Daûng phán cæûc cháûm : Bao gäöm caïc daûng phán cæûc âæåüc thæûc hiãûn trong âiãûn mäi dæåïi taïc dung cuía âiãûn træåìng mäüt caïch cháûm chaûp, coï thåìi gian, vaì phaït taïn nàng læ[r]
(1)Phần IV
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
-Khi đặt điện môi điện trường, điện môi diễn tượng sau: + Trên bề mặt điện môi xuất điện tích trái dấu với điện tích bề mặt cực Hiện tượng gọi tượng phân cực diện môi
+ Trong điện môi xuất chuyển dời điện tích tự tạo thành dịng điện có trị số nhỏ chạy từ cực sang cực Hiện tượng gọi tượng dẫn điện điện mơi
Ngồi ra, ảnh hưởng tượng trên, điện mơi cịn diễn tượng:
+Khi có điện trường đặt vào làm cho phần lượng điện biến thành nhiệt năng, sau thời gian làm điện mơi đốt nóng lên Hiện tượng gọi tượng tổn hao điện mơi
+ Ơí điều kiện t0,P , f định ,điện mơi có1 điện áp giới hạn , ta đặt vào điện mơi điện áp vượt q xảy tượng đánh thủng điện mơi Khi điện mơi tính cách điện
- Dựa vào Udt ta xác định độ bền điện điện môi Ebđ , Ebđ khả chịu đựng vật liệu điện áp đặt vào mà khơng bị phá huỷ , đặc trưng cường độ điện trường điểm đánh thủng
Ebâ = Eât = h Uât
h : bề dày điện môi điểm đanghs thủng , Uđt : điện áp đánh thủng
Chæång
SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
I Khái Niệm Chung
1.1 Sự phân cực điện môi :
1.1.a Định nghĩa : Phân cực điện mơi dịch chuyển có giới hạn điện tích liên kết định hướng lưỡng cực tác dụng điện trường
1.1.b Cơ chế phân cực điện môi
Các phân tử khơng phân cực bình thường khơng có cực tính tác dung cường độ điện trường, lớp vỏ điện tử hạt nhân dịch chuyển theo tác dụng điện
- - - - -
-
E' E0
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + + +
(2)Egh
Dgh
2
1
E D
1 : Khi E D quan hệ tuyến tính : Quan hệ phi tuyến E D ( điện môi xennhit)
trường (lớp vỏ điện tử chuyển động ngược chiều điện trường, hạt nhân chuyển động chiều điện trường), điện trường lớn dịch chuyển mạnh làm cho phần tử bị phân cực
Các chất có cấu tạo lưỡng cực: bình thường lưỡng cực chuyển động hỗn loạn theo chuyển động nhiệt, có tác dụng cường độ điện trường lưỡng cực định hướng phần theo chiều điện trường
Các chất có cấu tạo ion: tác dụng cường độ điện trường ion dịch chuyển theo chiều tác dụng điện trường
Kết quả, bề mặt điện mơi xuất điện tích trái dấu với điện tích cực, tạo bên điện môi cường độ điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường ngồi Đây q trình tích điện tụ điện
+ Đa số điện mơi có đặc điểm: Giữa cảm ứng điện D cường độ điện trường E tạo bên điện mơi phụ thuộc tiến tính Dr =ε.Er
+ Ngồi có số điên mơi Er thay đổi cảm ứng điện Dr biến đổi khơng tuyến tính với Er Khi Er tăng đến giá trị D khơng thay đổi Những chất gọi điện môi “Xenhit” muối xen nhít : NaK C4H4O6(H2O)6
1.2) Hằng số điện mơi:
Trong tụ điện, môi trường điện cực
điện môi Khi đặt lên tụ điện điện áp U cực có điện điện tích Q Giữa Q U ta có quan hệ sau
Q = C U với C điện dung tụ điện (1) Trong Q gồm thành phần :
Q = Q0 + Q’
Q0 : điện tích cực tụ điện điện môi bên tụ chân không
Q’ : thành phần điện tích tăng thêm bề mặt cực trình phân cực bên điện mơi tạo
Từ người ta đưa tỷ số Q Q0 , tỷ số gọi số điện mơi tương đối ' '
0
0
≥ + = + = =
Q Q Q
Q Q Q
Q
ε (2)
==> ε : chất lớn 1, trừ trường hợp điện môi chân khôngε = Hằng số điện môi tuyệt đối: ε0 =
9 10 . 9 . . 4
1
(3)Từ (1) (2) ta có :
0 Q
Q =
ε =>Q = ε Q0 => C.U = ε Co U => ε =
0 C
C
Vậy ta định nghĩa : Hằng số điện mơi chất điện mơi xác định tỷ số điện dung tụ điện có điện mơi làm chất điện dung tụ điện có kích thước điện môi chân không
1.3 Các dạng phân cực điện môi :
1.3.1 Phân loại theo thời gian phân cực:
Dựa theo thời gian phân cực có dạng phân cực sau :
Dạng phân cực nhanh: Bao gồm dạng phân cực thực điện môi tác dung điện trường cách tức thời, đàn hồi hoàn toàn không gây tổn hao lượng
Dạng phân cực chậm: Bao gồm dạng phân cực thực điện môi tác dung điện trường cách chậm chạp, có thời gian, phát tán lượng làm điện mơi nóng lên
1.3.2 Phân loại theo phần tử tham gia phân cực:
Dựa theo phần tử tham gia phân cực,ta có loại phân cực sau:
1.3.2.1 Phân cực điện tử nhanh :
Là dịch chuyển đàn hồi định hướng lớp vỏ điện tử nguyên tử phân tử ion
Ví dụ: nguyên tử chưa đặt điện trường, điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân, tâm điện tích âm trùng với tâm điện tích dương Khi đặt điện trường vào điện tử dịch chuyển ngược chiều với điện trường, hạt nhân dịch chuyển chiều điện trường Kết tâm điện tích dương âm lệch khoảng a
Đặc điểm:
- Thời gian phân cực diễn bé t = 10-15 (s)
- Q trình phân cực khơng phát tán lượng ,không tổn hao => thuộc dạng phân cực thứ
- Những chất có phân cực điện tử chủ yếu ε = n2 (n hệ số khúc xạ ánh sáng )
- Khi nhiệt độ tăng phân cực tăng
- Phân cực điện tử thường xảy chất khí
1.3.2.2 Phán cỉûc ion nhanh
-q
+q +q -q
(4)Phân cực ion đặc trưng cho điện mơi có cấu trúc tinh thể ion, tạo nhờ dịch chuyển đàn hồi ion liên kết tác dung điện trường ngoài, nhờ dịch chuyển đàn hồi mà khơng phát tán lượng
Ví dụ: tinh thể ion NaCl:
Đặc điểm:
- Thời gian phân cực diễn bé t = 10-12 (s)
- Do diễn tức thời , không phát tán lượng nên phân cực ion thuộc dạng phân cực thứ
- Khi nhiệt độ tăng phân cực tăng
- Phân cực ion thường thấy chất có cấu tạo ion liên kết chặt chẽ
1.3.2.3Phân cực lưỡng cực chậm :
Phân cực tạo nên bỡi định hướng phần lưỡng cực tác dung cường độ điện trường chuyển động nhiệt hỗn loạn
Đặc điểm:
- Thời gian phân cực lớn
- Tổn hao lượng nên thuộc dạng phân cực chậm
- Khi nhiệt độ thay đổi phân cực thay đổi quan hệ nhiệt độ phân cực phức tạp thể qua quan hệ ε = f(t0)
1.3.2.4Phân cực ion chậm :
Phân cực tạo nên bỡi chuyển động thừa nút ion tác dụng điện trường chuyển động nhiệt hỗn loạn quanh vị trí cân
- Q trình phân cực có thời gian tổn hao lượng nên thuộc dạng phân cực chậm - Đây phân cực đặc trưng cho chất có liên kết ion không chặt chẽ
1.3.2.5 Phân cực điện tử chậm
Phân cực tạo nên bỡi điện tử khuyết tật tạp chất, - Thời gian phân cực lớn tiêu tốn lượng
- Thuộc dạng phân cực thứ hai
Chưa đặt điện rường
Khi đặt điện trường E
t0 to0
ε
max
(5)- Những chất có phân cực điện tử chậm có chiết suất ánh sáng lớn nên ε = n2 lớn
1.3.2.6 Phân cực kết cấu :
Là phân cực phụ xảy vật liệu rắn có cấu tạo khơng đồng có tạp chất Bản chất phân cực là dịch chuyển ion liên kết yếu tác dụng điện trường bên ngoài, tạo thành điện tích khơng gian ranh giới tiếp xúc miền khác
Loại phân cực thường xảy tầng số thấp kèm theo tổn hao lượng lớn, xảy có thời gian => phân cực kết cấu thuộc dạng phân cực thứ hai
II Hằng số điện mơi chất khí :
Chất khí có đặc điểm sau :
Mật độ phân tử bé, khoảng cách phân tử lớn phân cực chất khí khơng đáng kể Nói chung ε =
Sự phân cực chất khí chủ yếu phân cực điện tử nhanh, ε ≈n2 với n hệ số khúc xạ ánh sáng
Bảng số liệu ε số khí
Tên gọi khí Bán kính phân tử (Ao) n n2 ε(to=20oC
P=1atm) He
H2 O2 CO2
1,12 1,35 1,82 2,3
1,000035 1,00014 1,00027 1,0005
1,00007 1,00028 1,00054 1,001
1,000072 1,00027 1,00055 1,00096
Mối quan hệ số điện môi áp suất ε = f (P) P(at) k2 CO2 N2
1 20 40
1,00058 1,0108 1,0218
1,00098 1,02 1,05
1,0006 1,0101 1,055
Mối quan hệ số điện môi nhiệt độ ε = f (to)
toC ε
60 20 -60
1,00052 1,00058 1,00081 Nhận xét:
Bán kính phân tử lớn ε lớn Aïp suất lớn ε lớn
Nhiệt độ tăng ε giảm ( mật độ phân tử giảm )
III Hằng Số Điện Môi Lỏng
3.1 Đối với chất lỏng trung hồ (khơng có cực tính):
Đối với chất chủ yếu phân cực điện tử nhanh ε tỷ lệ với n2 Khi nhiệt độ tăng ε giảm nhiệt độ tăng mật độ phân tử giảm
(6)ε=f(f) dầu Xô Vôn
ε=f(to) dầu Bảng số liệu ε chất lỏng trung hoà cực tính yếu
Tên chất n2 ε
Benzen Täluen
Cacbon tetra Clorua
2,25 2,25 3,125
2,18 2,294 2,163 Nhận xét : Đối với chất lỏng trung hồ hay có cực tính yếu ε < 2,5
3.2 Điện mơi lỏng có cực tính :
- Sự phân cực chất lỏng có cực tính xác định đồng thời bỡi phân cực điện tử phân cực lưỡng cực chậm
- Phân tử có cực tính mạnh (momen phân cực lớn ) số điện mơi cao - Một số chất có số điện mơi lớn ( rượu , H2O ) , xem chất cách điện mà chất dẫn điện yếu ion
- Quan hệ ε nhiệt độ phức tạp - Quan hệ giữaε với tần số f
- Hằng số điện môi số chất lỏng
Tên chất lỏng ε (t = 20 oC ; P = atm) Thầu dầu
Xä vän Xov tän
4,5 5,0 3,2
IV Hằng số điện môi chất rắn:
Do chất rắn có cấu tạo đa dạng phức tạp số điện mơi có giá trị nằm phạm vi rộng
4.1 Chất rắn có cấu tạo phân tử trung hoà :
Chủ yếu phân cực điện tử nhanh n ≈
ε
Khi nhiệt độ tăng, ε giảm ( chất rắn giãn nở nhiệt nên mật độ phân tử giảm)
4
10
(1)
(3)
3
10 f0 107
ε
f
a b
c (1)
(2)
(3) (1) f = 50 H z (2) f = 400 H z (3) f = kH z
-20 20 40
2
ε
(7)Hằng số điện môi số chất rắn
Chất rắn n n2 ε[t =20oC]
Parafin Polistirol Lỉu hunh
1,43 1,55 1,96
2,06 2,4 3,62
1,9÷2,2
2,4÷2,6
3,6÷4,0
4.2 Chất rắn có cấu tạo ion liên kết chặt chẽ:
Có phân cực điện tử nhanh ion nhanh Hầu hết có hệ số nhiệt độ ( f0
dt d
TK ε
ε
ε = ) , riêng số chất có chứa Titan có hệ số ε
K
T < có giá trị lớn
Chất Đặc điểm ε TKε
NaCl Al2O3
ε
K
T < 10
150.10-6
100.10-6 TiO2
CaOTiO2
ε
K
T < -750.10-6
-1500.10-6
4.3 Điện môi rắn có cấu tạo ion liên kết khơng chặt chẽ :
- Phân cực điện tử nhanh phân cực ion chậm - Có số nhiệt độ TKε> có giá trị khơng cao
4.4 Điện mơi rắn có cấu tạo từ phân tử cực tính : - Phân cực điện tử phân cực lưỡng cực chậm
- Hằng số điện môi: Phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tầng số giống chất lỏng lưỡng cực Các chất thuộc loại bao gồm : Xenlulô sản phẩm chế biến từ giấy , xơ ,đay , chất trùng hợp cao phân tử có cực tính Sapgalovac nước đá
Đặc tính ε = f(t) Sap galovac
nc o
t t