bài giảng vật liệu điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







Bài giảng
VẬT LIỆU ĐIỆN
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Mã môn học: ELE309
Số tín chỉ: 02
Sử dụng cho năm học: 2014 - 2015






Biên soạn: ThS. NGUYỄN TIẾN DŨNG

Thái Nguyên – 2014
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 2
Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI
1. Cấu tạo nguyên tử
Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử. Hạt
nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh
hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt
nhân. Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất.
Mô hình nguyên tử của Bohr.
Trong nguyên tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những
quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ
đạo đó năng lượng được bảo toàn.

Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân
có mức Nlượng nhỏ và ngược lại.
Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc
giải phóng năng lượng.
Theo cơ học lượng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm
sóng. Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó
điện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây.
2. Các dạng liên kết
a. Liên kết cộng hoá trị:
Là mối liên kết của các nguyên tử hình thành phân tử bằng cách góp chung vác
điện tử.
Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau là phân tử trung tính
(trung hoà). Các chất cấu tạo từ các phân tử này gọi là chất trung tính.

Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương không trùng nhau là phân tử lưỡng
cực (cực tính).
Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l. Được tính
bằng tích số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương.
b. Liên kết ion:
Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na
+
+ Cl
-

Vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và
nhiệt độ nóng chảy tương đối cao.
c. Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu
tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung. Lực hút giữa các
ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện
dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt
lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
d. Liên kết Vanđecvan:
Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 3
Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa,
mạng tinh thể không vững chắc. Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy
thấp như: Parapin
3. Phân loại vật liệu
a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng
các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác

nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng
thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy)
còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử
nhận năng lượng từ bên ngoài. Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban
đầu và phát ra năng lượng thừa.
Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do
sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện
nhiều mức năng lượng mới nắm gần nhau
trong phạm vi một lớp. Các mức năng lượng
đó tạo nên các dải năng lượng khác nhau.
Trong đó người ta quan tâm đến hai dải chính
đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử)
và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng
này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi
“dải cấm”.

Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu.
Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn
điện bằng điện tử không xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ
1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10
-19
J)
Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn
năng lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV
Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng
lượng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần. Vì vậy chỉ cần một tác
động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái.
b. Phân loại theo từ tính: 3 loại.
Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngoài. Ví dụ: Cu, Ag, Au, H

2
, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, …
Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 (  1) và không phụ thuộc vào cường
độ từ trường ngoài. VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm
Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngoài. Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng.
Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a),
và của vật rắn (b).
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 4
PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG
Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện
trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện
trường ), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ
ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng
với bản chất vật lý rất khác nhau. Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng
dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi.
Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết
hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực.
Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá
bằng hằng số điện môi  và góc tổn thất điện môi  (nếu quá trình phân cực kèm
theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên)
Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động
của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày
điện môi và theo bề mặt của nó. Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên
tính dẫn điện của điện môi.
Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho
điện môi nóng lên. Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện

môi, tg
Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp
nhất định. Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện môi sẽ bị đánh thủng, vật liệu
mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện. Được đánh giá thông qua độ bền điện E
đt

Trong quá trình vận hành ngoài tác động của điện trường, điện môi còn chịu
tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời
gian các tính chất cơ, lí, hoá và điện của điện môi bị thay đổi (thường là kém đi) -
đó là sự hoá già điện môi.
Chương I
SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
1.1. SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI

1. Sự phân cực điện môi
Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch
điện. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích
của điện môi dịch chuyển về các điện cực cùng chiều
hoặc ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu của chúng.
Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng
theo hướng điện trường.
Hình 1.1. Hiện tượng phân cực điện môi
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 5
Khi điện trường càng tăng mật độ di chuyển càng lớn, sự phân cực càng
mạnh. Khi điện trường giảm sự phân cực giảm dần cho đến khi điện trường ngoài =
0 thì các điện tích trở về trạng thái ban đầu.
Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện
cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu. Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ
E

’
ngược chiều với điện trường ngoài.
Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem
như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:
Q = C.U với C: Điện dung của tụ
U: Điện áp đặt vào tụ
Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q
0
+ Q’ (1.1)
Q
0
: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không.
Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi.
2. Hằng số điện môi
Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng
số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi”. Nó được dùng để
đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị.
00
0
0
Q
'Q
1
Q
QQ
Q
Q


 (1.2)

