CHƯƠNG 4 : VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI
I/ Khái niệm
Là những chất không dẫn điện (cách điện). Trong phân tử của các
chất điện môi, số lượng các điện tích tự do là rất ít. Điều này làm khả
năng mang điện của nó rất kém. Nhưng khi điện trường tăng vượt quá
1 giá trị giới hạn thì điện môi bị đánh thủng (mất tính cách điện), mỗi
điện môi khác nhau có 1 điện trường giới hạn khác nhau hằng số điện
môi ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi. Hằng số điện môi của
chân không = 1.
II/ Các quá trình vật lý trong điện môi và các tính chất của chúng
1) Sự phân cực điện môi
Tính chất quan trọng bậc nhất của điện môi là khả năng phân cực
của nó dưới tác
dụng của điện trường ngoài. Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí
trong không
gian của những thành phần mang điện và hình thành moment điện
Trạng thái của điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài có thể
biểu thị qua
véctơ phân cực (hay cường độ phân cực) P→ . Dưới tác dụng của P→
xảy ra sự thay
đổi vị trí trật tự trong không gian của điện tích phân tử
điện môi.
2/ Bản chất vật lý của sự phân cực điện môi
Phân tử của bất kỳ vật chất nào của điện môi cũng có cấu tạo từ
những thành phần
riêng biệt (nguyên tử, ion), mỗi thành phần có điện tích xác định
dương hoặc âm.
Lực liên kết giữa các điện tích xác định tính chất cơ học của vật chất.
Tổng đại số
của tất cả các điện tích trong phân tử của bất kỳ vật chất nào đều bằng
0, nhưng vị
trí không gian điện tích trong phân tử của vật chất khác nhau sẽ khác
nhau. Nếu
thay tất cả các điện tích dương và điện tích âm bằng một điện tích
dương và một
điện tích âm tương đương và vị trí trọng tâm của từng điện tích dương
riêng và âm
riêng thì trọng tâm của các điện tích dương và âm này có thể trùng
nhau hoặc
không trùng nhau.
3/ Phân loại điện môi
Điện môi có thể chia làm 3 loại:
+Loại điện môi có cực (lưỡng cực): là điện môi gồm các phân tử
lưỡng cực.
+Loại điện môi không cực (trung hòa): là điện môi gồm các phân tử
không
phân cực
+Loại xec-nhet điện (chất sắt điện): Là điện môi có tính phân cực tự
phát. Nó
có cấu trúc miền (đômen): gồm những miền lớn có phân cực tự phát,
xuất hiện do
ảnh hưởng của các quá trình trong điện môi. Hướng của các momen
điện của các
miền khác nhau và tổng phân cực trong điện môi bằng 0
4/ Hiện tượng phân cực trong chất lỏng và chất rắn
* Hiện tượng phân cực trong chất lỏng
Sự xoay chuyển của lưỡng cực theo hướng của điện trường E trong
môi trường
có độ nhớt cần phải vượt qua một số cản trở. Vì thế phân cực lưỡng
cực trong chất
lỏng gắn liền với tổn thất năng lượng. Trong môi trường có độ nhớt
cao, sự cản trở
đối với sự xoay của phân tử lớn tới nỗi khi điện trường biến thiên
nhanh, các lưỡng
cực không thể xoay kịp theo hướng của nó và phân cực lưỡng cực khi
tần số gia
tăng hoàn toàn biến mất.
* Hiện tượng phân cực trong chất rắn
Phân cực một cách tức thời, đàn hồi, không phát tán năng lượng
-Phân cực điện tử (hay phân cực chuyển dịch) quan sát thấy ở mọi
điện môi,
hoàn thành trong thời gian ngắn 10-15s (có thể so sánh với chu kỳ ánh
sáng).
-Phân cực ion: Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định
bởi sự
chuyển dịch đàn hồi các ion liên kết. Thời gian xác lập của phân cực
ion là 10-13 s.
