Bài giảng Vật liệu điện: Phần 1 - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội được biên soạn với nội dung chính sau: Thuyết cấu tạo nguyên tử của Borh; Thuyết cơ học lượng tử của nguyên tử; Vật liệu dẫn điện; Vật liệu bán dẫn điện; Vật liệu từ; Qúa trình điện lý của điện môi;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 tại đây.
Trường Đại học Bách Khoa Hà nội Khoa Điện- Bộ mơn Hệ thống điện BÀI GIẢNG MƠN VẬT LIỆU ĐIỆN Biên soạn: TS Phạm Hồng Thịnh TS Trần Văn Tớp Hà nội, tháng 10-2006 Chương I: CẤU TẠO VẬT CHẤT I.1 Cấu tạo nguyên tử I.1.1 Thuyết cấu tạo nguyên tử Borh I.1.2 Thuyết học lượng tử nguyên tử I.2 Cấu tạo phân tử dạng liên kết I.2.1 Liên kết ion I.2.2 Liên kết cộng hoá trị 11 I.2.3 Liên kết kim loại 12 I.2.4 Các liên kết thứ cấp 13 I.2.5 So sánh liên kết 15 I.2.6 Cực tính liên kết độ âm điện 17 I.2.8 Cấu trúc tinh thể khuyết điểm mạng tinh thể 18 I.3 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn 24 I.3.1 Mức lượng Fermi 24 I.3.2 Lý thuyết vùng lượng Kim loại, điện môi chất bán dẫn 26 I.4 Phân loại vật chất theo độ dẫn điện từ tính 28 I.4.1 Phân loại vật chất theo độ dẫn điện 28 1.4.2 Phân loại vật liệu theo độ từ tính 29 Chương II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN VÀ BÁN DẪN ĐIỆN 30 II.1 Tính dẫn điện kim loại 30 II.1.1 Các điện tích chuyển động 30 II.1.2 Dòng điện 30 II.1.3 Mật độ dòng điện, vận tốc chuyển động điện tích điện dẫn suất vật liệu 31 II.2 Điện trở điện trở suất 34 II.2.1 Tính tuyến tính định luật Ohm 34 II.2.2 Sự phụ thuộc điện trở suất độ linh hoạt vào nhiệt độ 34 II.2.3 Điện dẫn kim loại 36 II.2.4 Điện dẫn hợp kim 37 II.3 Tính chất vật lý kim loại 37 II.3.1 Nhiệt độ nhiệt lượng nóng chảy 37 II.3.2 Tính dẫn nhiệt 37 II.3.3 Giãn nở nhiệt 38 II.3.4 Vẻ sáng kim loại 38 II.4 Tính chất hoá học kim loại 38 II.5 Tính chất học kim loại 38 II.5.1 Độ bền 38 II.5.2 Độ đàn hồi 38 II.5.3 Độ dẻo 38 II.6 Vật liệu có điện dẫn cao 38 II.6.1 Đồng 39 II.6.2 Nhôm 42 II.6.3 So sánh tính chất đồng nhơm 44 II.6.4 Các kim loại khác 45 II.7 Các vật liệu điện trở suất cao 47 II.7.1 Các hợp kim điện trở suất cao 47 II.7.2 Các hợp kim điện trở suất cao bền nhiệt 47 II.8 Vật liệu bán dẫn 47 II.8.1 Bán dẫn tinh khiết (intrinsic semiconductor) 48 II.8.2 Bán dẫn tạp chất (extrinsic semiconductor) 50 Chương III- VẬT LIỆU TỪ VÀ SIÊU DẪN 52 III.1 Một số khái niệm 52 III.1.1 Các đơn vị 52 III.1.2 Một số định lý từ trường 53 III.2 Khái niệm tính chất từ vật liệu 56 III.2.1 Tính chất từ nguyên tử 56 III.2.2 Các thành phần mô men từ nguyên tử 58 III.3 Phân loại vật liệu từ 59 III.3.1 Vật liệu nghịch từ (diamagnetism) 60 III.3.2 Vật liệu thuận từ (paramagnetism) 60 III.3.3 Vật liệu sắt từ (ferromagetism) 62 III.3.4 Vật liệu phản sắt từ (antimagnetism)và ferit từ (ferrimagnetism) 66 III.4 Tổn hao từ 67 III.4.1 Tổn hao từ trễ 67 III.4.2 Dòng điện tổn hao Foucault 68 III.4.3 Tổn hao từ dư 68 III.5 Tác dụng từ trường 68 III.5.1 Hiệu ứng Hall 68 III.5.2 Hiệu ứng Kelvin (Hiệu ứng bề mặt) 69 III.6 Vật liệu siêu dẫn 70 III.6.1 Nhiệt độ tới hạn 71 III.6.2 Hiệu ứng Meissner 72 