bài giảng môn vật liệu điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Bài giảng VẬT LIỆU ĐIỆN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Mã mơn học: ELE309 Số tín chỉ: 02 Sử dụng cho năm học: 2014 - 2015 Biên soạn: ThS NGUYỄN TIẾN DŨNG Thái Nguyên – 2014 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI Cấu tạo nguyên tử Mọi vật chất cấu tạo từ hạt Proton, nơtron điện tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo Proton nơtron mang điện tích dương bao quanh hạt nhân điện tử mang điện tích âm cân với điện tích dương hạt nhân Thơng qua dạng liên kết mà hình thành nên vật chất Mơ hình ngun tử Bohr Trong ngun tử điện tử chuyển động quỹ đạo xác định, có bán kính định, quay quỹ đạo lượng bảo tồn Hình 0.1: Các lớp e ngun tử Si Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng xác định, quỹ đạo gần hạt nhân có mức Nlượng nhỏ ngược lại Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ giải phóng lượng Theo học lượng tử: chuyển động điện tử mô tả hàm sóng Đối với nguyên tử biệt lập hàm số có tính đối xứng cầu, điện tích điện tử phân bố tản tạo thành đám mây Các dạng liên kết a Liên kết cộng hoá trị: Là mối liên kết nguyên tử hình thành phân tử cách góp chung vác điện tử Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương trùng phân tử trung tính (trung hồ) Các chất cấu tạo từ phân tử gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương khơng trùng phân tử lưỡng cực (cực tính) Phân tử lưỡng cực đặc trưng mô men lưỡng cực: m = q.l Được tính tích số điện tích với khoảng cách trọng tâm điện tích âm dương b Liên kết ion: Được xác lập lực hút ion trái dấu: NaCl = Na+ + ClVật rắn có cấu tạo ion đặc trưng tính chất bền vững học nhiệt độ nóng chảy tương đối cao c Liên kết kim loại: Dạng liên kết tạo nên tinh thể rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion (+) nằm môi trường điện tử tự chung Lực hút ion (+) điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính óng ánh tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lên lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng d Liên kết Vanđecvan: Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Dạng liên kết yếu, tạo nên nhờ lực hút phân tử trung hòa, mạng tinh thể khơng vững Thường có chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin Phân loại vật liệu a Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng lượng vật rắn: Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ chất khác chứng tỏ nguyên tử khác có trạng thái (mức) lượng xác định, khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường, lớp vỏ điện tử ứng với trạng thái lượng xác định (1 số mức lượng điện tử lấp đầy) mức lượng khác cao điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên ngồi Khi kích thích ngun tử trở trạng thái ban đầu phát lượng thừa Khi nguyên tử liên kết với để tạo thành mạng tinh thể vật rắn, tương hỗ chúng lamg phân chia mức lượng, dẫn đến xuất nhiều mức lượng nắm gần phạm vi lớp Các mức lượng tạo nên dải lượng khác Trong người ta quan tâm đến hai dải “dải hóa trị” (vùng điền đầy điện tử) “dải dẫn” (các điện tử tự vùng này), hai dải ngăn cách “dải cấm” Hình 0.2: Mơ hình dải lượng nguyên tử (a), vật rắn (b) Người ta dựa vào chiều rộng dải cấm, để phân chia vật liệu Điện mơi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử không xảy Chiều rộng vùng cấm điện môi khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J) Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm nhỏ khắc phục nhờ nguồn lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử vùng mức lượng tự nằm kề chồng lên phần Vì cần tác động nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái b Phân loại theo từ tính: loại Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, … Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > (  1) khơng phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi VD, muối sắt, muối Côban Niken,kim loại kiềm Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 phụ thuộc vào cường độ từ trường Ví dụ: Fe, Ni, Coban hợp kim chúng Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 0.1 ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường(mạnh hay yếu, chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số điện trường ), thời gian tác động điện trường yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà điện môi xảy tượng với chất vật lý khác Trong có hai tượng tượng dẫn điện tượng phân cực điện môi Hiện tượng phân cực: Là dịch chuyển có giới hạn điện tích liên kết định hướng phân tử lưỡng cực Trong trình phân cực tạo nên dòng phân cực, thường đánh giá số điện mơi  góc tổn thất điện mơi  (nếu q trình phân cực kèm theo phân tán lượng làm cho điện mơi nóng lên) Do điện môi kỹ thuật có điện tích tự nên tác động điện áp xuất dịng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện mơi theo bề mặt Dịng điện rị, kết hợp với dịng phân cực tạo nên tính dẫn điện điện môi Do điện môi xuất dịng dẫn nên gây nên tổn thất điện mơi, làm cho điện mơi nóng lên Tổn thất điện mơi đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg Mỗi điện môi ứng với chiều dày định chịu giá trị điện áp định Khi điện áp vượt giá trị tới hạn điện mơi bị đánh thủng, vật liệu hồn tồn thuộc tính cách điện Được đánh giá thơng qua độ bền điện Eđt Trong trình vận hành ngồi tác động điện trường, điện mơi cịn chịu tác động yếu tố môi trường tác động cơ, nhiệt khác… Sau thời gian tính chất cơ, lí, hố điện điện mơi bị thay đổi (thường đi) hố già điện mơi Chương I SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 1.1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MƠI Sự phân cực điện mơi Xét điện môi đặt cực nối vào mạch điện Dưới tác dụng điện trường ngoài, điện tích điện mơi dịch chuyển điện cực chiều ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu chúng Các phân tử lưỡng cực (nếu có) định hướng theo hướng điện trường Hình 1.1 Hiện tượng phân cực điện môi Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Khi điện trường tăng mật độ di chuyển lớn, phân cực mạnh Khi điện trường giảm phân cực giảm dần điện trường ngồi = điện tích trở trạng thái ban đầu Kết trình phân cực: bề mặt tiếp giáp điện môi với điện cực xuất lớp điện tích trái dấu Trong điện mơi xuất điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường ngồi Khi điện mơi đặt điện cực nối vào mạch điện xem tụ điện điện tích Q tụ xác định: Q = C.U với C: Điện dung tụ U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q giá trị điện áp xác định có thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1) Q0: Điện tích tụ có kích thước, điện cực chân khơng Q’: Điện tích tạo phân cực điện môi Hằng số điện môi Để đánh giá mức độ phân cực điện môi, người ta đưa khái niệm số điện môi tương đối, ký hiệu , gọi tắt “Hằng số điện mơi” Nó dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị  Q  Q0 Q Q'  1 Q0 Q0 Q0 (1.2) Hằng số điện môi tỷ số điện tích tụ chứa điện mơi có điện áp xác định với điện tích tụ kích thước điện áp cực chân không 1.2 CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MƠI Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có dạng phân cực điện môi *) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy tức thời, đàn hồi hồn tồn, khơng phát tán lượng Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện *) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy tức thời, tăng giảm cách chậm chạp có kèm theo phát tán lượng điện môi làm cho điện mơi nóng lên Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện mắc nối tiếp điện trở Các chế phân cực Một số chế phân cực thấy nhiều điện mơi khác nhau, loại điện mơi thấy tồn đồng thời nhiều chế phân cực khác a Phân cực điện tử nhanh Là chuyển dịch đàn hồi biến dạng lớp vỏ điện tử nguyên tử ion Thời gian xảy nhanh (t  10-15s) phân cực điện tử coi tức thời Sự phân cực điện tử có tất loại điện môi không gây tổn thất lượng Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0:  = 4..0R03 (1.5) Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên b Phân cực ion nhanh Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion xác định chuyển dịch đàn hồi ion liên kết Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng Thời gian xác lập phân cực này: t  10-13s Hệ số phân cực:  = 4..0(a/2)3 (1.6)  Với a khoảng ion (+) (-) E  c Phân cực Lưỡng cực chậm Xảy điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực Các phân tử lưỡng cực trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn định hướng phần tác dụng điện trường gây nên phân cực Quá trình định hướng phân tử phải thắng lực chuyển động nhiệt có kèm theo tổn hao lượng Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực nhiệt độ:  lc  m0 3KT (1.7) Với: m0 - mơmen lưỡng cực trung bình; K =1,38 10-23J/0K – số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối d Phân cực ion chậm Xảy điện mơi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc ion không chặt chẽ Các ion liên kết yếu chất chuyển động nhiệt hỗn loạn nhận