Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP
Phần III: Cách điện của hệ thống điện Chơng 12 : Các quá trình điện lý trong điện môi 12.1. Quá trình điện lý trong chất khí 12.1.1. Mở đầu Các chất khí mà trớc hết là không khí đợc sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện. Quá trình phóng điện và sự dẫn điện trong các chất khí đợc nghiên cứu rất sớm và đặc biệt là từ khi bắt đầu xuất hiện khí SF6 một chất khí có các tính chất cách điện tốt hơn nhiều lần so với các chất khí khác trong các thiết bị điện cao áp GIS (Gas Insulated Swichgear). Các chất khí, chủ yếu là không khí đợc dùng làm cách điện bên trong các thiết bị điện và đờng dây tải điện trên không. đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa quan trọng. Khi chúng mất khả năng phóng điện sẽ gây ra hiện tợng ngắn mạch và sẽ dẫn đến sự cố trong các thiết bị điện và hệ thống điện. các chất khí chọn làm vật liệu cách điện phải đạt các yêu cầu : có độ bền điện cao, không gây các phản ứng hoá học với các chất cách điện khác, có thể sử dụng ở áp suất cao mà không bị hoá lỏng, ít gây độc hại với môi trờng. Không khí có độ bền điện tơng đối thấp so với các vật liệu cách điện khác chấp nhng là một vật liệu thờng gặp, rất rẻ nên vì thế đợc sử dụng rông rãi làm cách điện của các đờng dây tải điện. Một số các chất khí khác, ví dụ nh sulfure hexafluoride SF6 (elegaz), dichlorodifluoromethane CCl2F2 (Freon 12 hoặc Genetron) có độ bền điện cao hơn của không khí nhng có nhợc điển đắt tiền hơn hoặc có độc hại đối với môi trờng chỉ sử dụng đợc trong những thiết bị điện kiểu kín (GIS). 12.1.1.1. Chuyển động của các điện tích Mật độ các phân tử chất khí đợc xác định bởi phơng trình trạng thái cơ bản của chất khí : NpkT= (12-1) trong đó p - áp suất khí, Pa; T- nhiệt độ khí, K; k=1,38.1023 J/K=8,62.10-5 eV/K - hằng số Boltzman Các phân tử chất khí bình thờng nằm ở trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn và thờng xuyên tơng tác lẫn nhau. Số lần va chạm z trên quãng đờng chuyển động là 1 cm tỷ lệ với mật độ phân tử n. Đại lợng nghich đảo của số lần va chạm z gọi là đoạn đờng chuyển động tự do trung bình. Đoạn đờng tự do trung bình là khoảng cách giữa hai lần va chạm liên tiếp của một phần tử khi nó chuyển động. Hiện tợng va chạm giữa các phân tử và điện tử là một hiện tợng vật lý phức tạp. Để đơn giản ta xét sự va chạm là thuần tuý cơ học. Phân tử đợc xem là một thể cầu có bán kính r chuyển động trong môi trờng các phân tử có bán kính phân tử là ro và mật độ N nh mô tả trên hình 12-1. 2ro2rX X dx Hình 12.1. Mô hình để xác định đoạn đờng tự do Nh vậy để xảy ra va chạm giữa phân tử ro với phân tử r thì khoảng cách tâm của chúng phải nhỏ hơn hoặc bằng r+ro nói cách khác là khi điện tử chuyển động thì nó sẽ va chạm với mọi phân tử nằm trong hình lăng trụ có đáylà (r+ro)2 và chiều cao x. Giả sử ở x=0 ta có no phân tử chuyển động dới tác dụng của điện trờng ngoài. Khi chuyển động hết quãng đờng là x, sẽ còn n phân tử cha hề va chạm : ()()dxrrNxndno2+= (12.2) Đoạn đờng tự do trung bình đợc tìm nh sau. Lấy đạo hàm n(x) ta có : () ()()dxerrNndnxfxrrNooo22++== (12.3) ta có đoạn đờng tự do : ()()()()x xf x dx N r r xe dxNr rxoNror xxo== = +=+=+=020221 (12.4) Một điện tử ro<<r nên đoạn đờng tự do =1nr2e (12.5) Thay mật độ phân tử khí từ phơng trình cơ bản của chất khí npkT= vào công thức 5-21, ta có : ()eooopTppTT, =kTpR2= (12.6) Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, đoạn đờng tự do trung bình của điện tử tỷ lệ nghịch với áp suất khí. Đoạn đờng tự do trung bình trong một số chất khí ở nhiệt độ 15 C, và áp suất 1 