Vật liệu điện

1
VẬT LIỆU ĐIỆN

Biên soạn: Ths. HUỲNH ĐỨC HOÀN
Bộ môn: Điện kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
VẬT LIỆU ĐIỆN
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)

CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)

CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI

CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI

CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

CHƯƠNG 6: ĐẶC TÍNH CƠ - LÝ - HOÁ CỦA ĐIỆN MÔI

CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI
2
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
1.1 Cấu tạo nguyên tử
- Mọi vật liệu (vật chất) đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất
- Theo mô hình nguyên tử của Bor: nguyên tử đều được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích (+) và các điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân theo 1 quĩ đạo nhất định.
Hạt nhân nguyên tử gồm:
+ Nơtron - không mang điện tích
+ Prôton - mang điện tích (+) với số lượng là: Q = Z.q
- Trạng thái tồn tại của nguyên tử:
+ Trạng thái bình thường: n/tử trung hoà về điện: điện tích (+) của hạt nhân bằng điện tích (-) của các điện tử.
+ Khi mất điện tử: nguyên tử trở thành ion (+)
+ Khi nhận điện tử: nguyên tử trở thành ion (-)
- Lớp điện tử ngoài cùng được gọi là lớp điện tử hoá trị.
3
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
Năng lượng của điện tử:
- Lực hút của hạt nhân lên điện tử là:

- Lực ly tâm trong quá trình chuyển động là:

Ở điều kiện bình thường:

Năng lượng điện tử: W = T + U

Động năng T:

Thế năng U:


(1-1)

Nhận xét:
4
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
1.2 Cấu tạo phân tử (Các dạng liên kết)
Phân tử được cấu tạo bởi mối liên kết giữa các nguyên tử với nhau. Trong vật chất tồn tại 4 dạng liên kết sau:
1.2.1 Liên kết đồng hoá trị
Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử.
Ví dụ: Phân tử Clo (Cl2) gồm 2 nguyên tử Clo, mỗi nguyên tử Clo có 17 điện tử, trong đó có 7 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ xung thêm 1 điện tử của nguyên tử kia.


Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực):
- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính (không cực tính). Các chất tạo nên từ các phân tử trung tính được gọi là chất trung tính. (chẳng hạn như: Cl2, H2…)
- Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng a nào đó là phân tử cực tính (lưỡng cực). Các chất tạo nên từ các phân tử cực tính được gọi là chất cực tính. (chẳng hạn như: HCl…)


5
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
1.2.2 Liên kết ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion (+) và các ion (-) trong phân tử. Lực liên kết này là rất lớn nên là liên kết khá bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. (ví dụ: Na+Cl- …)


1.2.3 Liên kết kim loại
- Là liên kết tạo nên trong các kim loại. Kim loại được coi như là 1 hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do.
- Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Vì vậy đây là liên kết bền vững, có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao
1.2.4 Liên kết Vandec - Vanx
Là liên kết gần giống kim loại nhưng là liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể không vững chắc, có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ học thấp (ví dụ: parafin (sáp)).

1.3 Những khuyết tật trong cấu tạo vật chất
Những khuyết tật được tạo ra do những phân tử lạ lẫn vào trong kết cấu của vật chất. Khi có phân tử lạ thì có sự sắp xếp lại mối tương quan của các phân tử.
Những khuyết tất có thể đem lại các tính năng tốt như: chất bán dẫn, vi mạch…; cũng có thể đem lại các tính năng xấu như: trong vật liệu cách điện có lẫn các phần tử kim loại…
6
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
1.4 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật chất
Mỗi một điện tử trong nguyên tử đều có một mức năng lượng nhất định, ở trong vật chất các điện tử giống nhau tập hợp lại thành 1 dải (vùng) được gọi là vùng năng lượng. Với vật chất được chia thành 3 vùng như sau:
- Vùng hoá trị (vùng đầy): Ở đây các điện tử hoá trị có mức năng lượng thấp.
- Vùng tự do (vùng điện dẫn): các điện tử vùng này có mức năng lượng cao hơn.
- Vùng cấm (vùng trống): nằm giữa vùng hoá trị và vùng tự do.


7
Để 1 điện tử trong vùng hoá trị trở thành điện tử tự do thì phải tích luỹ cho nó 1 năng lượng W>ΔW (năng lượng vùng cấm). Tuỳ theo chiều rộng dải cấm mà người ta chia vật chất ra 3 dạng sau:
- Vật dẫn
- Bán dẫn
- Điện môi
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU (VẬT CHẤT)
1.5 Phân loại vật liệu theo từ tính
Dựa vào độ từ thẩm µ của vật liệu người ta chia:
- Vật liệu nghịch từ: µ < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Bao gồm: hydrô, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và kim loại như: đồng, kẽm, vàng, bạc, thuỷ ngân, gali, antimoan.
- Vật liệu thuận từ: µ > 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Bao gồm: oxy, nitơ oxit, các muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.
- Vật liệu dẫn từ: µ >> 1, phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Bao gồm: sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm, mangan, gađolonít, pherit.