Khi nhiệt độ tăng, khoảng cách giữa các ion tăng, lực đàn hồi yếu đi
làm phân cực
ion tăng
5/ Sự dẫn điện của điện môi
Khi một mẫu điện môi đặt trong điện áp nào đó sẽ xuất hiện những
dòng điện rất
nhỏ. Bao gồm:
-Dòng điện rò (I r): do một số điện tích tự do chuyển dịch gây nên
-Dòng điện phân cực (Ipc): do sự chuyển dịch của các điện tích ràng
buộc khi có
phân cực điện tử hay phân cực ion, nó có thời gian tồn tại rất ngắn
không thể đo
được.
-Dòng điện dung (I c ): do sự dịch chuyển của các điện tử trong các
dạng phân
cực khác của điện môi. Đối với điện áp một chiều dòng I c chỉ có khi
đóng hoặc
ngắt điện. Đối với điện áp xoay chiều nó tồn tại liên tục.
Vậy tổng dòng điện trong điện môi:
I = Ir + I c
Độ dẫn điện của điện môi còn phụ thuộc vào trạng thái điện môi: khí,
lỏng, rắn
và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc lâu dài dưới điện
áp.
* Tính dẫn điện của điện môi khí
Khi điện trường yếu chất khí có độ dẫn điện rất bé, dòng điện chỉ xuất
hiện khi
trong chất khí có các ion hoặc điện tử tự do. Có 2 nguyên nhân chính
dẫn đến sự ion
hóa các phân tử khí.
6/ Tổn hao điện môi
Là phần năng lượng tản ra trong điện môi làm nó nóng lên trong điện
trường. Khác
với dây dẫn, phần lớn các điện môi có tổn thất công suất phụ thuộc
vào tần số, điện
áp đặt vào, tổn hao công suất ở điện áp xoay chiều lớn hơn so với điện
áp một chiều
và tăng rất nhanh khi tăng tần số và điện áp.
Giá trị tổn hao công suất trong điện môi gọi là tổn hao điện môi
Pr = U2 / R
* Tổn hao điện môi với điện áp một chiều:
Đặt điện áp một chiều lên một đoạn cách điện, sau khoảng thời gian
đủ lớn sẽ có
dòng điện rò ( I r ) chảy qua điện môi, bao gồm :dòng điện rò khối ( I
v ) và dòng
điện rò mặt ( I s ) chảy trên bề mặt điện môi:
Ir = I v + I s = U/ R v + U/ R s = U/R
Trong đó :
Đặt điện áp một chiều lên một đoạn cách điện, sau khoảng thời gian
đủ lớn sẽ có
R v điện trở khối ; R s: điện trở mặt
Điện trở khối của điện môi được xác định bởi: R v = ρ v l/S (Ω )
7/ Các dạng tổn hao điện môi
+Tổn hao điện môi là hiện tượng không tốt của vật liệu. Có nhiều
nguyên nhân:
-Tổn hao điện môi do phân cực: thấy rõ ở các chất có sự phân cực
chậm,
điện môi có cấu tạo lưỡng cực, điện môi có cấu tạo ion ràng buộc
không chặt chẽ.
-Tổn hao điện môi do dòng điện rò: thường thấy ở điện môi có điện
dẫn khối
hoặc điện dẫn mặt lớn đáng kể.
-Tổn hao điện môi do ion hóa: có trong các điện môi ở trạng thái khí,
tổn thất
này thường biểu hiện trong các trường không đồng nhất khi cường độ
điện trường
vượt quá trị số bắt đầu ion hóa của khí đó.
-Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất (gây nên bởi các tạp
chất)
-Tổn hao điện môi trong chất lỏng không phân cực: điện dẫn suất loại
này rất
bé nên tổn hao điện môi cũng rất bé. Nếu là chất lỏng phân cực thì có
thể có thêm
tổn hao điện môi do các phân tử lưỡng cực gây nên
8/ Các yếu tố của môi trường ảnh hưởng đến điện môi
Tính hút ẩm
Độ bám nước thể hiện bằng góc bám nước trên bề mặt điện môi
Để bảo vệ bề mặt của điện môi có cực khỏi bị tác động
của độ ẩm thì trên bề mặt của nó phải phủ thêm một lớp
điện môi không thấm nước.
