CHƯƠNG 1 A. Câu hỏi tự luận Câu 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu 11 Câu 2. Trình bày các mối liên kết trong vật liệu.
So sánh đặc điểm của các mối liên kết đó. Trình bày lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn. Sử dụng lý thuyết đó để giải thích khả năng dẫn điện của vật liệu. Trình bày nội dung phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện và theo khả năng dẫn từ.
Câu hỏi trắc nghiệm Câu 1. Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có hệ số từ thẩm tƣơng đối: A. µ > 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. µ > 1 và phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài.
µ < 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. µ < 1 và phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. Vật liệu thuận từ là loại vật liệu có hệ số từ thẩm tƣơng đối: A. µ > 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài.
µ > 1 và phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. µ < 1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. µ < 1 và phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. Theo lý thuyết phân vùng năng lƣợng, vật liệu dẫn điện là vật liệu có độ rộng vùng cấm: A.
có bề rộng ΔW > 0,2 eV B. có bề rộng ΔW < 0,2 eV C. có bề rộng ΔW = (1,5 ÷ 2) eV D. có bề rộng ΔW = (2 ÷ 3,5) Ev 12 Chương 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Chƣơng này nhằm cung cấp cho ngƣời học kiến thức về các tính chất cơ bản của điện môi nhƣ tính dẫn điện ở điện môi, sự phân cực điện môi, sự tổn hao điện môi, sự phóng điện trong điện môi, các vật liệu cách điện thƣờng dùng trong ngành điện, ứng dụng của các vật liệu cách điện.
Khi đặt điện môi vào trong điện trƣờng, điện môi sẽ chịu tác động của điện trƣờng, tuỳ theo dạng cƣờng độ điện trƣờng (mạnh hay yếu, một chiều, xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trƣờng.) và thời gian tác động của điện trƣờng cũng nhƣ các yếu tố độ ẩm, nhiệt độ, áp suất của môi trƣờng mà trong điện môi xảy ra những hiện tƣợng cơ bản là hiện tƣợng dẫn điện và phân cực điện môi. Hiện tƣợng phân cực là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hƣớng một phần của các phân tử lƣỡng cực dƣới tác dụng của điện trƣờng. Trong quá trình phân cực sẽ xuất hiện dòng phân cực, và thƣờng đƣợc đánh giá bằng hằng số điện môi và góc tổn thất điện môi (nếu quá trình phân cực kèm theo phân tán năng lƣợng sẽ làm cho điện môi nóng lên). Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có một lƣợng điện tích tự do nhất định nên dƣới tác động của điện trƣờng, các điện tích dịch chuyển về phía điện cực trái với dấu của chúng tạo nên dòng điện rò có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi và theo bề mặt của nó.
Dòng điện rò kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện của điện môi. Do trong điện môi xuất hiện dòng điện rò và dòng phân cực nên một phần năng lƣợng điện bị tổn thất và toả ra dạng nhiệt làm cho điện môi nóng lên. Phần năng lƣợng bị tổn thất trong điện môi đƣợc gọi là tổn hao điện môi và đƣợc đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi tgδ. Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ duy trì đƣợc tính chất cách điện trong một giới hạn (trị số) điện áp nhất định.
Khi điện áp vƣợt quá giá trị giới hạn đó thì điện môi bị mất hoàn toàn thuộc tính cách điện hay bị đánh thủng. Đánh thủng điện môi đƣợc đánh giá thông qua độ bền điện Eđt (kV/mm). Trong quá trình vận hành, ngoài tác động của điện trƣờng, điện môi còn chịu tác động của các yếu tố môi trƣờng và các tác động cơ, nhiệt khác. Sau một thời gian, các tính chất cơ, lý, hoá và điện.của điện môi bị thay đổi (thƣờng là kém đi), đó gọi là hoá già điện môi.
TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI. Khái niệm chung Khi đặt điện môi vào trong điện trƣờng E (ứng với điện áp U) sẽ có dòng điện I chạy qua điện môi. Dòng điện I gồm hai thành phần là dòng điện phân cực và dòng điện rò. Dòng điện chạy qua khối điện môi I = Irò + Ipc (2.1) Irò: Dòng điện rò là dòng chuyển động của các điện tích dƣới tác dụng của điện trƣờng, tƣơng tự dòng điện trong vật dẫn.
Dòng điện rò là một tiêu chí đánh giá chất lƣợng điện môi, Irò càng bé thì vật liệu cách điện càng tốt. Ipc: Khi đặt trong điện trƣờng, trong điện môi có sự dịch chuyển phân cực hoặc có sự định hƣớng phân tử lƣỡng cực. Dòng điện phân cực là dòng chuyển dịch của các điện tích ràng buộc khi phân cực hoặc sự định hƣớng của các phân tử lƣỡng cực. Đối với điện áp một chiều, Ipc tắt dần, chỉ tồn tại trong thời gian ngắn sau đóng - ngắt mạch điện.
Đối với điện áp xoay chiều, Ipc là dòng điện xoay chiều tồn tại trong suốt thời gian tồn tại điện áp. K A h Điện môi U I,µA 2 Ipc 1 I rò Irò 0 t t,µ giây Hình 2-1. Quan hệ giữ dòng điện với thời gi n trong thí nghiệm Chú thích: (1) dòng điện trong điện môi khi U đặt vào điện môi là một chiều 14 (2) dòng điện trong điện môi khi U đặt vào điện môi là xoay chiều a. Bản chất vật lý sự dẫn điện trong vật chất Định nghĩa dòng điện: là sự chuyển dịch có hƣớng của các điện tích dƣới tác dụng của điện trƣờng.
Thiết lập công thức để tính mật độ dòng điện trong vật chất: Giả thuyết: xét một đơn vị thể tích vật chất có mật độ điện tích là n và điện tích mỗi hạt là q => tổng điện tích trong một đơn vị thể tích là n.q * Khi chƣa đặt điện trƣờng vào vật liệu: các điện tích sẽ dịch chuyển hỗn loạn dƣới tác dụng nhiệt với vận tốc Vt * Khi đặt vào vật chất đó một cƣờng độ điện trƣờng vuông góc với một mặt khối vật chất: khi đó các hạt sẽ chịu tác dụng một lực F = q E nên điện tích sẽ dịch chuyển với vận tốc V. * Nhƣ vậy khi đặt vào một điện trƣờng E thì hạt điện tích sẽ dịch chuyển với vận tốc là V. Theo định nghĩa về mật độ dòng điện ta có: J = n.Ve Nhƣ vậy: bản chất của sự dẫn điện trong vật chất là sự dịch chuyển của các hạt mang điện trong điện trƣờng. Muốn có sự dẫn điện thì vật chất đó phải có điện tích tự do và phải có điện trƣờng tác dụng vào Trong vật liệu kỹ thuật điện có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện.
Dựa vào thành phần của dòng điện ngƣời ta chia điện dẫn thành ba loại sau: - Điện dẫn điện tử: thành phần của nó là các điện tử tự do trong điện môi - Điện đẫn ion: thành phần của loại điện dẫn này là các ion dƣơng và ion âm - Điện dẫn điện di: (các molion) thành phần của dòng điện này là các nhóm phân tử hay tạp chất đƣợc tích điện tồn tại trong điện môi, chúng đƣợc tạo lên bởi ma sát trong quá trình chuyển động. Điện trở cách điện của điện môi ( Rcđ) Điện trở cách điện Rcđ: là đại lƣợng đặc trƣng cho khả năng cách điện của vật liệu. Rcđ đƣợc xác định bằng tỷ số giữa điện áp đặt vào khối điện môi và dòng rò qua khối điện môi đó. Điện trở suất và điện dẫn suất * Điện trở suất: - Điện trở suất khối (v): là điện trở của 1 khối lập phƣơng có cạnh 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó.cm) Để xác định điện trở suất của khối điện môi phẳng, ta xác định nhƣ sau (2.3) Trong đó : Rv là điện trở của khối điện môi đo đƣợc () S là diện tích của điện cực (cm2) h là bề dày của khối điện môi (cm) - Điện trở suất mặt (s): là điện trở của 1 hình vuông cạnh 1 cm đƣợc tách ra 1 cách tƣởng tƣợng trên bề mặt khối điện môi khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của hình vuông đó s () (2.4) Trong đó: RS là điện trở của bề mặt khối điện môi () l: là bề rộng của khối điện môi (cm) h: là bề dày của khối điện môi (cm) * Điện dẫn suất: - Điện dẫn suất khối (γv): là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở suất khối (2.5) - Điện dẫn suất mặt: là đại lƣợng nghịch đảo của điện trở suất mặt (2.2 Tính dẫn điện củ điện môi khí, lỏng, rắn a.
Tính dẫn điện của điện môi khí Đối với chất khí, đặc điểm nổi bật là do mật độ phân tử rất bé. Cho nên, khi cƣờng độ điện trƣờng bé thì dòng rò trong điện môi khí chỉ do các điện tử tự do và các ion tạo ra bỡi các yếu tố bên ngoài nên dòng rò rất bé. Do đó điện dẫn bé và điện dẫn này đƣợc gọi là điện dẫn không tự duy trì. Khi điện trƣờng tăng lên đến mức trong môi trƣờng khí xảy ra quá trình ion hoá va chạm, các điện tích tạo ra theo cấp số nhân, nên điện dẫn tăng cao, 16 gọi là điện dẫn tự duy trì.
Giả sử tại một thời điểm nhất định trong một đơn vị thể tích khí có: n0: số lƣợng ion dƣơng (bằng với số lƣợng ion âm) n1: số ion tái hợp trong một đơn vị thể tích tính trong một đơn vị thời gian: (2.7) Trong đó: v là hệ số tái hợp (đối với không khí: v = 1,6.10-6 cm3/giây) Gọi n2: là số ion đƣợc tạo ra bởi quá trình ion hóa, trong điều kiện cân bằng: (2.8) Khi chất khi đặt vào giữa hai điện cực phẳng song song có điện áp một chiều U(V), khoảng cách giữa hai điện cực là S(cm) thì điện trƣờng tạo nên giữa hai điện cực là (2.9) [ ] Dƣới tác dụng của điện áp ngoài (điện trƣờng ngoài) các ion sẽ chuyển động và trong mạch xuất hiện dòng điện. Một số ion bị trung hòa trên các điện cực, một số khác mất đi do hiện tƣợng tái hợp. Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong điện môi khí đƣợc thể hiện qua đƣờng đặc tính sau: i (A) I II III ` A B U(V) 0 UA UB UTDT Hình 2-2. Đặc tính Von – Ampe của chất khí 17 Vùng I: Ứng với khu vực điện trƣờng bé.
Trong chất khí có thể xem số lƣợng ion dƣơng và âm không đổi.