Bài giảng vật liệu điện và cao áp chương 1,2,3 ngô quang ước

nquochuavn@gmail.com Tài liệu tham khảo Vật liệu kỹ thuật điện – Nguyễn Đình Thắng – NXBKH&KT – 2004 Vật liệu kỹ thuật điện – Nguyễn Xuân Phú – Hồ Xuân Thanh – NXBKH&KT - 2001 Nhập môn siêu dẫn – Thân Đức Hiền – NXB Bách khoa – HN - 2008 Giáo trình Vật Liệu Bán Dẫn- Phùng Hồ - Phan Quốc Phô – NXBKH&KT - 2008 Bán dẫn hữu Polyme –Nguyễn Đức Nghĩa – NXBKH Tự nhiên & Công nghệ - 2007 Từ học Vật liệu từ - Thân Đức Hiền – Lưu Tuấn Tài – NXB Bách khoa – HN - 2008 NỘI DUNG Chương Cấu tạo phân loại vật chất Chương Tính dẫn điện điện môi Chương Sự phân cực điện môi Chương Tổn hao điện môi Chương Sự phóng điện điện mơi Chương Tính chất Cơ-Lý-Hóa điện môi Chương Vật liệu cách điện thể khí Chương Vật liệu dẫn điện cáp điện Chương Vật liệu bán dẫn Chương 10 Vật liệu từ CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - Mọi vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử - Nguyên tử = hạt nhân (+) + điện tử (e)(-) - Hạt nhân = P + N Nơtron (0) prôton (+) với số lượng Z.q - Ở trạng thái bình thường ngtử trung hồ điện ∑(+) = ∑(-) + Nếu ngtử - ne → điện tích dương, gọi ion dương + Nếu ngtử + ne → thành ion âm wi - Ngtử >> ion dương + điện tử; Wi lượng ion hóa - Q trình biến ngtử trung hồ thành ion dương điện tử tự gọi q trình ion hố Khi e nhận W < Wi bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, song chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích ngtử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) - Wi W kích thích ngtử là: nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn α, β, γ Oxy 1.2 CẤU TẠO PHÂN TỬ Phần tử tạo nên từ ngtử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn loại liên kết sau: Liên kết đồng hố trị \hình ảnh\lien ket cong hoa tri H2O.flv - Được đặc trưng dùng chung điện tử ngtử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững - Ví dụ phân tử : cl + cl → cl2 - Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hố trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) + Phân tử có trọng tâm ∑(+) ≡ ∑(-) → phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính + Phần tử có trọng tâm ∑(+) ≠ ∑(-) , cách khoảng a gọi phân tử cực tính lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trưng mơmen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số momen lưỡng cực phân tử người ta chia thành chất cực tính yếu cực tính mạnh Những chất cấu tạo phân tử cực tính gọi chất cực tính Liên kết ion high ảnh\lien ket ion NaCl.flv - Được hình thành bở lực hút ion + ion âm phân tử - Là liên kết bên vững nên vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ: muối halogen kim loại kiềm, Liên kết kim loại - Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn - Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự - Là loại liên kết bền vững, có độ bên học nhịêt độ nóng chảy cao - Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao - Tính dẻo dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng Liên kết Vandec – Vanx - Là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng phân tử khơng vững nên có nhiệt độ nóng chảy độ bền học thấp ví dụ: parafin \hình ảnh\lien ket Van dẻ van HF.flv Liên kết cộng hóa trị Liên kết kim loại Liên kết ion 1.3 Phân loại vật liệu theo vùng lượng Vïng tù (Vïng ®iƯn dÉn) W VËt dÉn W < 0,2 eV W B¸n dÉn W = 0,2 >1,5 eV W Điện môi Vùng cấm (Vùng trống) Vùng đầy (Vùng hóa trị) W = 1,5 => Vài eV 1eV = 4,45x10-26 kWh = 1,6x10-19 J = 3,83x10-20 cal 1.4 Phân loại vật liệu theo từ tính Nghịch từ : Là chất có độ từ thẩm (μ) < không phụ thuộc vào cường độ từ trường (H) ngồi Gồm có: hyđrơ, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, gali, antimoan Thuận từ: chất có độ từ thẩm (μ) > không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Gồm: oxy, nitơ oxít, muối đất hiếm, muối sắt, muối coban niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim Chất dẫn từ : chất có (μ) > > phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Gồm: sắt, niken, coban, hợp kim chúng; hợp kim crom mangan, … + Điện trường cục bên điện mơi tâm O tính sau: Eđm = E1 + E2 + E3 (3.15) - E1:cường độ điện trường bên điện áp gây nên có chiều trùng với chiều điện trường bên ngồi, trị số E1 = E = U/S (V/mm) - E :là cường độ điện trường điện tích bên mặt cầu gây nên tâm O.(coi cầu rỗng) E2 = p ε -1 = E 3ε o (3.16) - E 3:là cường độ điện trường tạo nên O điện tích bên mặt cầu (cầu đặc) +Trường hợp đơn gian E3 = ứng với điện môi sau: Các điện mơi khí, lỏng, rắn, trung tính hay cực tính yếu, chất có liên kết vanđécvan yếu, chất có cấu trúc tinh thể đối xứng…Khi đó: E đm = ε +2 E (3.17) Phương trình claudiut – Mơxơtchi để tính số điện mơi điện mơi trung tính hay cực tính yếu, điện mơi có cấu trúc tinh thể đối xứng (khi E3 = 0): ε-1 Nα = ε + 3ε (3.17) + Trường hợp E3 ≠ 0: Điện mơi cực tính mạnh, phân tử có mơmen lưỡng cực m0 Pt claudiut – Mơxơtchi có dạng: m02  ε-1 N  = α +  ε + 3ε  3kT  (3.18) 3.5 Hằng số điện mơi chất khí Hằng số điện mơi điện mơi khí trung tính - Do tồn phân cực điện tử nhanh nên hệ số phân cực α = αenh - Phương trình claudiut – Mơxơtchi có dạng:  1 Nα enh ε-1 = ε+2 3ε nên: Nα enh   1 ε0 Nαenh ε0 ε=1+ - Do có phân cực điện tử nhanh nên Ta có (3.19)   (3.20) (  - hệ số khúc xạ ánh sáng ) (3.21) - Hằng số điện môi điện mơi khí phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ: pα enh ε=1+ kTε (3.22) ε ε 1 t P (ata) Hình 3.3 ε = f (P) T =const Hình 3.4 ε = f (t) P =const Để khảo sát quan hệ số điện mơi với nhiệt độ, người ta thường tính hệ số nhiệt số điện môi ký hiệu TKε TK ε  dε ε dT (3.23) Hệ số nhiệt số điện mơi nói lên thay đổi tương đối số điện môi nhiệt độ tăng lên t0C + TKε > ε tăng nhiệt độ tăng + TKε < ε giảm nhiệt độ tăng + TKε = ε đạt cực trị Vậy ĐM khí trung tính: TK ε  dε -(ε-1)  0 ε dT εT Vậy ε giảm nhiệt độ tăng Hằng số điện mơi chất khí cực tính - Loại xảy hai loại phân cực là: α = αenh + αLC (3.24) - Phương trình claudiút – Mơxốtchi có dạng : mo2 N ε -1 = (α enh  ) ε0 3kT Có phân cực điện tử nhanh nên : (3.25) N enh   o Nm o ε =2  3 o kT - Hệ số nhiệt điện môi cực tính   1 (3.26) (3.27) dε -(ε-1) ε- TK    ε dT εT εT Ta có: ε >1; ε > ν2 nên TKε < ,vậy ε↓ T ↑ (3.28) 3.6 Hằng số điện môi ĐM lỏng Hằng số điện môi điện mơi lỏng trung tính - Chỉ có αenh , ε = 2÷2,5; ε ≈ ν2 Nα enh ε-1 = ε+2 3ε - Phương trình claudiút – Mơxốtchi có dạng - Hệ số nhiệt: TK  dε -(ε-1)(ε+2)  TKV ε dT 3ε TK V = dV V dT (3.29) (3.30) hệ số nhiệt thể tích (TKV > 0) Ta có: ε >1; nên TKε < ,vậy ε↓ T ↑ ε ε t s«i t (0C) Hình 3.5 ε = f(t0) f (Hz) Hình 3.6 ε = f(f) → ε khơng phụ thuộc vào tần số nên ĐM lỏng trung tính sử dụng tần số Hằng số điện mội điện mơi lỏng cực tính - Có hai dạng phân cực: αenh , αLc Phân cực lưỡng cực đóng vai trị quan trọng có trị số lớn chất lỏng chất cực tính mạnh Do tính ε theo phương trình claudiút – Mơxốtchi khơng cịn phù hợp E3 ≠ - Nên để tính ε có nhiều thuyết đưa ví dụ như:  mo2 ε -1 4 N  R(x) – hàm Lăngieven Theo Debai = α + R(x)  enh  (3.31) ε +2  3kT  (ε - )(2 + ) 4 N mo2 (3.32) Theo Onsajer = 2  ( +2) 3kT   m (ε -1)(2  +1)  N o Theo Kirvút =   G G –hệ số cấu trúc   (3.33) 9  3kT  Tính ε phức tạp cách gần ta sử dụng pt claudiút – Môxốtchi mo2 ε -1 N = (αenh + ) ε +2 3ε 3kT (3.34) - Các chất lỏng cực