Điện trở suất của điện môi xốp bị giảm mạnh bởi ảnh
hưởng của độ ẩm có chứa tạp chất có tính phân ly với
tính dẫn điện cao
Tính chịu lạnh của điện môi
Là khả năng cách điện ở nhiệt độ thấp (60 0C đến 70 0C): ở nhiệt độ
thấp tính cách
điện tốt hơn ở nhiệt độ thường, nhưng cách điện trở nên giòn, cứng.
Thử cách điện
dưới nhiệt độ thấp thường đi kèm với tác động của độ rung.
Tính dẫn nhiệt của điện môi
Là một trong những dạng chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi
có nhiệt độ
thấp hơn dẫn đến sự cân bằng với nhiệt độ. Tính dẫn nhiệt ảnh hưởng
đến độ bền
khi có phá hủy nhiệt điện được biểu thị bằng hệ số nhiệt dẫn Λ
Sự nở nhiệt của điện môi
Tính chất hóa học của điện môi
Khi điện môi làm việc lâu dài, nó không được phép bị phá hủy, không
gây ra ăn
mòm kim loại tiếp xúc với nó, không liên kết với các vật chất khác
như không khí,
nước, kiềm, axit…Độ bền vững dưới tác động của tất cả các ảnh
hưởng nói trên ở
mỗi điện môi rất khác nhau: vật chất có cực dễ hòa tan trong chất lỏng
có cực, còn
vật chất không cực dễ hòa tan trong chất lỏng không cực. Vật chất có
cấu trúc
đường thẳng hòa tan dễ dàng hơn vật chất có cấu trúc không gian.
Tính chất cơ học của điện môi
Độ bền cơ học là khả năng của vật liệu không bị biến dạng dưới tác
động của lực cơ
học
-Độ bền kéo dãn, nén và uốn: Ở điện môi có cấu tạo dị hướng (lớp,
sợi…) độ
bền cơ học phụ thuộc vào hướng tác động lực. Ở thủy tinh, gốm, sứ,
nhựa….độ bền
nén cao hơn so với độ bền kéo dãn và độ bền uốn. Độ bền của thủy
tinh tăng lên khi
đường kính sợi thủy tinh giảm xuống, nhiệt độ tăng thì độ bền cơ học
của điện môi
giảm xuống.
-Tính giòn: Là khả năng bị phá hủy của vật liệu mà không bị biến
dạng. Độ giòn
còn phụ thuộc vào cấu trúc của điện môi và điều kiện thử.
Trong một số trường hợp cần kiểm tra khả năng của vật liệu không bị
phá hủy (ở
thời gian dài) với độ rung, thử độ rung rất quan trọng cho các vật liệu
cách điện
dùng cho máy bay.
Lực cơ học tác động lên điện môi trong điện trường
Sự phân cực điện môi trong điện trường gắn liền với lực tác động
trong điện môi.
Rõ ràng các điện cực của tụ điện nằm dưới điện áp phải kéo lẫn nhau
và tạo ra lực
cơ học trên điện môi của tụ điện
Đặc tính nhiệt của điện môi.Tính chịu nhiệt của điện môi
Là khả năng của điện môi chịu đựng được tác động của nhiệt độ cao
trong một
khoảng thời gian có thể so sánh với thời gian hoạt động bình thường
mà không bị
thay đổi tính chất. Độ chịu nhiệt của điện môi vô cơ được xác định
khi bắt đầu có
sự thay đổi tính chất điện (ví dụ: tgδ tăng nhanh, hay điện trở suất
giảm). Đối với
điện môi hữu cơ độ chịu nhiệt được xác định khi bắt đầu có sự biến
dạng cơ học kéo
dãn hay uốn.
Ngày:19/03/2020
Chia sẻ bởi: