Vật liệu điện và ứng dụng
- 97 trang
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
GV hướng dẫn: Th.s Dương Quốc Chánh Tín
Sinh viên: Châu Thị Kim Uyên
Lớp: SP Vật Lý- Tin Học K34
Mã số SV: 1080307
Cần Thơ, 2012
LỜI CẢM ƠN
---Sau thời gian thực hiện đề tài này, tôi đã học hỏi được và tích lũy
thêm được rất nhiều kiến thức quý báo về lĩnh vực mà mình nghiên cứu.
Để đạt được thành quả này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của
quý thầy cô, gia đình, bạn bè. Do đó tôi xin dành trang đầu tiên để gửi
lời tri ân đến tất cả mọi người.
Trước tiên, tôi xin cám ơn quý thầy, cô trong tổ Vật Lý đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt kiến thức lẫn phương pháp cho tôi trong suốt bốn
năm học qua. Đây là niềm tin là cơ sở vững chắc để tôi hoàn thành đề
tài này, cũng như là hành trang vô cùng quý báo khi bước vào đời. Đặc
biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín, thầy luôn
gần gũi, thân thiện và tận tình chỉ bảo, động viên giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian thực hiện đề tài luận văn.
Xin được gởi lời cám ơn đến thầy cố vấn học tập và những người bạn
của tôi- sinh viên lớp sư phạm Vật Lý- Tin Học khóa 34, cùng tất cả
mọi người đã quan tâm, cổ vũ, động viên khích lệ tinh thần cho tôi.
Ngoài ra, tôi xin cám ơn các bạn lớp Kỹ thuật điện khóa 34 đã cung
cấp tài liệu giúp tôi hoàn thành tốt đề tài này.
Cuối cùng con xin chân thành cảm ơn cha mẹ đã luôn ủng hộ con,
giúp con yên tâm hoàn thành luận văn của mình.
Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng nhưng vì thời gian hạn chế nên
luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót. Do đó, tôi rất mong quý thầy cô và
các độc giả quan tâm đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn chỉnh
hơn.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, gia đình và bạn
bè đã luôn đồng hành trong suốt những năm vừa qua. Tôi xin gửi lời
chúc sức khỏe và thành công đến tất cả mọi người.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Châu Thị Kim Uyên
MỤC LỤC
--
-Phần I : MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................................ 1
2. Giả thuyết của đề tài....................................................................................................... 1
3. Mục đích của đề tài ........................................................................................................ 1
4. Giới hạn của đề tài ......................................................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................ 2
6. Các bước thực hiện......................................................................................................... 2
Phần II : NỘI DUNG
Chương 1:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Cấu tạo của vật liệu ...................................................................................................... 3
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử ................................................................................................. 3
1.1.2. Cấu tạo phân tử ..................................................................................................... 3
1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn............................................................................ 5
1.1.4. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn .................................................... 6
1.2. Phân loại vật liệu điện .................................................................................................. 7
1.2.1. Vật liệu cách điện ................................................................................................. 7
1.2.2. Vật liệu dẫn điện ................................................................................................... 7
1.2.3. Vật bán dẫn ........................................................................................................... 7
Chương 2:
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện.................................................................... 8
2.1.1. Khái niệm................................................................................................................ 8
2.1.2. Phân loại ................................................................................................................. 8
2.2. Tính dẫn điện của điện môi ......................................................................................... 8
2.2.1. Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi ......................................................... 8
2.2.2. Điện dẫn của điện môi .......................................................................................... 9
2.2.3. Tính dẫn điện của môi khí .................................................................................. 10
2.2.4. Tính dẫn điện của môi lỏng ................................................................................ 10
2.2.5. Tính dẫn điện của môi rắn .................................................................................. 11
2.2.6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn ........................................................................... 12
2.3. Sự phân cực của điện môi........................................................................................... 13
2.3.1. Khái niệm sự phân cực của điện môi.................................................................. 13
2.3.2. Các loại phân cực xảy ra trong điện môi ............................................................ 13
2.3.3. Các dạng phân cực của điện môi ........................................................................ 14
2.3.4. Hằng số điện môi ................................................................................................ 14
2.4.Tổn hao trong điện môi ............................................................................................... 15
2.4.1. Khái niệm tổn hao điện môi................................................................................ 15
2.4.2. Bản chất vật lý của tổn hao điện môi.................................................................. 16
2.4.3. Các dạng tổn hao điện môi ................................................................................. 16
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi ...................................................... 17
2.4.5. Tổn hao điện môi trong điện môi khí ................................................................. 17
2.4.6. Tổn hao điện môi trong điện môi lỏng ............................................................... 17
2.4.7. Tổn hao điện môi trong điện môi rắn ................................................................. 18
2.5. Sự phóng điện trong điện môi .................................................................................... 20
2.5.1. Sự phóng điện trong điện môi khí ...................................................................... 21
2.5.2. Sự phóng điện trong điện môi lỏng .................................................................... 25
2.5.3. Sự phóng điện trong điện môi rắn ...................................................................... 26
2.6. Tính chất cơ sở lý hóa của điện môi........................................................................... 28
2.6.1.Tính hút ẩm của vật liệu cách điện ...................................................................... 28
2.6.2.Tính chất nhiệt của điện môi ............................................................................... 31
2.6.3.Tính chất cơ học của điện môi............................................................................. 33
2.6.4.Tính chất hóa học của điện môi và tác động của bức xạ năng lượng cao ........... 34
2.7. Ứng dụng ................................................................................................................... 35
2.7.1. Vật liệu cách điện thể khí ................................................................................... 35
2.7.2. Vật liệu cách điện thể rắn ................................................................................... 37
2.7.3. Vật liệu cách điện thể lỏng ................................................................................. 65
Chương 3:
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
3.1. Khái niệm và phân loại ........................................................................................... 68
3.1.1. Khái niệm............................................................................................................ 68
3.1.2. Phân loại ............................................................................................................. 68
3.2. Các tính chất cơ bản của các vật liệu dẫn điện ........................................................ 68
3.2.1. Điện dẫn suất và điện trở suất ............................................................................ 68
3.2.2. Hệ số nhiệt của điện trở suất............................................................................... 69
3.2.3. Nhiệt dẫn suất ..................................................................................................... 69
3.2.4. Sức nhiệt động .................................................................................................... 69
3.2.5. Hệ số nhiệt độ nở dài của vật dẫn kim loại ........................................................ 69
3.2.6. Tính chất cơ học của vật dẫn .............................................................................. 69
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu .............................................. 70
3.4. Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện .................................... 70
3.4.1. Những hư hỏng thường gặp................................................................................ 70
3.4.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện................................................................................ 70
3.5. Các vật liệu dẫn điện và ứng dụng........................................................................... 70
3.5.1. Vật liệu có điện dẫn cao...................................................................................... 70
3.5.2. Các kim loại khác, thuốc hàn và chất làm chảy.................................................. 72
3.5.3. Các hợp kim có điện trở cao và hợp kim làm cặp nhiệt ..................................... 77
3.5.4. Than kỹ thuật điện .............................................................................................. 78
3.5.5. Các vật liệu dẫn điện không kim loại..78
Chương 4:
VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG
4.1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn ......................................................................... 80
4.1.1. Khái niệm............................................................................................................ 80
4.1.2. Phân loại ............................................................................................................. 80
4.2. Điện dẫn của bán dẫn.................................................................................................. 81
4.2.1. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào tạp chất.81
4.2.2. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ .................................................... 81
4.2.3. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường...81
4.2.4. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào sự chiếu sáng ........................................... 82
4.3. Tiếp giáp điện tử- lỗ trống .......................................................................................... 82
4.4. Ứng dụng .................................................................................................................... 82
4.4.1. Một số nguyên tố có tính bán dẫn dùng trong kỹ thuật .................................... 82
4.4.2. Các hợp chất hóa học bán dẫn và các vật liệu dẫn suất cùng gốc...................... 83
Phần III : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận.......................................................................................................................... 85
2. Thuận lợi........................................................................................................................ 85
3. Khó khăn........................................................................................................................ 85
4. Kiến nghị ....................................................................................................................... 85
5. Những dự định trong tương lai ...................................................................................... 85
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Phần I: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nền vật lý hiện đại có một ảnh hưởng sâu đậm hầu như trên mọi hình thái của xã hội.
