Đề tài Vật liệu điện

Trang 42 Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ I. Định nghĩa Vật liệu dẫn điện là loại vật liệu ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt những vật liệu này trong điện trường các điện tích sẽ chuyển động theo hướng xác định và tạo thành dòng điện. II. Phân loại Vật liệu dẫn điện được chia thành hai loại: - Vật dẫn với tính dẫn điện tử - Vật dẫn với tính dẫn ion 1. Vật dẫn với tính dẫn điện tử, bao gồm các kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim và một số phi kim loại. Sự hoạt động của các điện tích không làm biến đổi cấu trúc vật liệu. 2. Vật dẫn với tính dẫn ion, bao gồm các dung dịch có cơ sở là nước như axit, bazơ, muối; một số ở dạng rắn như AgI. Khi dòng điện đi qua sẽ gây ra biến đổi hoá học. Trong cường độ điện trường mạnh chất khí vừa có tính dẫn điện tử, vừa có tính dẫn ion. III. Các đặc tính của vật liệu dẫn điện 1. Điện trở (R) là quan hệ giữa hiệu điện thế đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độ dòng điện một chiều chạy trong dây dẫn đó. R = ρ s l R - điện trở (Ω) l - chiều dài dây dẫn (m) ρ - điện trở suất (Ωmm2/m) S - tiết diện dây dẫn (mm2) Trang 42 Điện dẫn (G) là đại lượng nghịch đảo của điện trở. G = R 1 Đơn vị của điện dẫn: S (siemen) 2. Điện trở suất (ρ) là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích. Đơn vị của điện trở suất: Ωm (MKSA); Ωcm (CGS); Ωmm2/m (thường dùng trong kỹ thuật). Điện dẫn suất (γ) là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất. γ = ρ 1 Đơn vị của điện dẫn suất: 1/Ωm (MKSA); 1/Ωcm (CGS); m/Ωmm2 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất: - Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (α) Điện trở suất của kim loại và nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ; điện trở suất của cacbon và dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức: ρt = ρ0(1 + αt) ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t ρ0 - điện trở suất ở 200C Hệ số α gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết, α ≈ 4.10-31/0C Trang 42 - Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (k) Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức: ρt = ρ0(1 ± kt) Dấu "+" ứng với biến dạng do kéo Dấu "-" ứng với biến dạng do nén - Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng Thực nghiệm cho thấy điện trở suất thay đổi khi kim loại đặt trong từ trường, hoặc một số vật liệu khi bị chiếu sáng. IV. Tính dẫn điện, cách điện của vật liệu 1. Tính dẫn điện của kim loại Trong kim loại và hợp kim có một số lớn các electron tự do. Các electron tự do nằm trong không gian giữa các nút mạng tinh thể. Cũng như các nguyên tử của nút mạng, chúng dao động hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi không có điện trường ngoài tác dụng thì sự phân bố tốc độ của các electron mọi hướng có xác suất như nhau cho nên không có dòng điện. Khi có điện trường ngoài, mỗi electron chịu tác dụng bởi một lực F = Eq và các electron chuyển động theo chiều ngược với chiều của điện trường ngoài. 2. Tính dẫn điện của chất bán dẫn Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiều các yếu tố khác nhau, ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành và tái hợp các hạt mang điện tích tự do: sự thay đổi nhiệt độ, tác động của bức xạ, sự thay đổi cường độ điện trường. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm, vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm. Mật độ dòng điện trong chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của tạp chất. Chẳng hạn, chất bán dẫn nền Si pha thêm P ta được chất bán dẫn loại N, pha thêm B ta được chất bán dẫn loại P. Trang 42 3. Tính dẫn điện trong chất điện môi rắn Quá trình dẫn điện trong chất điện môi rắn chính là sự chuyển động của những ion điện môi hoặc của những tạp chất ngẫu nhiên, hay một số điện môi có các electron tự do. Trong vật chất rắn có cấu trúc ion, tính dẫn điện chủ yếu là sự chuyển dịch của các ion được giải phóng do hiện tượng dao động nhiệt. Ở nhiệt độ thấp là sự chuyển động của các ion liên kết yếu và một phần của ion tạp chất. Ở nhiệt độ cao chúng được giải phóng bởi một số ion ở nút lưới tinh thể. Trong chất điện môi có lưới nguyên tử hoặc phân tử, tính dẫn điện chỉ bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của tạp chất, điện dẫn suất của chúng rất nhỏ. 4. Tính dẫn điện mặt của điện môi rắn Tính dẫn điện mặt của điện môi rắn phụ thuộc bản chất bề mặt điện môi và điều kiện làm việc: độ ẩm, bụi bẩn. Độ bám của nước lên bền mặt điện môi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, môi trường điện môi làm việc. Điện dẫn suất của lớp vật chất bề mặt tăng lên rất nhanh khi độ ẩm tương đối lớn hơn 70 - 80%. 5. Tính dẫn điện của chất khí Việc nghiên cứu tính dẫn điện của chất khí là rất quan trọng bởi vì bất kỳ thiết bị điện nào cũng đặt trong môi trường không khí. Tất cả các chất khí đều là điện môi. Ở điện trường thấp, điện dẫn suất của chất khí có giá trị rất nhỏ. Quá trình dẫn điện trong chất khí là do trong đó có một số ít các hạt mang điện. Trong điều kiện bình thường mật độ của các hạt mang điện nhỏ hơn 1013hạt/m3. Chất khí được sử dụng trong các thiết bị điện cần thỏa mãn các yêu cầu: điện dẫn suất nhỏ, tổn hao điện môi thấp, độ bền cách điện cao, giá thành rẻ. 6. Tính dẫn điện của chất lỏng Trang 42 Tính dẫn điện của chất lỏng có liên quan mật thiết với cấu tạo phân tử chất lỏng. Tính dẫn điện của chất lỏng không có cực phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất, trong đó có độ ẩm. Tính dẫn điện của chất lỏng có cực không những phụ thuộc vào tạp chất mà còn phụ thuộc vào sự phân ly của các phân tử chất lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể là sự chuyển động của các ion hoặc sự chuyển động tương đối của các hạt keo lớn. Do không loại bỏ được hoàn toàn tạp chất có trong chất lỏng, cho nên để tạo ra được chất cách điện lỏng có tính dẫn điện thấp rất khó khăn. Trang 42 Chương 2 VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI I. Điện môi (vật liệu cách điện) Điện môi (vật liệu cách điện) là những chất không dẫn điện. Khác với kim loại và chất điện phân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do. Có ba cách phân loại vật liệu cách điện: - Theo trạng thái vật lý: rắn, lỏng và khí. Vật liệu cách điện thể rắn còn được phân loại thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Giữa vật liệu cách điện thể rắn và thể lỏng còn có thể mềm nhão. - Theo thành phần hoá học: vật liệu cách điện hữu cơ, vật liệu cách điện vô cơ. - Theo cấp chịu nhiệt: Y (900C), A (1050C), E (1200C), B (1300C), F (1550C), H (1800C), C (> 1800C). II. Tính dẫn điện của điện môi Tuỳ theo sự phân bố electron xung quanh hạt nhân, người ta phân biệt hai loại phân tử điện môi: phân tử không phân cực và phân tử phân cực. - Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố electron đối xứng xung quanh hạt nhân. Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích dương và điện tích âm trùng nhau, chẳng hạn H2, N2, CCl4, hydro cacbon ... - Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố electron không đối xứng xung quanh hạt nhân. Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, chẳng hạn H2O, NH3, HCl, CH3Cl ... Ở trạng thái bình thường các phân tử điện môi trung hoà về điện, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do, cho nên nó không có tính dẫn điện. Tuy nhiên khi đặt trong điện trường thì điện trường và điện môi đều có những biến đổi cơ bản. Trang 42 III. Phân cực điện môi Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đưa thanh điện môi đồng chất và đẳng hướng (BC) vào trong điện trường của vật mang điện (A) thì trên các mặt giới hạn đối diện sẽ xuất hiện điện tích trái dấu (hình 6) Hiện tượng trên thanh điện môi đặt trong điện trường có xuất hiện điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Trong hiện tượng phân cực điện môi không thể tách riêng các điện tích cho nên trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ định xứ ở đó, gọi là điện tích liên kết. Các điện tích liên kết sẽ tạo ra điện trường phụ → 'E làm cho điện trường ban đầu 0E → thay đổi, điện trường tổng hợp: → E = 0E → + → 'E Giải thích: khi chưa đặt điện môi trong điện trường 0E → , do chuyển động nhiệt các lưỡng cực phân tử sắp xếp hỗn loạn, các điện tích trái dấu của lưỡng cực phân tử trung hoà nhau. Khi đặt điện môi trong điện trường 0E → , các lưỡng cực phân tử sắp xếp có trật tự sao cho cùng phương với 0E → . Khi đó trong lòng điện môi các điện tích trái dấu vẫn trung hoà nhau, còn trên các mặt giới hạn đối diện mới xuất hiện điện tích trái dấu. IV. Tổn hao điện môi Xét một tụ điện, lớp cách điện có hằng số điện môi ε, điện dung C, được mắc vào nguồn điện xoay chiều có tần số ω, điện áp U. Dòng điện nạp điện cho tụ điện (I) có hai thành phần (hình 7): A + - B C + hình 6. Phân cực điện môi Trang 42 - Dòng điện nạp điện thực sự (IC) nhanh pha hơn 900 so với điện áp, mang tính chất điện dung: IC = ωCU - Dòng điện gây tổn hao (IR) làm nóng điện môi, cùng pha với điện áp. Khi đó: I = 2RI + 2 C I ; IR = I sinδ (δ - góc tổn hao) Với: tgδ = C R I I hệ số tổn hao Suy ra: IR = IC tgδ = ωCU tgδ Tổn hao điện môi: Pd = UIR = ωCU2 tgδ V. Tính chất cơ - lý - hoá của điện môi 1. Điện trường Khi tăng điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện và kết cấu hình học của điện cực thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện, có thể chia thành hai trường hợp sau (hình 8): - Đánh thủng toàn phần hoặc một phần bên trong vật liệu cách điện: cách điện không chịu nổi điện áp, ở một hoặc nhiều chỗ có điện tích chạy từ điện cực này sang điện cực kia xuyên qua cách điện. IR IC δ I ϕ U hình 7. Giản đồ vector so sánh pha giữa I và U Trang 42 - Phóng điện bề mặt: khi điện áp đánh thủng của cách điện lớn, tăng điện áp đến một giá trị nào đó thì sẽ có hiện tượng phóng điện ở bề mặt tiếp giáp của tấm cách điện. Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng, vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn vật liệu cách điện thể rắn bị xuyên thủng vĩnh viễn. Phóng điện bề mặt có thể làm mủn, rạn nứt bề mặt cách điện. Điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng gọi là điện áp đánh thủng (UBR). Điện áp gây ra sự phóng điện bề mặt gọi là điện áp phóng điện bề mặt (UBF). Điều kiện làm việc của cách điện: U < UBF < UBR aBR = U U BR hệ số an toàn đối với đánh thủng aBF = U U BF hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt Phụ tải điện của cách điện là điện áp tính trên một đơn vị bề dày cách điện theo phương của điện trường, có đơn vị V/cm hoặc kV/cm. Độ bền cách điện là điện áp đánh thủng tính trên một đơn vị bề dày cách điện đặt trong điện trường đồng nhất, có đơn vị kV/cm hoặc kV/mm. Đánh thủng hình 8. Phóng điện qua lớp điện môi Phóng điện bề mặt Trang 42 Hằng số điện môi (ε) phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Cường độ điện trường trong điện môi giảm đi ε lần so với cường độ điện trường trong chân không. 2. Bề mặt tiếp giáp Khi có điện áp đặt lên cách điện thì sẽ có một thành phần điện trường song song với bề mặt tiếp giáp của cách điện (tiếp giáp giữa chất rắn và chất khí, chất rắn và chất lỏng, chất lỏng và chất khí). Thực tế cho thấy rằng dọc theo bề mặt tiếp giáp có một lớp tiếp giáp có bề dày nhất định mà tính chất của nó khác với tính chất của hai điện môi tiếp giáp với nhau qua lớp này. Tính chất dẫn điện của bề mặt tiếp giáp phụ thuộc vào tính dẫn điện của lớp bẩn đóng trên bề mặt. 3. Sự hoá già của vật liệu cách điện Vật liệu cách điện chủ yếu là vật liệu hữu cơ, sau một thời gian vận hành sẽ bị hoá già hay lão hoá, đến mức không có khả năng cách điện được nữa. Quá trình hoá già thực chất là kết quả của sự biến đổi cấu trúc của vật liệu xảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động. Tất cả những yếu tố nào ảnh hưởng đến những phản ứng hoá học xảy ra trong vật liệu cách điện đều có tác động đến sự hoá già của vật liệu cách điện, chẳng hạn như: - Nhiệt độ cao - Tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành - Tác dụng hoá học: sự oxy hoá, sự trùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thuỷ phân, sự bay hơi VI. Tính chất của vật liệu cách điện 1. Tính chất của vật liệu cách điện thể khí - Hằng số điện môi ε ≈ 1 - Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp - Hệ số tổn hao (tgδ) phụ thuộc điện áp - Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp. Trang 42 2. Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng Vật liệu cách điện thể lỏng thường dùng trong máy biến áp, khí cụ điện đóng ngắt, chẳng hạn dầu biến thế. Ưu điểm: - Có độ bền cách điện cao (160kV/cm) - Hằng số điện môi ε = 2,2 - 2,3 - Sau khi bị đánh thủng, có khả năng phục hồi cách điện. - Có thể thâm nhập vào các rãnh hẹp; vừa cách điện, vừa có tác dụng làm mát. - Sử dụng làm môi trường dập tắt hồ quang điện ở máy cắt điện. Nhược điểm: - Các tính năng về điện sẽ thay đổi nhiều khi dầu bị bẩn, nhạy cảm với độ ẩm vì lớp dầu trên mặt có khả năng hút ẩm. - Ở nhiệt độ cao còn cho phép, sẽ thay đổi về tính chất hóa học, tạo bọt trong dầu, độ nhớt giảm, làm nghẹt các khe hở của cuộn dây, khả năng cách điện và làm mát giảm sút. - Dễ cháy, hơi dầu nóng có lẫn không khí sẽ tạo thành hỗn hợp nổ. Các tính chất: - Có độ bền cách điện cao (200 - 250kV/cm). Chất bẩn và độ ẩm làm giảm độ bền cách điện. - Hằng số điện môi ε = 2,2 - 2,5 - Điện trở suất ρ = 1014 - 1016Ωcm, giảm nhanh khi nhiệt độ tăng - Khả năng bảo tồn khí: khi tiếp xúc với không khí dầu hấp thụ không khí nhiều hơn (do không khí bị ion hóa bởi tác dụng của điện trường) so với lượng không khí của dầu thải ra. Lượng không khí được hấp thụ sẽ lấp đầy các lỗ bọt, làm tăng khả năng cách điện. 3. Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn - Độ bền cách điện cao Trang 42 - Hằng số điện môi lớn - Khả năng tản nhiệt kém - Hầu hết đều có khả năng chống ẩm (trừ giấy, vải có nguồn gốc xơ thực vật). - Một số vật kiệu có khả năng chịu axit, khó bị oxy hóa, lâu hoá già. a) Vật liệu cách điện dạng sợi - Sợi bông axetanhydrit hay cotopa có tính hút ẩm bằng một nửa sợi bông thường, có khả năng chịu nhiệt và cách điện tốt hơn; dùng làm cách điện cuộn dây biến thế, cách điện dây dẫn ở các trung tâm điện thoại. - Sợi poliamit (có hai loại: sợi nylon và sợi perlon) chịu axit, bazơ; không bị oxi hoá; có thể chịu đến nhiệt độ 120 - 1500C; có cơ tính tốt, bền, dẽo, chịu ma sát; dùng làm cách điện cho cáp điện. - Sợi thuỷ tinh có độ bền cách điện cao; có tính trơn láng thường sử dụng với nhựa silicon, nhựa teflon; dùng làm cách điện cho các cuộn dây. b) Giấy và các chế phẩm từ giấy Có nhiều loại giấy như giấy xenlulo, phíp, amiăng, giấy ép tẩm nhựa; dùng làm cách điện cho tụ điện ... c) Cánh kiến, mica - Cánh kiến (có hai loại: muxcovit - K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O và flogopit - K2O.3Al2O3.13SiO2.2H2O) có tính chịu dầu tốt nhưng chịu axit kém hơn; khả năng dẫn nhiệt kém; có điện áp đánh thủng cao và hoàn toàn chịu được phóng điện bề mặt. - Mica là những miếng cánh kiến có diện tích 10 - 60cm2, bề dày 0,006 - 0,1mm. Tính chất của mica phụ thuộc vào thành phần hợp chất của cánh kiến và chất keo kết dính. Mica dùng làm cách điện cổ góp, cách điện cuộn dây trong máy điện, cách điện ở các điện trở đốt nóng. Trang 42 - Micalex được làm từ bột cánh kiến trộn với bột thuỷ tinh, nén dưới áp lực lớn trong khuôn thép. Micalex dùng làm buồng dập hồ quang điện trong máy cắt, vỏ phích cắm ở bếp điện, các tấm đệm chịu được dao động. d) Vật liệu gốm sứ Sứ được chế tạo từ cao lanh - Al2O3.2SiO2.2H2O, fenspat - Al2O3.6SiO2.2K2O hoặc Al2O3.6SiO2.Na2O, thạch anh - SiO2. Steatit 3MgO.4SiO2.H2O hoặc 4MgO.5SiO2.H2O. Sứ và steatit được sử dụng ở cao thế, ống cách điện trong máy cắt, đế cách điện cho tháp anten, chi tiết cách điện và đỡ cho các phần tử đốt nóng, buồng dập hồ quang, tấm ngăn hồ quang ... e) Thuỷ tinh - Vải thuỷ tinh có tính chịu nhiệt cao; độ bền đứt lớn hơn vải bông nhiều lần; không hút ẩm; có khả năng chịu dầu, axit, bazơ; không bị mục; không hoá già; có độ bền cách điện cao. Vải thuỷ tinh dùng làm cách điện stato, động cơ điện sử dụng ở chỗ nóng, khí cụ điện làm việc ở nhiệt độ cao ... - Amiăng là chất cách điện có tính chịu nhiệt cao. Sợi amiăng mịn, dễ uốn, có thể tách thành sợi nhỏ hoặc bện thành sợi to, ép thành tấm. Giấy amiăng quintera chịu được axit, bazơ, dầu; có khả năng chống ẩm dùng làm cách điện cuộn dây biến thế khô. Giấy mica amiăng làm bằng mica dán trên giấy amiăng có tính chịu nhiệt và cách điện cao dùng làm cách điện cho cuộn dây điện trở, phần tử đốt nóng ... Ximăng amiăng được ép thành tấm có cơ tính tốt; có khả năng chịu nhiệt dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt, tấm ngăn ở bộ khống chế hình trống ... f) Cao su tổng hợp Bao gồm butadien, polycloropen, polyizobutilen, thiocol. Cao su tổng hợp có tính đàn hồi cao, không thấm nước, dễ uốn cong dùng làm cách điện ở dây dẫn điện, dây cáp điện ngầm, động cơ điện của dụng cụ cầm tay, dụng cụ gia dụng ... g) Nhựa Trang 42 Nhựa có trạng tha