Câu hỏi
8
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.1 Những hiện tượng xảy ra trong điện môi khi được đặt trong điện trường
1. Tạo ra dòng điện rò
2. Tạo ra dòng điện phân cực
Như vậy khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp U, ta thấy trị số dòng điện đi trong điện môi, gồm 2 thành phần:
I = Irò + Iphân cực
Iphân cực : ở điện áp 1 chiều thì tồn tại trong thời gian quá độ khi đóng hay ngắt mạch, ở điện áp xoay chiều thì tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp.
Irò : tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp.
9
1-Dòng điện đo ở điện áp xoay chiều
2-Dòng điện đo ở điện áp một chiều
3. Sinh ra tổn hao điện môi
4. Nếu cường độ điện trường lớn hơn giới hạn cho phép của điện môi sẽ gây nên hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi
5. Làm già hoá và giảm tính cách điện của điện môi
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.2 Điện dẫn của điện môi
Mật độ dòng điện chạy trong điện môi được tính bằng tổng các điện tích chuyển động qua 1 đơn vị diện tích S vuông góc với phương điện trường trong 1 đơn vị thời gian.
Gọi: n - mật độ điện tích tự do chứa trong điện môi
q - điện tích của mỗi phân tử

10
Dưới tác dụng của điện trường E, tất cả các điện tích tự do sẽ đi về các cực (đ.tích (+) đi về cực âm, đ.tích (-) đi về cực dương) tạo nên dòng điện trong điện môi.
Lúc này tổng các điện tích trong thể tích V = tổng các điện tích chuyển động qua tiết diện S, cũng chính là dòng điện đi qua diện môi. Tức là:
Q = n.q.V = n.q.S.v = I
Mà: I = j.S
 j = n.q.v (2)
Với: j - mật độ dòng điện
v - tốc độ trung bình của các điện tích
Nếu gọi K là độ linh hoạt của các điện tích: K = v/E  v = K.E
(Độ linh hoạt các phần tử mang điện tích là đại lượng đặc trưng cho khả năng chuyển động của chúng dưới tác dụng của điện trường bên ngoài)
Từ (2) :  j = n+q+v+ + n-q-v- = E.(n+q+K+ + n-q-K-)
Theo định luật Ohm: j = γ.E
 điện dẫn: γ = (n+q+K+ + n-q-K-)
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
Nhận xét:
Có nhiều điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn điện. Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn, người ta chia điện dẫn thành 3 loại như sau:
1. Điện dẫn điện tử: Thành phần của dòng điện dẫn là các điện tử tự do trong điện môi.
2. Điện dẫn ion: Thành phần của dòng điện dẫn là các ion dương, âm.
3. Điện dẫn điện di (điện dẫn môliôn): Đây là sự dịch chuyển có hướng của 1 khối mang điện tích.

11
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.3 Điện dẫn của điện môi khí
Đặc điểm: Trong tất cả các chất khí đều có mật độ phân tử rất bé, khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn rất nhiều so với bán kính nguyên tử, do vậy lực tương tác của các phân tử rất bé.
Khi chưa có điện trường: có 2 quá trình xảy ra
- Quá trình ion hoá: là quá trình phân ly phân tử trung hoà thành điện tử và ion dương, tức là quá trình tách điện tử ra khỏi phân tử trung hoà. Trong quá trình ion hoá này sinh ra N0 điện tích trong 1 đơn vị thể tích điện môi.
- Quá trình kết hợp: là quá trình kết hợp các phân tử trái dấu tạo nên các phân tử trung hoà. Quá trình này mất đi αn2 điện tích.
Trạng thái cân bằng được thiết lập bởi số điện tích sinh ra trong quá trình ion hoá = số điện tích mất đi trong quá trình tái hợp: N0 = αn2
Khi đặt điện môi khí trong điện trường: có 3 quá trình xảy ra:
- Quá trình ion hoá: làm sinh ra Ni điện tích trong toàn bộ thể tích điện môi:
Ni = N0.V = N0.S.h
- Quá trình tái hợp: làm mất đi Nt điện tích trong toàn bộ thể tích điện môi Nt = αn2.V = αn2.S.h
- Quá trình đẫn điện: làm mất đi Nj điện tích trong toàn bộ thể tích điện môi Nj = I/q = J.S/q
Vậy trạng thái cân bằng được thiết lập bởi số điện tích sinh ra trong quá trình ion hoá bằng số điện tích mất đi do quá trình tái hợp và dẫn điện: Ni = Nt + Nj
 N0.S.h = αn2.S.h + J.S/q  N0.h = αn2.h + J/q
12
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
Đặc tính V-A của điện môi khí:

13
: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện đối với chất khí
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.4 Điện dẫn của điện môi lỏng
2.4.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng
- Không giống như điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiên không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất.
Trong điện môi lỏng bao giờ cũng lẫn 1 lượng tạp chất nhất định, thông thường các phân tử tạp chất dễ bị phân ly hơn các phân tử của chính điện môi đó (Nhất là tạp chất hữu cơ thì các tạp chất đó sẽ bị phân ly mạnh hơn  mật độ điện tích tăng)
Do vậy, điện dẫn điện môi lỏng bao gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của tạp chất.
- Nước là 1 dạng tạp chất phổ biến nhất trong các điện môi lỏng. Nó có 3 dạng sau:
+ Nước tan: nước hoà tan trong điện môi lỏng
+ Nước huyền phù (nước nhũ tương): tạo thành những hạt lơ lửng trong điện môi lỏng.
+ Nước dư (lắng đọng): Có thể lắng xuống đáy hoặc nổi lên trên điện môi. (Khi điện môi có tỷ trọng <1000kg>1000kg/m3 nước dư sẽ nổi lên).
14
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
Quan hệ U(I) của điện môi lỏng được xác định như sau:
- Đối với điện môi lỏng tinh khiết, dòng điện bão hoà không rõ rệt, nhưng cũng nói lên được sự ion hoá hay sự phát triển điện tích là lớn.
- Khi có tạp chất thì I tăng theo qui luật hàm mũ  dẫn tới phóng điện.
- Vậy nếu giảm được tạp chất thì sẽ làm giảm được dòng điện dẫn đi trong điện môi lỏng.
15
Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì chuyển động nhiệt các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng , điện môi lỏng có sự dãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn điện môi lỏng.
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện dẫn:
γ0 - điện dẫn của điện môi lỏng đo ở điều kiện thường (200C, 65%, 760mmHg)
α - hệ số mũ đối với chất lỏng đã cho
t - nhiệt độ đo bằng 0C
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.4.2 Điện dẫn điện di
- Tạo nên do sự chuyển động có hướng của các nhóm mang điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài (còn gọi điện dẫn môliôn).
Trong điện môi lỏng thường chứa tạp chất có dạng keo, sợi… lơ lửng bên trong. Do có quá trình chuyển động nhiệt, các tạp chất này ma sát với các phần tử điện môi lỏng và chung bị nhiễm điện: (phụ thuộc vào hằng số điện môi ε)
- Nếu εtạp chất > εđiện môi  chúng bị tích điện (+)
- Nếu εtạp chất < εđiện môi  chúng bị tích điện (-)
Khi có điện trường các tạp chất nhiễm điện tích sẽ chuyển động: khối điện tích (+) đi về cực âm, khối điện tích (-) đi về cực dương  tạo nên dòng điện di.
Bảng giá trị điện trở suất ρ và hằng số điện môi ε của một số chất
16
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI (ĐIỆN DẪN TRONG ĐIỆN MÔI)
2.5 Điện dẫn của điện môi rắn
Điện môi rắn có rất nhiều loại, đa dạng về cấu trúc, nguồn gốc, thành phần hoá học, lượng tạp chất…do vậy điện dẫn trong điện môi rắn rất phức tạp. Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi cũng như các ion của tạp chất dưới tác dụng của điện trường. Hoặc có thể là do sự chuyển động của các điện tử tự do.
Do có nhiều dạng nên điện dẫn điện môi rắn phụ thuộc vào bán kính phân tử, cấu trúc thành phần và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.
- Đối với điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion, các ion có thể chuyển động từ nút này sang nút khác và được hình dung như là sự đổi chỗ của các ion (+) và các ion (-)  tạo ra năng lượng rất lớn W =15eV - điều kiện này cũng xảy ra khi to quá cao  Lúc này điện môi rắn trở thành điện môi lỏng và có điện dẫn khá cao.
- Đối với điện môi loại pôlime có cấu trúc khác nhau thì điện dẫn cũng khác nhau. Loại này phụ thuộc vào nhiệt độ (khi to tăng thì điện dẫn tăng). Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào lượng tạp chất và khuyết tật trong pôlime.
- Đối với những chất không đẳng hướng (tức là tính chất của vật liệu theo các hướng x,y,z khác nhau thì khác nhau) để tính chung cho điện dẫn ta phải dùng Tenxơ.
17
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
3.1 Khái niệm về sự phân cực và hằng số điện môi
18
Phân cực là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích ràng buộc hay sự định hướng của các phần tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường.
Khi xảy ra phân cực, trên bề nặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu với dấu của điện cực bên ngoài. Như vậy điện môi sẽ tạo thành 1 tụ điện với diện dung là C, điện tích của tụ điện là Q. Ta có: Q = C.U
Trong đó: Q = Qo + Qpc
Qo - Điện tích có ở điện cực nếu ở giữa các cực là chân không
Qpc - Điện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi

Ta gọi: Hằng số điện môi là tỷ số giữa

điện tích Q của điện môi với điện tích Q0 khi giữa các cực là chân không)
Từ các CT trên ta có:
Q = C.U và: Q = ε.Qo = ε.Co.U 
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
Thực tế điện môi không bao giờ có bề mặt song song với điện cực, nó rất đa dạng thông thường điện môi bị nghiêng xéo một góc nào đó



19
M = P.V = P.S.h = P.S.l.cosθ (1)
Mà: M = Q.l = σ.S.l (2)
(σ - mật độ điện tích trên bề mặt)
(1)&(2)  σ = P.cosθ = Pn
Mật độ điện tích trên bề mặt điện môi do phân cực có trị số bằng thành phần pháp tuyến của vectơ cường độ phân cực.
Mối quan hệ giữa hằng số điện môi với cường độ phân cực (ε=f(P))
Theo phương trình Mắc-Xoen:
Mômen điện trung bình của 1 phân tử là:
Sự phân cực còn được đăc trưng bởi véctơ cường độ phân cực , nó được tính bằng mômen lưỡng cực trên 1 đơn vị thể tích của diện môi
hay
Vì véc tơ cường độ phân cực là tổng các mômen điện của tất cả các phân tử có trong 1 đơn vị thể tích cho nên
(3-2)
(3-1)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
3.2 Các dạng và các loại phân cực xảy ra trong điện môi
Dựa vào thời gian phân cực:
1 - Phân cực nhanh
2 - Phân cực chậm
Dựa vào các thành phần phân cực:
1 - Phân cực điện tử nhanh
Hệ số phân cực: αe = 4πε0R3
2. Phân cực ion nhanh:
Hệ số phân cực: αe = 4πε0 (a/2)3
3. Phân cực lưỡng cực
Hệ số phân cực:

4. Phân cực điện tử chậm
5. Phân cực ion chậm
6. Phân cực kết cấu
7. Phân cực tự phát

20
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
3.3 Điện trường cục bộ trong điện môi - Phương trình Claudiut - Maxotchi
Lauren đã tính cường độ điện trường cục bộ trong điện môi bằng cách: hình dung cắt điện môi bằng 1 mặt cầu tâm O bán kính R 100.r (r - bán kính phân cực của điện môi đó).

21
Điện trường tại tâm O:
Trong đó: - Điện trường ngoài đặt vào
- điện trường được tạo nên bởi các điện tích bên ngoài mặt cầu gây ra (lúc đó coi là mặt cầu rỗng)
- điện trường được tạo nên bởi các điện tích bên trong mặt cầu gây ra (lúc đó coi là mặt cầu đặc)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
Ta tính
Trong khoảng từ θ - dθ , ta có: dS = 2πRsinθ.Rdθ = 2πR2.sinθ.dθ
Mật độ điện tích mặt: σ = Pn = P.cosθ
Trên diện tích dS có điện tích là: dQ = σ.dS
Điện tích dQ này sẽ tạo nên điện trường dE2 :
Mà: dE2x = cosθ.dE2
dE2y = sinθ.dE2
dE2 = dE2x + dE2y
Để tính E2 ta lấy tích phân dE2 theo toàn bộ mặt cầu, tức là dθ =0 - π
Mà ở trên ta đã có :
22
(3-3)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
23
Ta tính
Đối với các loại điện môi sau thì E3 = 0
- Điện môi trung tính
Điện môi có cấu trúc đối xứng
Điện môi Vandecvan (liên kết yếu)
- Điện môi cực tính yếu
Ta được:
Từ (3-2)&(*)
phương trình Claudiut – Maxotchi đối với 4 loại điện môi trên
Đối với điện môi cực tính mạnh: nó phụ thuộc vào mômen lưỡng cực của từng thành phần phân cực m0 và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Lúc này phương trình Claudiut - Maxotchi được viết:

