Vật liệu điện - Chương 1 pdf

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 3

LI NểI U
Trong bt k mt ngnh sn xut no thỡ nguyờn vt liu gi mt vai trũ
vụ cựng quan trng, nht l i vi s phỏt trin vi tc chúng mt ca khoa
hc k thut thỡ nú ũi hi phi cú nhng vt liu mi ỏp ng c nhu cu
phc v cho s phỏt trin.
c bit i vi ngnh k thut in thỡ vt liu li gi mt vai trũ quyt
nh n s phỏt trin ca ngnh. Vỡ nu khụng cú vt liu cỏch in, vt liu
dn t thỡ khụng th ch to mt loi thit b in no dự l n gin nht.
Vi mt vai trũ quan trng nh vy v xut phỏt t yờu cu, k hoch o
to, chng trỡnh mụn hc ca Trng Cao ng Ngoi ng - Cụng ngh Vit
Nht. Chỳng tụi ó biờn son cun giỏo trỡnh Vt liu in gm 6 chng vi
nhng ni dung c bn sau:
- Nhng lý thuyt c bn ca vt liu in.
- Nguyờn nhõn cỏc hin tng vt lý xy ra trong vt liu in.
- Phõn loi vt liu in.
- Nhng c tớnh ch yu ca vt liu in.
Giỏo trỡnh Vt liu in c biờn son phc v cho cụng tỏc ging dy
ca giỏo viờn v l ti liu hc tp ca hc sinh.
Do chuyờn mụn v thi gian cú hn nờn khụng trỏnh khi nhng thiu sút,
vy rt mong nhn c ý kin úng gúp ca ng nghip v bn oc cun
sỏch t cht lng cao hn.

TC GI
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 4

Chơng I: Sự phân cực điện môi
I. cấu tạo vật chất

Vật chất đợc cấu tạo từ các hạt cơ bản: Proton, Notron và điện tử. Proton
mang điện tích dơng, điện tử mang điện tích âm còn Notron không mang điện
tích.
Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và Notron, các điện tử lấp đầt lớp
vỏ nguyên tử làm cân bằng điện tích dơng của hạt nhân.
Trong nguyên tử, điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác
định, khi quay trên quỹ đạo đó năng lợng đợc bảo toàn. Mỗi quỹ đạo ứng với
một mức năng lợng. Quỹ đạo gần hạt nhân ứng với mức năng lợng thấp, quỹ
đạo xa hạt nhân ứng với mức năng lơng cao hơn.
Khi điện tử chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì hấp thụ hay giải
phóng năng lợng. Các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành phân tử. Nguyên tử
mất một điện tử trở thành ion dơng. nguyên tử nhận đợc thêm một điện tử sẽ
trở thành ion âm. các chất lỏng, rắn, khí có thể đợc cấu tạo từ nguyên tử hay
phân tử hay ion.
1. Các dạng liên kết vật chất.
a) Liên kết đồng hoá trị
Là sự liên kết của một số nguyên tử thành phân tử nhở các điện tử góp
chung.
Ví dụ: O
2
, H
2
, Cl
2
sự liên kết đồng hoá trị làm cho lớp điện tử ở ngoài cùng
đợc lấp đầy, nên rất vững chắc, nó khó có thể mất hoặc nhân thêm điện tử. Vậy
các chất có cấu tạo theo kiểu liên kết này thuộc loại vật liệu cách điện tốt.
Trong liên kết đồng hoá trị đợc chia ra làm hai phần:
- Liên kết trung tính: Là liên kết đồng hoá rị có tâm của các điệ tích dơng
trùng với tâm điện tích âm.

Ví dụ: Lấy cấu trúc của phân tử Cl làm ví dụ: Phân tử này gồm hai nguyên
tử Cl.



Phân tử Cl có hai điện tử góp chung nh vậy nguyên tử Cl sẽ có thêm một
điện tử ở lớp ngoài, tổng có 8 điện tử lớp ngoài nên rất bền vững.
Cl

Cl

Cl

Cl

+

=

=

Cl

Cl

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 5

- Liên kết cực tính (lỡng tính): Là liên kết khi có tâm điện tích dơng
cách tâm điện tích âm một khoảng là a nào đó.