tính có số điện môi lớn nên Các chất lỏng cực tính mạnh có giá trị số điện mơi cao, ví dụ: nước, rượu êtilíc… nên khơng thể ứng dụng thực tế để làm điện môi độ dẫn điện chúng lớn - ε ĐM cực tính phụ thuộc nhiều vào tần số nhiệt độ f1 f1 như: KCl; TKε< như: TiO2 Hằng số điện môi thuỷ tinh vô - ε = (4 20) tuỳ thuộc vào thành phần kết cấu công nghệ gia công tạo nên - Vật liệu thủy tinh tồn loại phân cực: αe nh , αi nh - Nếu có chứa oxit kiềm (Na2O, K2O…) có thêm αLC - Phương trình claudiút – Mơxốtchi có dạng: ε-1 N = (αe nh  αi nh ) ε + 3ε - Hệ số nhiệt: TK ε = (3.37) dε (ε - 1)(ε + 2) N(ε + 2) dαi  + ε dT 3ε 9εε dT - Quan hệ = f(t0) thuỷ tinh + Khi t > tc nhiệt độ cao chuyển động nhiệt mạnh làm thay đổi cấu trúc phân tử cản trở phân cực nên giảm nhanh + Khi t < tc (nhiệt độ nóng chảy), ε↑ t0 ↑ Tại tc thuỷ tinh bị thay đổi cấu trúc biến đổi thành chất lỏng, nên ε = εmax có trị số lớn tới hàng nghìn (3.38) max tc Hình 3.9 t0C Hằng số điện môi điện môi rắn hữu cực tính - Loại gồm xenlulơ sản phẩm như: giấy, bơng, vải, sợi, bìa cátton…, chất nhựa hữu trùng hợp có phân cực tính êpốcxi, galovac - Có phân cực điện tử nhanh phân cực lưỡng cực chậm - phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tần số điện trường theo quy luật giống chất lỏng cực tính Hằng số điện mơi điện mơi xécnhét (có từ tính) (sắt điện) - Loại gồm: Muối xécnhét NaKC4H4O6.4H2O, titanat bari BaTiO3, phốt phát kali axít KH2PO4 chất khác - Đặc điểm bật tượng điện trễ (cảm ứng điện biến đổi chậm sau cường độ điện trường) - Có loại phân cực: phân cực điện tử ion nhanh, phân cực điện tử ion chậm, phân cực tự phát - ε nằm giải rộng (vài đơn vị hàng trăm) phụ thuộc vào t0 cường độ điện trường - Trong điện mơi xécnhét có tượng già hoá điện, biểu giảm theo thời gian Nguyên nhân phân nhóm lại đômen Khi t0 gần điểm Quyri biến đổi mạnh theo thời gian Khi điện môi xécnhét bị đốt nóng tới nhiệt độ cao điểm Quyri, trở lại trị số bình thường Có thể hồi phục cách tác động vào điện mơi xécnhét điện trường có cường độ cao Hằng số điện môi tổ hợp cách điện rắn - Cần xác định số điện môi tổ hợp cách điện, biết tỷ lệ tương đối điện môi thành phần - Lixteniker đưa cơng thưc tính tổ hợp cách điện gồm hai chất với số điện môi và, tỷ lệ tương đối thành phần tương ứng x1 x2 với điều kiện x1 + x2 = Trong trường hợp tổng quát, tổ hợp cách điện có n chất điện mơi khác ta tiến hành tính tốn cho cặp hai chất (1, 2), lại tính tiếp cặp (1+2+3) n chất - Công thức tổng quát để tính tổ hợp hai cách điện sau ε k = x1.ε1k + x ε 2k (3.39) - Có trường hợp xảy thực tế sau : + Nếu điện môi gồm lớp đặt vng góc với phương điện trường (mắc song song hai tụ) k = -1 ta có: x x = + ε ε1 ε2 (3.40) + Nếu hai điện môi đặt song song với phương điện trường (mắc nối tiếp tụ), k =1 ta có: ε = x1.ε1 + x ε (3.41) + Nếu hai chất điện môi trộn vào với k tiến dần tới “khơng” (k→ 0) Do k→0 nên vi phân phương trình (3-55) ta rút gọn lnε = x1lnε + x 2lnε - Hệ số nhiệt: TKε = X1 TKε1 + X2 TKε2 (3.42) (3.43) ... Chương Vật liệu cách điện thể khí Chương Vật liệu dẫn điện cáp điện Chương Vật liệu bán dẫn Chương 10 Vật liệu từ CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - Mọi vật chất cấu... DUNG Chương Cấu tạo phân loại vật chất Chương Tính dẫn điện điện môi Chương Sự phân cực điện môi Chương Tổn hao điện mơi Chương Sự phóng điện điện mơi Chương Tính chất Cơ-Lý-Hóa điện mơi Chương Vật. .. chất vật liệu (vật liệu cách điện có lẫn kim loại) - \hình ảnh\Khuyet tat va tap chat mang tinh the.flv Phan NHỮNG HIỆN TƯỢNG XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI KHI ĐẶT VÀO TRONG ĐIỆN TRƯỜNG - Vật liệu cách điện