at cho trong bảng sau : Bảng 15.1 : Điện áp làm việc và điện áp lớn nhất của hệ thống điện Chất khí H2 N2 O2 CO2 H2O , 10-8 m 11.77 6.28 6.79 4.19 4.18 Đoạn đờng tự do thực tế của các điện tử có thể dài hoặc ngắn hơn trị số trung bình và phân bố theo quy luật nhất định. Hàm phân bố quãng đờng chuyển động tự do trung bình của điện tử đợc rút ra từ phơng trình 2-19 : ()dndxnennexxoxoe= ==ln0 n x (12.7) trong đó n(x) là số điện tử đạt tới x mà không hề va chạm; no là số điện tử ứng với khoảng cách x=0. Hình 12.2 cho quan hệ của n(x). X0,37n(x)no Hình 12.2: Phân bố đoạn đờng tự do n(x) cũng biểu thị sự phân bố điện tử theo đoạn đờng tự do, vì theo định nghĩa trên thì n(x) là số điện tử cha hề bị va chạm ở mức x. Xác suất điện tử có đoạn đờng tự do bằng hoặc lớn hơn x có dạng : Pxexe()= (12.8) biểu thị quy luật phân bố của đoạn đờng tự do. Trên hình 2-7 ta thấy khi x=, n(x)=0.37 nghĩa là chỉ có 37% số đoạn đờng tự do có thể có cuae điện tử là có trị số lớn hơn hoặc bằng trị số đoạn đờng tự do. Độ linh hoạt của các hạt tích điện Dới tác dụng của điện trờng bên ngoài, các phần tử tích điện (các điện tích tự do, các ion và các hạt mang điện khác) có lực tác dung FqE= với q là điện tích; E là cờng độ điện trờng. Động năng của hạt tích điện dọc theo phơng của điện trờng bằng mu (m là khối lợng và u là vận tốc chuyển động của nó). Nếu v là tần suất va chạm thì tốc độ tổn hao động năng sẽ là muv. Theo định luật Newton ta có : mvu qE= (12.9) Thời gian giữa hai lần va chạm liên tiếp của hạt tích điện với các phân tử khí :=v với v là vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt. Từ các phơng trình trên ta có : uqmEqmEqmvEkE====. (12.10) Từ biểu thức trên ta có vận tốc chuyển động trung bình của các hạt mang điện tích tỷ lệ với cờng độ điện trờng. Hệ số tỷ lệ k đợc gọi là độ linh hoạt. Độ linh hoạt của các phần tử tích điện phụ thuộc vào cờng độ điện trờng. Các ion có độ linh hoạt không đổi suốt cho đến khi vận tốc chuyển động nhỏ hơn vận tốc chuyển động nhiệt. Đối với các điện tử, k phụ thuộc vào cờng độ điện trờng (hình 2.xx p13Puc1.1Baz). Một cách gần đúng nếu ta coi thế năng chuyển động có hớng của điện tử và ion là nh nhau. Khi đó tỷ lệ vận tốc chuyển động của chúng có thể viết : uukkmmeieiie== (12.11) Khối lợng của điện tử me=9,1.10-31 kg, khối lợng của proton xấp xỉ bằng khối lợng của nẻuton và bằng 1,67.10-27 kg có nghiă là bằng 1840 lần khối lợng của điện tử. Đối với không khí thành phần chủ yếu là khí nitơ (số thứ tự của nguyên tố : 14), ta có : kkmmmmeiieee== 1840 2 14227 . (12.12) Điều này phù hợp với kết quả thực nghiệm : ở điều kiện bình thờng (p=101,3 Pa, T=293 K), độ linh hoạt của điện tử ke = 400 cm2/(V.s), trong khi đó độ linh hoạt của ion ki = 2 cm2/(V.s) Khuyếch tán 12.1.1.2. Sự xuất hiện của các điện tích Trạng thái bị kích thích và ion hoá các phân tử chất khí Một cách đơn giản chúng ta xem lớp vỏ điện tử của nguyên tử là tập hợp các quỹ đạo hình tròn hoặc hình ellipse. Về lý thuyết, một điện môi khí đợc xem là một vật liệu cách điện lý tởng bởi chúng chỉ chứa các nguyên tử và các phân tử trung hoà. Để chất khí trở thành một vật liệu dẫn điện, trong nội bộ chất khí phải có đủ một số lợng các phần tử tích điện. Điều này có thể xảy ra nếu điện áp bên ngoài đủ duy trì điện trờng với cờng độ khoảng 107 V/m. Các điện tích tự do cũng có thể đợc tạo ra bởi sự ion hoá nhiệt nếu chúng ta nung nóng chất khí đến một nhiệt độ thật cao (khoảng 106 K). Thực tế các điện môi thể khí luôn chứa một số các điện tích tự do nhất định. Sự ion hoá tự nhiên là nguồn gốc sản sinh các điện tích tự do với các