VẬT LIỆU ĐIỆN ĐÊ CƯƠNG ÔN TẬP

Câu 1: Các trạng thái vật chất, đặc điểm trạng thái? + Các trạng thái vật chất: Rắn, Lỏng, Khí Chất khí: - Là tập hợp nguyên tử phân tử có liên kết yếu với nhau, gần độc lập với - Chất khí hình dạng riêng khối lượng riêng - Một chất khí có xu hướng chiếm toàn không gian có sẵn Chất lỏng: - Các phần tử liên kết yếu với –> chất lỏng dễ bị biến dạng Khó nén có tính nhớt: * Độ nhớt thể gắn kết phần tử với * Khi chất lỏng qua vật thể, độ nhớt lớn chất lỏng khó qua Chất rắn: - Không có điện tích tự phân tử ion - Các phân tử nguyên tử chất rắn liên kết chặt chẽ với liên kết hóa học - Chất rắn có hình dạng riêng khối lượng riêng Câu 2: Lí thuyết phân vùng lượng, dựa vào phân loại vật liệu? + Lí thuyết vùng lượng vật rắn: - Cấu trúc lượng nguyên tử đứng cô lập có dạng mức lượng rời rạc ( Wi ) - Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức lượng rời rạc Wi bị suy biến thành dải gồm nhiều mức khác => gọi cac vùng lượng - Tùy theo tình trạng mức lượng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt loại vùng lượng khác * Vùng hóa trị (vùng đầy) : tát mức lượng bị chiếm chỗ, không cnf trạng thái lượng tự * Vùng dẫn (vùng trống) : mức lượng bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần * Vùng cấm : không tồn mức lượng để điện tử chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt không + Phân loại vật liệu : Tùy theo vị trí tương đối vùng trên, chất rắn cấu trúc tinh thể chia loại ( 00K ) VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN I Phân loại VLCĐ: - VLCĐ thể khí: không khí,… - VLCĐ thể lỏng: dầu MBA,… - VLCĐ rắn: thủy tinh, sứ,… II Các tham số đặc trưng: Điện trở suất - Đặc trưng cho khả chống lại di chuyển dòng điện  = R S l (m) (mm2/m) Trong đó: R- Điện trở (); - Điện trở suất ( mm2/m) S- tiết diện dây dẫn (mm2) ; l- Chiều dài dây dẫn(m) + Điện dẫn suất  : γ = 1  ρ m ( Simen/m) 1.1 Điện trở suất khối: Điện trở khối lập phương có cạnh 1cm hình dung cắt từ vật liệu dòng qua mặt đối diện khối lập phương ρV = R V S (cm) h Trong : RV : điện trở suất khối mẫu () ; S: tiết diện điện cực đo (cm2) h: chiều dày khối điện môi (cm) 1.2 Điện trở suất mặt: Điện trở suất hình vuông bề mặt vật liệu dòng điện qua cạnh đối diện ρS = R S d (Ω) h Trong : RS : điện trở mặt khối mẫu () ; d: chiều dài điện (cm) l: khoảng cách cực (cm) Khái niệm cách điện + Lí thyết: chất không chứa điện tích tự Khi đặt điện trường cố định dẫn xuất + Thực tế: không tồn chất cách điện - Chất cách điện tốt:  > 1013 m - Chất cách điện xấu:  < 1013 m Hằng số điện môi Khi đặt điện môi vào điện trường E => Xảy trình phân cực Cực dương xuất điện tích âm, cực âm xuất điện tích dương Điện môi xem tụ điện C - Có thể coi khối tụ điện có điện tích Q = C.U (C: điện dung tụ điện; U: đ/a đặt vào tụ ) ’ Q = Q0 + Q Q0 : đtích tụ điện mà cực chân không Q’ : đtích sinh trình phân cực điện