Nó trở thành cơ sở của nền khoa học tự nhiên, và sự liên hệ tương hỗ giữa khoa học tự
nhiên và khoa học kỹ thuật đã biến đổi sâu sắc đến điều kiện sống của chúng ta.
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, điện trở thành một nhu cầu cấp thiết. Tất
cả mọi hoạt động của xã hội đều gắn liền với việc sử dụng điện. Với sự phát triển như vũ
bão của khoa học kĩ thu ật, con người đã áp dụng những thành tựu khoa học để hoàn thiện
và nâng cao chất lượng cuộc sống, từ đó nhiều thiết bị điện mới ra đời. Trong quá trình
sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố như ngắn mạch, rò rỉ điện, quá điện
ápViệc đảm bảo vấn đề tính mạng cho người sử dụng, cũng như bảo vệ các thiết bị
điện, tránh tổn thất kinh tế cũng như nh ững sự cố đáng tiếc có thể xảy ra khi vận hành và
sử dụng thiết bị điện là nhiệm vụ hàng đầu. Cho nên song song với việc chế tạo ra những
thiết bị điện ngày càng hiện đại con người cũng không quên đ ến việc tìm hiểu những tính
năng của vật liệu điện để nâng cao tính ưu việt, bên cạnh đó đảm bảo được an toàn cho
người sử dụng điện một cách tốt nhất.
Chính vì vậy, tôi chọn đề tài Vật liệu điện và ứng dụng để có thể tìm hiểu kĩ hơn
về những đặc điểm, tính chất của vật liệu điện, và những ứng dụng của chúng.
2. Giả thuyết của đề tài:
Với những lý do đã trình bày ở trên, luận văn được xây dựng để trả lời những câu hỏi
sau:
- Vật liệu điện là gì? Có những loại vật liệu điện nào?
- Vật liệu điện có những tính chất gì?
- Chúng có những ứng dụng gì trong đời sống?
3. Mục đích:
-Tìm hiểu về cấu tạo của vật liệu, cách phân loại chúng.
-Tìm hiểu những tính chất của vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
cũng như nh ững ứng dụng của chúng trong đời sống.
4. Giới hạn của đề tài:
Tìm hiểu những tính chất , đặc điểm của vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu
bán dẫn trên cơ sở lý thuyết dưới gốc độ vật lý.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
1
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
5. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu, những thông tin có liên quan trên báo đài,
Internet từ đó rút ra những nhận xét đánh giá, trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
6. Các bước thực hiện:
Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài,xác định được mục tiêu cần đạt được
Bước 2: Lập đề cương cho đề tài.
Bước 3: Nghiên cứu lý thuyết: sưu tầm và tìm tài liệu có liên quan, tham khảo ý kiến từ
thầy cô và bạn bè.
Bước 4: Viết báo cáo và sửa đề tài theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
Bước 5: Báo cáo và bảo vệ luận văn.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
2
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Phần II: NỘI DUNG
Chương 1:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1Cấu tạo của vật liệu.
1.1.1.Cấu tạo nguyên tử
Mọi vật liệu [vật chất] được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là thành phần cơ
bản nhất của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt
nhân mang điện tích dương và các điện tử [electron] mang điện tích âm chuyển động xung
quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định.
Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt proton và notron. Notron là các hạt không
mang điện tích, còn proton có điện tích dương.
Quỹ đạo
Hạt nhân
Hình 1-1. Cấu tạo nguyên tử.
Ở trạng thái bình thư ờng nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên tử có tổng
các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do
nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường
gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.
Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện
tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa [Wi]. Khi bị ion hóa [ bị mất điện tử] nguyên tử
trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do
gọi là quá trình ion hóa.
1.1.2. Cấu tạo phân tử
Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết sau: liên kết
ion, liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại và liên kết Vandec-Vanx, liên kết hydro.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
3
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
1.1.2.1. Liên kết ion:
Hình 1-2. Liên kết ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên
kết ion khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ
nóng chảy cao. Đặc điểm của liên kết này là hấp thụ mạnh tia hồng ngoại. Ngoài ra ở nhiệt
độ thấp chúng là điện môi rất tốt, ngược lại ở nhiệt độ cao chúng có tính dẫn điện mạnh.
1.1.2.2. Liên kết đồng hóa trị:
Đặc trưng của liên kết đồng hóa trị là bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử
trong phân tử, khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở nên bão hòa, tạo nên
liên kết phân tử bền vững nên vật chất được cấu tạo bởi liên kết đồng hóa trị có độ cứng rất
cao, ở nhiệt độ thấp nó là điện môi.
Ví dụ liên kết của phân tử kim cương, silic, germani Các loại phân tử trên hình thành
cấu trúc điện tử rất bền vững, ở lớp vỏ ngoài cùng chứa 8 điện tử chung nhau.
H2
Hydro
F2
flo
CO2
2 oxy
4 flo
Cacbon
Cacbon
CF4
Dùng chung điện tử
Hình 1-3. Liên kết đồng hóa trị
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
4
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
1.1.2.3. Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu
tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa ion dương và các
điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên
kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.
Hình 1-4.Sơ đồ cấu tạo kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt
cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp
ion cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.
1.1.2.4. Liên kết Vandec-Vanx
Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do
vậy những liên kết phân tử là liên kết Vandec-Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ học
thấp như parafin.
1.1.2.5. Liên kết hydro:
Các ion dương của hydro là proton không có điện tử trên lớp vỏ, vì vậy kích thước của nó
rất nhỏ, gần như bằng không. Liên kết hydro không mạnh, nó ở giới hạn [20-50 J/mol] và
phân tử là điện môi.
1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Trong tự nhiên không tồn tại tinh thể có cấu trúc cân đối lý tưởng. Ở điều kiện thực tế
thường xuyên xảy ra lỗi này hay lỗi khác. Những lỗi này được gọi là khuyết tật. Những
khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu.
Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh
điện mạng tinh thể như : phá vỡ thành phần hợp phức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực
cơ học; khe rãnh, lỗ xốptừ đó sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các
tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn có thể làm cho tính chất của
vật liệu kém đi [ví dụ như: vật liệu điện có lẫn kim loại] nhưng đồng thời trong kỹ thuật
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
5
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
người ta cũng đã sử dụng những vật liệu này để chế tạo các vật liệu có tính năng đặc biệt tốt
như vi mạch IC,
Hình 1-5. Hình biểu diễn hai chiều của mạng đơn tinh thể.
[a]
Sai hỏng chỗ khuyết
[b]Sai hỏng ngoài nút.
1.1.4.Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu điện thành
các nhóm vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu cách điện [điện môi].
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên
tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc
trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử
khác nhau có những trạng thái năng lượng [mức năng lượng] khác nhau hay nói cách khác
nguyên tử có mức năng lượng xác định.
Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thư ờng của
nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng đầy [ở 00K các
điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này].
Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng
tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn.
Giữa vùng đầy và vùng tự do có vùng trống gọi là vùng cấm.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
6
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
V ï n g tù d o
[ V ï n g ® iÖ n d É n ]
W
W
VËt dÉn
W < 0 ,2 e V
W
§ iÖ n m « i
B¸n dÉn
W = 0 ,2
--> 1 ,5 e V
V ïng cÊm
[V ï n g trè n g ]
Vïng ®Çy
[ V ï n g h ã a tr Þ]
W = 1 ,5
=> Vµi eV
Hình 1-6. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn.