tác nhân gây ion hoá tự nhiên là các tia vũ trụ hoặc các chất phóng xạ nằm rải rác trong lòng đất hoặc phát tán trong khí quyển. Ion hoá là quá trình phân ly các phân tử khí trung hoà thành các ion dơng và các điện tử tự do. Dới tác dụng của các yếu tố tự nhiên quá trình ion hoá tự nhiên xảy ra không ngừng trong chất khí. Trong 1 cm3 không khí ở điều kiện bình thờng mấy chục lần ion hoá xảy ra trong 1 sec. Dới tác dụng của điện trờng mạnh, các điện tích tự do tích luỹ năng lợng, sẽ tăng tốc độ chuyển động. Khi va chạm vào các phân tử khí trung hoà, các điện tích sẽ truyền toàn bộ năng lợng mà nó tích luỹ đợc cho phân tử. Các ion có khối lợng nặng hơn, kém linh hoạt hơn nên khả năng xảy ra phản ứng với các phân tử khí chủ yếu gây bởi các điện tử. Các phản ứng này đợc viết nh sau : ()++++++++++eAAeAAeeAeAAeAAAe21***2 (12.22) Trong đó ta ký hiệu điện tử là e-, phân tử khí là A, các ion la Â+/- và trạng thái bị kích thích của phân tử A là A**. Mỗi điện tử khi đi đợc quãng đờng là x trong điện trờng cờng độ E sẽ tích luỹ đợc năng lợng bằng qEx. Để thắng đợc lực tơng tác giữa hạt nhân và điện tử, nó phải tích luỹ đợc năng lợng tối thiểu bằng năng lợng ion hoá Wi. Năng lợng ion hoá của các điện môi khí khác nhau và có thể tham khảo trong bảng sau : Chất khí H2 N2 O2 Cl2 CO2He H2O Xe Kr Ar Ne Wi, eV 15,4 15,6 12,1 11,5 13,8 24,6 12,6 12,1 14 15,8 21,6 Nếu cung cấp cho điện tử một năng lợng nhỏ hơn Wi thì cha thể gây ion hoá mà chỉ có thể đa điện tử ra một quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Trạng thái này gọi là trạng thái bị kích thích. Sự ion hoá cũng có thể xảy ra nếu điện tử nhận đợc liên tiếp các kích thích có tổng năng lợng bằng Wi. Hệ số ion hoá va chạm Nh ta thấy là năng lợng của chuyển động nhiệt ở điều kiện bình thờng không thể gây ion hoá. Có thể xem ion hoá va chạm dới tác dụng của điện trờng là yếu tố cơ bản sản sinh ra điện tích trong điện trờng mạnh dẫn đến sự phóng điện của các chất khí. Hệ số ion hoá va chạm của điện tử là số lần ion hoá gây bởi một điện tử khi nó đi hết quãng đờng là 1 cm dọc chiều điện trờng bên ngoài. Để đơn giản trong tính toán hệ số ion hoá va chạm của điện tử, ngời ta đề xuất một số giả thiết sau : không xét khả năng ion hoá từng cấp; sau mỗi lần va chạm, điện tử mất toàn bộ năng lợng mà nó tích luỹ đợc; chuyển động của điện tử là thẳng và trùng với phơng đờng sức của điện trờng. Giả sử trên cathode ban đầu ta có một điện tử hạt giống. Dới tác dụng của điện trờng có cờng độ là E, điện tử sẽ tích luỹ năng lợng và tăng tốc. Khi di chuyển đợc quãng đờng là x, năng lợng mà nó tích luỹ đợc là We=eEx. Để xảy ra ion hoá phân tử khí thì năng lợng này phải không đợc nhỏ hơn năng lợng ion hoá Wi. Từ đó suy ra quãng đờng điện tử cần vợt qua để tích luỹ đủ năng lợng ion hoá là : xWeEii (12.23) Nếu ta coi quãng đờng xi là quãng đờng điện tử vợt qua không bị va chạm vào một phân tử nào nghĩa là điện tử có thể tích luỹ đủ năng lợng ion hoá Wi. Xác suất để quãng đờng chuyển động tự do lờn hơn hoặc bằng xi đợc xác định theo biểu thức 2-23 : Pxxii()exp= (12.24) Biểu thức trên cũng xác định xác suất xảy ra ion hoá va chạm. Khi chạy qua hết đoạn đờng x= 1cm, điện tử có lần va chạm với các phân tử khí z=1/e, trong đó số lần va chạm có đoạn đờng tự do lớn hơn hoặc bằng xi tức là số lần ion hoá : ==11exeWeEeeiie (12.25) Thay thế trị số của e trong công thức 2-22 vào ta có : ==rpkTeApeWeErpkTBpEi22 (12.26) A và B là các hằng số phụ thuộc vào chất khí và nhiệt độ. Khi thiết lập các công thức 12-25 và 12-26, chúng ta đã bỏ qua nhiều yếu tố khác, ví dụ nh không tính đến khả năng ion hoá va chạm theo cấp , vì vậy các hệ số A và B với từng loại khí đợc xác định từ đờng cong thực nghiệm quan hệ tỷ lệ /p với cờng độ điện trờng và áp suất khi nhiệt độ không đổi : pfEp= (12.27) Hình 12-3 cho quan hệ =f(p). pp Hình 12.3 : Quan hệ vào áp suất và điện trờng. Sự biến thiên của theo p đợc giải thích nh sau : ở áp suất thấp, mật độ phân tử khí rất nhỏ nên dù đoạn đờng tự do lớn nhng xác suất ion hoá bé nên không thể có trị số lớn. Ngợc lại khi mật độ phân tử chất khí ở áp suất cao có tăng nhng đoạn đờng tự do lại giảm nên cũng không thể có trị số lớn. Do vậy trên đồ thị này ta thấy điểm cực đại. Nếu áp suất không đổi, hệ số tăng theo điện trờng E là do điện tử tích luỹ đợc càng nhiều năng lợng. Khi E đạt trị số rất lớn, mọi lần va chạm của điện trờng vois các phân tử đều gây ion hoá nên tiến tới giứ hạn Ap. Trong quá trình ion hoá va chạm, sẽ sản sinh ra các điện tử, các ion hoá dơng và các photon. Trong đó số lợng các photon nhiều lần lớn hơn số các điện tử và các ion dơng đợc sản sinh vì năng lợng kích thích thấp hơn nhiều so với năng lợng ion hoá. Các ion âm Sau khi bị ion hoá, các điện tử tự do mới xuất hiên tiếp tục tham gia vào quá trình ion hoá va chạm. Tuy nhiên một phần các điện tử khi va chạm với các phân tử hay nguyên tử trung hoà có thể bị chiếm đoạt để trở thành các ion âm. Độ bền vững của các ion âm tạo thành phụ thuộc vào ái lực điện tử của nguyên tử Wc nghĩa là năng lợng đợc giải phóng khi chiếm đoạt điện tử. Chất khí F Cl Br I O O2 H H2O He N2 Wc, eV 3,6 3,8 3,5 3,2 2,0 0,9 0,7 0,9 <0 <0 Nếu ái lực điện tử âm thì sự hình thành ion âm là không thể xảy ra. Các khí halogen và các hợp chất của chung có ái lực điện tử lớn nhất. Oxy và hơi nớc cũng có khả năng tạo thành các ion âm. Những loại khí có khả năng kết hợp với điện tử để tạo thành ion âm nh khí O2, F, Cl đợc gọi là những khí âm điện. Năng lợng dùng để ion hoá khi trớc sẽ đợc trả lại dới dạng bức xạ quang học. Hệ số ion hoá va chạm hiệu dụng Trong các chất khí âm điện, ví dụ nh SF6, cần phải xét đến yếu tố sau : các phân tử khí có thể hoặc mất điện tử để trở thành ion dơng hoặc nhận thêm điện tử để trở thành ion âm và sau đó là phân ly theo sơ đồ sau : SF e SFSF e SF F6665++ + (12.28) Do ion hoá va chạm trên đoạn đờng dx nh trên hình 125-7 số điện tử sản sinh là : dni = ndx và số điện tử bị chiếm đoạt : dna = ndx trong đó là hệ số chiếm đoạt, tức là ssố điện tử bị hút vào các phân tử trung hoà trên quãng đờng bằng 1 cm. Vì thế trong các chất khí âm điện, hệ số ion hoá va chạm cần thay thế bằng hệ số ion hoá va chạm hiệu dụng: hd= Tái hợp Mặc dù quá trình ion hoá tự nhiên xảy ra không ngừng, nhng số lợng các điện tích tự do không thể tăng lên vô cùng là bởi vì tồn tại song song với quá trình ion hoá là quá trình tái hợp của các điện tích trái dấu để tạo thành các phân tử khí trung hoà. Hai quá trình đối ngợc nhau đảm bảo cho trong chất khí luôn luôn có một số lợng điện tích tự do nhất định. Trạng thái cân bằng xác lập khi mà số các điện tích xuất hiện do ion hoá cân bằng số lợng điện tích mất đi do bị tái hợp. Số lần tái hợp xảy ra trong một đơn vị thể tích khí trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với số va chạm giữa các điện tích trái dấu. no là số lợng các điện tích đợc sản sinh do ion hoá trong một đơn vị thời gian và trong một đơn vị thể tích. Tốc độ giảm mật độ điện tích có thể viết nh sau : ++==nndtdndtdn đợc gọi là hệ số tái hợp. Vì nnn+==, nên phơng trình 2-37 đợc viết nh sau : 2ndtdn= Có nghĩa là nếu có no điện tích tự do xuất hiện do ion hoá thì cũng trong thời gian ấy sẽ có n2 số