chương 4 sự dẫn điện của điện môi

CHươNGư4 11/08/15 Page sựưDẫNưđIệNưCủAưđIệNưMôI 4.1 Điện môi đặt điện trờng 4.2 Khái niệm chung Điện dẫn vật liệu cách điện 4.3 Điện dẫn điện môi khí 4.4 Điện dẫn điện môi lỏng 4.5 Điện dẫn điện môi rắn 4.6 ứng dụng quan trọng việc đo dòng điện hấp thụ 4.1 Điện môi đặt điện trờng Trong điện môi, khác với kim loại có điện tích tự Phần lớn điện tích tồn điện môi dới dạng điện tích ràng buộc (điện tử hạt nhân) Hình dung ta đặt điện môi đồng chất đẳng hớng có chiều dày l vào hai điện cực kim loại tiết diện S điện trờng chiều Nếu ta coi điện môi lý tởng, tức hoàn toàn không dẫn điện, điện cảm L điện trở R dây nối mạch nh bao gồm điện dung C Dòng điện nạp đợc biểu diễn nh sau d i1 di1 i L +R + =0 dt dt C Do giá trị R L mạch nối nhỏ, nên trình nạp tụ điện diễn thời gian ngắn Trong thực tế, điện môi lý tởng mà chứa số điện tích tự 11/08/15 Page Vì dới tác dụng điện trờng bên ngoài, chuyển động chúng làm xuất thêm thành phần dòng điện dẫn ic : dòng điện i1 giảm dần theo thời gian tơng tự nh dòng điện i c chế độ xác lập, dòng điện dẫn ic đợc xác định trị số điện áp đặt điện trở điện môi tức kích thớc hình học độ dẫn điện vật liệu V(t) V(t) t t i1(t) i1(t) ic t i2(t) a) t i2(t) b) Nếu ta nối ngắn mạch hai điện cực, dòng điện dẫn ic biến Trong mạch ta thấy có dòng điện i2 ngợc dấu với dòng điện nạp i1 có quy luật biến thiên giống hệt nh i1 11/08/15 Page Có thể thấy hai thành phần dòng điện ứng với hai trình vật lý khác xảy điện môi dới tác dụng điện trờng bên dẫn điện điện môi gây nên chuyển động điện tích tự ứng ứng với dòng điện dẫn ic phân cực điện môi xê dịch điện tích ràng buộc làm xuất dòng điện hấp thụ i1 Hiện tợng dẫn điện quan sát thấy tất vật liệu dẫn điện nh cách điện, phân cực đặc trng cho chất điện môi mà Nh tính chất điện điện môi đợc xác định chuyển động điện tích tự nh điện tích ràng buộc 11/08/15 Page Trong điện môi lý tởng điện tích tự do, điện môi không dẫn điện Dới tác dụng điện trờng ngoài, điện tích xê dịch nhỏ gây phân cực mà thội Cần xem xét điện tích bên điện tích bề mặt mẫu Một số vấn đề cần nghiên cứu Sự liên hệ điện trờng bên điện trờng cục bên điện môi tác dụng lên nguyên tử điện môi Phân cực nguyên tử, phân tử toàn điện môi điện trờng tĩnh, điện tr ờng xoay chiều tần số công nghiệp tần số cao 11/08/15 Page Việc nghiên cứu điện trờng điện môi giải hai vấn đề sau Sự liên hệ nh giữ véc tơ phân cực P vật liệu với điện trờng vĩ mô hệ phơng trình Maxwell ( rotH = j + t o E + P B rotE = t div o E + P = divB = ( ) ) Sự liên hệ phân cực điện môi điện trờng cục tác dụng điểm có nguyên tử nh Tìm nghiệm phơng trình với điều kiện biên cho phép xác định đợc vectơ c ờng độ điện trờng E mật độ dòng điên j điểm điện môi thời điểm t 11/08/15 Page 4.2 Khái niệm chung điện dẫn vật liệu cách điện Nh đề cập, điện dẫn suất điện môi phụ thuộc vào mật độ điện tích tự độ linh hoạt chúng Sự dẫn điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, tạp chất Tuy nhiên khác quan