(3-4)’
(3-4)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
24
3.4 Hằng số điện môi của chất khí
3.4.1 Hằng số điện môi của điện môi khí trung tính
Đối với các điện môi khí trung tính chỉ có phân cực điện tử nhanh đóng vai trò chính, do đó hệ số phân cực α = αenh và hằng số điện môi khí trung tính đang xét ε = ν2 =1 (hệ số khúc xạ ánh sáng của điện môi đang xét). Phương trình Claudiut - Maxotchi được viết:
Vì:
Trong các chất khí, mật độ phân tử khí (n) tỉ lệ thuận áp suất và tỉ lệ nghịch nhiệt độ theo CT sau:
Nhận xét
(3-5)
(3-6)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
25
Bảng quan hệ độ ẩm với hằng số điện môi
Bảng quan hệ nhiệt độ với hằng số điện môi
Bảng: Quan hệ áp suất với hằng số điện môi
Bảng: Quan hệ bán kính phân tử với hệ số khúc xạ ánh sáng và hằng số điện môi
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
26
Mối quan hệ của ε vào nhiệt độ được đánh giá bằng hệ số nhiệt của hằng số điện môi (TKε : là sự thay đổi hằng số điện môi khi nhiệt độ thay đổi đi 10C)
Ta có từ CT (3.6):
Mà:
Vậy:
(3-7)
TKε có trị số âm nên hằng số điện môi giảm khi nhiệt độ tăng
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
27
3.4.2 Hằng số điện môi của điện môi khí cực tính
Đối với những chất khí cực tính thì có 2 dạng phân cực sau: Phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực. Tuy nhiên phân cực điện tử nhanh vẫn đóng vai trò chủ yếu (αenh>αlc). Ta có: α = αenh + αlc
Phương tình C -M đối với điện môi cực tính mạnh (từ 3-4)
Nhưng chất khí là chất có mật độ phân tử thấp nên ε ≈ 1. Do đó:
Khi nhiệt độ tăng khả năng định hướng của các phần tử lưỡng cực giảm. Do vậy khi to cao thì bỏ qua thành phần lưỡng cực.
Để tính mômen lưỡng cực mo của phân tử khí người ta dùng phương pháp đồ thị (đây là phương pháp thực nghiệm nên chỉ mang tính gần đúng):
Ta có:
Theo hình vẽ ta đo dược giá trị của tgβ
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
28
Mối quan hệ của ε vào nhiệt độ
Tính toán tương tự phần trước ta có:
(3-8)
TKε có trị số âm nên hằng số điện môi giảm khi nhiệt độ tăng
Vì ε>1  ε-1>0
Do có phân cực chậm (tồn tại ) nên ε>ν2
Sinh viên chứng minh công thức (3-8)
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
29
3.5 Hằng số điện môi của điện môi lỏng
3.5.1 Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính (dầu MBA, dầu tụ điện, benzen…)
Điện môi lỏng trung tính được đặc trưng bởi phân cực điện tử nhanh và phân cực ion nhanh, trong đó phân cực điện tử nhanh đóng vai trò chính αenh >> αinh (α = αenh + αinh )
Từ phương trình (3-4):
và mối quan hệ:
Ta xác định như sau:
Với:
Hệ số giản nở nhiệt của thể tích
Ta nhận thấy: TKv >0, ε > 1  ε - 1 > 0  TKε < 0. Do vậy, khi t0 tăng thì ε giảm.
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
30
Bảng hằng số điện môi, TKv ,TKε của một số chất lỏng trung tính và cực tính yếu
3.5.2 Hằng số điện môi của điện môi lỏng cực tính (dầu thầu dầu, xôvôn…)
Trong điện môi này trị số E3 không thể bỏ qua, phương trình C-M không còn đúng.
Có rất nhiều lý thuyết nhằm tính toán chính xác c.đ.đ.t song mỗi lý thuyết đều có 1 giả thiết nào đó, nên các công thức chỉ là gần đúng và việc tính toàn này rất phức tạp. (chẳng hạn như: Debai, Onsajer, Kirvut…)
Ảnh hưởng của tần số đến trị số ε của điện môi lỏng cực tính
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến trị số ε của điện môi lỏng cực tính
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
31
3.6 Hằng số điện môi của điện môi rắn
3.6.1 Điện môi rắn trung tính (Kim cương, băng phiến, lưu huỳnh, parafin, pôliêtilen…) loại này chỉ tồn tại phân cực điện tử nhanh là chủ yếu. Do vậy: ε = ν2
Ptrình C-M:
Hệ số nhiệt của hằng số điện môi chất rắn trung tính xác định theo công thức (giống như đối với chất lỏng trung tính)
Bảng giá trị hằng số điện môi của 1 số loại điện môi rắn trung tính ở t=200C, f=50Hz
CHƯƠNG 3: SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI
32
3.6.2 Điện môi rắn có cấu trúc tinh thể vô cơ
Trong thuỷ tinh vô cơ tồn tại 2 loại phân cực: Phân cực điện tử nhanh và phân cực ion nhanh
Ptrình C-M:
Ta có:
Từ (*) & (**) ta có:
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể vô cơ
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
33
4.1 Khái niệm về tổn hao trong điện môi
Định nghĩa tổn hao điện môi: là phần năng lượng toả ra trong điện môi trong 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên và truyền nhiệt vào môi trường khi có điện trườngngoài tác động.
- Đối với nguồn 1 chiều, tổn hao chủ yếu do dòng điện rò gây nên, do đó đánh giá chất lượng vật liệu bằng điện trở suất của vật liệu đó.