điện tích tham gia vào quá trình tái hợp để hình thành các phân tử khí trung hoà. Chia biến số và lấy tích phân trong khoảng từ thời gian t với giả thít ban đầu ta có no là mật độ điện tích tự do ban đầu : nnntoo=+11 Khi không có tác dụng của điện trờng bên ngoài, trạng thái cân bằng đợc thể hiện bởi quan hệ : no = n2 12.1.2. Điện dẫn của điện môi 12.1.2.1. Điện dẫn của các chất khí Dới tác dụng của điện trờng bên ngoài, các thành phần mang điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện : các điện tích dơng chuyển động theo chiều của điện trờng còn các điện tử theo chiều ngợc lại. Trong điện môi xuất hiện dòng điện. Trạng thái cân bằng mới xuất hiện và đợc thể hiện bởi quan hệ : Noi = Nt + Nj trong đó : Noi, Nt là số điện tích xuất hiện do ion hoá và số điện tích mất đi do tái hợp trong toàn bộ thể tích của chất khí; Nj là số lợng điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện, tức là số lợng các điện tích chuyển động qua suốt khối điện môi để tạo thành dòng điện. Nếu S là diện tích của các điện cực và l là khoảng cách giữa chúng thì ta có : Noi = no.V = no.S.d Nt = n2.S.d Nj = I/q = j.S/q Suy ra : no.S.d =n2.S.d + j.S/q Hay đơn giản hơn nữa no.l=n2.l+j/ Nhắc lại : j = E với = nj.qj.kj Các quan hệ trên cho phép giải thích quan hệ thực nghiêm phụ thuộc của dòng điện qua chất khí vào điện áp. Phụ thuộc j(E) tiêu biểu của các điện môi khí có dạng nh mô tả trên hình 12.6. jEIII IIIE1E2E3ABC Hình 12.6. Quan hệ j(E) trong các điện môi khí Chúng ta có thể chia đờng cong này thành 3 vùng : Vùng điện trờng yếu : Vùng I Do điện trờng duy trì ở mức thấp, nên có thể coi số lợng các điện tích tham gia vào dẫn điện là rất không đáng kể. Ta xác định đợc mật độ các điện tích tự do bằng : nno= sẽ không đổi nếu các tác nhân ion hoá tự nhiên đợc giữ nguyên. Vì vậy điện dẫn suất của chất khí : = nj.qj.kj sẽ là hằng số. Điều này phù hợp với đoạn OA trên hình vẽ, quan hệ j với E là tuyến tính. b- Vùng II Khi điện trờng tăng lên, số điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện ngày càng tăng, chúng chuyển động với vận tốc lớn hơn, khả năng và xác suất bị tái hợp giảm dần. Nếu điện trờng lớn hơn giá trị E1 toàn bộ số điện tích sản sinh do ion hoá sẽ chỉ tham gia vào quá trình dẫn điện. Do số lợng điện tích tự do xuất hiện do ion hoá có hạn nên có thể hình dung là mật độ dòng điện đạt giá trị bão hoà. no.l = j/q hay j = no.d. q = jbh Trong không khí, ở điều kiện bình thờng = 2,4. 10-13 S/m và jbh vào khoảng 10-14 A/m2 với khoảng cách d = 1 cm. Các yếu tố gây ion hoá quyết định trị số dòng điện bão hoà. Kết luận này đợc khẳng định bằng thực nghiệm nếu một cách nhân tạo ta bổ xung các yếu tố gây ion hoá khác, ví dụ nh chiếu tia Rơnghen, thì dòng điện bão hoà tăng, và sự bão hoà quan sát thấy ở điện trờng cao hơn. c- Khu vực điện trờng mạnh : vùng III Khu vực này đặc trng bởi sự tăng rất nhanh của mật độ dòng điện j và đợc giải thích bởi một quá trình ion hoá va chạm mãnh liệt, xuất hiện dới tác dụng của điện trờng mạnh. Giai đoạn tiền phóng điện và phóng điện đánh thủng của cách điện khí sẽ đợc trình bày chi tiết trong chơng phóng điện. ở đây xin tóm tắt quá trình này nh sau. Sự chuyển động càng nhanh của các điện tử tự do trong điện trờng ngày càng mạnh, năng lợng mà chúng tích luỹ đợc càng nhiều là nguyên nhân gây ion hoá các phân tử khí trung hoà khi va chạm với các điện tử. Yếu tố này làm mật độ các điện tích tự do tăng rất nhanh theo cấp số nhân no=no(E) và vì thế quan hệ mật độ dòng điện và cờng độ điện trờng có dạng : j=.E =no(E).q.E Dòng điện tăng rất nhanh. Hiện tợng phóng điện xảy