trọng khác với vật liệu dẫn điện (kim loại) nơi mà điện dẫn (mật độ điện tích, độ linh hoạt ) không phụ thuộc vào điện trờng bên ngoài, chất điện môi bị ảnh hởng lớn điện trờng Các điện tích tự tồn điện môi trờng yếu, xác định chủ yếu điện tích tự thân vật liệu, tạp chất, độ linh hoạt chúng phụ thuộc vào yếu tố môi trờng nhng không phụ thuộc vào cờng độ điện trờng bên Ngợc lại điện trờng đủ mạnh, trình quan trọng khác can thiệp làm sản sinh thêm nhiều điện tích tự ví dụ nh trình ion hoá va chạm, phân ly phân tử, xạ điện tử Các trình xảy mạnh điện trờng tác dụng tăng 11/08/15 Vì lẽ đó, dẫn điện vật liệu đợc xem xét riêng rẽ cho hai miền cờng độ điện tr ờng khác khái niệm điện dẫn suất điện trở suất thờng điện môi ứng với điện trờng yếu Page a) Trong điện trờng yếu Sự dẫn điện hầu hết vật liệu cách điện sử dụng kỹ thuật điện có đặc tính tuyến tính tuân thủ định luật Ohm nghĩa mật độ dòng điện j tăng tuyến tính với điện trờng bên dải cờng độ điện trờng đến 10-6 V/m Trong điện môi khí lỏng, tham gia vào trình dẫn điện điện tích tự gồm điện tử ion có nguồn gốc ion hoá tự nhiên phân ly phân tử trung hoà Quá trình hình thành điện tích tự bị ảnh hởng chủ yếu yếu tố tự nhiên môi trờng (bức xạ, nhiệt đô, tạp chất ) can thiệp điện trờng bên Trong điều kiện yếu tố không đổi, lợng điện tích tự xuất không thay đổi Nên điện dẫn suất = nj.qj.kj xem số Tơng tự nh vậy, số vật liệu cách điện thể rắn nh thuỷ tinh, sành sứ cách điện polyme, dòng điện xuất tham gia chuyển động ion có đợc phân ly phân tử tạp chất "chuyển động" khuyết tật 11/08/15 Page b) Trong điện trờng mạnh Khi điện trờng tăng, dẫn điện vật liệu cách điện dần tính chất Ohm Trong số trờng hợp quan hệ j(E) xuất vùng mật độ dòng điện bão hoà rõ nét nh chất khí hay mờ nhạt điện môi lỏng Đoạn đờng cong j(E) đợc giải thích lợng điện tích tự xuất trình tự nhiên hữu hạn chúng có tham gia vào trình dẫn điện Sau dòng điện tăng cách nhanh chóng can thiệp tợng ví dụ nh ion va chạm điện môi khí, trình mãnh liệt sản sinh điện tích tự Sự tăng trởng kéo dài xảy phóng điện chọc thủng, vật liệu lúc đợc xem hẳn tính chất cách điện 11/08/15 Page a) Điện trở suất Điện dẫn (S) vật dẫn đợc xác định quan hệ dòng điện rò điện áp đặt I G= U Điện trở R () đại lợng nghịch đảo điện dẫn R = U I Ngời ta phân biệt điện dẫn khối cách điện G xác định dẫn điện qua chiều dày cách điện điện dẫn mặt GS dẫn điện qua lớp dẫn điện bề mặt ngăn cách cách điện rắn môi trờng (thờng không khí) Vì cách điện khí lỏng không xét điện dẫn mặt GS Is Tơng ứng Icđ 11/08/15 Page 10 Dòng điện rò khối I điện trở khối R Dòng điện rò mặt IS điện trở mặt Rs I U = UG; R U Is = = UGs Rs I= I = I + Is ; cd Rs = Gs R= G Gcd = 1 + R Rs f) Tổng kết Phơng pháp tiếp cận vấn đề điện dẫn chất lỏng cách áp dụng kết nghiên cứu dẫn điện chất khí dẫn dắt đến giải thích đợc coi thoả đáng quan hệ j(E) khu vực điện trờng yếu số điện môi lỏng trung tính số điện môi lỏng cực tính tự phân ly (vùng tuân thủ định luật Ohm vùng bão