III.6.3 Từ trường tới hạn phân loại vật liệu siêu dẫn 74 III.6.4 Lý thuyết BCS 75 III.6.5 Mật độ dòng điện tới hạn 77 III.6.6 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn 78 Chương IV- CÁC Q TRÌNH ĐIỆN LÝ CỦA ĐIỆN MƠI 81 IV.1 Nhắc lại khái niệm tĩnh điện 81 IV.1.1 Định luật Coulomb 81 IV.1.2 Điện trường định luật Gauss 81 IV.1.3 Thông lượng cường độ điện trường 82 IV.1.4 Liên hệ điện điện trường Phương trình Poisson-Laplace 83 IV.2 Điện môi đặt điện trường không đổi 85 IV.2.1 Lưỡng cực điện 85 IV.2.2 Hiện tượng phân cực 89 IV.2.3 Điện trường nội 92 IV.2.4 Phương trình Clausius-Mosotti 94 IV.2.5 Mơ hình Onsager mơ hình Kirwood 96 IV.3 Điện môi đặt điện trường thay đổi 97 IV.3.1 Hàm đáp ứng điện môi điện trường thay đổi miền thời gian 98 IV.3.2 Hàm đáp ứng điện môi miền tần số Quan hệ Kramers-Kronig 101 IV.3.3 Định nghĩa số điện mơi phức góc tổn hao DELTA 103 IV.3.4 Hiện tượng điện môi nghỉ (dielectric relaxation) 105 IV.3.5 Phân cực tiếp giáp điện môi không đồng nhất- Mô hình MaxwellWagner 110 IV.3.6 Sự phụ thuộc tổn hao điện môi vào nhiệt độ 112 Chương V- ĐIỆN MƠI KHÍ 114 V.1 Phóng điện điện mơi khí 114 V.1.1 Các q trình hình thành điện tích điện mơi khí 114 V.1.2 Các q trình điện cực âm (cathode) 116 V.1.3 Các q trình trung hịa điện tích điện mơi khí 117 V.1.4 Phóng điện chọc thủng chất khí điện trường đồng (đều) 118 V.1.5 Phóng điện chọc thủng chất khí điện trường khơng đồng 127 V.1.6 Phóng điện chọc thủng chất khí điện áp xung 134 V.2 Điện môi chân không 138 V.2.1 Các trình giải điện tử chân khơng 139 V.2.2 Các chế gây tượng phóng điện chọc thủng chân khơng 142 V.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên trị số điện áp phóng điện chọc thủng chân không 144 V.3 Cách điện SF6 146 V.3.1 Các tính chất SF6 146 V.3.2 Phóng điện chọc thủng SF6 147 V.3.4 Hỗn hợp SF6 với khí khác 148 V.4 Lựa chọn cách điện thể khí 149 Chương VI- ĐIỆN MÔI LỎNG 152 VI.1 Hiện tượng dẫn điện điện môi lỏng 152 VI.1.1 Chất lỏng cực tính khơng cực tính 152 VI.1.2 Quá trình điện dẫn nội môi 152 VI.1.3 Điện dẫn điện tích sinh lớp tiếp giáp 156 VI.2 Q trình phóng điện chọc thủng chất lỏng 159 VI.2.1 Lý thuyết phóng điện điện tử 159 VI.2.2 Lý thuyết phóng điện phần tử chất rắn 159 VI.2.3 Lý thuyết phóng điện gây lỗ hổng (cavitation) bọt khí (bubble)161 VI.2.4 Nghiên cứu q trình phóng điện phương pháp quang học- lý thuyết streamer 162 VI.2.5 Các tính chất cách điện lỏng 165 VI.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng 166 VI.3 Một số cách điện lỏng thông dụng 171 VI.3.1 Dầu mỏ 172 VI.3.2 Hydrocarbone tổng hợp 172 Chương VII- CÁCH ĐIỆN RẮN 177 VII.1 Tính chất điện mơi 177 VII.1.1 Hằng số điện môi 177 VII.1.2 Điện trở suất 177 VII.1.3 Tổn hao điện môi 178 VII.2 Phân loại cách điện rắn 178 VII.2.1 Phân loại theo thành phần hóa học 178 VII.2.2 Phân loại theo ứng dụng 179 VII.2.3 Phân loại theo nhiệt độ chịu đựng 179 VII.3 Phóng điện chọc thủng điện môi rắn 180 VII.3.1 Cơ chế điện tử (electronic breakdown) 180 VII.3.2 Cơ chế phóng điện nhiệt (thermal breakdown) 182 VII.3.3 Cơ chế phóng điện điện (electromechanical breakdown) 186 VII.3.4 Một số chế phóng điện chọc thủng chất rắn thực tế 187 VII.4 Một số cách điện rắn thông dụng 191 VII.4.1 Điện môi giấy 191 VII.4.2 Mica sản phẩm mica 191 VII.4.3 Thủy tinh 192 VII.4.4 Gốm cách điện 192 VII.4.5 Polymer 193 CHƯƠNG VIII: CÁCH ĐIỆN NGOÀI TRỜI 203 VIII.1 Giới thiệu cách điện trời 203 VIII.1 Vai trò cách điện 203 VIII.1.2 Tính chất vật liệu 204 VIII.1.3 Một số chủng loại cách điện trời tiêu biểu 204 VIII.2 Cơ chế gây ô nhiễm bề mặt 207 VIII.2 Cơ chế phóng điện bề mặt 208 VIII.2.1 Độ ẩm bề mặtt 209 VIII.2.2 Trường hợp vật liệu thích nước (hydrophilic) 210 VIII.2.3 Trường hợp vật liệu ghét nước (hydrophobic) 213 VIII.3 Các tính chất ảnh hưởng lên trị số phóng điện bề mặt 214 VIII.3.1 Ảnh hưởng phần tử hòa tan 215 VIII.3.2 Ảnh hưởng phần tử khơng hịa tan 215 VIII.3.2 Ảnh hưởng đường kính trung bình cách điện thích nước 216 VIII.3.3 Quá điện áp độ 217 VIII.3.4 So sánh điện áp xoay chiều chiều 218 VIII.4 Các biện pháp cải thiện phóng điện bề mặt 218 VIII.4.1 Mũ đỡ (Booster shed) 219 VIII.4.2 Mở rộng vùng mũ (shed extender) 219 VIII.4.3 Phủ lớp khác (coating) 220 VIII.4.4 Lau rửa 220 CHƯƠNG I: CẤU TẠO VẬT CHẤT I.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I.1.1 THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA BORH Hình I.1: Mơ hình ngun tử Borh (lấy từ trang http://phys.free.fr/modbohr.htm) Nội dung thuyết cấu tạo ngun tử theo mơ hình Borh hiểu sau: điện tử quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo trịn Ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phịng) điện tử nằm quỹ đạo gần hạt nhân nhất, vị trí ứng với mức lượng thấp nguyên tử hay gọi trạng thái dừng (ground state) Khi điện tử nằm quỹ đạo, hệ không lấy thêm lượng Khi nhận thêm lượng điện tử di chuyển đến quỹ đạo mới, xa hạt nhân hơn, lúc nguyên tử có lượng lớn lượng ban đầu điện tử trạng thái kích thích (excited state) Ngược lại nguyên tử xạ lượng để chuyển từ trạng thái kích thích có mức lượng cao trạng thái kích thích có mức lượng thấp Tuy nhiên điện tử nằm quỹ đạo mà phép chuyển động quỹ đạo cách hạt nhân khoảng cách định, nói cách khác chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác lượng mà điện tử nhận xạ đại lượng cố định (hay gọi lượng lượng tử hóa-quantized) Trạng thái kích thích mức lượng dừng gọi trạng thái kích thích thứ nhất, trạng thái kích thích thứ hai tiếp tục Mức lượng ion hóa mức lượng mà điện tử khơng cịn liên kết với hạt nhân để trở thành điện tử tự hậu nguyên tử trở thành ion dương Ở mức lượng lớn mức lượng ion hóa, điện tử có mức lượng liên tục khơng cịn gián đoạn trường hợp liên kết với hạt nhân Ví d ụ nguyên tử hidro mức lượng ion hóa 13,6eV Mặt khác nguyên tử nhận thêm điện tử để trở thành ion âm Như nguyên tử chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác cách nhận thêm xạ lượng tử có độ lớn hiệu lượng hai trạng thái có độ lớn: (I.1) ΔW = Wm - Wn = h.f -34 Với f tần số xạ h=6,624.10 J.s số Plank Năng lượng toàn phần điện tử nguyên tử bao gồm động T U Thế U gây tương tác điện tử với hạt nhân có trị số U=-eV e=1,602 10-19 điện