1.2.Phân loại vật liệu điện
Có hai cách phân loại vật liệu điện là phân loại theo khả năng dẫn điện và phân loại theo
từ tính. Ở đây chỉ xét trường hợp phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện.
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện [ điện môi], bán
dẫn và dẫn điện.
1.2.1. Vật liệu cách điện: là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường các
điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di
chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn nên sự dẫn điện bằng điện tử không
xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài eV.
1.2.2. Vật liệu dẫn điện: là chất có vùng tự do [vùng rỗng] nằm ở sát với vùng đầy thậm chí
có thể chồng lên vùng đầy. Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ thường
các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng
của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có
tính dẫn điện tốt.
1.2.3. Vật bán dẫn: là chất có chiều rộng vùng cấm bé [ W 0,2 1,5eV ], do đó ở nhiệt độ
bình thư ờng một số điện tử hóa trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có
thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
7
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Chương 2:
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
2.1.1. Khái niệm
Vật liệu cách điện là vật liệu có điện dẫn kém, điện trở suất rất lớn [khoảng 106 - 1015
Ωm]. Các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, nhằm
mục đích ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với người hoặc với các dòng điện khác.
2.1.2. Phân loại
2.1.2.1. Theo trạng thái vật lý
-Vật liệu cách điện thể rắn
-Vật liệu cách điện thể khí
-Vật liệu cách điện thể lỏng.
2.1.2.2. Theo thành phần hóa học
-Vật liệu cách điện hữu cơ gồm hai nhóm: vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên và vật liệu
nhân tạo.
-Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn
như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiang,..
2.2 Tính dẫn điện của điện môi
2.2.1.Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi
Theo lý thuyết thì vật liệu cách điện dưới điện áp một chiều thì sẽ không cho dòng đi ện
chạy qua. Tuy nhiên trên thực tế, vật liệu cách điện nếu đặt dưới điện áp một chiều sẽ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua [dòng điện rò]. Như vậy, điện trở suất của vật liệu cách điện
mặc dù rất lớn nhưng có giới hạn. Điện trở suất của vật liệu cách điện càng lớn thì chất
lượng của nó càng cao.
Khi điện môi đặt trong điện trường E, điện áp U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta
thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu diễn như hình sau:
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
8
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
I
U xoay chiÒu
Ifc
Ifc
U 1 chiÒu
Iro
t
Hình 2-1.Quan hệ giữa dòng điện với thời gian
Dòng điện trong điện môi gồm hai thành phần là dòng điện rò [Iro] và dòng đi ện phân cực
[Ifc].
I=Iro+ Ifc
[2-1]
Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ khi
đóng hay ngắt điện. Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời
gian đặt điện áp.
Dòng điện rò là dòng điện một chiều chạy qua đoạn cách điện trong khoảng thời gian ổn
định.
2.2.2. Điện dẫn của điện môi
Như đã biết dòng đi ện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích tự do dưới tác động
của điện trường. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp đặt, ngoài ra
dưới tác động của lực điện trường tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự các
điện tích có trong vật chất. Như vậy, điều kiện cần thiết để có dòng điện dẫn ở bất kỳ vật
chất nào chính là sự tồn tại trong vật chất các điện tích tự do.
Tùy theo bản chất của các hạt mang điện có trong vật chất mà có những hiện tượng dẫn
điện khác nhau. Những dạng điện dẫn chủ yếu là:
- Điện dẫn điện tử: hạt mang điện là những điện tích âm. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn
điện của kim loại và bán dẫn điện tử.
- Điện dẫn ion hay phân ly: hạt mang điện là các ion [dương hoặc âm] của phân tử hay
nguyên tử. Sự dịch chuyển của các điện tích dẫn đến hiện tượng điện phân.
- Điện dẫn điện di: vật mang điện là một nhóm điện tích của phân tử hay molion.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
9
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất lỏng, khí, rắn và
phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ môi trường. Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng đi ện
trong điện môi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do tạp chất trong điện môi
thay đổi.
2.2.3. Điện dẫn của điện môi khí
Tất cả các chất khí đều là điện môi. Điện dẫn suất của chất khí ở điện trường thấp có giá
trị rất nhỏ. Tính dẫn điện của chất khí là do có một số lượng hạt nhỏ mang điện do quá trình
ion hóa gây nên. Trong điều kiện bình thường số lượng hạt mang điện trong một m3 không
khí không vượt quá 1013. Điện dẫn của điện môi khí có hai dạng: điện dẫn tự duy trì và đi ện
dẫn không tự duy trì.
2.2.4. Điện dẫn của điện môi lỏng
2.2.4.1. Điện dẫn ion của các điện môi lỏng
Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion
hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chất lỏng và tạp chất.
Điện dẫn điện môi lỏng gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của các tạp chất.
Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có đi ện dẫn suất cao hơn điện môi lỏng trung tính.
Khi hằng số điện môi tăng lên thì đi ện dẫn suất cũng tăng lên. Những điện môi lỏng cực tính
mạnh có điện dẫn cao tới mức có thể xem chúng không phải là cách điện mà là vật dẫn có
điện dẫn ion.
Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ. Khi nhiệt độ
tăng làm tăng điện dẫn điện môi lỏng. Nước là một dạng tạp chất phổ biến nhất trong các
điện môi lỏng. Nước tồn tại trong điện môi lỏng ở ba dạng sau: nước hòa tan, nước huyền
phù [nhũ tương ] và nước lắng đọng [nước dư]. Nước ở trong điện môi lỏng có thể chuyển từ
dạng này sang dạng khác là tùy thuộc vào nhiệt độ.
2.2.4.2. Điện dẫn điện di
Điện dẫn điện di còn có tên gọi là điện dẫn molion được tạo nên bởi sự chuyển động có
hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Trong các chất điện môi lỏng thường chứa các tạp chất do tồn tại các hạt dạng keo có tích
điện, các sợi, bụi bẩn, lơ lửng ở bên trong, do có quá trình chuyển động nhiệt, các tạp chất
này, ma sát với phân tử điện môi lỏng và chúng bị nhiễm điện. Tùy thuộc vào quan hệ giữa
hằng số điện môi của chất lỏng và hằng số điện môi của các tạp chất keo mà chúng có thể
tích điện âm hoặc dương. Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích dương và âm
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
10
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
của tạp chất sẽ chuyển động: khối điện tích dương đi về cực âm, khối điện tích âm đi về cực
dương, chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di.
Bảng 2-1:
Tên chất lỏng
Giá trị điện trở suất và hằng số điện môi ở 200C
Đặc điểm cấu tạo
Điện trở suất v
Hằng số
[ .cm ] đo ở t=200C
điện môi
Benzen
Loại trung tính
1013 1014
2,2
Dầu biến áp
Loại trung tính
1012 1015
2,2
Xăng
Loại trung tính
1012 1015
2,0
Sovol
Loại có cực tính yếu
1010 1012
4,5
Thầu dầu
Loại có cực tính yếu
1010 1012
4,6
Azeton
Loại có cực tính mạnh
106 107
22
Rượu etilic
Loại có cực tính mạnh
106 107
33
Nước cất
Loại có cực tính mạnh
105 106
82
Qua số liệu bảng 2-1 ta thấy: điện dẫn của điện môi lỏng phụ thuộc vào tính chất cực tính
của điện môi, điện dẫn sẽ tăng lên khi hằng số điện môi tăng.