môi  Hằng số điện môi: Là khái niệm quan trọng vật liệu cách điện  = Q/Q0 = (Q0+Q’)/Q0 = 1+Q’/Q0 1 -  = môi trường cực chân không (  hệ ST) 0 = 1/(4..9.109) (F/m)  không phụ thuộc vào hệ đơn vị đo, gọi số đm tương đối từ:  = Q/Q0 => Q = .Q0  C.U =  (C0.U) =>  =C/C0 Điện dẫn điện môi - Xét mô hình điện môi có dạng hình trụ sau: S l= v Trong đó: S: tiết diện, v: vận tốc trung bình điện tích Gọi n mật độ điện tích tự do, q điện tích phần tử Khi đặt điện môi vào điện trường E + Điện tích dương cực âm, điện tích âm cực dương => tạo nên dòng điện điện môi,  Dòng điện điện môi Q = n.q.V = n.q.S v = I ( V: thể tích hình trụ ) Mặt khác I = j.S ( j: mật độ dòng điện A/ m2 )  n.q.S v = I =j.S => j = n.q v Chú ý: - Các điện tích tự là: điện tử, ion dương, ion âm, khối mang điện tích Vận tốc trugn bình điện tích khác Gọi v(+), v(-) tốc độc trung bình điện tích dương âm, ta có: v(+) = K(+) E ; v(-) = K(-) E Với K(+), K(-) độ linh hoạt điện tích dương ấm ( đại lượng đặc trưng cho khả chuyển động chúng tác động từ trường )  j = n(+) q (+) v (+) + n(-) q (-) v (-) = ( n(+) q (+) K(+) + n(-) q (-) K(-)) E Câu 3: Các loại điện dẫn điện môi - Trong vật liệu cách điện có nhiều loại điện tích tự khác tham gia vào trình điện dẫn Dựa vào thành phần dẫn điện dẫn, chia làm loại: + Điện dẫn điện tử: thành phần điện tử tự điện môi + Điện dẫn ion: ( điện dẫn điện phân ) thành phần ion âm ion dương + Điện dẫn điện di: ( điện dẫn molion) thành phần nhóm phân tử hay tạp chất tích điện tồn điện môi Chúng tạo nên ma sát trình chuyển động nhiệt PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MÔI * Lưỡng cực phân tử Mỗi phân tử chất điện môi gồm thành phần: + Các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương + Các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân  Bình thường phân tử chất điện môi trung hòa điện Về phương diện: + Thay phần điện tích âm e điện tích “–q” đặt trọng tâm điện tích âm “O -” + Thay phần điện tích dương hạt nhân điện tích “+q” đặt trọng tâm điện tích âm “O +” - Do có phân bố e quanh hạt nhân, điện môi chia loại + Loại 1: Có e phân bố không đối xứng quanh hạt nhân, tâm điện tích âm O – tâm điện tích dương O + cách đoạn l  Phân tử trở thành lưỡng cực điện ( lưỡng cực phân tử ) moomen lưỡng cực G hướng từ O- đến O + O+ +q -q O- + Loại 2: Có e phân bố đối xứng quanh hạt nhân, tâm điện tích âm O – tâm điện tích dương O – trùng +q  Phân tử không trở thành lưỡng cực điện -q * Phân cực điện môi Xét điện môi đặt điện trường - Điện môi loại 1: ( phân tử lưỡng cực) - Khi chưa có điện trường Eng = 0: lưỡng cực phân tử xếp hỗn loạn theo phương chuyển động nhiệt => Tổng vecto momen lưỡng cực phân tử không Trên khối điện môi không cuất điện tích - Khi có điện trường Eng # 0: lưỡng cực phân tử có xu hướng quay cho momen lưỡng cực có phương chiều trùng với chiều Eng Nhận xét: - Nếu Eng lớn chuyển động