tích điện tử cịn V điện hạt nhân gây nơi đặt điện tử Vì điện tích hạt nhân qhạt nhân=Ze (Z số thứ tự nguyên tử nguyên tố bảng hệ thống tuần hòan) nên gây lên điện tử cách hạt nhân khoảng cách r tính bằng: Ze e r Do lượng toàn phần điện tử tính bằng: U =− (I.2) me v Ze E = T +U = − (I.3) r Điện tử chuyển động quỹ đạo tròn lực tương tác Coulomb điện tử hạt nhân truyền cho lực hướng tâm, để điện tử chuyển động ổn định quỹ đạo tròn lực hướng tâm cân với lực ly tâm nên ta viết được: me v Ze = r r Từ ta xác định bán kính chuyển động quỹ đạo: (I.4) Ze (I.5) me v Mơ hình ngun tử Bohr hạt nhân khu vực có mật độ vật chất dày đặc nhất, khối lượng nguyên tử xấp xỉ khối lượng hạt nhân khổi lượng điện tử không đáng kể Hạt nhân bao gồm hai loại hạt: proton mang điện tích dương neutron khơng mang điện Hình vẽ 1.1 biểu diễn cách tương đối cấu tạo nguyên tử thực tế bán kính hạt nhân nhỏ bán kính ngun tử khoảng 100 000 lần Mơ hình Bohr tương tự mơ hình hệ mặt trời với mặt trời tương đương với hạt nhân điện tử giống hành tinh hệ mặt trời Tuy nhiên hệ mặt r= trời quỹ đạo hành tinh coi nằm mặt phẳng tương tác hành tinh lực hấp dẫn hành tinh ln hút Trong mơ hình Bohr quỹ đạo điện tử không nằm mặt phẳng tương tác hạt nhân điện tích tương tác hút đẩy tùy theo dấu điện tích Bảng 1.1 mơ tả đặc tính phần tử mơ hình ngun tử Bohr Hạt Photon Neutron Proton Điện tử Khối lượng I.32.L ýthuyếtvùngănglượng.K im loại,điệnm ơivàchấtbándẫn 26¶ 1,675.10-27 1,673.10-27 9,101.10-31 Điện tích (C) 0 1,602.10-19 -1,602.10-19 Mô men từ (A.m2) -9,64.10-27 1,41.10-26 6,27.10-24 Spin 1/2 1/2 1/2 Bảng 1.1: Đặc tính phần tử mơ hình Bohr I.1.2 THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CỦA NGUYÊN TỬ Như ta chấp nhận mơ hình Bohr mơ hình mô tả cấu tạo nguyên tử phần tử vật chất, tính chất nguyên tử định bởi: số nguyên tử Z (số điện tử số proton nguyên tử trung hòa), khối lượng nguyên tử, phân bố không gian điện tử quỹ đạo quay quanh hạt nhân, lượng điện tử hạt nhân khả cho nhận thêm điện tử nguyên tử để tạo thành ion dương âm Nếu hai yếu tố đầu phụ thuộc vào chất loại nguyên tử ba yếu tố sau phụ thuộc vào điều kiện lực học, trường điện từ nhiệt độ Do để xác định ảnh hưởng điều kiện lên đặc tính vật chất ta cần phải nắm đặc tính điện tử Để mơ tả cách chi tiết xác đặc tính điện tử người ta dùng thuyết học lượng tử Như đề cập mơ hình Bohr chuyển động điện tử quỹ đạo nguyên tử gián đoạn không liên tục, học cổ điển điện tử tồn quỹ đạo có bán kính khơng thể giải thích điều Tuy mơ hình Bohr thành cơng rực rỡ việc giải thích cấu tạo ngun tử hydro, khơng giải thích cấu tạo nguyên tử phức tạp có từ hai điện tử trở lên (từ He) Vì học lượng tử kế thừa từ giả thiết mơ hình Bohr để đưa mơ hình tốn học mơ tả tương tác điện tử, proton neutron nguyên tử Một điểm học lượng tử lưỡng tính sóng hạt điện tử Tính chất sóng điện tử thể tượng giao thoa cịn tính chất hạt thể vị trí quỹ đạo ngun tử Tính chất điện tử ngun tử mơ hình hóa cách coi sóng lượng Cấu tạo nguyên tử mô tả cách đầy đủ qua phương trình biểu diễn sóng hay cịn gọi hàm sóng Hàm sóng điện tử tự Để