không cho ăn mòn tiếp. * Nh−ợc điểm: Khả năng chống kéo kém. Chú ý: Hiện t−ợng ăn mòn điện hoá giữa chỗ tiếp xúc đồng và nhôm, nếu trong vùng tiếp xúc có độ ẩm lớn thì sẽ phát sinh ra cặp pin cục bộ có trị số sức điện động khá cao và có dòng điện đi từ nhôm sang đồng. Kết quả làm cho dây nhôm bị phân huỷ vì bị ăn mòn nhanh. Vì vậy chỗ nối dây đồng với dây nhôm ng−ời ta luôn luôn chú ý bảo vệ chống ẩm tốt. Ngoài việc ding dây nhôm nguyên chất làm vật dẫn, ng−ời ta còn ding hợp kim nhôm có thêm một số nguyên tố Mg, Si, Fe không qúa 1% với mục đích tăng độ bền cơ giới. Đ−ờng dây tải điện trên không ding phổ biến nhiều loại dây nhôm có lõi thép dể tăng độ bền cơ giới. 3. Sắt Là kim loại rẻ tiền, dễ gia công và có độ bền cao, sắt nguyên chất có điện trở suất lớn hơn nhiều so với đồng và nhôm ρ = 0,1 Ωmm2. Nếu sắt có chứa tạp chất gọi là thép thì điện trở suất tăng. Dòng điện xoay chiều trong sắt sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt bà tổn hao từ trễ. Sắt ding làm vật dẫn có tỷ lệ Cácbon 0,1ữ0,13% là loại sắt mềm, sắt th−ờng có khả năng chống ăn mòn yếu ngay ở nhiệt độ bình th−ờng và đặc biệt là khi độ ẩm cao thì bị gỉ nhanh, vì vậy trên bêt mặt của sắt cân đ−ợc bảo vệ một lớp kim loại bền hơn nó, ví dụ nh− mạ kẽm. III. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao Vật liệu có điện trở cao d−ới dạng hợp kim đ−ợc dùng trong các dụng cụ đo, làm điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 50 1. Manganin Là hợp kim ding phổ biến trong các dụng cụ đo điện và làm điện trở mẫu. Manganin là hợp kim có đồng là 86%; Mangan (Mn) 12%; Niken (Ni) 2%. Điện trở suất ρ = 0,42 ữ 0,52 Ωmm2/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t0LVCP = 200 0C Công dụng: Làm điện trở Sun, điện trở phụ trong đồng hồ đo, làm sợi nung trong thiết bị nung. 2. Constantan Là hợp kim của đồng (Cu) và Niken (Ni). Đồng chiếm 60%; Niken Chiếm 40%. Điện trở suất ρ = 0,48 ữ 0,52 Ωmm2/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t0LVCP = 5000C. Dùng làm các dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện và ding làm nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ. 3. Hợp kim Crôm - Niken Là hợp kim của Niken (Ni), Crôm (Cr), Mangan (Mn) trong đó Ni = 60%, Cr = 15%, Mn = 1.5% còn lại là các chất khác. Điện trở suất ρ = 1 ữ 1,2 Ωmm2/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t0LVCP = 1000 0C Công dụng: Dùng làm là điện, bếp điện, mỏ hàn, bàn là 4. Hợp kim Crôm - Nhôm Là hợp kim rẻ tiền dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn. Hợp kim này cứng và dòn nên khó kéo thành sợi và thành băng vải. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 51 Dễ Khó Trung bình Tinh thể sắt Ch−ơng VII: Vật liệu dẫn từ I. Tính chất chung của vật liệu dẫn từ 1. Nguyên nhân gây ra tính chất từ của vật liệu dẫn từ. Nguyên nhân chủ yếu là dong chuyển động trong của các điện tử quay xung quanh trục của nó gọi là Spin điện từ và chuyển động xung quanh hạt nhân. Chuyển động đó tạo ra dòng điện vòng và gây ra mômen từ. Trong trạng thái c−ờng độ điện tr−ờng bằng 0 thì tổng mômen từ trong vật liệu sắt từ bằng 0. 2. Sự từ hoá vật liệu sắt từ Sự từ hoá vật liệu sắt từ phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu và phụ thộc vào ph−ơng từ hoá đối với vật kiệu sắt từ đó. Ví dụ: Đối với tinh thể sắt thì: − Từ hoá theo các cạnh của khối thì dễ dàng hơn so với chiều đ−ờng chéo của khối. − Còn từ hoá theo chiều đ−ờng chéo của bề mặt thì trung bình. 3. Quá trình từ hoá vật liệu sắt từ D−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài sẽ làm cho các mômen từ xoay theo ph−ơng của từ tr−ờng ngoài. Hiện t−ợng bro hoà từ trong vật liệu sắt từ xảy ra khi các miền từ hoá không còn phụ thuộc vào từ tròng ngoài và cac mômen từ của tất cả các miền đều đr xoay theo h−ớng của từ tr−ờng ngoài. Quá trình từ hoá của vật liệu từ đ−ợc đánh giá bằng đ−ờng cong từ hoá B = f(H). H là đ−ờng cong từ tr−ờng. − Đ−ờng (1) ứng với loại sắt đặc biệt hay là sắt nguyên chất. − Đ−ờng (2) ứng với sắt chiếm 99,98% . − Đ−ờng (3) ứng với loại có 99,92% là sắt. H = 0 H yếu H mạnh H rất mạnh bro hoà Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 52 B Bmax B = B0 H = HC H (1) (2) (3) Qua đ−ờng cong từ hoá ng−ời ta xác định đ−ợc độ thẩm từ à. Độ thẩm từ là tỷ số của đ−ờng cảm ứng từ B và c−ờng độ từ tr−ờng H. H B à= Nếu từ hoá ứng với từ tr−ờng xoay chiều ta sẽ đ−ợc chu trình từ trễ. Trên chu trình từ trễ có những điểm đáng chú ý: − Điểm 1 có H = 0; B =B0 − Điểm 2 có H = HC; B = 0 (HC gọi là lực khử từ) Khi từ hoá với từ tr−ờng xoay chiều vật liệu sắt từ có tổn hao do từ hoá gồm hai phần: Tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy. Nh− trên: Tổn hao từ trễ do khi vật liệu sắt từ từ hoá ở trong tr−ờng xoay chiều sẽ có tổn hao từ trễ và tổn hao động chủ yếu là do dòng điện xoay chiều gây nên bởi sự cảm ứng trong vật liệu sắt từ đối với loại vậ liệu mà tổn hao do dòng điện xoáy thì phụ thuộc vào điện trở suất, nếu điện trở suất của vật liệu sắt từ càng cao thì dòng điện xoáy càng nhỏ. II. Các loại vật liệu sắt từ Trong kỹ thuật điện (KTĐ) vật liệu sắt từ đ−ợc chia làm 3 nhóm: 1. Vật liệu sắt từ có tần số thấp Loại này có à lớn, lực khử từ nhỏ và tổn hao từ trễ nhỏ, nó đ−ợc dùng làm lõi MBA, làm nam châm điện. Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, trong các MBA th−ờng dùng loại vật liệu sắt từ mềm có điện trở lơn. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 53 a) Sắt kỹ thuật Tỷ lệ % sắt chiếm khá cao ngoài ra còn có một số tạp chất khác nh−: Cacbon, L−u huỳnh, Mangan, Silic, và các nguyên tố khác làm xấu tính chất từ của nó. Loại này có điện trở t−ơng đối thấp nên sử dụng ít. Công dụng: Làm mạch từ có từ thông không đổi b) Thép lá kỹ thuật điện ( KTĐ) Loại này chủ yếu dùng trong KTĐ, thành phần chủ yếu là sắt, ngoài ra còn có Silic, Silic chiếm ≤ 5%, sự có mặt của Silic sẽ khử đ−ợc oxy hoá, loại này có suất tổn hao nhỏ, điện trở suất cao và tuỳ theo ph−ơng pháp cán nóng hay cán nguội mà có các loại thép khác nhau. c) Pecmalôi Là hợp kim của sắt và Niken, tuỳ theo hàm l−ợng của Niken mà chia Pecmalôi ra làm hai loại sau: − Pecmalôi nhiều Niken, Ni = 72 ữ 80% Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích th−ớc nhỏ , làm MBA âm tần nhỏ và các MBA xung và trong khuếch đại từ. Pecmalôi ít Niken, Ni = 40 ữ50%, có cảm ứng từ bro hoà lớn gấp đôi so với loại nhiều Ni. Do đó nó đ−ợc dùng làm lõi MBA lực, làm lõi cuộn cảm và các dụng cụ cần có mật độ từ thông cao. Đ−a thành phần của Pecmalôi các tạp chất nh− Đồng, Mangan, Polipđen thì tác dụng củâ Mangan nâng cao điện trở suất của Pecmalôi. Tác dụng của Polipđen làm cho