Vật liệu điện - Chương 2 pot

Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 14 Chơng II: Tính dẫn điện của điện môi I. Đặc điểm của điện môi trong điện trờng Khi các điện môi nằm trong điện trờng khi chịu tác dụng của một cờng độ điện trờng E, trong trờng hợp đồng nhất thì E đợc xác định: h U E = Trong đó: E: Điện áp đặt lên hai điểm cực h: Khoảng cách giữa hai điểm cực Điện môi đặt dới điện trờng thì xảy ra hiện tợng cơ bản đó là sự dẫn điện của điện môi và sự phân cực của điện môi. Điện dẫn của điện môi đợc xác định bởi sự chuyển động có hớng 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). Dới tác dụng của điện trờng: 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 ngợc 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 dới tác dụng của lực điện trờng chúng không thể chuyển doọng xuyên suốt điện môi để tạo thành dòng điện mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hớng theo chiều của điện trờng. Quá trình dẫn điện và phân cực một phần năng lợng bị tiêu hao và toả ra dơí dạng nhiệt năng dẫn đến điện môi nóng lên đó là sự tổn hao điện môi lâu dài dẫn đến điện môi bị lo 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 trờng trùng với trục hình trụ. l = V S E Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 15 Giả thiết diện tích chứa trong điện môi là n và mỗi phần tử có điện tích là q. Dới 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/m 2 . 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 lợng 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 dơng (+) 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 dới tác dụng của điện trờng 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. Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 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 tơng 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 nhng vì luôn có một số lợng 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 trờng mạnh dẫn tới sự ion hoá do va chạm tăng lên, lợng điện tích tự do tăng nhanh. Dới tác dụng của điện trờng 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 trờng tăn dẫn đến dòng điện qua điện môi khí tăng do càng có nhiều điện tích chuyển động đến điện cực. Điều này đợc giải thíc là: Do cờng độ điện trờng 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 trờng bứ cho nên cờng độ điện trờng rất hở dẫn tới số lợng điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện nhỏ hơn so với số lợng 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 trờng yếu ta thấy dòng điện tăng tuyến tính với điện áp. Vùng II: ứng với khu vực có dòng điẹn bo hoà, điện trờng 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 bo hoà không phụ thộc vào điện áp, các yếu tố gây ion hoá tự nhiên là yếu tố quyết định dòng bo hoà, mật độ dòng điện bo hoà J = 6.10 -15 (A/m 2 ). U U 3 U 2 U 1 0 I bh I I II III a b c Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 17 Vùng III: ứng với khu vực điện trờng 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 tợng ion do va chạm, số ion hoá xuất hiện tăng nhanh, nó là hàm của cờng độ điện trờng: N 0 = N E J = N E .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 thờng. 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. Nớc là loại tạp chất phổ biến lẫn vào điện môi lỏng. Nó tồn tại dới 3 dạng: Nớc tan, nớc huyền phù và nớc d. Nớc d có thể nổi hoặc chình tròng điện môi tuỳ thuộc vào tỷ trọng của nớc và tỷ trọng của điện môi, tỷ trọng điện môi > 1000 kg/m 2 thì nớc d nổi và ngợc 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 hớng của nhóm các phần tử mang điện (tích điện) dới tác dụng của điện trờng ngoài. Trong điện môi lỏng có tồn tại nhiều hạt dạng keo tích điện chuyển động trong điện trờng giống nh các phần tử tích điện tự do. Tuỳ theo sự quan hệ giữa của chất lỏng và của tạp chất dạng keo này mà chúng có thể tích điện tích dơng (+) hoặc âm (-). Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 18 - Nếu tc < chất lỏng: Hạt keo tích điện âm (-) - Nếu tc > chất lỏng: Hạt keo tích điện dơng (+) Trong điện trờng các hạt keo tập trung ở các điện cực hoặc là vùng có cờng độ điện trờng 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 hớng 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 I v ) mà còn tồn tại dòng điện chạy theo bề mặt của nó (dòng điện mặt I s ). Chính vì vậy mà đối với điện môi rắn có hai khái niệm. Điện dẫn suất khối V và điện dẫn suất mặt s v : 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 phơng có cạnh là 1cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện. Đơn vị của v là cm. s : 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 . I s I s I V s s v v 1 , 1 == . 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. điện của điện môi và sự phân cực của điện môi. Điện dẫn của điện môi đợc xác định bởi sự chuyển động có hớng của các điện tích tự do tồn tại trong điện môi (các điện tích tự do có thể là điện. 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 dơng (+) và ion âm (-) , khác với điện tử cá