ra tại giá trị điện trờng E3 với việc nối liền hai điện cực bằng một hồ quang có điện dẫn rất cao, làm chất khí mất hẳn tính chất điện môi và trở thành vật liệu dẫn điện. Quá trình phóng điện trong chất khí xảy ra nhng sau khi ngừng tác dụng của điện trờng bên ngoài các điện tích tự do sẽ tái hợp lại, để trở thành các phân tử khí trung hoà. Các tính chất cách điện của chất khí đợc phục hồi. Khả năng phục hồi sau khi bị phóng điện là một u điểm quan trọng của các vật liệu cách điện thể khí (sau khi bị phóng điện đánh thủng các tính chất cách điện chỉ phục hồi một phần trong các cách điện thể lỏng, hoặc là phá huỷ vĩnh viễn trong các cách điện thể rắn). 12.1.2.2. Điện dẫn của điện môi lỏng Các điện môi thể lỏng có nhiều tính chất gần với các điện môi rắn hơn và khác hẳn so với các điện môi khí, ví dụ nhiệt dung của các chất lỏng rất gần với của các chất rắn. Tuy vậy giữa chúng tồn tại sự khác biệt khá lớn. Trớc hết về cấu trúc, trong các điện môi rắn đơn tinh thể tồn tại một "trật tự xa" nghĩa là các phần tử của mạng tinh thể lập lại trong toàn bộ thể tích và theo tất cả các hớng. Trong các điện môi lỏng, sự phân bố có trật tự chỉ có thể xảy ra với một nhóm các phân tử, hơn nữa các vùng phân bố có trật tự và không theo trật tự nào cả luôn luôn thay đổi do chuyển động nhiệt. Các điện môi lỏng đợc sử dụng làm vật liệu cách điện thờng có điện trở suất trong khoảng từ 1012-1014 .cm nhng phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch của chúng. Bản chất và nguồn gốc các điện tích tự do trong các điện môi lỏng Trong đa số các điện môi lỏng, các thành phần mang điện tích tự do là các ion, tồn tại sẵn trong chất lỏng hoặc hình thành trong thể tích điện môi hoặc trên ranh giới tiếp giáp điện cực - chất lỏng do tác dụng của điện trờng bên ngoài. Ngoài ra chúng có thể là kết hợp của các điện tích với các phân tử trung hoà hoặc các ion kích thớc nhỏ hơn mà trong hoá học gọi là hiện tợng dung hợp hay sự solvant hoá. Các ion dơng và âm xuất hiện trong các chất lỏng là do ụ phân ly của các phân tử trung hoà. Trong một số trờng hợp đó là sự phân ly của các phân tử chất lỏng gốc nhng trong đa số trờng hợp đó là sự phân ly của các phân tử tạp chất tồn tại trong chất lỏng do công nghệ sản suất và khi sử dụng. Trong các điện môi lỏng luôn luôn tồn tại hai quá trình đối ngợc nhau: một quá trình phân ly các phân tử của chất lỏng để tạo thành các ion và một quá trình tái hợp các ion trái dấu. Phơng trình tổng quan trạng thái cân bằng có dạng sau : AB A Bkdkr++ kd và kr là hằng số tốc độ phân ly và tái hợp Cho rằng là mật độ các phân tử phân ly; n + và n- là mật độ ion dơng và ion âm với các độ linh hoạt tơng ứng là + và -; q là điện tích của các ion. Trạng thái cân bằng do hai quá trình trên đợc mô tả nh sau : kd = krn+.n- Nếu ta coi mật độ điện tích âm và dơng nh nhau ta có thể rút ra : n+ = n- = (kd/kr)1/2 ()jnqEE qqkkiiidr===+++ với Ngoài ra trong các chất lỏng còn có các hạt keo hoặc các hạt tạp chất. Chúng có kích thớc kha nhỏ 10-9-10-7 m. Theo những cơ chế khác nhau, các hạt này có thể trở nên tích điện. Các hạt tạp chất mang điện tích này dới tác điện trờng có thể chuyển động nh các điện tích tự do. Chúng có thế là (gọi là zeta thế) tơng đối so với chất lỏng. Dới tác dụng của điện trờng E, chúng phải chịu tác dụng của một lực : Fr EdEdxrclrtc rclrtc rcl=+223 trong đó : r - bán kính của hạt tạp chất hình cầu, hằng số điện môi rtc, hằng số điện môi tcl. Lực tác dụng có hớng phụ thuộc vào quan hệ hằng số điện môi của chất lỏng và của tạp chất. Nếu rtc > tcl, hạt sẽ tích điện dơng và lực F hớng theo điện