Pecmalôi chịu đ−ợc biến dạng. Tác dụng của Đồng làm cho độ thẩm từ trong phạ vi từ tr−ờng bé. 2. Vật liệu sắt từ mềm tần số cao a) Từ môi Là vật liệu do ép bột của chất liên kết hữu cơ hay vô cơ với vật liệu sắt từ. Thành phần cơ bản gồm Cácbon, Pecmalôi, và Alsife. Yêu cầu phải có tính từ tốt, chất liên kết phải có khả năng để tạon nên màn cách điện chắc chắn giữa các hạt và gắn kiền các hạt với nhau và có cùng một độ dày. Từ môi cần cơ tổn hao điện môi bé, có độ từ thẩmà ổn định với thời gian và khi nhiệt độ thay đổi. Vật liệu này dùng làm lõi các cuộn cảm của bộ lọc Máy phát điện. b) Ferit Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 54 Là loại vật liệu có điện dẫn điện từ bé, điện trở suất của nó lớn hơn vạt liệu sắt từ (từ 1011 ữ 1016) lần, do đó năng l−ợng tổn hao ở cùng tấn số cao rất bé. Cộng dụng: Đ−ợc dùng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến điện từ, Ferit là hệ thống gồm có oxyt sắt và oxyt kim loại, Ferit chia làm 4 loại: - Ferit mềm - Ferit cao tần - Ferit có đ−ờng từ trễ hẹp - Ferit từ cứng. ∗ Ferit từ mềm: Là hợp kim của Niken và Kẽm có cảm ứng từ B đạt 0,3Tesla. Lực khử từ đạt HC = 0,2 ơtsxtet Dùng làm cuộn dây của bộ lọc, dùng làm màn từ, dùng làm mõi MBA xung, lõi MBA quét mành trong vô tuyến truyến hình. *Ferit cao tần: Là loại Ferit có chứa nhiều oxyt Mangan, nó đ−ợc dùng trong phạm vi tần số cao, khu dùng trong tần số cao nó sẽ xuất hiện nhiều tính chất đặc biệt có thể điều khiển đ−ợc bằng cách cho tr−ờng tác dụng thay đổi. Công dụng: Dùng để chết tạo phần tử điều khiển và dẫn sóng, chế tạo các đổi nối. *Ferit có đ−ờng từ trễ hẹp: Có cảm ứng từ d− B0 lớn gần bằng trị số cảm ứng từ Bmax. Lực khử từ HC bé. Từ hoá nó đ−ợc dùng ở trạng thái từ hoá với cảm ứng từ +B0 và -B0. Công dụng: Dùng làm các phân tử đổi nối với hai trạng thái ổn định và các phần tử nhớ trong máy tính điện tử. * Ferit cứng: Là vật liệu cứng. 3. Vật liệu cứng Loại này có lực khử từ HC lớn, đ−ờng cong từ trễ lớn. Công dụng: Dùng làm nam châm vĩnh cửu. Đặc tr−ng của nó là cho năng l−ợng ra bên ngoài lớn. Vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đơn giản nhất là thép chứa Silic, Vonfram, Crôm, Molipđen, ngoài ra còn có các hợp kim (gồm Al, Ni, Fe). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 55 MỤC LỤC Lời núi đầu CH−ơNG I: SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MễI I. cấu tạo vật chất 4 1. Các dạng liên kết vật chất. 4 2. Thuyết miền năng l−ợng 5 II. sự phân cực của điện môi 6 1. Hiện t−ợng phân cực 6 2. Hệ số điện môi (ε) 7 III. Các dạng phân cực của điện môi 8 1. Theo các loại phần tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực. 8 2. Theo các dạng tác dụng có các dạng sau: 9 3. Theo vận tốc phân cực 9 4. Sơ đồ đẳng trị của điện môi 10 IV. hệ số điện môi của các loại môi chất 11 1. Hằng số điện môi của điện môi khí 11 2. Hằng số điện môi của chất lỏng 11 3. Hằng số điện môi của chất rắn 12 CH−ơNG II: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MễI I. Đặc điểm của điện môi trong điện tr−ờng 14 II. Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi 14 1. Điện dẫn điện tử (dòng chuyển dịch) 15 2. Điện dẫn ion 15 3. Điện dẫn di (dòng điện dò) 15 III. điện dẫn của các điện môi khí 16 IV. điện dẫn của các điện môi lỏng 17 1. Điện dẫn ion của các điện môi lỏng 17 2. Điện dẫn điện di 17 V. Điện dẫn của các điện môi rắn 18 CH−ơNG III: SỰ PHểNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MễI KHÍ I. khái niệm chung 19 I. Sự phóng điện trong điện môi khí 19 II. Các dạng phóng điện trong điện môi khí 19 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 56 1. Phóng điện toả sáng 19 2. Phóng điện tia lửa 20 3. Phóng điện hồ quang 20 4. Phóng điện vầng quang 20 II. Hiện t−ợng ion hoá kích thích kết hợp khuếch tán 20 1. Hiện t−ợng ion hoá 20 2. Hiện t−ợng kích thích 21 3. Hiện t−ợng kết hợp 21 4. Hiện t−ợng khuếch tán 21 III. các dạng ion hoá - các hệ số 22 1. Các dạng ion hoá 22 1.1. Ion hoá bề mặt 22 1.2. Ion hoá thể tích 22 2. Các hệ số ion hoá 23 2.1. Hệ số ion hoá do điện tử va chạm (hệ số Taoxen 1 – Ký hiệu α) 24 2.2. Hệ số ion hoá do ion d−ơng va chạm (hệ số Taoxen 2 – Ký hiệu β) 24 2.3. Hệ số ion hoá mật (hệ số Taoxen 3 – Ký hiệu δ) 24 CH−ơNG IV: ĐặC TíNH Cơ Lí HOá CỦA đIệN MôI I. đặc tính vật lý của điện môi 25 1. Tính hút ẩm và tính thấm n−ớc của vật liệu cách điện 25 1.1. Tính hút ẩm 25 1.2. Tính thấm n−ớc của điện môi (tính hấp thụ) 26 2. Đặc tính nhiệt của điện môi 26 2.1. Tính chịu nhiệt của điện môi 26 2.2. Điểm chớp cháy và điểm cháy 27 2.3. Độ nhớt 27 2.4. Nhiệt dẫn của điện môi 28 2.5. Drn nở nhiệt 28 ii. Đặc tính cơ giới của điện môi 28 1. Sức bền chịu kéo, nén, uốn của vật liệu 28 2. Độ giòn 29 3. Độ cứng 29 III. đặc tính hoá học của điện môi 29 CH−ơNG V: VậT LIệU CáCH đIệN I. Vật liệu cách điện thể khí 30 1. Không khí: 30 2. Khí Êlêgazơ (SP6) và Frêon (CCL2F2): 30 3. Khí Hyđrô (H2) 30 II. Vật liệu cách điện thể lỏng 31 1. Dầu mỏ cách điện 31 2. Điện môi lỏng tổng hợp 33 2.1. Dầu Xôvôn C12H5Cl5: 33 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 57 2.2. Dầu xốp tôn (C6H3Cl3) 34 3. Dầu gai và dầu thầu dầu: 34 3.1. Dầu gai (dầu khô) 34 3.2. Dầu thực vật 34 III. Vật liệu cách điện rắn hữu cơ 34 1. Nhựa cách điện 34 1.1. Nhựa thiên nhiên 35 1.2. Nhựa nhân tạo 36 1.3. Bitum 37 2. Vật liệu sợi 37 2.1. Gỗ 38 2.2. Giấy 38 2.3. Cát tông 39 2.4. Vật liệu dệt 39 3. Cao su 39 3.1. Cao su mềm 40 3.2. Cao su cứng (Êbonit) 40 IV. Sơn 40 1. Sơn tẩm 41 2. Sơn bảo vệ (sơn bọc) 41 3. Sơn dán 41 V. điện môi sáp và hỗn hợp cách điện 41 1. Điện môi sáp 41 1.1.Parafin 41 1.2. Xêrêzin 42 1.3. Vazelin 42 2. Hỗn hợp cách điện 42 2.1. Loại để tẩm 42 2.2. Loại để ngâm 42 V. Vật liệu cách điện rắn vô cơ thỷ tinh – vật liệu gốm – mi ca 43 1. Vật liệu gốm 43 2. Thuỷ tinh 44 3. Mica 44 CH−ơNG VI: VậT LIệU DẫN đIệN I. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện 46 1. Khái niệm 46 2. Các tính chất cơ bản 46 II. Vật liệu có điện dẫn cao 48 1. Đồng 48 2. Nhôm 49 3. Sắt 49 III. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 49 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giáo trình Vật liệu điện Biên soạn: Đỗ Nh− Tr−ởng 58 1. Manganin 50 2. Constantan 50 3. Hợp kim Crôm - Niken 50 4. Hợp kim Crôm - Nhôm 50 CH−ơNG VII: VậT LIệU DẫN TỪ I. Tính chất chung của vật liệu dẫn từ 51 1. Nguyên nhân gây ra tính chất từ của vật liệu dẫn từ. 51 2. Sự từ hoá vật liệu sắt từ 51 3. Quá trình từ hoá vật liệu sắt từ 51 II. Các loại vật liệu sắt từ 52 1. Vật liệu sắt từ có tần số thấp 52 2. Vật liệu sắt từ mềm tần số cao 53 3. Vật liệu cứng 54 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -