ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN.pdf

UBND TỈNH THÁI NGUYÊN TRƢỜNG CAO ĐẲNG THÁI NGUYÊN  ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN (Ban hành kèm theo Quyết định số: 688/QĐ-CĐTN ngày 10 tháng 12 năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Thái Nguyên) SỐ TÍN CHỈ: (2/0) CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP HỆ: CAO ĐẲNG NĂM HỌC ĐĂNG KÝ: 2021 - 2022 (Lƣu hành nội bộ) Chủ biên: Nguyễn Thị Thu Huyền Đơn vị: Khoa Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên , năm 2022 LỜI GIỚI THIỆU Vật liệu điện môn học sở chƣơng trình đào tạo học sinh sinh viên chun ngành điện nói chung điện cơng nghiệp nói riêng Vật liệu điện có vai trị lớn ngành công nghiệp điện Với mục tiêu yêu cầu đào tạo học sinh sinh viên nhà trƣờng, Bài giảng tập trung vào vấn đề sau: Những kiến thức vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ Trình bày khái niệm vật liệu điện, cách phân loại ứng dụng chủ yếu vật liệu điện đời sống kỹ thuật Môn học Vật liệu điện đƣợc bố trí học sau mơn học An tồn điện học song song với môn học, mô đun: Lý thuyết mạch,Vẽ kỹ thuật, Khí cụ điện + Thời lƣợng mơn học: Số tín chỉ: 2(2/0) – 30 (Lý thuyết: 29 giờ; kiểm tra: 01 giờ) + Chƣơng trình Bài giảng bao gồm chƣơng sau: Chƣơng 1: Vật liệu cách điện (Lý thuyết: 12 giờ, thực hành: giờ) Chƣơng 2: Vật liệu dẫn điện (Lý thuyết: 11 giờ, thực hành: giờ, kiểm tra 01 giờ) Chƣơng 3: Vật liệu dẫn từ (Lý thuyết: 06 giờ, thực hành: giờ) Chắc chắn Bài giảng không tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp để Bài giảng đƣợc chỉnh sửa ngày hoàn thiện Xin trân trọng cám ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2022 Biên soạn Nguyễn Thị Thu Huyền MỤC LỤC BÀI GIẢNG MÔN HỌC CHƢƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Dẫn điện vật liệu cách điện 1.2 SỰ PHÂN CỰC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.2.1 Khái niệm phân cực 1.2.2 Các dạng phân cực xảy vật liệu cách điện 1.3 TỔN HAO VÀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.3.1 Khái niệm tổn hao vật liệu cách điện 1.3.2 Các dạng tổn hao vật liệu cách điện 1.3.3 Sự phóng điện vật liệu cách điện 1.4 TÍNH HÚT ẨM VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN .10 1.4.1 Độ ẩm khơng khí 10 1.4.2 Độ ẩm của vật liệu 10 1.4.3 Tính hấp thụ (thấm ẩm) .11 1.5 TÍNH CHẤT NHIỆT, HOÁ HỌC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 11 1.5.1 Tính chịu nóng, tính chất hóa học .11 1.5.2 Độ dẫn nhiệt 14 1.5.3 Sự giãn nở nhiệt 14 1.6 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ, LỎNG 14 1.6.1 Khơng khí, Ni tơ, Hyđrô 14 1.6.2 Dầu mỏ cách điện, dầu tụ điện, dầu cáp điện 16 1.6.3 Vật liệu cách điện lỏng tổng hợp 17 1.7 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN .18 1.7.1 Vật liệu cách điện hữu cao phân tử 18 1.7.2 Vật liệu cách điện vô .21 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 24 2.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN .24 2.1.1 Khái niệm 24 2.1.2 Phân loại 24 2.1.3 Các tính chất vật liệu dẫn điện 25 2.2 VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT CAO 29 2.2.1 Các tính chất chung kim loại hợp kim có điện dẫn suất cao 29 2.2.2 Các loại vật liệu cáo điện dẫn suất cao 31 2.3 CÁC HỢP KIM CÓ ĐIỆN DẪN SUẤT THẤP 40 2.3.1 Hợp kim điện trở suất cao - ứng dụng 40 2.3.2 Hợp kim làm cặp nhiệt điện .41 2.3.3 Than kỹ thuật điện .44 2.4 CÁC KIM LOẠI KHÁC, THUỐC HÀN VÀ CHẤT LÀM CHẢY 45 2.4.1 Vôn fờ ram (W) 45 2.4.2 Mơ líp đen 45 2.4.3 Bạc (Ag), vàng(Au) 45 2.4.4 Bạch kim (Platin) 46 2.4.5 Niken (Ni) 46 2.4.6 Thiếc (Sn) 46 2.4.7 Thuốc hàn chất làm chảy 46 CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ 50 3.1 KHÁI NIỆM, ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU DẪN TỪ 50 3.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn từ 50 3.1.2 Đặc điểm vật liệu dẫn từ .50 3.1.3 Phân loại vật liệu dẫn từ 51 3.2 Q TRÌNH TỪ HỐ VẬT LIỆU SẮT TỪ 52 3.2.1 Hiện tƣợng từ hóa đƣờng cong từ hóa 52 3.2.2 Các loại vật liệu dẫn từ thƣờng dùng 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 BÀI GIẢNG MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học Vật liệu điện đƣợc bố trí học sau mơn học An tồn điện học song song với môn học, mô đun: Lý thuyết mạch,Vẽ kỹ thuật, Khí cụ điện - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trị mơn học: Cùng với phát triển điện năng, Vật liệu điện ngày phát triển đa dạng phong phú, có tác dụng tích cực việc nâng cao suất, an tồn nhƣ hiệu sử dụng điện Mục tiêu môn học/mô đun: - Về kiến thức: Sau hoàn thành tốt học phần ngƣời học: + Biết đƣợc khái niệm, đặc tính vật liệu điện + Phân tích đƣợc tính chất vật liệu điện - Về kỹ năng: Ngƣời học sử dụng thành thạo kỹ năng: + Phân loại đƣợc loại vật liệu điện thơng dụng + Trình bày đƣợc đặc tính loại vật liệu điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: Có khả làm việc độc lập phân loại loại vật liệu điện Rèn luyện tính xác học tập Nội dung mơn học: CHƢƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN MH 09 - 01 Giới thiệu Chƣơng 1: Khái niệm phân loại vật liệu cách điện; trình bày tính chất vật liệu cách điện; phân cực vật liệu cách điện, tổn hao phóng điện vật liệu cách điện, tính hút ẩm tính chất học vật liệu điện, tính chất nhiệt, hố học vật liệu điện; vật liệu cách điện thể khí, lỏng, vật liệu cách điện thể rắn Mục tiêu - Nắm đƣợc đặc tính số loại vật liệu cách điện thƣờng dùng - Phân loại đƣợc loại vật liệu cách điện dùng công nghiệp dân dụng - Rèn luyện đƣợc tính cẩn thận, xác, chủ động cơng việc Nội dung 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1.1 Khái niệm Vật liệu cách điện cịn đƣợc gọi điện mơi, chất mà điều kiện bình thƣờng điện tích xuất đâu ngun chỗ đó, tức điều kiện bình thƣờng điện mơi vật liệu không dẫn điện, điện dẫn chúng không nhỏ không đáng kể Vật liệu cách điện có vai trị quan trọng đƣợc sử dụng rộng rãi kỹ thuật điện Tiến hành nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu tính chất, đặc điểm để từ đƣa lựa chọn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật 1.1.2 Phân loại 1.1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật liệu Vât liệu cách điện thể khí, thể lỏng thể rắn Ở thể lỏng thể rắn, cịn có thể trung gian, gọi thể mềm nhão nhƣ: vật liệu có tính chất bơi trơn, loại sơn tẩm 1.1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, ngƣời ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu vật liệu cách điện vô Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm, nhóm có nguồn gốc thiên nhiên nhóm nhân tạo + Nhóm có nguồn gốc tự nhiên sử dụng hợp chất có tự nhiên giữ nguyên thành phần hóa học nhƣ: Cao su, lụa, phíp … + Nhóm nhân tạo: thƣờng đƣợc gọi nhựa nhân tạo gồm có nhựa Phenol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy… Vật liệu cách điện vơ cơ: gồm chất khí, chất lỏng không cháy, loại vật liệu nhƣ: sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng v.v… 1.1.2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt Khi lựa chọn vật liệu cách điện, trƣớc tiên ta phải biết vật liệu có khả chịu nhiệt theo cấp số bảy cấp độ chịu nhiệt vật liệu cách điện theo bảng sau: Bảng 1.1: Các cấp chịu nhiệt vật liệu cách điện Cấp cách Nhiệt độ cho điện phép (0C) Các vật liệu cách điện chủ yếu Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ vật liệu tƣơng tự, không tẩm ngâm vật liệu cách điện lỏng Các loại nhựa nhƣ: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 Giấy, vải sợi, lụa đƣợc ngâm hay tẩm dầu biến áp Cao su nhân tạo, nhựa polieste, loại sơn cách điện có dầu làm khơ, axetyl, gỗ dán, êmây gốc sơn nhựa dầu Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi Giấy ép vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung bakelit giấy) Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo, têctơlit Vải có tẩm poliamit Nhựa poliamit, nhựa phênol - phurol có độn xenlulo, nhựa êboxi Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn Sơn cách điện có dầu làm khơ, dùng cá phận khơng tiếp xúc với khơng khí Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng) Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn Sợi amiăng, sợi thủy tinh khơng có chất kết dính Bao gồm micanit, êpoxi poliête chịu nhiệt, silíc hữu Silicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính, nhựa silíc hữu có độ bền nhiệt đặc biệt cao C Trên 180 Gồm vật liệu cách điện vô túy, hồn tồn khơng có thành phần kết dính hay tẩm Chất vật liệu cách điện oxit nhôm florua nhôm Micanit khơng có chất kết dính, thủy tinh, sứ Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen, ximăng amiăng v.v 1.1.3 Dẫn điện vật liệu cách điện 1.1.3.1 Khái niệm chung tính dẫn điện vật liệu cách điện Vật liệu cách điện loại vật liệu đƣợc dùng để chế tạo cách điện nhƣng thực tế không vật liệu cách điện hồn tồn vật liệu cách điện có số khơng nhiều, điện tích tự tạp chất (không đồng nhất) Do có dƣới tác dụng lực điện trƣờng có dịng điện qua Tuỳ theo ngun nhân sinh dòng điện mà ngƣời ta phân dòng điện chạy vật liệu cách điện nhƣ sau : a) Dòng điện chuyển dịch Do tác dụng cƣờng độ điện trƣờng E làm cho điện tích vật liệu cách điện chuyển dịch có hƣớng Các điện tích chuyển dịch từ trạng thái cân sang trạng thái cân khác, nói cách khác chuyển dịch lƣợng biến thiên khoảng thời gian ngắn b) Dòng điện hấp thụ Là thành phần phân cực chậm gây lên, dƣới tác dụng điện áp đặt vào vật liệu cách điện phân tử lƣỡng cực xoay hƣớng tạo nên dòng điện hấp thụ Sự phân cực phụ thuộc vào loại điện áp tác dụng Nếu điện áp chiều dịng điện xuất đóng cắt mạch, cịn điện áp xoay chiều dịng điện tồn suốt thời gian đóng mạch c) Dịng điện rị Ngun nhân sinh điện tích tự nhƣ bụi bẩn bám bề mặt vật liệu cách điện có bên chất vật liệu cách điện Dƣới tác dụng điện trƣờng điện tích tự dịch chuyển theo hƣớng điện trƣờng, trị số dòng điện rò nhỏ Trong vật liệu kỹ thuật điện có nhiều loại điện tích tự khác tham gia vào trình dẫn điện Dựa vào thành phần dòng điện dẫn ngƣời ta chia điện dẫn thành ba loại sau đây: - Điện dẫn điện tử: thành phần loại điện dẫn điện tử tự chứa vật liệu cách điện - Điện dẫn ion: thành phần loại điện dẫn ion dƣơng âm Các ion chuyển động đến điện cực có điện trƣờng tác động, điện cực ion trung hoà điện tích luỹ dần bề mặt điện cực giống nhƣ q trình điện phân.Vì vậy, cịn đƣợc gọi điện dẫn điện phân - Điện dẫn điện di (mơliơn): bao gồm nhóm phân tử hay tạp chất đƣợc tích điện tồn vật liệu cách điện, chúng đƣợc tạo nên ma sát trình chuyển động nhiệt 1.1.3.2 Điện trở vật liệu cách điện Điện trở vật liệu cách điện đƣợc xác định định luật Ohm Nếu điện áp chiều dịng điện vật liệu cách điện chủ yếu dịng điện rị Irị Khi đó: (Ω) (1.1) Nếu điện áp đặt vào xoay chiều điện trở vật liệu cách điện Rđm phụ thuộc vào dòng điện chuyển dịch Icd dòng điện hấp thụ Iht : (Ω) (1.2) 1.2 SỰ PHÂN CỰC CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.2.1 Khái niệm phân cực E + _ _ _ _ _ _ h=L U + + + + + + _ Hình 1.1: Sự phân bố điện tích chất vật liệu cách điện phân cực Trong đó: E: Điện trƣờng cực; U: Điện áp L, h: Chiều dài cực Một tƣợng phát sinh môi chất đặt điện trƣờng gọi tƣợng phân cực Dƣới tác dụng điện trƣờng E, điện tích liên kết vật liệu cách điện xoay theo hƣớng lực tác dụng vào Nếu cƣờng độ điện trƣờng mạnh, điện tích chuyển hƣớng mạnh, điện tích dƣơng chuyển dịch theo hƣớng điện trƣờng tác dụng cịn điện tích âm dịch chuyển theo chiều ngƣợc lại, cịn khơng cịn điện trƣờng tác dụng điện tích lại quay trở trạng thái ban đầu Chính định nghĩa phân cực nhƣ sau: Phân cực đƣợc xác định chuyển dịch có giới hạn điện tích ràng ... .65 BÀI GIẢNG MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học Vật liệu điện đƣợc bố trí học sau mơn học An tồn điện học song... yêu cầu đào tạo học sinh sinh viên nhà trƣờng, Bài giảng tập trung vào vấn đề sau: Những kiến thức vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ Trình bày khái niệm vật liệu điện, cách... cách điện, tổn hao phóng điện vật liệu cách điện, tính hút ẩm tính chất học vật liệu điện, tính chất nhiệt, hố học vật liệu điện; vật liệu cách điện thể khí, lỏng, vật liệu cách điện thể rắn Mục