Ví dụ: HCl (Axit Clohyđric).



b) Liên kết ion
Là liên kết do lực hút giữa các ion dơng và các ion â với nhau, loại liên
két này có sức bền chảy cao và cơ giới cao.
Ví dụ: NaCl = Na
+
+ Cl
-

c) Liên kết Van - đec van.
Loại liên kết này thờng gặp ở loại vật liệu có mạng tinh thể không vững
chắc, có nhiệt độ nóng chảy thấp nh Parafin.
2. Thuyết miền năng lợng






Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất dẫn điện của nó có thể nằm trong
nhóm vật dẫn, bán dẫn hoặc điện môi. Sự khác nhau giữa các nhóm đợc biểu thị
bằng đồ thị năng lợng theo lý thuyết của các miền năng lợng của vật rắn.
- Miền đầy: Có nhiều điện tử, sự liên kết giữa điện tử và hạt nhân là bền
vững, tơng ứng với nguyên tử trạng thái không bị kích thích.
- Miền dẫn: Có nhiều điện tử tự do, các điện tử liên kết yếu với hạt nhân,
nó dễ bị chuyển động dới tác dụng của điện trờng (tơng ứng với nguyên tử bị
kích thích).

- Miền cấm: Điện tử tự do không có ở miền này.
a) Vật dẫn
Có miền đầy nằm sát với miền dẫn do đó điện tử trong kim loại đợc tự
do, nó có thể chuyển động từ miền đầy sang miền dẫn dới tác dụng của cờng
độ điện trờng (E) yếu đặt vào vật dẫn.
b) Bán dẫn
1. Miền đầy

2

1

2

3

1

2

3

1

2. Miền dẫn (rỗng)

3
. Miền cấm

H

Cl

Cl

H

+

=

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 6

Có miền cấm hẹp, vùng này có thể khắc phục đợc nhờ tác dụng của năng
lơng từ bên ngoài vào các điện tử ở vùng đầy có thể chuyển động sang vùng
dẫn đợc do vậy vật dẫn có thể dẫn điện.
c) Điện môi
Có miền cấm lớn, các điện tử khó có thể chuyển động từ miền đầy sang
miền dẫn đợc. Do đó điện môi muốn trở thành vật dẫn phải có từ trờng E
mạnh ở ngoài tác dụng vào.
II. sự phân cực của điện môi
Điện môi là tất cả các vật liệu cách điện, nó tồn tại ở các trạng thái: Khí,
lỏng, rắn. Một hiện tợng cơ bản phát sinh trong môi chất khi đặt vào nó trong
điện trờng đó là hiện tợng phân cực.
Sự phân cực của điện môi là sự chuyển dịch có hớng và có giới hạn của
các điện tích hoặc sự định hớng từng phần của các phân tử lỡng cực.
Các đại lợng phân cực là:
p(

) : Điện trở suất, điện dẫn suất


: Hằng số điện môi


(hoặc tg

) : Góc tổn hao điện môi
E
ct
: Cờng độ điện trờng chọc thủng
1. Hiện tợng phân cực
a) Phân tử trung tính







-

-

-

-

-

-

-

-

-

-


+ + + + + + +

Khi cú in trng tỏc dng

Bỡnh th
ng
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 7

b) Phõn t cc tớnh (lng cc)

Dới tác dụng của điện trờng, các điện tích liên kết của điện môi bị xoay
theo hớng của lực tác dụng vào nó, cờng độ điện trờng càng mạnh, điện tích
chuyển hớng càng mạnh. Điện tích dơng chuyển dịch theo hớng chuyển dịch
của điện trờng tác dụng, còn điện tích âm thì chuyển dịch theo hớng ngợc lai.
Khi không còn điện trờng tác dụng nữa thì các điện tích lại quay trở về trạng
thái ban đầu.
Trong điện môi lỡng cực tác dụng của điện trờng gây nên sự định hớng
tơng ứng các phần tử lỡng cực kết quả là trên bề mặt của điện môi hình thành
những lớp điện tích trái dấu nhau, ở mặt hớng về điện cực dơng xuất hiện lớp
điện tích âm, còn ở mặt hớng về điện tích âm thì xuất hiện lớp điện tích dơng
lúc này sự phân cực đ xong. Khi điện môi đó là một tụ điện đợc tích điện.
2. Hệ số điện môi (

)
ý nghĩa của điện môi: Là một đại lợng đánh giá sự phân cực mạnh hay
yéu của chất điện môi.
Xét điện môi bất kỳ có gắn các điện cực đợc cắm vào mạch điện đều có
thể xem nh là một tụ điện có điện dung xác địn nh ta biết, điện tích của tụ điện
sẽ là:
Q = C.U (1.1)
Trong đó: C là điện dung của tụ
U là điện áp đặt vào tụ điện.
Điện tích Q ở trị số điện áp cho trớc gồm hai thành phần:
Q = Q
0
+ Q (1.2)
Q
0

Là thành phần có ở điện cực nếu nh giữa các cực là chân không
Q Là thành phần tạo nên bởi sự phân cực điện môi giữa các điện cực
+ + + + + + +

+ + + + + + +

-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Khi cú in trng tỏc dng

Bỡnh th
ng
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 8

Một trong những đặc tính quan trọng nhất cảu điện môi cs ý nghĩa đặc biệt
đối với kỹ thuật là hằng số điện môi tơng đối. Đại lợng này là tỷ số giữa điện
tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi ấy khi điện áp đặt vào có một giá trị
nào đó với Q
0

là điện tích của tụ cùng kích thơc đặt dới điện áp cùng trị số
nhng giữa các điện cực là chân không.
1
Q
Q'
Q
QQ'
Q
Q
Q
Q

00
0
00
+=
+
===
(1.3)
Từ biểu thức (1.3) ta sẽ suy ra đợc hằng số điện môi tơng đối của bất kỳ
chất nào cũng lớn hơn 1 và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không.
Cần chú ý rằng giá tị hằng số điện môi của chân không phụ thuộc vào hệ
số đơn vị. Trong hệ CGDE nó bằng 1 còn trong hệ SI nó bằng:
)
m
F
(
36
6.
1

9
=

Giá trị hằng số điện môi tơng đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc
vào việc lựa chọn hệ đơn vị.
Trong những phần tiếp theo chính đại lợng hằng số điện mội này dùng để
đặc trng cho chất lợng của điện môi, nhng để ngắn gọn ta bỏ bớt chữ tơng
đối.
Nh vậy quan hệ 1.1 có thể biểu diễn dới dạng phơng trình:
Q = Q
0
= C.U = C
0
.U. (1.4)
Trong đó: C
0
: Điện dung của tụ điện đó khi giữa các điện cực là chân
không. Từ (1.4) rõ ràng hằng số điện môi của của một chất nào đó có thể đợc
xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi là chất đó với điện
dung của tụ điện cùng kích thớc nhng mội là chân không.
0
C
C
=

Vậy ta định nghĩa: Hằng số điện môi của một chất điện môi nào đó đợc
xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có điện môi làm bằng chất đó và
điện dung của tụ điện có cùng kích thớc nhng điện môi là chân không.
III. Các dạng phân cực của điện môi

Dựa trên nguyên tắc về thành phần, đặc điểm hoặc thời gian của sự phân
cực ngời ta chia phân cực ra các dạng sau:
1. Theo các loại phần tử tích điện tham gia vào quá trình phân cực.
a) Phân cực điện tử
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 9

Là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động
của cá điện tử dới dạng của điện trờng bên ngoài. Phân cực điện tử xảy ra ở tất
cả các nguyên tử, phân tử, ion. Đặc điểm của dạng phân cực này nó có thời gian
ổn định phân cực vô cùng ngắn 10
-14
ữ 10
-13
s.
b) Phân cực ion
Là dạng phân cực gây nên bởi sự xê dịch của các ion liên kết của các chất
điện môi dới tác dụng của điện trờng ngoài thời gian ổn định phân cực 10
-13
ữ
10
-12
s.
c)Phân cực lỡng cực
Là dạng phân cực gây nên bởi sự định hớng các phân tử có cự tính dới
tác dụng của điện trờng ngoài.
d) Phân cực kết cấu
Là loại phân cực xảy ra trong các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng
nhât. Trong gianh giới giữa hai môi trờng khác nhau của chất điện môi sẽ tích
luỹ một lợng điện tích gây ra sự phân cực, quá trình này kéo dài hàng phút đến

hàng giờ.
e) Phân cực tự phát
Là dạng phân cực của các điện môi Xec nhet. Nó có đặc điểm là tự phân
cực khi E ngoài bằng 0.
Dới tác dụng của điện trờng ngoài dẫn tới phân cực rất mạnh, cao có
tiêu tần năng lợng.
2. Theo các dạng tác dụng có các dạng sau:
a) Phân cực đàn hồi
Là dạng phân cực xảy ra do biến dạng đàn hôi của các phân tử. Phân cực
điện tử và phân cực ion là các phân cực đàn hồi.
b) Phân cực nhiệt
Là dạng phân cực mà điện môi có mômen cảm ứng dới tác dụng của bên
ngoài do sự phân bố không đối xứng của các điện tích khi chúng ở trạng thái
chuyển động nhiệt.
3. Theo vận tốc phân cực
Chia ra các dạng sau:
a) Phân cực nhanh: Gồm các phân cực điện tử, ion (không toả nhiệt)
b) Phân cực chậm: Nh phân cực kết cấu, thời gian xảy ra phân cực kéo
dài (có sự tổn thất năng lợng).
Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 10
4. Sơ đồ đẳng trị của điện môi
Sự phân cực của điện môi có thể xảy ra nhiều loại phân cực trong điện môi
đó hoặc có loạiu điện môi chỉ phân cực ở loại này hoặc loại khác. để biểu thị các
loại phân cực của điện môi ta dùng sơ đồ đẳng trị.

Trong đó:
- Nhánh Q
0
và C
0
đặc trng cho sự phân cực chân không.
- Nhánh Q
c
và C
c
đặc trng cho sự phân cực điện tử.
- Nhánh Q
i
và C
i
đặc trng cho sự phân cực ion dới tác dụng của điện
trờng (E) các ion của điện môi sẽ chuyển dịch.
- Nhánh Q
lcc
và C
lcc
đặc trng cho sự phân cực lỡng cực chậm dới tác
dụng của E các phân tử lỡng cực sẽ xoay theo hớng của điện trờng. Do đó sự
phân cực này có tiêu hao năng lợng nên trong sơ đồ điện dung C đợc nối tiếp
với điện trở, điện trở R này đặc trng cho sự tiêu hao năng lợng cho sự phân
cực gây ra.
- Nhánh Q
ic

, C
ic
và R
ic
đặc trng cho sự phân cực ion chậm, loại này có
các ion liên kết yếu trong mạng tinh thể sẽ chuyển dịch khi có điện trờng tác
dụng.
- Nhánh Q
ic
, C
ic
và R
ic
đặc trng cho sự phân cực chậm.
- Nhánh Q
kc
, C
kc
và R
kc
đặc trng cho sự phân cực kết cấu, loại phân cực
này chỉ xảy ra đối với các loại điện môi rắn có kết cấu không đồng nhất.
- Nhánh Q
tp
, C
tp
và R
tp
đặc trng cho sự phân cực tự phát, loại này xảy ra
đối với các loại điện môi rắn có kết cấu ion gọi là điện môi Xe Nhít. Sự phân

cực tự phát kèm theo khuếch tán năng lợng đáng kể tức là tỏa nhiệt.
-
Nhánh có R
cd
là điện trở cách điện đặc trng bởi dòng điện rò qua điện
môi.

R
cd

U

Q
i
C
i
Q
c
C
c
Q
0
C
0
R
kc

Q
kc

C
kc

R
tp
Q
tp
C
tp
R
cc

Q
cc

C
cc
R
ic
Q
ic
C
ic
R
lcc

Q
lcc
C
lcc

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 11
IV. hệ số điện môi của các loại môi chất
1. Hằng số điện môi của điện môi khí
Các chất khí có đặc điểm là mật độ rất bé, khoảng cách giữa các phân tử
lớn. Nhờ đó sự phân cực chất khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất
khí gần bằng 1. Sự phân cực của chất khí có thể là thuần tuý điện tử hoặc lỡng
cực nếu phân tử khí đó có cực tính. Nhng ngay đối với khí có cực tính, sự phân
cực điện tử vẫn có ý nghĩa chủ yếu.
2. Hằng số điện môi của chất lỏng
So với môi chất khí môi chất lỏng có kết cấu phức tạp hơn nhiều nên quá
trình phân cực trong chất lỏng cũng phức tạp hơn, do đó ta có thể phân làm hai
loại moi chất lỏng sau:
a) Môi chất lỏng trung tính (Dầu Máy biến áp, Benzen )
Trong môi chất này chủ yếu xuất hện loại phân cực tức thời, trị số 2,5
Ví dụ: Dầu Máy biến áp = 2,2
Dầu Benzen = 2,48
Đối với chất lỏng trung tính thì phụ thuộc vào nhiệt độ (hình vẽ 4.1) còn
tần số lại không ảnh hởng đến .







b) Môi chất lỏng có cực tính
Môi chất lỏng này có kết cấu là những phân tử không trung hoà về điện
hoặc kết cấu lỡng cực.
Ví dụ: Nớc cất, dầu thầu dầu, sơn Sôn vô

Tên gọi chất lỏng
ở t
0
= 20
0
C và f = 50Hz
Thầu dầu 4,5
Xô vôn 5,0

* Xét quan hệ của với nhiệt độ: = f(t)
t
0
sôi



t
0


f

0

0



Hình vẽ 4.1

Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 12
- Khi nhiệt dộ tăng đến t
1
thì tăng nhng tăng chậm, tiếp tục tăng đến
nhiệt độ t
2
thì tăng nhanh
- Nếu tăng nhiệt độ t
0
> t
0
2
thì giảm, nh vậy đờng biến thiên có một
điểm cực đại ứng với điện môi lỏng ở trạng thái vật lý cực tính. Trạng thái vật lý
đó là do sự cộng hởng của hai dao động do nhiệt và do điện trờng tác động (do
cản trở của nhiệt độ làm cho sự phân cực khó khăn vì vậy khi t
0
tăng sẽ làm cho
giảm).
* Xét quan hệ của với tần số: = f() hoặc = F(f)
Ta thấy giảm vì f thay đổi tức là khi f tăng thì sự xoay hớn của cá phân
tử lỡng cực càng khó khăn. Nếu f tăng đến giá trị giới hạn nào đó thì sự phân
cực trở lên không hoàn thành và giảm.

3. Hằng số điện môi của chất rắn
a) Môi chất rắn có kết cấu phân tử trung tính (Parafin, lu huỳnh ) và các
môi chất rắn có kết cấu tinh thể chặt chẽ (NaCl, Al
2
O
3
).
Loại môi chất này có kết cấu trung tính và kết cấu ion chặt chẽ nên chỉ có
phân cực tức thời của điện tử ion.
Tên gọi vật liệu

Hệ số khúc xạ

n
2

Parafin
1,43 2,06
1,9 ữ 2,2
Polistirol
1,55 3,4
2,4 ữ 2,6
Lu huỳnh
1,92 3,60
3,6 ữ 4,0
Kim cơng
2,40 5,76
5,6 ữ 5,8

* Xét khi nhiệt độ tăng
- Với môi chất có kết cấu phân tử trung tính (ví dụ: Parafin) ta thấy trị số
giảm do mật độ phân tử giảm đến nhiệt độ nóng chảy của môi chất thì càng
giảm xuống mạnh, vì mật độ phân tử lức đó có sự giảm nhảy vọt (ví dụ Parafin
có nhiệt độ nóng chảy ở t
0
= 50
0
C).

max

0

t
0

t
0
1
t
0
2


0

f

lc


Giáo trình Vật liệu điện
Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 13
- Môi chất có kết cấu ion chặt chẽ. Khi nhiệt độ tăng thì khả năng cực hoá
tăng hơn sự giảm của mật độ phân tử do vậy mà tăng.
b) Môi chất rắn có kết cấu tinh thể yếu (tức kết cấu ion không chặt chẽ)
Môi chất có kết cấu cực tính (nh vật liệu Xenlulô, cao su, cao phân tử )
ngoài phân cực tức thời còn có thể có sự phân cực chậm. Do đó quan hệ phụ
thuộc của với niệt độ và tần số cũng giống nh môi chất lỏng cực tính.
c) Môi chất rắn có kết cấu phức tạp
Đây là môi chất thờng gặp trong thực tế. Kết cấu của nó gồm nhiều thành
phần có trị số khác nhau.
Trị số của loại môi chất này đợc xác định gần đúng nh sau:

x
=
1

x
1
+
2

x
2

Trong đó: ,
1
và
2
tơng ứng với hằng số điện môi của hỗn hợp và của
các thành phần riêng

1
,
2
: Nồng độ theo thể tích của các thành phần thoả mn biểu thức

1
+
2
= 1
x: Hằng số đặc trng cho sự phân bố của các thành phần và giá trị
từ +1-1.
- Khi mắc nối tiếp các thành phần x = -1 ta có:
2
2
1
1





1
+=

- Khi mắc song song các thành phần x = -1 biểu thức có dạng:
=
1

1
+
2

2