hoà) Trong phòng thí nghiệm, sử dụng điện môi lỏng đặc biệt để nghiên cú cho thấy quan hệ dòng điện với điện trờng bên quan sát thấy ba vùng tơng tự nh chất khí Vùng điện trờng yếu dới kV/mm, vai trò dẫn điện chủ yếu ion nên có tuân thủ định luật Ohm Vùng bão hoà, j phụ thuộc vào E với ngỡng điện trờng nhỏ 10 kV/mm Vùng dòng điện tăng nhanh với điện trờng tác dụng 11/08/15 Page 68 Trong chất lỏng kỹ thuật tồn lợng lớn tạp chất nên E>1 kV/mm xuất vùng không tồn vùng Nguyên nhân điện trờng mạnh độ linh hoạt điện tích tăng lên mật độ điện tích tự do trính phân ly phân tử điện trờng mạnh, xạ điện tử ion hoá va chạm E > MV/cm 11/08/15 Page 69 Tuy nhiên khu vực điện trờng mạnh, theo nghiên cứu gần không giá trị chí với điện trờng lớn tới 1MV/cm, nghĩa ion hoá va chạm mãnh liệt làm xuất ion giống nh chất khí (quá trình ion hoá va chạm chất lỏng đợc chứng minh gần số chất lỏng tinh khiết có độ linh hoạt điện tích lón) Các nghiên cứu cho thấy điện cực (trạng thái bề mặt, vật liệu làm điện cực đóng vai trò quan trọng Trong số giả thuyết đợc đa ra, việc giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực vùng ráp gianh điện cực - chất lỏng Một yếu tố quan trọng khác dới tác dụng điện trờng mạnh, hiên tợng thuỷ điện động lực học xảy phức tạp, trình đợc xem rõ ràng Việc giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực vùng ráp gianh điện cực - chất lỏng nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tăng dòng điện dẫn điện trờng mạnh 11/08/15 Page 70 g) Sự phụ thuộc điện dẫn suất vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, khả phân ly phân tử độ linh hoạt ion tăng nên điện dẫn suất chất lỏng tăng Trong đa số chất lỏng, điện dẫn suất có mối quan hệ mật thiết với độ nhớt chất lỏng, xác định định luật Vanden = const : - độ nhớt động lực học chất lỏng 11/08/15 Page 71 h) ảnh hởng nớc đến điện dẫn điện môi lỏng Điện dẫn điện môi lỏng kỹ thuật trung tính nằm khoảng 10 -11 đến 10-14 -1.m-1 điện môi cực tính 10-8 đến 10-12 -1.m-1 Không khí xung quanh có chứa hàm lợng nớc định Khi tiếp xúc với không khí, chất lỏng cách điện bị nhiễm ẩm Hàm lợng nớc hoà tan chất lỏng đợc đo ppm (mg H2O kg chất lỏng hay 106 ) Ví dụ dầu máy biến áp, điều kiện bình thờng hàm lợng nớc vào khoảng vài chục ppm đạt hàng trăm ppm nhiệt độ 70C Đối với vật liệu cách điện thể lỏng thể rắn, ngời ta trọng đặc biệt việc loại bỏ nớc Sự có mặt tạp chất nớc vật liệu cách điện thể lỏng làm tăng điện dẫn suất chất lỏng giảm đáng kể độ bền điện chúng, chí với điện áp tác dụng ngắn hạn ví dụ điện áp xung kích : 11/08/15 Page 72 Nớc tồn chất lỏng dới hai hình thức nớc dạng tự gồm phân tử nớc riêng rẽ, hàm lợng nớc nhỏ giá trị bão hoà Nếu lợng nớc lớn giá trị bão hoà, hình thành giọt nớc nớc dạng liên kết, gắn chặt với số phân tử chất lỏng tạp chất Tuỳ theo trạng thái tồn nớc chất lỏng mà có ảnh hởng mạnh hay yếu lên điện dẫn chất lỏng 11/08/15 Page 73 a) Các điện môi lỏng Các chất lỏng sạch, nguyên tắc chứa nớc dạng tự do đợc lọc xử lý kỹ, nên nớc ảnh hởng hầu nh không ảnh hởng đến điện dẫn chất lỏng khu vực trờng yếu đặc biệt chất lỏng có số điện môi bé Nớc dạng không phân ly thành ion điện môi trung tính phân ly điện môi cực tính Xu phân ly phân tử nớc thành ion tăng môi trờng có số điện môi lớn Tuy nhiên ảnh hởng nớc khu vực điện trờng mạnh Khi hàm lợng nớc vợt giới hạn bão hoà, nớc làm tăng đáng kể đến điện dẫn chất lỏng Các giọt nớc dạng li ti tích điện tiếp xúc với điện cực, điện dẫn suất chất lỏng tăng điện áp đặt hàm lợng nớc tăng lên Khi nhiệt độ tăng, nớc hoà tan nhiều chất lỏng, số lợng giọt nớc giảm nên điện dẫn suất chất lỏng giảm Cũng cần lu ý tồn nớc thúc đẩy trình hình thành ion 11/08/15 Page 74 b) Chất lỏng có lẫn tạp chất Đa phần nghiên cứu đợc thực với loại dầu cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ với mục đích làm sáng tỏ vai trò nớc độ bền điện dầu bị ô nhiễm tạp chất Do nớc chất lỏng cực tính mạnh, nên có xu liên kết với loại tạp chất có số điện môi lớn chất lỏng Trong hệ gồm hai pha khác thể nhũ tơng (cả hai chất lỏng) huyền phù (một pha chất lỏng pha chất rắn), bề mặt nhóm phần tử (các molion) xuất điện tích Dới tác dụng điện trờng bên chuyển động nhóm hạt tích điện giống nh chuyển động điện tích tự Ngoài nớc làm thuận lợi cho trình phân li phân tử tạp chất Nên điện dẫn chất lỏng tăng 11/08/15 Page 75 4.5 Điện dẫn điện môi rắn a) Đặc điểm chung điện dẫn điện môi rắn Các điện môi rắn đa dạng chủng loại cấu trúc thành phần hoá học nh nguồn gốc độ Trong điện môi rắn, hình dung phần tử bị gắn chặt vào nút, chúng dịch chuyển từ vị trí cân sang vị trí cân khác Quá trình dịch chuyển khó khăn Điện dẫn điện môi rắn khác phụ thuộc vào loại điện môi mà xác định thành phần tạp chất điều kiện làm việc chúng Trong điện môi rắn, thành phần mang điện tích tự điện tử, ion ion tạp chất Các điện tích tự tồn lớp bụi ẩm bám bề mặt điện môi 11/08/15 Page 76 Dới tác dụng cờng độ điện trờng nhỏ 10 kV/cm, điện môi rắn thể điện dẫn tuân thủ định luật Ohm Nếu tăng cờng độ điện trờng tác dụng, điện dẫn suất chất rắn phụ thuộc vào điện tr ờng Điều đợc giải thích gia tăng mật độ điện tích tự do nguyên nhân sau Sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Schottky hiệu ứng FowlerNordheim Sự tách điện tử bị cố định "bẫy" thuộc vùng cấm nằm vùng dẫn vùng hoá trị hiệu ứng Frenkel Số lợng điện tử trở thành linh hoạt đợc xác định (O'Dwbyer, 1973 A số; W We W lợng bẫy so với mức lợng trung bình ne = A exp vùng dẫn; kT e điện tích điện tử 11/08/15 Page 77 Mức giảm chiều cao hàng rào dới tác dụng điên trờng bên W eE W = o r 11/08/15 Page 78 1/ phụ thuộc điện dẫn suất polyethylen vào cờng độ điện trờng Đối với điện môi rắn, nhiệt độ tăng điện trở suất giảm theo quy luật hàm mũ dạng sau = o.exp(-W/kT) Vì điều kiện làm việc cách điện trở lên nặng nề nhiệt độ cao ảnh hởng nhiệt độ đến điện trở suất số vật liệu cách điện thể rắn 11/08/15 Page 79 b) Điện dẫn điện môi có cấu trúc tinh thể Trong điện môi có cấu trúc tinh thể, ion