trờng nhng với các bọt khí ta có rtc 1 < tcl lực này có chiều ngợc lại. Đối với các tạp chất kim loại ta có lực tác dụng bằng FrEdEdxercl= 23 Dựa trên các thành phần mang điện tích trong chất lỏng, ngời ta phân điện dẫn thành các loại sau : Điện dẫn ion gây bởi chuyển động của các ion xuất hiện do sự phân ly của các phân tử chất lỏng và tạp chất cũng nhu do các quá trình ion hoá va chạm. Điện dẫn điện tử do sự chuyển động của các điện tử xuất hiện do quá trình ion vầng quang chạm Điện dẫn molion gây lên bởi sự chuyển động của các hạt dạng keo tích điện. Mật độ dòng điện dẫn trong trờng hợp tổng quát có thể viết nh sau : jnqunqunqunqujjjjmkkk==++=+++ 1 Vận tốc chuyển động của các điện tích uj phụ thuộc vào điện trờng E. Trong điện trờng yếu (<106 V/m), độ linh hoạt của các ion dơng và âm cũng nh của các hạt tạp chất không phụ thuộc vào cờng độ điện trờng (độ linh hoạt của các ion 10-8 m2/V.s và của các hạt keo 10-11 m2/V.s. Do đó : ()jnqunqknqknqkEEjjjjmkkk==++ ==+++ 1 Trong các điện môi lỏng đặc biệt sạch, trên quan hệ j(E) có thể quan sát thây 3 vùng. Vùng I (E < 1 kV/mm, vai trò chủ yếu đối với điện dẫn là các ion, do vậy mật độ dòng điện tăng tuyến tính với điện trờng bên ngoài. Vùng II và vùng III tơng tự nh trong chất khí. Tuy nhiên vùng bã hoà không rõ nét nh thấy đối với các chất khí. Trong các điện môi lỏng kỹ thuật, ví dụ nh dầu mỏ cách điện, không tồn tại vùng II và mật độ dòng điện đã bắt đầu phụ thuộc mạnh vào điện trờng ngay từ khi E > 1 kV/mm. Điện dẫn ion của chất lỏng Điện dẫn gây lên bởi sự chuyển động của các ion dới tác dụng của điện trờng bên ngoài. Các điện môi lỏng là môi trờng có khả năng biến dạng. Các nghiên cứu mới đây chỉ rõ sự quan trọng đặc biệt của hiện tợng thuỷ điện động lực học (ộlectrohydrodynamique), dới tác dụng của lực coulomb gây bởi điện trờng bên ngoài lên các điện tích tự do, các điện tích tự do không thể đứng yên. Sự chuyển động của các điện tích tự do làm xuất hiện dòng điện qua chất lỏng đồng thời cỡng bức chất lỏng chuyển động theo. Dạng chuyển động thờng gặp có dạng xoáy là kết quả của những sự bất ổn định thuỷ điện động lực học. Quá trình chuyển dời điện tích đợc thực hiện bởi sự đối lu. Cho nên trong phơng trình cân bằng phải xét đến các yếu tố này. Biểu thức chung của mật độ dòng điện j dới tác dụng của điện trờng E bao gồm các thành phần dòng điện dẫn jd, dòng điện dịch chuyển jjc, dòng điện do đội lu jđl và do khuyếch tán jkt dạng : rr124443444r12434r1244 3441244 344rjt n q ExtDxttqxtvxt Dgradqxtdivj tiiiipjjiiipjiipij() ( ,)(,)(,) (,) (,)()=++ +==đ=đ=1110 dẫn iện dịch chuyển ối luu khuyếch tánvới Trong đó : D là vectơ cảm ứng điện (xem chơng 3) Tìm nghiệm của phơng trình trên là một vấn đề phức tạp. Dới đây xin trình bày một số mô hình về điện dẫn của điện môi lỏng đặt trong điện trờng một chiều. [...]... chuỗi các ion Na + và Cl - Khi cha có điện trờng, chất rắn không có vectơ phân cực tổng vì các mô men lỡng cực điện bằng nhau phân bố đối xứng theo chiều ngang và dọc nên mô men tổng bằng 0. Mô men m + dọc theo chiều dơng có cùng độ lớn với mô men m - däc theo chiỊu ©m. -+ - - + Cl - Cl - Cl - Na + Na + a) E=0m + m - - +- - + Cl - Cl - Cl - Na + Na + b) m + m - Hình 5- 7 : Mô tả phân cực ion...E V d K t 1 2 12 = + + exp Với K là hằng số tích phân và τ lµ h»ng sè thêi gian K V d r rr rr 1 2 12 2 12 12 12 = + − + ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ + + ε εε λ γγ τε εε γγ ; = o Cuèi cïng ta có phơng trình biểu diễn điện trờng E 1 và dòng điện i 1 dạng : () () () E V d V d t i V d t r rr rr rr 1 2 12 2 12 2 12 1 12 12 12 12 12 2 = + + + + = + + + ... + + + + + điện cực điện cực điện môi điện tích di động điện tích cố định - - - + + + + + điện tích tập trung trên mặt tiếp giáp mặt phân cách E E + + + + + + - - - - - - Hình 5- 10 : Trên ví dụ hình 5-1 0a, trong vật liệu có cùng một số lợng các ion dơng và ion âm nhng các ion dơng đợc xem là linh hoạt hơn, ví dụ nh ion H - và ion Li + trong gốm và thuỷ tinh. Dới tác dụng của điện trờng E các... trờng và áp suất khi nhiệt độ không ®ỉi : α p f E p = ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ (12. 27) H×nh 1 2-3 cho quan hƯ =f(p). p p Hình 12. 3 : Quan hệ vào áp suất và điện trờng. Sự biến thiên của theo p đợc giải thích nh sau : ở áp suất thấp, mật độ phân tử khí rất nhỏ nên dù ®o¹n ®−êng phân cực vi mô qua hệ số phân cực điện môi và đợc gọi là phơng trình Clausius-Mossotti. Nhân hai vế của phơng trình này... E V d E V d r rr r rr 1 2 12 2 1 12 = + = + ở trạng thái ổn định 1 E 1 = r2 E 2 : E V d E V d r 1 2 12 2 1 12 = + = + Trong quá trình quá độ ta có hệ phơng trình vi phân : ()() ()() γ γ εε ε γ γ γ or r or r dE dt E V d dE dt E V d 12 1 121 2 12 2 122 1 +++= +++= ⎧ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ Nghiệm của phơng trình thứ nhất cho ta điện trờng E 1 b»ng : thay đổi, cấu trúc của nguyên tử thay đổi rất ít... trình quá độ đợc viết : D 2 -D 1 = Q 12 Theo định nghĩa dòng điện ta có : dQ dt ii cc 12 12 = Dòng điện qua mỗi điện môi đợc viết dới dạng sau : ii dD dt ii dD dt c c 11 1 22 2 =+ =+ Ta có phơng trình vi phân sau : dD dt dD dt ii cc 21 12 = Trong trờng hợp hai điện môi có cùng chiều dày d=d 1 =d 2 , dễ dàng tìm đợc : E V d E V d r rr r rr 1 2 12 2 1 12 = + = + ở trạng... kho¶ng 120 °C, cÊu tróc tinh thĨ cđa BaTiO 3 cã dạng lập phơng đối xứng nh đợc thể hiện trên hình 5-1 2a. ở các đỉnh là 8 ion Ba 2+ , ở tâm của các mặt là 6 ion O 2- , còn ion Ti 4+ nằm ở trọng tâm của lập phơng. Với cấu trúc đối xứng, tinh thể này có mô men điện bằng 0, do đó BaTiO 3 không phải là sắt điện. Ba 2+ O 2- Ti 4+ δ δ ” H×nh 5- 12 : CÊu tróc cđa BaTiO 3 ë nhiệt độ a và b) T> ;120 C... tơng tự nh hiện tợng phân cực điện môi nh mô tả trên hình 5-1 3. P=0 + P - - Hình 5-1 3 : Hiệu ứng áp điện thuận Ngời ta gọi các áp điện thuận là những vật liệu có thể phân cực dới tác dụng của ứng lực cơ khí. Các áp điện đợc sử dụng là thạch anh SiO 2 , titanat bari BaTiO 3 , phosfat nhôm AlPO 4 . Giống nh hiện tợng sắt điện, tính chất áp điện liên hệ chặt chẽ với cấu trúc tinh thể của vật liệu.... cùc tÝnh nh− n−íc, a-ce-tone, cån alcohol và các chất điện phân khác và các chất khí cực tính nh HCl và hơi nớc. Phân cực này cũng có thể xảy ra trong một số điện môi rắn. 12. 2.2.6 Phân cực kết cấu Phân cực kết cấu xảy ra khi có sự tích luỹ điện tích trên mặt phân cách giữa hai vật liệu hoặc giữa hai vùng của vật liệu. Ví dụ đơn giản về phân cực này đợc mô tả trên hình 5-1 0. - - - + + + + + điện... 1 ,12 1,000072 1,000035 Hydro H 2 1,35 1,00027 1,00014 Oxy O 2 1,82 1,00055 1,00027 Argon Ar 1,83 1,0056 1,0028 Nit¬ N 2 1,91 1,00058 1,00030 Oxit cabon CO 2 2,30 1,00099 1,00050 Metan CH 4 - 1,00095 1,00044 Elega SF 6 3,07 1,00191 1,000783 Kh«ng khÝ - - 1,00059 - KhÝ cùc tÝnh Amoniac NH 3 - 1,0066 1,000375 Đối với các điện môi khí, do mật độ phân tử nhỏ nên có thể sử dụng phơng trình . lỏng kỹ thuật trung tính nằm trong khoảng 1 0-1 1 đến 1 0-1 4 -1 .m-1 và của các điện môi cực tính 1 0-8 đến 1 0-1 2 -1 .m-1 Không khí xung quanh chúng ta có chứa. cờng độ điện trờng và áp suất khi nhiệt độ không đổi : pfEp= (12. 27) Hình 1 2-3 cho quan hệ =f(p). pp Hình 12. 3 : Quan hệ vào áp suất và điện trờng.