thêm chuyển dịch thừa theo hướng điện trường Thường quan sát thấy thuỷ tinh vô số chất vô mà tinh thể ion ràng buộc không chặt Sau loại bỏ điện trường định hướng ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ Sự phân cực ion chậm tăng với tăng nhiệt độ e Phân cực điện tử chậm Đặc trưng cho điện mơi có hệ số khúc xạ cao, trường bên lớn có tính dẫn điện - điện tử Nói cách khác: điện mơi có điện tử khuyết tật thừa lỗ hổng kích thích nhiệt Hằng số điện mơi phụ thuộc vào nhiệt độ có vài điểm cực đại chí nhiệt độ âm f Phân cực cấu kết cấu Xảy vật rắn có cấu tạo khơng đồng có tạp chất Sự phân cực biểu tần số thấp kèm theo tổn hao lượng đáng kể Nguyên nhân phân cực chất dẫn điện bán dẫn lẫn điện môi kỹ thuật, tồn lớp có độ dẫn điện khác g Phân cực tự phát Dạng phân cực tồn dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch tán lượng đáng kể (có toả nhiệt)  phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường đặc trưng điểm cực đại nhiệt độ xác định Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên *) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) điện mơi mà xảy đầy đủ chế phân cực hình vẽ Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị điện mơi Trong đó: U điện áp nguồn Nhánh 1: Điện dung C0 điện tích Q0 tụ điện mơi chân khơng Nhánh 2÷ 8: Điện dung điện tích chế phân cực: Phân cực điện tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát phân cực cấu (kết cấu) Nhánh 9: RCĐ điện trở cách điện hay gọi điện trở thật điện môi Nhánh đặc trưng cho dịng điện rị qua điện mơi 1.3 HẰNG SỐ ĐIỆN MƠI CỦA CÁC ĐIỆN MƠI KHÍ – LỎNG – RẮN Hằng số điện mơi điện mơi khí Các chất khí có mật độ phân tử nhỏ phân cực chất khí khơng đáng kể số điện mơi chất khí  = 2  Bảng 1.1: Hằng số điện môi số điện mơi khí Tên khí Hêli Hyđro Ô xi Agon Nitơ Cacbonic  1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 Để xác định số điện môi, ta sử dụng phương trình Claudiut  N  Môxôpchi: (1.8)    3. Đối với điện mơi khí 1, nên (1.8)    Với N  N  P.  1 0 K T  (1.9) P mật độ phân tử, P (at), T(0K),  hệ số phân cực K T * Với điện mơi khí trung tính: Chỉ tồn chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03 Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử lớn, số điện môi lơn Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2 Hình 1.2: Quan hệ =f(P), T số =f(T), P số Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Để đánh giá ảnh hưởng  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt số điện mơi: TK      d  dt [độ-1] Với chất khí trung hịa : TK  (1.10) d  (  1)  0  dT  T (1.11) *Với chất khí cực tính tồn hai chế phân cực chế phân cực điện tử nhanh (là chủ yếu), chế phân cực lưỡng cực chậm Do  = e+lc, phương trình (1.8)     N P. e P.m0 ( e   lc )    0 K T  3( K T )2  (1.12) Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất nhiệt độ     2 Hệ số nhiệt số điện môi : TK     (độ-1) .T .T (1.13) Hằng số điện môi điện môi lỏng Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng phân thành hai nhóm: Điện mơi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) điện mơi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …) * Hằng số điện mơi điện mơi lỏng trung tính Điện mơi chất lỏng trung tính đặc trưng phân cực điện tử nhanh vậy  22÷ 2,5 phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất tần số Hình 1.3 Quan hệ  chất lỏng trung hoà với nhiệt độ tần số Về trị số tuyệt đối TK chất lỏng trung tính gần hệ số giãn nở thể tích chất lỏng  (nhưng ngược dấu) d    1  2  TK v (độ-1)  dT 3 dV với TKv = hệ số nhiệt thể tích V dT TK   (1.14) * Hằng số điện môi chất lỏng cực tính Chất lỏng cực tính tồn đồng thời phân cực điện tử phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu) Có nhiều thuyết đưa để tính  điện mơi cực tính, nói chung việc tính  chất lỏng cực tính phức tạp Mỗi cơng thức kèm giả thiết nên có tính chất gần Thường dùng phương trình Clauđiút-Mơxốtchi:   1  2 Bài giảng Vật liệu điện m2  N   e   3  3KT    (1.15) Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Quan hệ  nhiệt độ chất lỏng lưỡng cực phức tạp chất lỏng trung hoà Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi Sau tăng mạnh theo đường dốc đứng đạt cực đại giảm dần Nhiệt độ mà  tăng nhanh ứng với chất lỏng có độ nhớt giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả tự định hướng tạo nên phân cực phụ điện môi Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ  giảm chuyển động nhiệt phân tử tăng lên, cản trở định hướng Hình 1.4: =f(t0), f1