vào chi tiết hàm sóng trước tiên ta xét sóng phẳng đơn sắc vật lý cổ điển có vận tốc góc ω lan truyền theo chiều dương trục x biểu diễn hàm sóng de Broglie: ψ ( x, t ) = ψ o sin( kx − ωt ) (I.6) Trong ψ0 biên độ sóng, k=2π/λ số sóng (wave number), λ bước sóng, tần số góc ω=2πf, cịn vận tốc sóng c= λf=ω/k Chúng ta biết phương trình truyền sóng nghiệm phương trình vi phân cấp 2: ∂ 2ψ ∂ 2ψ = c ∂t ∂x (ký hiệu ∂ vi phân theo biến coi biến số) (I.7) Trong không gian ba chiều hàm sóng ψ hàm phụ thuộc vào bốn biến x,y,z t hay biểu diễn ψ(x,y,z,t) Phương trình vi phân ban đầu có dạng: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ (I.8) = + + c ∂t ∂x ∂y ∂z Xét chuyển động điện tử tự (không chịu tác dụng ngoại lực) di chuyển với tốc độ không đổi v Gọi khối lượng điện tử me, điện tử có động lượng p=mev lượng động điện tử: me v (I.9) Ta viết mối quan hệ lượng động lượng điện tử: E= p2 (I.10) 2me Các đại lượng p E đặc trưng cho chất hạt điện tử Mặt khác chất sóng điện tử biểu diễn qua đại lượng bước sóng λ tần số f Mối quan hệ đại lượng hai chất sóng-hạt gọi quan hệ de BroglieEinstein: E= p= h λ E = hλ (I.11) Sử dụng quan hệ de Broglie- Einstein, hàm sóng ψ(x,t) điện tử tự với lưỡng tính sóng hạt Shrodinger viết không gian chiều sau: iη ∂ψ η2 ∂ 2ψ =− 2m ∂x ∂t (I.12) h = 1,054.10 −39 J s gọi số Dirac 2π Nghiệm đơn giản phương trình có dạng: η = E ⎞ E ⎞ ⎛p ⎛p x − t ⎟ + i sin ⎜ x − t ⎟ = e i ( px − Et ) / η η ⎠ η ⎠ ⎝η ⎝η Đây hàm sóng điện tử tự ψ ( x, t ) = cos⎜ (I.13) Hàm sóng điện tử đặt điện trường Giả sử điện tử đặt trường V(x), lượng tồn phần điện tử bao gồm động T=p2/2me V(x): p + V ( x) 2me Khi hàm sóng Schodinger viết cho điện tử có dạng: E = T +V = ∂ψ η2 ∂ 2ψ =− + V ( x)ψ ∂t 2me ∂x Trong khơng gian ba chiều có dạng: iη (I.14) (I.15) ∂ψ η2 ⎛ ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ ⎞ ⎟ + V ( x, y, z )ψ ⎜ (I.16) =− + + 2me ⎜⎝ ∂x ∂y ∂z ⎟⎠ ∂t Nếu biết dạng cụ thể hàm V(x,y,z), thay vào phương trình ta giải để tìm dạng ψ(x,y,z) E, nghĩa xác định trạng thái lượng điện tử iη Ý nghĩa tốn học hàm sóng Hàm sóng Schodinger áp dụng cho hạt sơ cấp, để vào tìm hiểu ý nghĩa hàm sóng ta xét trường hợp hạt photon Xét khối hộp nhỏ thể tích dV=dxdydz khơng gian ba chiều bao quanh điểm M, gọi xác suất tìm thấy hạt thể tích thời điểm t P(x,y,z,t)dxdydz Đại lượng P(x,y,z,t) gọi xác suất xuất hạt đơn vị thể tích hay cịn gọi mật độ xác suất Mặt khác theo quan điểm sóng cường độ sáng M tỉ lệ bình phương với biên độ dao động, xác suất xuất hạt đơn vị thể tích dV tính bằng: P( x, y, z , t )dxdydz = ψ ( x, y, z , t ) dV (I.17) Trong tồn khơng gian chắn phải tìm thấy hạt, xác suất tồn không gian phải 1: ∫∫∫ ψ ( x, y, z, t ) dV = Điều kiện cịn gọi điều kiện chuẩn hóa hàm sóng (I.18) - Hàm xung dirac δ(t) - Hàm bước l(t): 1(t ) = ∫ δ (t )dt ∞ Hàm điều hòa: sinωt cosωt Khi đặt vào điện mơi điện trường kích thích có độ lớn E khoảng thời gian Δt, hàm véc tơ phân cực điện mơi phụ thuộc vào thời gian có dạng: P (t ) = ε E.Δt f (t ) (IV.94) Trước đặt điện trường vào điện môi, tất nhiên khơng có đáp ứng điện mơi vậy: f (t ) ≡ t