dơng âm nằm xen kẽ nút mạng tinh thể Dòng điện qua chất điện môi đợc hình thành chuyển động ion Tuy nhiên chất rắn điều kiện điện trờng yếu, liên kết ion chặt chặt nên chuyển động tự khó khăn (cần lợng lơn) Kết thực nghiệm chứng minh ion trạng thái chuyển động Hiện tợng đợc giải thích sở giả thiết điện môi tồn bẫy (khuyết tật) Chuyển động ion đợc giải thích nh sau : ion chyển vào vị trí lỗ trống, vị trí chúng lại xuất chỗ bỏ ngỏ + W1 nq 6kT WrkT = nqà = e E 11/08/15 Page 80 c) Điện dẫn polyme Sự đa dạng thành phần cấu trúc nhóm vật liệu polyme khó khăn tìm quy luật chung điện dẫn chúng Trong đại da số trờng hợp điện dẫn polyme điện dẫn ion Sự chuyển động ion giống nh khuyếch tán phần tử từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật đoọ thấp Theo lý thuyết Frenkel khuyếch tán trình chuyển động phần tử qua hàng rào Năng lợng hoạt tính đợc tính tổng lợng tạo thành khuyết tật lợng cần thiết để phần tử vợt qua hàng rào Quá trình khuyếch tán ion bị ảnh hởng cấu trúc polyme trạng thái vật lý chúng Điện trở suất polyme giảm đáng kể có lẫn tạp chất, đặc biệt tạp chất cực tính (nớc) Nhiệt độ cao làm cho điện trở suất polyme giảm theo quy luật hàm mũ 11/08/15 Page 81 4.6 ứng dụng quan trọng việc đo dòng điện hấp thụ Đo điện trở cách điện : Trong thực tế dòng điện dẫn qua chất điện môi không ổn định tức thời mà cần thiết thời gian để phân cực ổn định Thời gian dài ngắn khác tuỳ điện môi Vì cần thiết phải quy định điện trở cách điện vật liệu ứng với thời gian định sau đặt điện áp tác dụng chiều Theo quy ớc, ngời ta xác định điện trở cách điện cáp điện lực vào thời điểm phút sau đặt điện áp Với khoảng thời gian này, ngời ta cho tất trình phân cực xảy ổn định Chỉ số phân cực : Đối với máy điện, ngời ta sử dụng số phân cực Ip để đánh giá trạng thái cách điện Ip đợc xác định tỷ số dòng điện đo thời điểm phút sau đặt điện áp dòng điện sau thời gian 10 phút I1 i c + i 'i i 'i Ip = = = 1+ I10 ic ic Nếu Ip 4 chúng đợc coi tốt 11/08/15 Page 82 [...]... này, điện dẫn bề mặt tăng rất nhiều khi độ ẩm của môi trờng xung quanh tăng Sự dẫn điện bề mặt đợc đặc trng bởi điện trở suất mặt : Đó là điện trở của một phần bề mặt điện môi có dạng hình vuông có cạnh bất kỳ khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện 11/08/15 Page 13 Điện cực Điện cực Điện môi Điện môi Điện cực a b r1 a b b s = a r = s ln 2 2 r1 Rs = s Rs nếu r2 r1 ... đặt I G= U Điện trở R () đại lợng nghịch đảo điện dẫn R = U I Ngời ta phân biệt điện dẫn khối cách điện G xác định dẫn điện qua chiều dày cách điện điện dẫn mặt GS dẫn điện qua lớp dẫn điện bề mặt... khác xảy điện môi dới tác dụng điện trờng bên dẫn điện điện môi gây nên chuyển động điện tích tự ứng ứng với dòng điện dẫn ic phân cực điện môi xê dịch điện tích ràng buộc làm xuất dòng điện hấp.. .4. 1 Điện môi đặt điện trờng Trong điện môi, khác với kim loại có điện tích tự Phần lớn điện tích tồn điện môi dới dạng điện tích ràng buộc (điện tử hạt nhân) Hình dung ta đặt điện môi đồng