nhiệt phân tử yếu ( nhiệt Eng lưỡng # cực mạnh độ thấp ) định hướng momen - Nếu Eng đủ lớn lưỡng cực phân tử coi nằm són song với theo phương chiều điện trường => Khi đó: - Bên khối điện môi điện tích âm dương phân tử trung hòa - Ở mặt giới hạn điện môi tồn điện tích âm dương (+) (-) (+) (-) Eng # - Điện môi loại 2: ( phân tử không lưỡng cực) - Khi chưa có điện trường Eng = 0: trọng tâm điện tích dương âm phân tử trùng Trong khối điện môi lưỡng cực phân tử Trên mặt điện môi không xuất điện tích - Khi có điện trường Eng # 0: trọng tâm điện tich âm dương phân tử tách Mỗi phân tử trở thành lưỡng cực điện có momen lưỡng cực xếp theo chiều Eng Quá trình xảy giỗng trường hợp trên: mặt giới hạn khối điện môi xuất điện tích trái dấu KẾT LUẬN: - Với loại điện môi, đặt vào Eng mặt giới hạn khối điện môi xuất điện tích trái dấu ( điện tích liên kết) - Tùy theo chất điện môi, điện tích lưỡng cực phân tử lớn hay nhỏ - Tùy thuộc vào độ lớn Eng, phân tử lưỡng cực quay theo hướng nhiều hay => Mức độ phân cực chất điện môi phụ thuộc vào: Bản chất điện môi cường độ điện trường bên Eng * Vecto phân cực điện môi Khi đặt điện môi điện trường E: - Các điện tích liên kết dương chuyển dịch theo chiều vecto E.Các điện tích liên kết âm chuyển dịch theo chiều ngược lại   => phân tử bị biến dạng xuất momen điện: m   qn rn  rn qn => Hiện tượng phân cực Trong đó: qn: điện tích liên kết; rn vecto bán kính hướng từ gốc O đến điện tích n Xét trường hợp đặt vào trường lớp điện môi phẳng song song, có kích thước vô hạn theo phương trục x y (-) (-) (+) (-) (+) (+) Y X (-) (+) (+) Z Eng Nhận xét: - Trên mặt song song lớp điện môi xuất điện tử liên kết - Các điện tử liên kết tạo điện trường riêng Er - Bên điện môi Er chiều với Eng , bên điện môi Er ngược chiều với Er    E  = E ng + E r - Độ lớn cường độ điện trường tổng: Bên trong: E∑ = Eng – Er ; Bên ngoài: E∑ = Eng + Er - Hiện tượng phân cực định lượng vecto phân cực điện - Vecto phân cực điện tổng momen điện phân tử đơn vị thể  m  i N  P tích điện môi i 1 ( N: số phân tử thể tích V điện môi ) V - Điện môi đồng nhất: điểm điện môi có cường độ phân cực P  N   Do đó: M   mi  P.V i 1 * Điện môi thực tế Ta có: M = P.V = P.S.h = P.S.l.cosӨ Mặt khác: M = Q.l = δ.S.l Trong đó: Q: điện tích; δ: mật độ điện tích bề mặt điện môi phân cực gây nên  δ = P.cosӨ = Pn => Mật độ điện tích bề mặt điện môi phân cực gây nên có trị số thành phần pháp tuyến vecto cường độ phân cực Pn * Tương quan  P   D    E    D   E  P Ta có phương trình Mắcxoen: Trong đó: D: véc tơ cảm ứng điện; E: cường độ điện trường bên điện áp gây nên điện cực      E   E  P    P  P   (  1).E       E * Hệ số phân cực - Khi Eng tác động: momen điện phân tử xếp ngẫu nhiên  N  M   mi  i 1 - Khi có Eng tác động: momen điện phân tử xếp theo chiều tác dụng  N  điện trường => M   mi # i 1 => Do điện trường bên điện môi Etr khác với điện trườn bên Eng   - Momen trung bình phân tử: mtb   Etr ( Trong α hệ số phân cực điện môi, đặc trưng cho khả phân cực phân tử có momen điện có đơn vị F.m2 - Xét đơn vị thể tích :  N   P   mi  N  Etr i 1   N  Etr P  =>        E  E * Các dạng phân cực + Phân cực nhanh: Thời gian phân cực: t = 10-12 – 10-15 s Chỉ xảy với điện môi có phân cực điện tử phân cực ion + Phân cực chậm: Thời gian phân cực: t> 10-10 s Chỉ xảy điện môi có kết cấu lưỡng cực ( phân tử điện môi có trọng tâm điện tích dương điện tích âm trùng nhau) TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI Phân loại dòng điện điện môi Tùy theo nguyên nhân sinh dòng điện, người ta phân dòng điện chạy điện môi bao gồm loại sau + Dòng điện phân cực: Do ảnh hưởng cường độ điện trường làm cho điện tích điện môi dịch chuyển có hướng + Dòng điện hấp thụ: Do phân cực chậm gây nên Khi có Eng, phân tử lưỡng cực xoay hướng tạo nên dòng điện hấp thụ + Dòng điện rò: Do có mặt điện tích tự bụi bẩn bám bề mặt điện môi có sẵn bên chất điện môi Dưới tác dụng điện trường, điện tích tự dịch chuyển theo hướng điện trường Trị số dòng điện rò nhỏ Chú ý: Dựa vào trị số dòng điện rò ( điện trở suất ρ) để đánh giá vật liệu cách điện - Irò bé cách điện tốt Irò lớn cách điện Điện dẫn điện môi khí Các điện tích tự chất khí điện tử + ion âm, dương ( trình ion hóa kết hợp tự nhiên) => Đặc tính V-A chất khí : xác định đặt điện áp chiều vào điện cực đặt môi trường khí Log I (A) D -2 -4 C -6 -8 B -10 -12 A Uo -14 12 16 20 24 U (kV) + Đặc trung chế độ khác nhau: * Vùng A: - Dòng điện điện áp nhỏ ( = 10-11 A = 10V) - Điện trường sinh không đủ lớn để tạo thác điện tử - Dòng điện tạo nên trình tự nhiên ( VD: lượng xạ mặt trời, tia xạ,…) - Khi tác nhân tự nhiên, dòng điện không tồn -> điện dẫn khoogn trì * Vùng B: - Đặc trưng giá trị điện áp ngưỡng U0 tăng vọt dòng điện - Điện trường tác dụng đủ lớn để điện tử tồn sẵn môi trường nhận lượng tăng tốc độ chuyển động, chúng va chạm với phân tử trung hòa gây nên trình ion hóa ( va chạm ) - Số lượng điện tích ttawng theo hàm số mũ (gọi thác điện tử) - Điện dẫn môi trường tăng lên * Vùng C: - vùng điện tích tự xung quanh bề mặt điện cực ( điện tích dương phía cực âm, điên tích âm phía cực dương) tạo điện trường ngược với điện trường tác dụng - Điều làm cản trở tăng dòng điện tăng điện áp ( I= 10-4 – 10-1 A ) * Vùng D: - Tương ứng với khu vực cường độ điện trường mạnh - Dòng điện trở nên mạnh -> sụt mạnh điện áp - Vùng gọi vùng phóng điện chọc thủng Điện dẫn điện môi lỏng Có loại điện dẫn điện môi lỏng: điện dẫn ion điện dẫn điện di * Điện dẫn ion + Nguồn gốc: Ion hóa tự nhiên, trình phân li phân tử thân chất lỏng tạp chất Đặc tính V-A chất lỏng - Đường a: điện môi có lẫn tạp chât - Đường b: điện môi tinh khiết Phân tích: + – Uth : điện dẫn không tự trì + > Uth : ion hóa va chạm => điện tich tăng lên theo hàm sỗ mũ, dòng điện tăng nhanh, phóng điện chất lỏng * Điện dẫn điện di - Do điện tich tự có sẵn ( tạp chất ) điện môi gây nên có mặt điện trường Cụ thể: + Khi có Eng : điện tích tự di chuyển theo hướng Eng gây chuyển động nhiệt, tạp chất ma sát với phân tử điện môi lỏng chúng nhiễm điện - tạp chất > đm : tạp chất nhiễm điện dương - tạp chất < đm : tạp chất nhiễm điện âm + Khi có Eng tác động: Các điện tích âm dịch chuyển cực dương, điện tích dương dịch chuyển điện cực âm => dòng điện rò.Khi tiếp cận với điện cực , điện tích tạp chất trung hòa điện => Kết quả: Xung quanh điện cực se tập trung số lượng tạp chất lớn Mật độc tạp chất bên điện môi giảm => Quá trình làm điện môi Điện dẫn điện môi rắn: Có thể là: điện dẫn ion, điện dẫn điện từ Tổng hợp loại trên: => Đi khối điện môi => Dòng điện khối ( IV) => Đi bề mặt điện môi => Dòng điện mặt (IS) 10 PHÓNG ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI Khái niệm Là tượng điện môi bị tính chất cách điện điện áp đặt vào vượt ngưỡng cho phép Hiện tượng đóđược gọi làhiện tượng đánh thủng điện môi hay làhiện tượng phá huỷ điện môi Khi điện môi phóng điện, điện áp giảm vàtại vị trí điện môi bị chọc thủng ta quan sát thấy tia lửa điện hay hồquang, cóthểgây nóng chảy,làm nức điện môi hay điện cực Sau điện môi bị pháhuỷthì tuỳđiện môi, ta đưa điện môi khỏi điện trường tuỳloại điện môi sẽcóđặt điểm khác - Rắn: quan sát vết chọc thủng tiếp tục cung cấp U, bị đánh thủng vị trí cũvàU thấp hơn.=>cần sửa chữa nghiêm túc - Lỏng vàkhí:nguoc lại với chất rắn Các yếu tố ảnh hưởng phóng điện điện môi + Cường độ điện trường Eđt, Dạng điện trường, Dạng điện áp, Thời gian tác dụng điện áp, Điều kiện môi trường: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,… Phóng điện điện môi khí 3.1 Yêu cầu chất khí cách điện -Phải loại chất khí trơ: không tham gia phản ứng hóa học tiếp xúc -Phải có cường độ điện trường Eđt cao: kinh tế giảm kích thước vật liệu, giảm chi phí nhà xưởng -Nhiệt độ hóa lỏng thấp: nhiệt độ hóa lỏng thấp nén áp suất cao -Phải rẻ tiền, dễ tìm kiếm chế tạo Thành phần Nhiệt độ Tên chất khí Ecđ/Ekk hóa học hóa lỏng Không khí O2 , N Elegaz SF6 2,5 -62oC Freon CCl2F2 2,5 -30oC Tetra cloruacacbon CCl4 6,3 +76oC 3.2 Các dạng ion hóa xảy chất khí * Ion hóa va chạm: Khi phân tử dang chuyển động va chạm nhau, động chúng chuyển cho xảy ion hóa nếu: W m.v  Wi ( Trong : m: khối lượng phân tử; v: tốc độ chuyển động phân tử; Wi: lượng ion hóa) * Ion hóa quang: Năng lượng cần thiết để ion hóa lấy từ xạ sóng ngăn, với điều c v kiện: W  h.v  Wi ; (  )    h.c Wi Trong đó: : bước sóng; v: tần số xạ sóng ngắn; c: tốc độ ánh sáng ; h: số Plăng = 4,14.10-15 eV.s 11 * Ion hóa nhiệt: + Ở nhiệt độ cao: - Ion hóa va chạm phân tử phân tử chuyển động với tốc độ lớn - Ion hóa xạ nhiệt khí bị nung nóng - Ion hóa va chạm phân tử điện tử hình thành trình => Năng lượng nhiệt cần thiết dể xảy trình ion hóa: W  K T  Wi (Trong T: nhiệt độ tuyệt đối chất khí, K = 1,38.10-23 J/ 0K số Boltzman) * Ion hóa bề mặt - Ion hóa bề mặt xảy bề mặt điện cực kim loại - Để giải thoát điện tử khỏi bề mặt cần lượng định gọi công thoát điện tử - Công thoát điện tử từ bề mặt cực phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực trạng thái bề mặt cực Phóng điện điện môi lỏng Nhận xét: - Ở đk bình thường, điện môi lỏng có cường độ điện trường cách điện cao chất khí - Trong chất lỏng thường chứa tạp chất ( nước, bọt, khí bụi bẩn, ) -> tượng phóng điện chất lỏng phức tạp so với điện môi khí a) Lí thuyết nhiệt - Sự phóng điện phát nóng cục bên chất lỏng nơi có nhiều tạp chất đưa đến hình thành cầu dẫn điện cực b) Lí thuyết phóng điện điện trường túy - Khi đặt điện trường đủ lớn lên điện môi lỏng, điện tích tự gia tốc, va chạm với nguyên tử trung hòa tạo nhiều điện tích tự => Số lượng điện tích tự tăng theo hàm số mũ gây phóng điện - Sự phóng điện ion hóa va chạm, xuất xứ từ điện tích tự có sẵn điện môi Phóng điện điện môi rắn Có khả năng: a) Phóng điện chọc thủng b) Phóng điện bề mặt điện môi rắn a) Phóng điện chọc thủng: - Sau bị phóng điện chọc thủng, điện môi rắn hoàn toàn tính chất cách điện, tính chất khôi phục lại - Quá trình nghiên cứu điện môi rắn gặp nhiều khó khăn - Cường độ cách điện điện môi rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại phân tử, liên kết phân tử, lượng tạp chất, môi trường,… - Căn vào nguyên nhân phóng điện, phóng điện chọc thủng chia làm loại Loại 1: Phóng điện chọc thủng điện - Xảy nhiệt độ thấp, cường độ điện trường cao - Cường độ điện trường đánh thủng phụ thuộc vào nhiệt độ - Cường độ điện trường điện gây nên không phụ thuộc vào nhiều dòng điện môi - Xảy thời gian ngắn 10-7 -10-8 s 12 - Phóng điện điện xảy nơi có cường độ điện trường lớn Loại 2: Phóng điện chọc thủng nhiệt - Xảy nhiệt độ cao - Cường độ điện trường nhiệt gây nên phụ thuộc vào chiều dày điện môi - Eđt giảm nhiệt độ cao - Thời gian phóng điện nhiệt xảy thời gian dài để có thời gian làm tăng nhiệt độ - Phóng điện nhiệt xảy nơi có phát nhiệt lớn 1, truyền nhiệt làm mát + Quan hệ Eđt nhiệt độ b) Phóng điện bề mặt: - Xảy điện môi rắn đặt môi trường khí hay dầu - Quá trình phóng điện xảy men theo bề mặt điện môi - Upđ bề mặt  = => P = + Khi U,f đặt vào ko đổi P tg tỉ lệ thuận => xét tổn hao P ngta xét tg * Chuyển đổi sơ đồ thay từ song song  nối tiếp Công thức chuyển đổi: C C //  nt  tg   R  R 1  // nt  tg   Điều kiện:     P = Pnt = P// ; tg sơ đồ = tg  thực tế 14 * Tổn hao điện môi sơ đồ thay thế: Sơ đồ song song: Biết U => Cần tính IR IC I rò R δ I I pc  C pc U IC// =U.ω.C // I R// = U R // U2 P/ / = U.I.cosφ = U.I R = = U ω.C // tgδ R // Sơ đồ nối tiếp: Biết I∑ => Cần tính UR UC I∑ δ Ur  Uc U U R = I R nt ; UC = I ω.Cnt Pnt = U.I.cosφ = U R I= I R nt U tgδ= R =ω.C R nt nt U C Pnt =U ω.Cnt tgδ 1+tg δ 15 16