2.2.5. Điện dẫn của điện môi rắn
Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc
và mức độ lẫn các tạp chất, bụi bẩn,.. do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. Trong
các điện môi rắn có thể hình dung là các phân tử bị buộc chặt vào các điểm nút và chúng chỉ
có thể dao động quanh vị trí cân bằng này. Quá trình dịch chuyển các phân tử từ vị trí này
sang vị trí khác là rất khó khăn. Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng còn có thể do sự
chuyển động của các điện tử tự do. Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường
xác định điện dẫn suất khối[ v ] hay điện trở suất khối[ v ]:
v
1
v
[2-2]
Trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn, lớp
nước ẩm gây nên sẽ tạo nên dòng điện dẫn mặt [ s ] mà nghịch đảo là điện trở suất mặt [ s ].
Điện trở suất mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình vuông với cạnh bất kỳ
khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện. Đơn vị đo của s là [ Ohm].
Điện dẫn của các điện môi rắn khác nhau không những được xác định bởi loại điện môi mà
còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng. Điện dẫn suất của các điện
môi rắn và quan hệ của nó với nhiệt độ được xác định bởi cấu tạo và thành phần vật liệu.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
11
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Trong các vật liệu có cấu tạo tinh thể ion, điện dẫn còn phụ thuộc vào hóa trị của các ion đó.
Tinh thể ion hóa trị một có điện dẫn lớn hơn các tinh thể ion nhiều hóa trị.
Ví dụ: tinh thể NaCl có điện dẫn cao hơn các tinh thể MgO hay Al2O3 nhiều lần. Các chất
hữu cơ trùng hợp cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc nhiều vào: thành phần hóa học, các
tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hóa,
Giá trị của một số loại thủy tinh
Bảng 2-2:
Điện trở suất khối v đo ở t=200C[ .cm ]
Tên gọi thủy tinh
Pirech natri[thủy tinh chịu nhiệt]
2.108
Pirech kali
8.1011
Thủy tinh chì
2.1012
Điện dẫn suất của các điện môi xốp khi bị hút ẩm, thậm chí với một lượng không đáng kể
cũng tăng lên r ất mạnh. Sấy khô vật liệu sẽ làm tăng điện trở suất của chúng, nhưng khi đặt
ở trong môi trường ẩm điện trở suất lại bị giảm vì chúng bị hút ẩm vào bên trong.
Bảng 2-3:
Giá trị V của một số điện môi rắn xốp ở trong các độ ẩm
không khí khác nhau
Tên điện trở suất khối [ .cm ]
Tên vật liệu
Ở độ ẩm tương đối
Ở độ ẩm tương đối
Ở độ ẩm tương đối
0% và t=200C
70% và t=200C
0% và t=1000C
Đá hoa
1014-1016
108-1010
1012-1014
Gỗ
1013-1014
108-109
1012-1013
Phíp
1013-1014
108-109
1010-1011
2.2.6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn
Điện dẫn mặt thường gây nên do bề mặt của vật liệu bị ẩm. Điện trở của lớp ẩm hấp thụ
phụ thuộc nhiều vào bản chất của vật liệu nên điện dẫn mặt thường được xem như một
thuộc tính của bản thân điện môi. Sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt điện môi có quan hệ chặt
chẽ với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh. Vì thế trị số độ ẩm tương đối là yếu tố
quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi. Điện trở suất mặt giảm rõ rệt khi độ ẩm
tương đối cao hơn 60-80%. Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu,
bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn.
Theo điện dẫn mặt có thể phân tích các vật liệu thành một số nhóm:
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
12
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
2.2.6.1. Điện môi không hòa tan trong nước
a/ Các điện môi trung tính và cực yếu không bị thấm nước: bao gồm các vật liệu có các
tạp chất: parafin, polistirol, hổ phách, lưu huỳnh,
b/ Các điện môi cực tính bị thấm ướt: bao gồm một số loại gốm.Tất cả các vật liệu của
nhóm này có đặc điểm là điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường
xung quanh. Nhưng đối với điện môi cực tính chỉ có thể nhận được điện trở suất mặt cao
trong môi trường khi nào bề mặt của nó hoàn toàn không bẩn.
2.2.6.2. Các điện môi hòa tan một phần trong nước: bao gồm phần lớn các thủy tinh kỹ
thuật. Loại vật liệu này có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm.
2.2.6.3. Điện môi rắn có cấu tạo xốp: loại điện môi này bao gồm các vật liệu sợi [hữu cơ
và vô cơ], đá hoa, clorit hoạt thạch và đa số các chất dẻo. Do cấu tạo xốp, trong môi trường
ẩm các vật liệu này có điện dẫn suất mặt lớn.
Ảnh hưởng của độ bẩn bề mặt một số điện môi thuộc nhóm 1 và 2 đến điện trở suất mặt
được nêu trong bảng 2-4.
Bảng 2-4:
Giá trị điện trở suất mặt của một số vật liệu ở độ ẩm tương đối 70%
s khi bề mặt chưa
s sau khi làm sạch
làm sạch [ ]
bề mặt [ ]
Kính cửa sổ
2.108
1.1011
Thạch anh nóng chảy
2.108
1.1013
Micalech
1.109
1.1013
Tên điện môi
Như vậy: điện dẫn suất mặt phụ thuộc vào ẩm độ là do trên bề mặt điện môi có các chất
hút ẩm và phân ly thành ion. Hơi ẩm hấp thụ bởi bề mặt gây nên các chất đó.
2.3. Sự phân cực của điện môi
2.3.1. Khái niệm về sự phân cực
Tính chất quan trọng bậc nhất của điện môi là khả năng phân cực của chúng dưới tác động
của điện trường ngoài. Giả thuyết về sự phân cực được M.Faraday đưa ra từ những năm 30
của thế kỷ 19 theo quan điểm hiện đại thì sự phân cực là sự thay đổi vị trí trong không gian
của những thành phần mang điện và hình thành momen điện.
2.3.2.Các loại phân cực xảy ra trong điện môi
Dựa vào thời gian xác lập phân cực mà người ta chia phân cực ra thành hai dạng chính:
phân cực nhanh và phân cực chậm.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
13
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
2.3.2.1. Phân cực nhanh
Đặc điểm của phân cực nhanh là xảy ra trong một thời gian rất nhanh khi điện môi bị tác
dụng của điện trường bên ngoài [khoảng 10-12-10-15 giây], đàn hồi hoàn toàn và không sinh
ra tổn hao điện môi [không phát sinh ra nhiệt]. Phân cực nhanh có hai loại đó là phân cực
điện tử nhanh và phân cực ion nhanh.
2.3.2.2. Phân cực chậm
Phân cực chậm xảy ra một cách chậm chạp, thời gian phân cực lớn hơn 10-10 giây, có thể
đến hàng phút, hàng giờ và nhiều giờ. Phân cực chậm có sinh ra tổn hao điện môi.
Trong dạng phân cực chậm có 5 loại phân cực chính sau đây: phân cực lưỡng cực, phân
cực điện tử chậm, phân cực ion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát.
2.3.3.Các dạng phân cực của điện môi:
Có 5 dạng phân cực trong điện môi:
- Phân cực điện tử.
- Phân cực ion.
- Phân cực lưỡng cực.
- Phân cực kết cấu.
- Phân cực tự phát.
2.3.4. Hằng số điện môi
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ
thuật điện là hằng số điện môi tương đối . Hằng số điện môi thể hiện đặc tính của điện
trường trong điều kiện không có tác động tương hỗ của vật chất. Đại lượng này là tỷ số giữa
điện tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với
Q0 là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không:
Q Q0 Q '
Q'
1
Q0
Q0
Q0
[2-3]
Từ biểu thức ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ
bằng 1 khi điện môi là chân không. Giá trị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào
hệ đơn vị, trong hệ SI bằng
1
F/m.
36 .10 9
Hằng số điện môi tương đối còn đư ợc gọi là hằng số điện môi để đánh giá chất lượng của
điện môi.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
14
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
GV hướng dẫn: Th.s Dương Quốc Chánh Tín
Sinh viên: Châu Thị Kim Uyên
Lớp: SP Vật Lý- Tin Học K34
Mã số SV: 1080307
Cần Thơ, 2012
LỜI CẢM ƠN
---Sau thời gian thực hiện đề tài này, tôi đã học hỏi được và tích lũy
thêm được rất nhiều kiến thức quý báo về lĩnh vực mà mình nghiên cứu.
Để đạt được thành quả này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của
quý thầy cô, gia đình, bạn bè. Do đó tôi xin dành trang đầu tiên để gửi
lời tri ân đến tất cả mọi người.
Trước tiên, tôi xin cám ơn quý thầy, cô trong tổ Vật Lý đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt kiến thức lẫn phương pháp cho tôi trong suốt bốn
năm học qua. Đây là niềm tin là cơ sở vững chắc để tôi hoàn thành đề
tài này, cũng như là hành trang vô cùng quý báo khi bước vào đời. Đặc
biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Chánh Tín, thầy luôn
gần gũi, thân thiện và tận tình chỉ bảo, động viên giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian thực hiện đề tài luận văn.
Xin được gởi lời cám ơn đến thầy cố vấn học tập và những người bạn
của tôi- sinh viên lớp sư phạm Vật Lý- Tin Học khóa 34, cùng tất cả
mọi người đã quan tâm, cổ vũ, động viên khích lệ tinh thần cho tôi.
Ngoài ra, tôi xin cám ơn các bạn lớp Kỹ thuật điện khóa 34 đã cung
cấp tài liệu giúp tôi hoàn thành tốt đề tài này.
Cuối cùng con xin chân thành cảm ơn cha mẹ đã luôn ủng hộ con,
giúp con yên tâm hoàn thành luận văn của mình.
Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng nhưng vì thời gian hạn chế nên
luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót. Do đó, tôi rất mong quý thầy cô và
các độc giả quan tâm đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn chỉnh
hơn.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, gia đình và bạn
bè đã luôn đồng hành trong suốt những năm vừa qua. Tôi xin gửi lời
chúc sức khỏe và thành công đến tất cả mọi người.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Châu Thị Kim Uyên
MỤC LỤC
--
-Phần I : MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................................ 1
2. Giả thuyết của đề tài....................................................................................................... 1
3. Mục đích của đề tài ........................................................................................................ 1
4. Giới hạn của đề tài ......................................................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................ 2
6. Các bước thực hiện......................................................................................................... 2
Phần II : NỘI DUNG
Chương 1:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Cấu tạo của vật liệu ...................................................................................................... 3
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử ................................................................................................. 3
1.1.2. Cấu tạo phân tử ..................................................................................................... 3
1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn............................................................................ 5
1.1.4. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn .................................................... 6
1.2. Phân loại vật liệu điện .................................................................................................. 7
1.2.1. Vật liệu cách điện ................................................................................................. 7
1.2.2. Vật liệu dẫn điện ................................................................................................... 7
1.2.3. Vật bán dẫn ........................................................................................................... 7
Chương 2:
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện.................................................................... 8
2.1.1. Khái niệm................................................................................................................ 8
2.1.2. Phân loại ................................................................................................................. 8
2.2. Tính dẫn điện của điện môi ......................................................................................... 8
2.2.1. Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi ......................................................... 8
2.2.2. Điện dẫn của điện môi .......................................................................................... 9
2.2.3. Tính dẫn điện của môi khí .................................................................................. 10
2.2.4. Tính dẫn điện của môi lỏng ................................................................................ 10
2.2.5. Tính dẫn điện của môi rắn .................................................................................. 11
2.2.6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn ........................................................................... 12
2.3. Sự phân cực của điện môi........................................................................................... 13
2.3.1. Khái niệm sự phân cực của điện môi.................................................................. 13
2.3.2. Các loại phân cực xảy ra trong điện môi ............................................................ 13
2.3.3. Các dạng phân cực của điện môi ........................................................................ 14
2.3.4. Hằng số điện môi ................................................................................................ 14
2.4.Tổn hao trong điện môi ............................................................................................... 15
2.4.1. Khái niệm tổn hao điện môi................................................................................ 15
2.4.2. Bản chất vật lý của tổn hao điện môi.................................................................. 16
2.4.3. Các dạng tổn hao điện môi ................................................................................. 16
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi ...................................................... 17
2.4.5. Tổn hao điện môi trong điện môi khí ................................................................. 17
2.4.6. Tổn hao điện môi trong điện môi lỏng ............................................................... 17
2.4.7. Tổn hao điện môi trong điện môi rắn ................................................................. 18
2.5. Sự phóng điện trong điện môi .................................................................................... 20
2.5.1. Sự phóng điện trong điện môi khí ...................................................................... 21
2.5.2. Sự phóng điện trong điện môi lỏng .................................................................... 25
2.5.3. Sự phóng điện trong điện môi rắn ...................................................................... 26
2.6. Tính chất cơ sở lý hóa của điện môi........................................................................... 28
2.6.1.Tính hút ẩm của vật liệu cách điện ...................................................................... 28
2.6.2.Tính chất nhiệt của điện môi ............................................................................... 31
2.6.3.Tính chất cơ học của điện môi............................................................................. 33
2.6.4.Tính chất hóa học của điện môi và tác động của bức xạ năng lượng cao ........... 34
2.7. Ứng dụng ................................................................................................................... 35
2.7.1. Vật liệu cách điện thể khí ................................................................................... 35
2.7.2. Vật liệu cách điện thể rắn ................................................................................... 37
2.7.3. Vật liệu cách điện thể lỏng ................................................................................. 65
Chương 3:
VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
3.1. Khái niệm và phân loại ........................................................................................... 68
3.1.1. Khái niệm............................................................................................................ 68
3.1.2. Phân loại ............................................................................................................. 68
3.2. Các tính chất cơ bản của các vật liệu dẫn điện ........................................................ 68
3.2.1. Điện dẫn suất và điện trở suất ............................................................................ 68
3.2.2. Hệ số nhiệt của điện trở suất............................................................................... 69
3.2.3. Nhiệt dẫn suất ..................................................................................................... 69
3.2.4. Sức nhiệt động .................................................................................................... 69
3.2.5. Hệ số nhiệt độ nở dài của vật dẫn kim loại ........................................................ 69
3.2.6. Tính chất cơ học của vật dẫn .............................................................................. 69
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu .............................................. 70
3.4. Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện .................................... 70
3.4.1. Những hư hỏng thường gặp................................................................................ 70
3.4.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện................................................................................ 70
3.5. Các vật liệu dẫn điện và ứng dụng........................................................................... 70
3.5.1. Vật liệu có điện dẫn cao...................................................................................... 70
3.5.2. Các kim loại khác, thuốc hàn và chất làm chảy.................................................. 72
3.5.3. Các hợp kim có điện trở cao và hợp kim làm cặp nhiệt ..................................... 77
3.5.4. Than kỹ thuật điện .............................................................................................. 78
3.5.5. Các vật liệu dẫn điện không kim loại..78
Chương 4:
VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG
4.1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn ......................................................................... 80
4.1.1. Khái niệm............................................................................................................ 80
4.1.2. Phân loại ............................................................................................................. 80
4.2. Điện dẫn của bán dẫn.................................................................................................. 81
4.2.1. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào tạp chất.81
4.2.2. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ .................................................... 81
4.2.3. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường...81
4.2.4. Điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào sự chiếu sáng ........................................... 82
4.3. Tiếp giáp điện tử- lỗ trống .......................................................................................... 82
4.4. Ứng dụng .................................................................................................................... 82
4.4.1. Một số nguyên tố có tính bán dẫn dùng trong kỹ thuật .................................... 82
4.4.2. Các hợp chất hóa học bán dẫn và các vật liệu dẫn suất cùng gốc...................... 83
Phần III : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận.......................................................................................................................... 85
2. Thuận lợi........................................................................................................................ 85
3. Khó khăn........................................................................................................................ 85
4. Kiến nghị ....................................................................................................................... 85
5. Những dự định trong tương lai ...................................................................................... 85
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Phần I: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nền vật lý hiện đại có một ảnh hưởng sâu đậm hầu như trên mọi hình thái của xã hội.
Nó trở thành cơ sở của nền khoa học tự nhiên, và sự liên hệ tương hỗ giữa khoa học tự
nhiên và khoa học kỹ thuật đã biến đổi sâu sắc đến điều kiện sống của chúng ta.
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, điện trở thành một nhu cầu cấp thiết. Tất
cả mọi hoạt động của xã hội đều gắn liền với việc sử dụng điện. Với sự phát triển như vũ
bão của khoa học kĩ thu ật, con người đã áp dụng những thành tựu khoa học để hoàn thiện
và nâng cao chất lượng cuộc sống, từ đó nhiều thiết bị điện mới ra đời. Trong quá trình
sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố như ngắn mạch, rò rỉ điện, quá điện
ápViệc đảm bảo vấn đề tính mạng cho người sử dụng, cũng như bảo vệ các thiết bị
điện, tránh tổn thất kinh tế cũng như nh ững sự cố đáng tiếc có thể xảy ra khi vận hành và
sử dụng thiết bị điện là nhiệm vụ hàng đầu. Cho nên song song với việc chế tạo ra những
thiết bị điện ngày càng hiện đại con người cũng không quên đ ến việc tìm hiểu những tính
năng của vật liệu điện để nâng cao tính ưu việt, bên cạnh đó đảm bảo được an toàn cho
người sử dụng điện một cách tốt nhất.
Chính vì vậy, tôi chọn đề tài Vật liệu điện và ứng dụng để có thể tìm hiểu kĩ hơn
về những đặc điểm, tính chất của vật liệu điện, và những ứng dụng của chúng.
2. Giả thuyết của đề tài:
Với những lý do đã trình bày ở trên, luận văn được xây dựng để trả lời những câu hỏi
sau:
- Vật liệu điện là gì? Có những loại vật liệu điện nào?
- Vật liệu điện có những tính chất gì?
- Chúng có những ứng dụng gì trong đời sống?
3. Mục đích:
-Tìm hiểu về cấu tạo của vật liệu, cách phân loại chúng.
-Tìm hiểu những tính chất của vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
cũng như nh ững ứng dụng của chúng trong đời sống.
4. Giới hạn của đề tài:
Tìm hiểu những tính chất , đặc điểm của vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu
bán dẫn trên cơ sở lý thuyết dưới gốc độ vật lý.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
1
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
5. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu, những thông tin có liên quan trên báo đài,
Internet từ đó rút ra những nhận xét đánh giá, trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
6. Các bước thực hiện:
Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài,xác định được mục tiêu cần đạt được
Bước 2: Lập đề cương cho đề tài.
Bước 3: Nghiên cứu lý thuyết: sưu tầm và tìm tài liệu có liên quan, tham khảo ý kiến từ
thầy cô và bạn bè.
Bước 4: Viết báo cáo và sửa đề tài theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
Bước 5: Báo cáo và bảo vệ luận văn.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
2
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Phần II: NỘI DUNG
Chương 1:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1Cấu tạo của vật liệu.
1.1.1.Cấu tạo nguyên tử
Mọi vật liệu [vật chất] được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là thành phần cơ
bản nhất của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt
nhân mang điện tích dương và các điện tử [electron] mang điện tích âm chuyển động xung
quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định.
Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt proton và notron. Notron là các hạt không
mang điện tích, còn proton có điện tích dương.
Quỹ đạo
Hạt nhân
Hình 1-1. Cấu tạo nguyên tử.
Ở trạng thái bình thư ờng nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên tử có tổng
các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do
nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường
gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm.
Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện
tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa [Wi]. Khi bị ion hóa [ bị mất điện tử] nguyên tử
trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do
gọi là quá trình ion hóa.
1.1.2. Cấu tạo phân tử
Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử, phân tử hoặc ion theo các dạng liên kết sau: liên kết
ion, liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại và liên kết Vandec-Vanx, liên kết hydro.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
3
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
1.1.2.1. Liên kết ion:
Hình 1-2. Liên kết ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên
kết ion khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ
nóng chảy cao. Đặc điểm của liên kết này là hấp thụ mạnh tia hồng ngoại. Ngoài ra ở nhiệt
độ thấp chúng là điện môi rất tốt, ngược lại ở nhiệt độ cao chúng có tính dẫn điện mạnh.
1.1.2.2. Liên kết đồng hóa trị:
Đặc trưng của liên kết đồng hóa trị là bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử
trong phân tử, khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở nên bão hòa, tạo nên
liên kết phân tử bền vững nên vật chất được cấu tạo bởi liên kết đồng hóa trị có độ cứng rất
cao, ở nhiệt độ thấp nó là điện môi.
Ví dụ liên kết của phân tử kim cương, silic, germani Các loại phân tử trên hình thành
cấu trúc điện tử rất bền vững, ở lớp vỏ ngoài cùng chứa 8 điện tử chung nhau.
H2
Hydro
F2
flo
CO2
2 oxy
4 flo
Cacbon
Cacbon
CF4
Dùng chung điện tử
Hình 1-3. Liên kết đồng hóa trị
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
4
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
1.1.2.3. Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu
tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa ion dương và các
điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên
kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.
Hình 1-4.Sơ đồ cấu tạo kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt
cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp
ion cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng.
1.1.2.4. Liên kết Vandec-Vanx
Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do
vậy những liên kết phân tử là liên kết Vandec-Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ học
thấp như parafin.
1.1.2.5. Liên kết hydro:
Các ion dương của hydro là proton không có điện tử trên lớp vỏ, vì vậy kích thước của nó
rất nhỏ, gần như bằng không. Liên kết hydro không mạnh, nó ở giới hạn [20-50 J/mol] và
phân tử là điện môi.
1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
Trong tự nhiên không tồn tại tinh thể có cấu trúc cân đối lý tưởng. Ở điều kiện thực tế
thường xuyên xảy ra lỗi này hay lỗi khác. Những lỗi này được gọi là khuyết tật. Những
khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu.
Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh
điện mạng tinh thể như : phá vỡ thành phần hợp phức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực
cơ học; khe rãnh, lỗ xốptừ đó sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các
tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn có thể làm cho tính chất của
vật liệu kém đi [ví dụ như: vật liệu điện có lẫn kim loại] nhưng đồng thời trong kỹ thuật
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
5
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
người ta cũng đã sử dụng những vật liệu này để chế tạo các vật liệu có tính năng đặc biệt tốt
như vi mạch IC,
Hình 1-5. Hình biểu diễn hai chiều của mạng đơn tinh thể.
[a]
Sai hỏng chỗ khuyết
[b]Sai hỏng ngoài nút.
1.1.4.Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu điện thành
các nhóm vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu cách điện [điện môi].
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên
tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc
trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử
khác nhau có những trạng thái năng lượng [mức năng lượng] khác nhau hay nói cách khác
nguyên tử có mức năng lượng xác định.
Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thư ờng của
nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng đầy [ở 00K các
điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này].
Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng
tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn.
Giữa vùng đầy và vùng tự do có vùng trống gọi là vùng cấm.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
6
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
V ï n g tù d o
[ V ï n g ® iÖ n d É n ]
W
W
VËt dÉn
W < 0 ,2 e V
W
§ iÖ n m « i
B¸n dÉn
W = 0 ,2
--> 1 ,5 e V
V ïng cÊm
[V ï n g trè n g ]
Vïng ®Çy
[ V ï n g h ã a tr Þ]
W = 1 ,5
=> Vµi eV
Hình 1-6. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn.
1.2.Phân loại vật liệu điện
Có hai cách phân loại vật liệu điện là phân loại theo khả năng dẫn điện và phân loại theo
từ tính. Ở đây chỉ xét trường hợp phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện.
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện [ điện môi], bán
dẫn và dẫn điện.
1.2.1. Vật liệu cách điện: là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường các
điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di
chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn nên sự dẫn điện bằng điện tử không
xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài eV.
1.2.2. Vật liệu dẫn điện: là chất có vùng tự do [vùng rỗng] nằm ở sát với vùng đầy thậm chí
có thể chồng lên vùng đầy. Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ thường
các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng
của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có
tính dẫn điện tốt.
1.2.3. Vật bán dẫn: là chất có chiều rộng vùng cấm bé [ W 0,2 1,5eV ], do đó ở nhiệt độ
bình thư ờng một số điện tử hóa trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có
thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
7
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Chương 2:
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG
2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
2.1.1. Khái niệm
Vật liệu cách điện là vật liệu có điện dẫn kém, điện trở suất rất lớn [khoảng 106 - 1015
Ωm]. Các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, nhằm
mục đích ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với người hoặc với các dòng điện khác.
2.1.2. Phân loại
2.1.2.1. Theo trạng thái vật lý
-Vật liệu cách điện thể rắn
-Vật liệu cách điện thể khí
-Vật liệu cách điện thể lỏng.
2.1.2.2. Theo thành phần hóa học
-Vật liệu cách điện hữu cơ gồm hai nhóm: vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên và vật liệu
nhân tạo.
-Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn
như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiang,..
2.2 Tính dẫn điện của điện môi
2.2.1.Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi
Theo lý thuyết thì vật liệu cách điện dưới điện áp một chiều thì sẽ không cho dòng đi ện
chạy qua. Tuy nhiên trên thực tế, vật liệu cách điện nếu đặt dưới điện áp một chiều sẽ có
một dòng điện rất nhỏ chạy qua [dòng điện rò]. Như vậy, điện trở suất của vật liệu cách điện
mặc dù rất lớn nhưng có giới hạn. Điện trở suất của vật liệu cách điện càng lớn thì chất
lượng của nó càng cao.
Khi điện môi đặt trong điện trường E, điện áp U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta
thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu diễn như hình sau:
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
8
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
I
U xoay chiÒu
Ifc
Ifc
U 1 chiÒu
Iro
t
Hình 2-1.Quan hệ giữa dòng điện với thời gian
Dòng điện trong điện môi gồm hai thành phần là dòng điện rò [Iro] và dòng đi ện phân cực
[Ifc].
I=Iro+ Ifc
[2-1]
Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ khi
đóng hay ngắt điện. Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời
gian đặt điện áp.
Dòng điện rò là dòng điện một chiều chạy qua đoạn cách điện trong khoảng thời gian ổn
định.
2.2.2. Điện dẫn của điện môi
Như đã biết dòng đi ện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích tự do dưới tác động
của điện trường. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp đặt, ngoài ra
dưới tác động của lực điện trường tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự các
điện tích có trong vật chất. Như vậy, điều kiện cần thiết để có dòng điện dẫn ở bất kỳ vật
chất nào chính là sự tồn tại trong vật chất các điện tích tự do.
Tùy theo bản chất của các hạt mang điện có trong vật chất mà có những hiện tượng dẫn
điện khác nhau. Những dạng điện dẫn chủ yếu là:
- Điện dẫn điện tử: hạt mang điện là những điện tích âm. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn
điện của kim loại và bán dẫn điện tử.
- Điện dẫn ion hay phân ly: hạt mang điện là các ion [dương hoặc âm] của phân tử hay
nguyên tử. Sự dịch chuyển của các điện tích dẫn đến hiện tượng điện phân.
- Điện dẫn điện di: vật mang điện là một nhóm điện tích của phân tử hay molion.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
9
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất lỏng, khí, rắn và
phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ môi trường. Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng đi ện
trong điện môi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do tạp chất trong điện môi
thay đổi.
2.2.3. Điện dẫn của điện môi khí
Tất cả các chất khí đều là điện môi. Điện dẫn suất của chất khí ở điện trường thấp có giá
trị rất nhỏ. Tính dẫn điện của chất khí là do có một số lượng hạt nhỏ mang điện do quá trình
ion hóa gây nên. Trong điều kiện bình thường số lượng hạt mang điện trong một m3 không
khí không vượt quá 1013. Điện dẫn của điện môi khí có hai dạng: điện dẫn tự duy trì và đi ện
dẫn không tự duy trì.
2.2.4. Điện dẫn của điện môi lỏng
2.2.4.1. Điện dẫn ion của các điện môi lỏng
Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion
hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chất lỏng và tạp chất.
Điện dẫn điện môi lỏng gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của các tạp chất.
Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có đi ện dẫn suất cao hơn điện môi lỏng trung tính.
Khi hằng số điện môi tăng lên thì đi ện dẫn suất cũng tăng lên. Những điện môi lỏng cực tính
mạnh có điện dẫn cao tới mức có thể xem chúng không phải là cách điện mà là vật dẫn có
điện dẫn ion.
Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ. Khi nhiệt độ
tăng làm tăng điện dẫn điện môi lỏng. Nước là một dạng tạp chất phổ biến nhất trong các
điện môi lỏng. Nước tồn tại trong điện môi lỏng ở ba dạng sau: nước hòa tan, nước huyền
phù [nhũ tương ] và nước lắng đọng [nước dư]. Nước ở trong điện môi lỏng có thể chuyển từ
dạng này sang dạng khác là tùy thuộc vào nhiệt độ.
2.2.4.2. Điện dẫn điện di
Điện dẫn điện di còn có tên gọi là điện dẫn molion được tạo nên bởi sự chuyển động có
hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Trong các chất điện môi lỏng thường chứa các tạp chất do tồn tại các hạt dạng keo có tích
điện, các sợi, bụi bẩn, lơ lửng ở bên trong, do có quá trình chuyển động nhiệt, các tạp chất
này, ma sát với phân tử điện môi lỏng và chúng bị nhiễm điện. Tùy thuộc vào quan hệ giữa
hằng số điện môi của chất lỏng và hằng số điện môi của các tạp chất keo mà chúng có thể
tích điện âm hoặc dương. Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích dương và âm
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
10
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
của tạp chất sẽ chuyển động: khối điện tích dương đi về cực âm, khối điện tích âm đi về cực
dương, chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di.
Bảng 2-1:
Tên chất lỏng
Giá trị điện trở suất và hằng số điện môi ở 200C
Đặc điểm cấu tạo
Điện trở suất v
Hằng số
[ .cm ] đo ở t=200C
điện môi
Benzen
Loại trung tính
1013 1014
2,2
Dầu biến áp
Loại trung tính
1012 1015
2,2
Xăng
Loại trung tính
1012 1015
2,0
Sovol
Loại có cực tính yếu
1010 1012
4,5
Thầu dầu
Loại có cực tính yếu
1010 1012
4,6
Azeton
Loại có cực tính mạnh
106 107
22
Rượu etilic
Loại có cực tính mạnh
106 107
33
Nước cất
Loại có cực tính mạnh
105 106
82
Qua số liệu bảng 2-1 ta thấy: điện dẫn của điện môi lỏng phụ thuộc vào tính chất cực tính
của điện môi, điện dẫn sẽ tăng lên khi hằng số điện môi tăng.
2.2.5. Điện dẫn của điện môi rắn
Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc
và mức độ lẫn các tạp chất, bụi bẩn,.. do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. Trong
các điện môi rắn có thể hình dung là các phân tử bị buộc chặt vào các điểm nút và chúng chỉ
có thể dao động quanh vị trí cân bằng này. Quá trình dịch chuyển các phân tử từ vị trí này
sang vị trí khác là rất khó khăn. Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng còn có thể do sự
chuyển động của các điện tử tự do. Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường
xác định điện dẫn suất khối[ v ] hay điện trở suất khối[ v ]:
v
1
v
[2-2]
Trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn, lớp
nước ẩm gây nên sẽ tạo nên dòng điện dẫn mặt [ s ] mà nghịch đảo là điện trở suất mặt [ s ].
Điện trở suất mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình vuông với cạnh bất kỳ
khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện. Đơn vị đo của s là [ Ohm].
Điện dẫn của các điện môi rắn khác nhau không những được xác định bởi loại điện môi mà
còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng. Điện dẫn suất của các điện
môi rắn và quan hệ của nó với nhiệt độ được xác định bởi cấu tạo và thành phần vật liệu.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
11
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
Trong các vật liệu có cấu tạo tinh thể ion, điện dẫn còn phụ thuộc vào hóa trị của các ion đó.
Tinh thể ion hóa trị một có điện dẫn lớn hơn các tinh thể ion nhiều hóa trị.
Ví dụ: tinh thể NaCl có điện dẫn cao hơn các tinh thể MgO hay Al2O3 nhiều lần. Các chất
hữu cơ trùng hợp cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc nhiều vào: thành phần hóa học, các
tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hóa,
Giá trị của một số loại thủy tinh
Bảng 2-2:
Điện trở suất khối v đo ở t=200C[ .cm ]
Tên gọi thủy tinh
Pirech natri[thủy tinh chịu nhiệt]
2.108
Pirech kali
8.1011
Thủy tinh chì
2.1012
Điện dẫn suất của các điện môi xốp khi bị hút ẩm, thậm chí với một lượng không đáng kể
cũng tăng lên r ất mạnh. Sấy khô vật liệu sẽ làm tăng điện trở suất của chúng, nhưng khi đặt
ở trong môi trường ẩm điện trở suất lại bị giảm vì chúng bị hút ẩm vào bên trong.
Bảng 2-3:
Giá trị V của một số điện môi rắn xốp ở trong các độ ẩm
không khí khác nhau
Tên điện trở suất khối [ .cm ]
Tên vật liệu
Ở độ ẩm tương đối
Ở độ ẩm tương đối
Ở độ ẩm tương đối
0% và t=200C
70% và t=200C
0% và t=1000C
Đá hoa
1014-1016
108-1010
1012-1014
Gỗ
1013-1014
108-109
1012-1013
Phíp
1013-1014
108-109
1010-1011
2.2.6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn
Điện dẫn mặt thường gây nên do bề mặt của vật liệu bị ẩm. Điện trở của lớp ẩm hấp thụ
phụ thuộc nhiều vào bản chất của vật liệu nên điện dẫn mặt thường được xem như một
thuộc tính của bản thân điện môi. Sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt điện môi có quan hệ chặt
chẽ với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh. Vì thế trị số độ ẩm tương đối là yếu tố
quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi. Điện trở suất mặt giảm rõ rệt khi độ ẩm
tương đối cao hơn 60-80%. Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu,
bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn.
Theo điện dẫn mặt có thể phân tích các vật liệu thành một số nhóm:
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
12
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
2.2.6.1. Điện môi không hòa tan trong nước
a/ Các điện môi trung tính và cực yếu không bị thấm nước: bao gồm các vật liệu có các
tạp chất: parafin, polistirol, hổ phách, lưu huỳnh,
b/ Các điện môi cực tính bị thấm ướt: bao gồm một số loại gốm.Tất cả các vật liệu của
nhóm này có đặc điểm là điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường
xung quanh. Nhưng đối với điện môi cực tính chỉ có thể nhận được điện trở suất mặt cao
trong môi trường khi nào bề mặt của nó hoàn toàn không bẩn.
2.2.6.2. Các điện môi hòa tan một phần trong nước: bao gồm phần lớn các thủy tinh kỹ
thuật. Loại vật liệu này có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm.
2.2.6.3. Điện môi rắn có cấu tạo xốp: loại điện môi này bao gồm các vật liệu sợi [hữu cơ
và vô cơ], đá hoa, clorit hoạt thạch và đa số các chất dẻo. Do cấu tạo xốp, trong môi trường
ẩm các vật liệu này có điện dẫn suất mặt lớn.
Ảnh hưởng của độ bẩn bề mặt một số điện môi thuộc nhóm 1 và 2 đến điện trở suất mặt
được nêu trong bảng 2-4.
Bảng 2-4:
Giá trị điện trở suất mặt của một số vật liệu ở độ ẩm tương đối 70%
s khi bề mặt chưa
s sau khi làm sạch
làm sạch [ ]
bề mặt [ ]
Kính cửa sổ
2.108
1.1011
Thạch anh nóng chảy
2.108
1.1013
Micalech
1.109
1.1013
Tên điện môi
Như vậy: điện dẫn suất mặt phụ thuộc vào ẩm độ là do trên bề mặt điện môi có các chất
hút ẩm và phân ly thành ion. Hơi ẩm hấp thụ bởi bề mặt gây nên các chất đó.
2.3. Sự phân cực của điện môi
2.3.1. Khái niệm về sự phân cực
Tính chất quan trọng bậc nhất của điện môi là khả năng phân cực của chúng dưới tác động
của điện trường ngoài. Giả thuyết về sự phân cực được M.Faraday đưa ra từ những năm 30
của thế kỷ 19 theo quan điểm hiện đại thì sự phân cực là sự thay đổi vị trí trong không gian
của những thành phần mang điện và hình thành momen điện.
2.3.2.Các loại phân cực xảy ra trong điện môi
Dựa vào thời gian xác lập phân cực mà người ta chia phân cực ra thành hai dạng chính:
phân cực nhanh và phân cực chậm.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
13
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Luận văn tốt nghiệp
Vật liệu điện và ứng dụng
2.3.2.1. Phân cực nhanh
Đặc điểm của phân cực nhanh là xảy ra trong một thời gian rất nhanh khi điện môi bị tác
dụng của điện trường bên ngoài [khoảng 10-12-10-15 giây], đàn hồi hoàn toàn và không sinh
ra tổn hao điện môi [không phát sinh ra nhiệt]. Phân cực nhanh có hai loại đó là phân cực
điện tử nhanh và phân cực ion nhanh.
2.3.2.2. Phân cực chậm
Phân cực chậm xảy ra một cách chậm chạp, thời gian phân cực lớn hơn 10-10 giây, có thể
đến hàng phút, hàng giờ và nhiều giờ. Phân cực chậm có sinh ra tổn hao điện môi.
Trong dạng phân cực chậm có 5 loại phân cực chính sau đây: phân cực lưỡng cực, phân
cực điện tử chậm, phân cực ion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát.
2.3.3.Các dạng phân cực của điện môi:
Có 5 dạng phân cực trong điện môi:
- Phân cực điện tử.
- Phân cực ion.
- Phân cực lưỡng cực.
- Phân cực kết cấu.
- Phân cực tự phát.
2.3.4. Hằng số điện môi
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ
thuật điện là hằng số điện môi tương đối . Hằng số điện môi thể hiện đặc tính của điện
trường trong điều kiện không có tác động tương hỗ của vật chất. Đại lượng này là tỷ số giữa
điện tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với
Q0 là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không:
Q Q0 Q '
Q'
1
Q0
Q0
Q0
[2-3]
Từ biểu thức ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ
bằng 1 khi điện môi là chân không. Giá trị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào
hệ đơn vị, trong hệ SI bằng
1
F/m.
36 .10 9
Hằng số điện môi tương đối còn đư ợc gọi là hằng số điện môi để đánh giá chất lượng của
điện môi.
GVHD: Th.S Dương Quốc Chánh Tín
14
SV thực hiện: Châu Thị Kim Uyên
Tải về bản full