Công suất tổn hao:
- Đối với nguồn xoay chiều, tổn hao do cả Irò và Ipc do đó đánh giá chất lượng vật liệu bằng các đặc tính khác
Giả sử U và I có góc lệch pha φ
φ + δ = 900 (δ - góc tổn hao điện môi)
Pa = U.I.cosφ = U.IR = U.IC.tgδ
Mà: IC = U/XC , XC = 1/Cω  IC = U.C.ω
(4-1)
Vì vậy tgδ hay δ được dùng để xác định tính chất của vật liệu
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
34
Ta xét 2 chất điện môi để xác định tỷ số công suất tổn hao:

Mà ta đã có:
Trong đó: ε’ = ε.tgδ - Hệ số tổn hao điện môi

Hệ số tổn hao ε’ cho ta khái niệm chính xác hơn về khả năng phát nhiệt của điện môi so với tgδ. Vì ε’ cho ta biết cả khả năng phân cực của điện môi (ε) và cả giá trị tổn hao điện môi (tgδ).
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
35
4.2 Các dạng tổn hao trong điện môi (4 dạng chính)

4.2.1 Tổn hao do dòng điện rò
Trị số tang của góc tổn hao điện môi được tính:



4.2.2 Tổn hao do ion hoá
Tổn hao do ion hoá được tính theo CT:
Pi = A.f.(U- Ui)3

4.2.3 Tổn hao điện môi do phân cực chậm

4.2.4 Tổn hao điện môi do kết cấu không đồng nhất


Trong vật liệu cách điện có thể có từ 1 - 4 loại tổn hao kể trên.
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
36
4.3 Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thế
Khi đặt điện áp lên điện môi, trong điện môi xuất hiện 3 loại dòng điện:
- Irò - dòng điện rò
- Icd - dòng điện chuyển dịch do sự phân cực nhanh
- Iht - dòng điện hấp thụ do sự phân cực chậm
Dựa vào mục 3.2 ta đưa ra sơ đồ và giản đồ véctơ như sau:
Từ giản đồ véc tơ ta có thể đưa ra 2 sơ đồ thay thế: Sơ đồ song song và sơ đồ nối tiếp, mỗi sơ đồ gồm 1 điện dung C và 1 điện trở R. Các sơ đồ thay thế phải thoả mãn 2 điều kiện sau:
1. Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môi.
2. Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trên sơ đồ phải bằng góc lệch pha trên thực tế điện môi. Tức là tgδsơ đồ = tgδ thực tế
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
37
Sơ đồ mắc song song
Ở đây tgδ giảm khi tần số tăng lên. Công suất tổn hao được tính :
P// = U.I.cosφ = U.IR = U2/R//
= U.IC.tgδ// = U2.ω.C//.tgδ//
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
38
Sơ đồ mắc nối tiếp
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
39
Hai sơ đồ nối tiếp và song song hoàn toàn tương đương nhau. Như vậy:
P// = Pnt (1)
tgδ// = tgδnt (2)
Từ (1)
Từ (2)
CHƯƠNG 4: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI
40
4.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới tổn hao điện môi
- Tần số của điện trường ω = 2πf
- Nhiệt độ làm việc của điện môi
- Độ ẩm của điện môi và môi trường
- Trị số điện áp (hay cường độ điện trường) tác dụng lên điện môi
4.5 Tổn hao trong điện môi khí
4.6 Tổn hao trong điện môi lỏng
4.7 Tổn hao trong điện môi rắn
4.7.1 Tổn hao trong điện môi rắn có cấu trúc phân tử
4.7.2 Tổn hao trong điện môi rắn có cấu trúc ion
4.7.3 Tổn hao điện môi trong điện môi Xecnhet
4.7.4 Tổn hao điện môi trong điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
41
5.1 Khái niệm
Thực nghiệm cho thấy rằng, khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá 1 giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng điện môi, khi đó điện môi mất hoàn toàn tính cách chất điện. Hiện tượng đó chính là hiện tượng đánh thủng điện môi hay còn gọi là sự phá huỷ độ bền điện của điện môi.

Nghiên cứu quá trình phóng điện trong điện môi với mục đích khắc phục và loại trừ sự cố trong thiết bị điện và hệ thống điện.

5.2 Sự phóng điện trong điện môi khí
5.2.1 Yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện
- Phải là khí trơ, không tham gia phản ứng hoá học hay ăn mòn các phần tử khác của thiết bị điện.
- Phải có cường độ cách điện(Edt) cao.(Làm giảm được kích thước thiết bị)
- Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử ạung được ở áp suất cao.
- Tản nhiệt tốt, truyền nhiệt tốt.
- Rẻ tiền, dễ tìm, dễ chế tạo.


CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
42
Bảng: Đặc tính của 1 số chất cách điện thường dùng
5.2.2 Các dạng ion hoá xảy ra trong chất khí
Ion hoá do va chạm: Khi các phân tử chuyển động sẽ va chạm với nhau, động năng của chúng sẽ truyền cho nhau, và có thể xảy ra ion hoá nếu:

Ion hoá quang: Do bức xạ của sóng quang học (sóng ngắn), năng lượng bức xạ quang học là: W = hν = h.c/λ. Điều kiện ion hóa:

- Ion hoá nhiệt: Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình sau:
+ Ion hoá va chạm giữa các phân tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn.
+ Ion hoá do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng.
+ Ion hoá va chạm giữa những phân tử và điện tử hình thành do 2 quá trình trên.
Điều kiện xảy ra ion hoá nhiệt:

- Ion hoá bề mặt: Xảy ra trên các bề mặt điện cực, năng lượng gây nên ion hoá này có thể do va chạm, do nhiệt độ nung nóng điện cực, các tia tử ngoại α, β, γ…

CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
43
5.2.3 Quá trình ion hoá và hệ số ion hoá chất khí khi ở trong điện trường
a) Số lần va chạm:
- Ở nhiệt độ bình thường, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí không đủ để gây nên ion hoá, nhưng khi có điện trường đặt vào, các phân tử khí sẽ chuyển động tích luỹ năng lượng và tăng tốc độ, va chạm với nhau và bị ion hoá. Vì vậy ion hoá va chạm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện trong chất khí.
Gọi: r - bán kính phân tử khí
r0 - bán kính của điện tử (electron)
me - khối lượng của electron
Lúc này điều kiện để có va chạm giữa e với phân tử trung hoà là: oo’ ≤ (r + r0)
Lưu ý: Coi các điện tích chuyển động trong điện trường đều và có đường sức từ trường song song nhau.

- Như vậy mọi phân tử có bán kính r nằm trong diện tích: π(r + r0)2 đều va chạm với điện tử có bán kính r0.
Khi đoạn đường là 1cm thì số lần va chạm giữa điện tử có bán kính r0 với các phân tử có bán kính r bằng số phân tử nằm trong hình trụ có diện tích đáy là: π(r + r0)2 (chiều cao hình trụ là 1 cm).
- Nếu gọi S là số lần va chạm trong hình trụ thì S chính bằng toàn bộ số phần tử có trong thể tích đó, tức là:
S = π(r + r0)2 .1.N (N - mật độ phân tử)
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
44
5.2.3 Quá trình ion hoá và hệ số ion hoá chất khí khi ở trong điện trường
a) Số lần va chạm:
- Ở nhiệt độ bình thường, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí không đủ để gây nên ion hoá, nhưng khi có điện trường đặt vào, các phân tử khí sẽ chuyển động tích luỹ năng lượng và tăng tốc độ, va chạm với nhau và bị ion hoá. Vì vậy ion hoá va chạm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện trong chất khí.
- Nếu lấy đoạn đường chuyển động của điện tử (1 cm) chia cho số lần va chạm (S) ta sẽ được trị số quãng đường chuyển động tự do trung bình λTB trong môi trường các phần tử r
Do điện tử có bán kính r0 << bán kính phân tử r, nên quãng đường tự do trung bình của các điện tử tự do được tính:
Mà ta đã biết mật độ phân tử khí:
Vậy số lần va chạm của điện tử là:
Với:
Nhận xét:
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
45
b) Xác định qui luật đoạn đường tự do của các điện tích trong quá trình chuyển động theo chiều tác dụng của cường độ điện trường:
- Giả sử tại x=0 có n0 điện tích bắt đầu chuyển động.
- Khi chuyển động đến vị trí x còn lại n điệntích chưa bị va chạm.
- Tại vị trí x+dx chỉ còn n’= n-dn điện tích chưa bị va chạm. Với: dn - số hao hụt của của các điện tích chưa bị va chạm trên đoạn đường dx. (dn = - n.S.dx)
Ta sẽ có:
- số lần va chạm của 1 điện tích trên đoạn đường dx
Dấu (-) là do trị số n sẽ giảm đi
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
46
Hàm φ biểu thị qui luật phân bố đoạn đường tự do, nói lên xác suất của các đoạn đường tự do có trị số ≥ x
Ta có:
Mà:
Theo (5-1):
và:
Đặt:
Vậy: hệ số ion hoá do va chạm:
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
47
5.2.4 Quá trình hình thành thác điện tử & Sự phóng điện
Phân tích quá trình, đưa ra kết luận
Nếu điện trường đồng nhất: E = const  α = const  n = eαx
Số ion (+) do 1 điện tử tạo nên: n(+) = n - 1 = eαx - 1
Như vậy để có phóng điện cần phải có nhiều thác điện tử, do đó điều kiện để tự duy trì của phóng điện là trước khi thác cũ triệt tiêu thì phải sinh ra ít nhất 1 thác điện tử mới.
Số điện tử trong thác:
+ Tại vị trí x có n điện tử trong thác
+ Trong khoảng dx có n.α.dx lần ion hoá và có thêm số điện tử mới là: dn = n.α.dx
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
48
5.2.5 Đặc tính V -A và các dạng phóng điện trong chất khí
1. Đặc tính V -A
2. Các dạng phóng điện trong chất khí
a - Phóng điện toả sáng
b - Phóng điện tia lửa
c - Phóng điện hồ quang
d - Phóng điện vầng quang
A - Vùng bắt đầu cắt mạch; B - Vùng tăng áp; C - Vùng tăng dòng; D - Vùng tia lửa điện;
E - Vùng xuất hiện hồ quang; Ud - Điện áp lớn nhất trên 2 tiếp điểm khi cắt mạch.
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
49
5.2.6 Sự phóng điện trong điện trường đồng nhất - Định luật Pasen
Phóng điện trong điện trường đồng nhất có áp suất thấp

Trong chất khí có áp suất thấp, mật độ phân tử khí bé, các ion (+) có thể bay tới điện cực âm và gây nên ion hoá bề mặt điện cực âm để sinh ra thác điện tử đầu tiên. Thác điện tử này có số lượng : - điện tử là: eαS
- ion (+) là : eαS - 1 (S - khoảng cách 2 cực)
Gọi γ - hệ số ion hoá bề mặt điện cực âm. Ta có số điện tử thoát ra khỏi bề mặt điện cực âm là: γ. (eαS - 1)
Để duy trì phóng điện phải ít nhất 1 điện tử mới kế tiếp cho điện tử đầu. Do vậy ta có điều kiện tự duy trì do các ion (+ ) gây nên là: γ. (eαS - 1) ≥ 1
Gọi: f - hệ số photon do 1 điện tử phát ra
η - hệ số chỉ khả năng ion hoá bề mặt do photon
 Số điện tử do photon gây ra sẽ là: f.η.eαS
Như vậy điều kiện phóng điện tự duy trì do tác dụng của cả ion (+) và photon là:
γ. (eαS - 1) + f.η.eαS ≥ 1
Do eαS >> 1 nên ta viết lại: eαS (γ + f.η) ≥ 1
Đặt: γ dt(đẳng trị) = (γ + f.η)  eαS ≥ 1/ γdt

CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
50
2. Phóng điện trong điện trường đồng nhất có áp suất cao

Ở áp suất cao vì mật độ phân tử khí lớn, các ion (+) không thể chuyển độngvới vận tốc lớn vì chúng va chạm liên tục với các phân tử khí. Do vậy ở áp suất cao việc sản sinh ra các điện tử mới dựa vào sự ion hoá quang trong khối khí. Để có ion hoá quang photon phải có năng lượng đủ lớn, mà số lượng photon phụ thuộc trực tiếp vào số lượng thác điện tử. Như vậy, điều kiện để phóng điện tự duy trì là:
eαS = const , eαS = 1/γdt
(γdt do ion hoá quang gây nên)
Sự tăng cường điện trường phía đầu thác sẽ kích thích quá trình ion hoá quang phát triển, đồng thời do có điện trường cao nên ion hoá do cường độ điện truờng phát triển. Cả 2 qua strình ion hoá này sẽ tạo nên thác điện tử mới; Và thác điện tử này sẽ làm biến dạng điện trường ngoài, qua strình này tiếp tục đến khi dòng plasma xuất hiện ở 2 điện cực  phóng điện.
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
51
3. Định luật Pasen - Xác định điện áp phóng điện khởi đầu
Từ điều kiện tự duy trì phóng điện trong điện môi khí có điện trường đồng nhất:


Trong đó :
Từ (5-5) 
Định luật Pasen: Trong điện trường đồng nhất, trị số điện áp phóng điện của chất khí là hàm số của tích giữa khoảng cách điện cực với áp suất tương đối của chất khí chia cho nhiệt độ của chất khí đó.
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
52
5.2.7 Sự phóng điện trong điện môi khí ở điện truờng không đồng nhất
Trong điện trường không đồng nhất, hệ số ion hoá α phụ thuộc vào E (Vì E ≠ const nên α ≠ const). Phóng điện này phụ thuộc vào cực tính của cực, nó có 2 dạng phóng điện như sau:
- Phóng điện vầng quang: là giai đoạn phóng điện ban đầu, nó xảy ra quanh khu vực có bán kính cong nhỏ.
- Phóng điện chọc thủng: là giai đoạn tiếp theo của phóng điện vầng quang, lúc này tia lửa điện kéo dài giữa 2 cực.
Nhận xét:
Để duy trì phóng điện vầng quang cần phải liên tục nâng điện áp lên so với điện áp đặt vào ban đầu (tức là Uphóng điện vầng quang tăng). Cường độ điện trường giữa 2 cực tăng sẽ thuận lợi cho quá trình phóng điện chọc chủng (Uct giảm).
Phóng điện trong điện trường rất không đồng nhất:
+ Khi mũi nhọn mang điện tích (+), cực bản mang điện tích (-)
CHƯƠNG 5: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
53
Khi mũi nhọn mang điện tích (-), cực bản mang điện tích (+)
Nhận xét:
Để duy trì phóng điện vầng quang liên tục ta có thể giảm điện áp (sau khi t