Hằng số điện môi là tỷ số giữa điện tích của tụ chứa điện môi ấy khi có điện
áp xác định với điện tích của tụ cùng kích thước cùng điện áp nhưng giữa các cực là
chân không.
1.2. CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI
1. Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực
điện môi
*) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy ra tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không
phát tán năng lượng. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện.
*) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy ra tức thời, tăng giảm 1 cách chậm
chạp và có kèm theo sự phát tán năng lượng trong điện môi và làm cho điện môi
nóng lên. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện mắc nối tiếp một
điện trở.
2. Các cơ chế phân cực
Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một
loại điện môi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau.
a. Phân cực điện tử nhanh
Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử
hoặc ion. Thời gian xảy ra rất nhanh (t  10
-15
s) do đó sự phân cực điện tử được coi
là tức thời. Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất
năng lượng.
Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R
0
:  = 4..
0
R
0
3
(1.5)

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 6
b. Phân cực ion nhanh
Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn
hồi của các ion liên kết. Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng. Thời gian xác lập phân
cực này: t  10
-13
s.

Hệ số phân cực:  = 4..
0
(a/2)
3
(1.6)
Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi
0E


c. Phân cực Lưỡng cực chậm
Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực. Các phân tử lưỡng cực ở
trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của
điện trường gây nên sự phân cực. Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng
được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng.
Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:
KT
m
lc
3
2
0



(1.7)
Với: m
0
- mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38. 10
-23
J/
0
K – hằng số
Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối.
d. Phân cực ion chậm
Xảy ra trong các điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc giữa các
ion không chặt chẽ. Các ion liên kết yếu của chất trong khi chuyển động nhiệt hỗn
loạn còn nhận thêm các chuyển dịch thừa theo hướng điện trường.
Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion
ràng buộc không chặt.
Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật
hàm số mũ.
Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ.
e. Phân cực điện tử chậm
Đặc trưng cho các điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có
tính dẫn điện - điện tử. Nói cách khác: là các điện môi có các điện tử khuyết tật thừa
hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng.
Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả
khi nhiệt độ âm.
f. Phân cực cấu kết cấu
Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất và khi có tạp chất. Sự phân
cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể. Nguyên nhân
của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật,

sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau.
g. Phân cực tự phát
Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch
tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt).
 của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện
trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 7
*) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ
các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ.

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi
Trong đó: U là điện áp nguồn.
Nhánh 1: Điện dung C
0
và điện tích Q
0
của tụ khi điện môi là chân không.
Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện
tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân
cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu).
Nhánh 9: R
CĐ
là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi.
Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi.
1.3. HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN
1. Hằng số điện môi của điện môi khí
Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không
đáng kể và hằng số điện môi của chất khí  = 
2

 1.
Bảng 1.1: Hằng số điện môi của 1 số điện môi khí
Tên khí

Hêli Hyđro Ô xi Agon Nitơ Cacbonic

1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096
Để xác định hằng số điện môi, ta có thể sử dụng phương trình Claudiut-
Môxôpchi:
0
.3
.
2
1




N



(1.8)
Đối với điện môi khí 1, nên (1.8)
00

.
1
.
1






TK
PN

(1.9)
Với
TK
P
N
.
 là mật độ phân tử, P (at), T(
0
K),  là hệ số phân cực
* Với điện môi khí trung tính:
Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  = 
e
=4..
0
R
0
3

Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng
lớn, hằng số điện môi càng lơn.
Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P),
tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2.

Hình 1.2: Quan hệ

=f(P), khi T là hằng số và

=f(T), khi P là hằng số
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 8
Để đánh giá ảnh hưởng của  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng
số điện môi:
dt
d1
TK




[độ
-1
] (1.10)
Với chất khí trung hòa : 0
.
)1(1

TdT
d
TK








 (1.11)
*Với chất khí cực tính tồn tại hai cơ chế phân cực chính đó là cơ chế phân cực
điện tử nhanh (là chủ yếu), và cơ chế phân cực lưỡng cực chậm. Do vậy  = 
e
+
lc,

phương trình (1.8) 
0
2
2
0
00
.).(3
.

.
1)(1





TK
mP
TK
PN

e
lce
 (1.12)
Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất
và nhiệt độ.
Hệ số nhiệt của hằng số điện môi :
T.T.
TK







2
1
(độ
-1
) (1.13)
2. Hằng số điện môi của điện môi lỏng
Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phân thành hai nhóm: Điện
môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện môi lỏng cực tính
(Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …)
*. Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính
Điện môi của chất lỏng trung tính được đặc
trưng bởi phân cực điện tử nhanh
do vậy  
2
2÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số.

Hình 1.3. Quan hệ giữa

của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số
Về trị số tuyệt đối TK

của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể
tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu).




v
TK
dT
d
TK











3

211
(độ
-1
) (1.14)
với TK
v
=
dT
dV
V
1
là hệ số nhiệt của thể tích.
*. Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính
Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực
chậm (chủ yếu).
Có nhiều thuyết đưa ra để tính  của điện môi cực tính, nói chung việc tính 
của chất lỏng cực tính rất phức tạp. Mỗi công thức trên đều kèm giả thiết nên đều có
tính chất gần đúng. Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:
















KT
m
N
e
332
1
2
0
0
(1.15)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 9
Quan hệ giữa  và nhiệt độ của chất lỏng lưỡng cực phức tạp hơn của chất
lỏng trung hoà. Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi rất ít. Sau đó tăng mạnh theo
đường dốc đứng đạt cực đại rồi giảm dần. Nhiệt độ mà
ở đó  tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt
giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả năng tự định
hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện môi.
Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển
động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng
theo chiều điện trường.
Bảng 1.2: Hằng số điện môi của 1 số điện môi lỏng
Tªn chÊt láng


Điện môi lỏng trung tính Điện môi lỏng cực tính yếu
Dầu biến áp Ben zen Tuluen

Thầu dầu Xôvôn

Xôvtôn

(20
0
c , 50hz)
2,2 2,218 2,294
4,5


5,0


3,2


3. Hằng số điện môi của điện môi rắn
Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu trúc và thành phần, do vậy
hằng số điện môi có giá trị lớn và nằm trong một dải rộng.
a. Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà
Điện môi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử:
=
2
, là loại có  bé nhất. Quan hệ của  theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi
số phân tử trong 1 đơn vị thể tích.
Hệ số nhiệt của hằng số điện môi vẫn có thể tính theo công thức (1.14)
b. Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion
Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân

cực điện tử và ion nhanh. Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng.
Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy
ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có
giá trị dương.
Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion
không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn
có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp đặc trưng
bằng  không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn.

c. Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính
Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các
sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong Ngoài ra còn các chất nhựa
hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac ) và cả nước đá. Hằng số
điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào
giống ở các chất lỏng lưỡng cực.
Hình 1.5: Quan hệ

=f(t
0
) của sứ cách điện
Hình 1.4:

=f(t
0
), f
1
<f
2
<f
3

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 10
d. Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất
Điện môi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác
nhau.  của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo công thức tổng quát:

x
= 
1

1
x
+ 
2

2
x
(1.16a)
Trong đó: , 
1
, 
2
là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần;

1
, 
2
là nồng độ theo thể tích của các thành phần: 
1
+ 

2
= 1
x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1
Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương
của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1   = 
1

1
+ 
2

2
(1.16b)
Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của
điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 
2
2
1
1
1







(1.16c)
Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln = 
1

ln
1
+ 
2
ln
2
(1.16d)
Trường hợp tổng quát ta có tổ hợp cách điện gồm n chất điện môi khác nhau
thì ta tính  cho từng cặp 2 chất một rồi tính tiếp cho đến n chất.
Hệ số nhiệt của  của tổ hợp cách điện: TK

= TK
1

1
+ TK
2

2
(1.17)
e. Hằng số điện môi của điện môi Xenhit:
 rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ.
Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện
biến đổi chậm sau cường độ điện trường)
Nhiệt độ mà ở đó  đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri. Với nhiệt độ lớn hơn
nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu không còn nữa.  không phụ thuộc
cường độ điện trường nữa.
Bảng 1.3: Hằng số điện môi của 1 số điện môi rắn
Tên ch
ất

rắn
Điện môi rắn trung tính Điện môi rắn cực tính
Parafin Lưu
huỳnh
Kim
cương
Nhựa
Fênolfoman
đêhit
Sáp Galovac Xenlulo
 (20
0
c,
50hz)
1,9 - 2,2 3,6 - 4 5,6-5,8

4,5 5,0 6,5
Tên ch
ất
rắn
ĐM rắn có kết cấu tinh thể Ion Điện môi rắn Xéc - nhét

Muối mỏ
(NaCl)
Cương
ngọc
(Al
2
O
3

) .

Rutin
(TiO
2
)
Muối
Xéc -nhét
Barimetatitanat

Barimetatitanat
có thêm ch
ất phụ
gia
 (20
0
c,
50hz)
6 10 110

500 - 600

1000 - 1500 7000 - 9000


Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 11
Chương 2
TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

2.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng
quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc
trong vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong
điện môi.
Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích
tự do làm xuất hiện các dòng điện rò

có trị số nhỏ.
*) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E,
điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy
dòng biến thiên theo thời gian và: i = i
rò
+i
pc
(2.1)
Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình
2.2
Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn
thành chỉ còn dòng điện rò chạy qua điện môi. Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong
suốt thời gian có điện áp.
Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất
lượng của vật liệu cách điện
Điện trở thật của điện môi R
cđ
tính như sau: R
CĐ
=



pc
ii
U
(2.2)
i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào
i
PC
: Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên
Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện môi
thường được tính:
'
I
U
R
CĐ
 (2.3)
Với I’ là dòng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều.
Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí,
lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh.
Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối

v
và điện trở suất mặt 
s
.
Về trị số điện trở suất khối 
v
bằng điện trở của khối lập phương có cạnh
bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó. (cm). Với mẫu vật

liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có:
v v
S
R
h
  (cm) (2.4)
(với: R
v
là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm
2
), h là
chiều dày khối mẫu (cm)). Điện dẫn suất khối
1

vv

(
-1
cm
-1
).
Hình 2.1

Hình 2.2

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 12
Về trị số điện trở suất mặt 
s
bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của

vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vuông đó. (). Có thể tính
điện trở suất mặt 
s
theo công thức:
l
d
R
ss
 () (2.5)
(R
s
là điện trở bề mặt của mẫu vật liệu giữa các điện cực song song có chiều
rộng d nằm cách nhau 1 khoảng l),
1

ss

(
-1
).
2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ
Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm.
Những điện tích này được tạo nên nhờ quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên
Quá trình ion hóa là quá trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi
phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngoài. (bức xạ mặt trời, các
tia phóng xạ, điện trường ). Quá trình ion hóa tự nhiên là quá trình ion hóa xảy ra
dưới tác động của các yếu tố tự nhiên.
Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo
thành phân tử trung hòa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon.
Số lượng điện tích xuất hiện trong quá trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do

vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó
là những điện môi tốt. do nào đó quá trình ion
hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện môi khí
tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể.
Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được
thể hiện như hình vẽ 2.3
Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến
tính
Khi điện áp đạt giá trị U
1
các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực
và bị trung hoà trên các điện cực (dòng bão hoà).
Khi điện áp đạt giá trị U
2
(giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm
cho dòng trong chất khí lại tăng.
Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm
khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo
thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dòng tăng lên
theo hàm số mũ.
2.3. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG
Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của
chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện
môi lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của
các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo.
2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng.
Hình 2.3
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 13
Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện

không chỉ do quá trình 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 kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại một số lượng
tạp chất nhất định. Thông thường các phân tử tạp chất rễ bị phân
ly hơn các phân tử của chính điện môi đó. Do vậy điện dẫn của
điện môi lỏng bao gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn
của tạp chất.
Trên hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa dòng và áp của
điện môi lỏng.
Đường (1): Đặc tuyến V-A của điện môi lỏng có chứa
nhiều tạp chất. Trên đồ thị ta không thấy dòng điện bão hòa,
dòng điện tăng tuyến tính với

Hình 2.4: Đặc tính
V-A của điện môi
lỏng
điện áp đến giá trị U
th
, sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng
theo hàm mũ, I tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môi lỏng.
Đường (2): Các chất lỏng tinh khiết (Được điều chế trong phòng thí nghiệm),
trên đường đặc tuyến V-A vẫn xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hòa của
điện môi khí.
Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ
tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, lực liên kết giữa các
phân tử giảm, độ nhớt cũng giảm theo, mức độ phân ly của các phân tử do nhiệt sẽ
tăng lên và làm tăng điện dẫn của điện môi lỏng.
Bảng 2.1: Giá trị điện trở suất khối (

v

) và hằng số điện môi (

) của một số điện môi lỏng
Chất lỏng Cấu tạo
Điện trở suất khối

v

(

cm) ở 20
0
C


Ben zen
Dầu biến thế
Dầu xăng
Trung hoà
10
13

- 10
14

10
12

- 10
15

10
12

- 10
15

2,2
2,2
2,0
Xôvôn
Thầu dầu
Cực tính yếu
10
10

- 10
12

10
10

- 10
12

4,5
4,6
Axêtôn
Rượu Êtylíc
Nước cất

Cực tính mạnh
10
6

- 10
7

10
6

- 10
7

10
5

- 10
6
22
33
82
2.3.2. Điện dẫn điện di
Được tạo nên bởi sự chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích
dưới tác dụng của điện trường bên ngoài
Điện môi lỏng chứa các tạp chất ở dạng keo, xơ, sợi, bụi bẩn, huyền phù lơ
lửng bên trong, do quá trình chuyển động nhiệt các tạp chất này ma sát với phân tử
điện môi và chúng bị nhiễm điện. Tùy theo () của tạp chất lớn hay nhỏ so với ()
của điện môi lỏng mà tạp chất có thể bị nhiễm điện tích dương hay âm.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 14

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích này sẽ chuyển động (Khối
điện tích + sẽ chuyển động về phía bản cực – và ngược lại), chúng tạo nên dòng
điện dẫn điện di. Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của khối mang điện
tích dưới tác dụng của điện trường. Đối với điện áp một chiều, sẽ xảy ra hiệu ứng
lam sạch điện môi, với điện áp xoay chiều thì không có.
Ngoài những yếu tố trên thì điện dẫn của điện môi lỏng còn phụ thuộc vào
tính chất cực tính của điện môi. Điện dẫn của điện môi sẽ tăng lên nếu () lớn.

2.4. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI RẮN
2.4.1. Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc mạng lưới nguyên tử phân tử.
Trong các điện môi có mạng lưới nguyên tử hoặc phân tử tính dẫn điện chỉ tồn
tại khi có tạp chất.
Trong các chất kết tinh có mạng phân tử (lưu huỳnh, parafin ) điện dẫn xuất
nhỏ và được xác định chỉ bởi tạp chất.
Điện dẫn của các chất không định hình liên quan trước hết đến thành phần của
chúng. Các chất hữu cơ cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc mạnh vào các yếu
tố: thành phần hoá học, các tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hoá Các thuỷ
tinh vô cơ hợp thành 1 nhóm lớn các chất không kết tinh. Độ dẫn điện của nó liên
quan chặt chẽ tới thành phần hoá học, cho phép nhận được điện dẫn xuất theo yêu
cầu định trước.
Nếu đưa vào thành phần của thuỷ tinh những axít kim loại kiềm sẽ làm điện
dẫn suất tăng mạnh, độ tăng phụ thuộc vào bán kính của các ion: bán kính nhỏ thì
điện dẫn suất tăng nhiều hơn. Nếu đưa vào các a xít kim loại nặng (bari, chì ) sẽ
làm giảm đáng kể điện dẫn suất của thuỷ tinh.
Điện dẫn suất của các điện môi rắn xốp khi bị hút ẩm với 1 lượng không
đáng kể cũng tăng lên rất mạnh.
Điện dẫn của nhóm điện môi này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm không khí
Bảng 2.2: Ảnh hưởng của độ ẩm không khí (

%), và nhiệt độ tới


v
của điện môi rắn

xốp

Tên vật liệu
Điện trở suất khối

v
(

cm)
Độ ẩm tương đối
%=0%, t=20
o
C

%=70%, t=20
o
C

%=0%, t=100
o
C
Đá hoa
10
14

10

16
10
8

10
10
10
12

10
14

Gỗ
10
13

10
14
10
8

10
9
10
12

10
13

Phíp

10
13

10
14
10
8

10
9
10
10

10
11


2.4.2. Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion.
Trong điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu
do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển
động nhiệt.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 15
Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất).
Ở nhiệt độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng.
Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường
tương đối thấp. Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng
xuất hiện dòng điện từ trong điện môi tinh thể. Dòng này sẽ tăng nhanh khi cường
độ điện trường tăng.
2.4.3. Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn

Khi điện môi rắn đăt trong môi trường khí hoặc lỏng, trên bề mặt điện môi rắn
tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn hay lớp nước gây nên.
Các điện tích này sẽ tạo nên dòng điện dẫn bề mặt
Điện dẫn này phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lớp ẩm, lượng tạp chất, tình
trạng bề mặt và bản chất của điện môi.
Trị số độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh là yếu tố quyết định đối
với điện dẫn suất mặt của điện môi. Khi độ ẩm tương đối > 60  80% thì điện dẫn
suất mặt tăng rõ rệt.
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 vật liệu thành 3 nhóm:
+ Điện môi không hoà tan trong nước: Các điện môi trung hoà và cực tính yếu
không bị nước thấm ướt (parafin, polystirol ). Các điện môi có cực tính bị nước
thấm ướt (1 số loại gốm). Loại này có điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc độ ẩm
của môi trường xung quanh (điện môi cực tính chỉ có thể có điện trở suất bề mặt cao
trong môi trường ẩm nếu bề mặt không bẩn).
+ Điện môi hoà tan 1 phần trong nước (thuỷ tinh kỹ thuật): có điện trở suất
mặt thấp hơn và phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.
+ Điện môi có cấu tạo xốp (sợi, chất dẻo, đá hoa ): Trong môi trường ẩm
loại này có điện dẫn suất mặt lớn.
*) Nhận xét: Muốn nâng cao điện trở suất mặt người ta dùng phương pháp
làm sạch bề mặt: Rửa bằng nước, bằng các chất hoà tan, xấy khô trong chân không
(ở 600  700
0
C) sau đó ngâm trong sơn tẩm hoặc dầu, sử dụng sơn quét hoặc tráng
men, thường xuyên vệ sinh thiết bị nếu có thể, cũng có thể đun lâu trong nước cất
với những vật liệu không thấm nước.

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 16
Chương 3
TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản
ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi
nóng lên khi có điện trường tác động.
Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện môi chủ yếu do
dòng điện rò: P = R.I
2
(3.1)
Đối với điện áp xuay chiều tổn thất do cả dòng điện rò và dòng phân cực gây
nên

cos IUP  (3.2a)
Từ hình vẽ 3.1 ta thấy

tgCUtgIUIUIUP
CRtt
cos
2
 (3.2b)
Với




1
CRI
I
tg
C
R

(3.3a)
Từ (3.2b), ta nhận thấy công suất tổn thất tỷ lệ thuận với tg, do vậy tg được
gọi là “Hệ số tổn thất công suất”
Khi điện môi có tổn thất điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện môi
tăng, đến một giá trị nào đó vượt mức cho phép làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt,
và mất tính chất cách điện, người ta gọi đó là hiện tượng phóng điện vì nhiệt
Tổn thất điện môi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu
hằng số điện môi lớn thì tổn thất điện môi cũng lớn.
Công thức (2.2b) có thể viết

tgCUP
0
2
 (3.2c)
Ngoài ra tổn thất điện môi còn có thể được xác định thông qua “suất tổn hao”,
đó là giá trị công suất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao.

3.2. CÁC DẠNG TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.2.1. Tổn thất điện môi do điện dẫn rò.
trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới
tác dụng của điện trường chúng tạo nên dòng rò. Trong điện môi rắn có dòng điện

rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện
khối. Nếu dòng rò lớn thì tổn hao có giá trị đáng kể.



10.8,1
12
f
tg  (3.4)
Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và
tăng theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ:
t
e



.
11
0

(3.5)
Với 
0
là điện dẫn suất ở 25
0
C và P= 1 at,  - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (
0
C)
3.2.2. Tổn thất điện môi do phân cực.
Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện môi có cấu tạo lưỡng cực

và các điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ.
Hình 3.1
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 17
Tổn thất điện môi do phân cực chậm được gây bởi sự phá huỷ chuyển động
nhiệt của các hạt dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường. Sự phá huỷ này làm
năng lượng tiêu tán và điện môi bị nóng lên. Tổn thất phân cực chậm tăng theo tần
số của điện áp đặt. (Rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao)
Quan hệ của tg=f(t
0
) của các điện môi cực tính có giá trị cực đại ở nhiệt độ
nào đó, đặc trưng cho mỗi loại.
3. Tổn thất do ion hoá.
Dạng tổn thất thấy rõ trong điện môi khí hoặc trong các điện môi lỏng và rắn
nhưng có tồn tại các bọt khí. Trong quá trình ion hóa, các phân tử khí tiếp thu năng
lượng điện trường và gây tổn thất điện môi. Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm
điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn
hao điện môi lớn.
Tổn hao có thể tính theo công thức: P
i
= A.f. (U - U
0
)
3
(3.6)
Với UU
0
, A - Hằng số, f - Tần số điện trường
U, U
0

: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá
4. Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi.
Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên
hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo
yêu cầu định trước các thuộc tính của nó. Do đặc điểm cấu tạo nên không có công
thức chung để tính tổn thất.
VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa không khí và
tạp chất ẩm
Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối
tiếp nhau. Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau. Trị số tg của
điện môi nhiều lớp khi đó có thể tính:
21
2112
CC
tgCtgC
tg


 (3.7)
3.3. SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.3.1. Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ
Bất kỳ một khối điện môi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối
tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải khô
lý của các quá trình diễn ra trong điện môi. Nghĩa là công
suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất  không đổi.

I
Hình 3.2. Sơ đồ thay thế
và đồ thị véc tơ

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 18
3.3.2. Cách xác định tổn thất điện môi.
*) Sơ đồ nối tiếp
1) (

.
.
1
cos
2
2
2







nn
n
n
CRtt
CR
tgCU
tg
C
ItgUIUIIUP (3.8)
Với



nn
C
R
CR
U
U
tg 
(3.9)
*) Sơ đồ song song
Từ (3.2) và (3.3a) ta có:

tgCUP
stt

2
 (3.2d)
Với



1
ssC
R
CRI
I
tg 
(3.3b)
*) Cân bằng (3.8) với (3.2d) và (3.9) với (3.3b) ta có

1
1
1) (
1
22





tgCR
C
nn
s
và
)
1
1(
2

tg
RR
ns

(3.10)
Công thức (3.10) cho ta mối quan hệ thông số mạch song song và nối tiếp.
3.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện môi, trong đó có
bốn yếu tố quan trọng nhất, đó là: Nhiệt độ, tần số điện trường, độ ẩm không khí, và
giá trị điện áp.

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi.
Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho
các tính chất của điện môi thay đổi.
Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do
dòng điện rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo công thức sau:
t
t
eA
e
tg
.
0
.
0
0
.

.










(3.11)
Với

9
0
10.9 4


 (F/m) hằng số điện môi tuyệt
đối của chân không, 

Hằng số điện môi đo ở tần số
cao vô cùng,  tần số góc,  và 
0
- điện dẫn suất tại
nhiệt độ t và tại t
0
=25
0
C, P=1 at,  - hệ số mũ
Từ (3.11) ta nhận thấy, khi  là hằng số, tg =f(t
0
) có dạng đường số (1) hình 3.3
Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ
yếu do dòng phân cực gây nên, tg có thể tính theo
công thức (3.12)
22

.).(









bd
bd
tg
(3.12)
Với 
bđ
– Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một
chiều),  - Thời gian tích thoát năng lượng, nó tăng
Hình 3.4: tg

=f(

)
Hình 3.3: tg

= f(t
0
)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 19
tuyến tính với thời gian và ngược lại. Do vậy tg =f(t
0
), khi  là hằng số có dạng
đường số (2) hình 3.3.
Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện môi do cả
dòng rò và dòng phân cực gây nên. tg=f(t

0
) khi  là hằng số có dạng đường số
(3)=(1)+(2), hình 3.3.
2. Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện môi.
Đối với điện môi trung tính hoặc cực yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng
điện rò gây nên, tg có thể xác định theo (3.11), khi t
0
là hằng số thì  cũng là hằng
số, do vậy tg =f() có dạng đường số (1) hình 3.4.
Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ tổn thất điện môi chủ
yếu do dòng phân cực gây nên, ở miền tần số thấp các phân tử lưỡng cực được định
hướng hoàn toàn, nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định
hướng theo hướng điện trường do vậy tổn thất điện môi giảm. từ (3.12) ta thấy khi
t
0
là hằng số, tg =f() có dạng đường số (2) hình 3.4.
Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn
thất điện môi chủ yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng
phân cực, khi tần số quá cao các phân tử không kịp định hướng nên tg giảm.
tg=f() khi t
0
là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.4.
3. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí
Khi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm %,
sau một thời gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ
một lớp hơi nước trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn
khối và điện dẫn mặt của vật liệu và làm tổn thất điện
môi tăng khi % tăng. Mối quan hệ tg=(%) có dạng
hình 3.5.
4. Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi.

Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít
phụ thuộc vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao quá
trình ion hóa trong các chất khí nói chung và trong các
điện môi lỏng và rắn có chứa các bọt khí, sẽ phát triển
mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh. Khi điện áp quá
cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp
trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm. Mối
quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
3.5. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG CHẤT KHÍ
Các chất kh
y tưởng. Nguyên nhân gây nên tổn thất
điện môi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng
cực ít kèm theo năng lượng. Do vậy tg có thể xác định theo công thức (3.4)
Hình 3.5: tg

=f(

%)
Hình 3.6: tg

=f(U)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 20
Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt
quá trị số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo công thức (3.6),
Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng
đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số
ion hoá.
3.5. TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG

Trong các chất lỏng trung tính: tổn thất điện môi chỉ do dòng điện rò gây nên
nếu như chất lỏng không chứa tạp chất có các phân tử lưỡng cực. Điện dẫn suất của
điện môi lỏng trung tính tinh khiết vô cùng bé nên tổn thất điện môi cũng bé, tg có
thể tính theo công thức (3.4)
Các điện môi có cực tính tuỳ theo điều kiện (nhiệt độ, tần số) ngoài tổn thất do
điện dẫn còn có tổn thất do sự phân cực lưỡng cực chậm gây nên. Các điện môi
dùng trong kỹ thuật là hỗn hợp của 2 loại trên.
Ở điện môi lỏng lưỡng cực tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ nhớt. Tổn hao
trong các chất lỏng nhớt khi điện áp xoay chiều đặc biệt là khi tần số cao lớn hơn
tổn thất do điện dẫn gây nên rất nhiều. Đó là tổn thất phân cực lưỡng cực chậm.
Tổn thất phân cực lưỡng cực chậm trong chất lỏng có độ nhớt bé và tần số
thấp không đáng kể và có thể nhỏ hơn tổn thất do điện dẫn rò. ở tần số cao tổn thất
phân cực lưỡng cực chậm sẽ rất lớn so với tổn thất do điện dẫn ngay cả khi độ nhớt
bé. Vì vậy chất lỏng lưỡng cực không sử dụng trong trường hợp có tần số cao.
3.6. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN MÔI RẮN
3.6.1. Tổn thất điện môi trong điện môi có cấu tạo phân tử
Phụ thuộc vào loại phân tử:Trong các chất trung tính khi không có tạp chất thì
tổn thất điện môi nhỏ không đáng kể, chúng được dùng làm điện môi cao tần.
VD: Parafin, lưu huỳnh, các chất cao phân tử không phân cực: polietylen, chất
dẻo chứa flo
Khi điện môi cấu tạo từ những phân tử cực tính: do sự phân cực lưỡng cực
chậm nên có tổn thất lớn đặc biệt ở tần số vô tuyến. Tổn thất điện môi trong các
điện môi này có liên quan tới nhiệt độ.
VD: Các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, các tông, các chất cao phân
tử cực tính, các vật liệu cao su: êbônit
Ở 1 vài trị số nhiệt độ tổn thất có giá trị cực đại và cực tiểu, sau điểm cực tiểu
tổn thất tăng lên do sự tăng của tổn thất điện dẫn.
3.6.2. Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion
Liên quan đến đặc điểm sắp xếp các ion trong mạng.
Các chất cấu tạo tinh thể có các ion ràng buộc chặt chẽ: khi không có tạp chất

thì tổn thất điện môi rất nhỏ. Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn. Chỉ
cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn
thất điện môi lên rất nhiều.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 21
Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ
thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ
Các chất cấu tạo tinh thể có các ion không ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại
chất kết tinh. Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất
điện môi.
Mulit trong sứ cách điện, khoáng siricon trong gốm chịu lửa
Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vô
cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn.
Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết
hợp của các ôxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ
tinh.
3.6.3. Tổn thất trong điện môi xec- nhét
Tổn thất điện môi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện môi này là có hiện tượng
phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất
định (điểm Quyri). Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng
mất.
Tổn thất trong điện môi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự
phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri.

3.6.4. Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất
Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó
chứa không ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm)
Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha. Trong thành phần của
gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín).
Tổn thất điện môi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha

thuỷ tinh. Pha thể khí trong gốm làm tăng tổn thất điện môi khi điện trường có
cường độ cao hơn do sự ion hoá tăng lên.
Tổn thất trong gốm tăng nếu nó chứa các tạp chất lẫn tính bán dẫn với tính
dẫn điện bằng điện tử. Tổn thất cũng tăng do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở.
Ngoài ra còn có giấy tẩm, mica Hiện nay người ta dùng nhiều điện môi
không đồng nhất gồm chất dẻo với các chất độn khác nhau, chất dẻo nhiều lớp, vật
liệu cao su có chất độn khác nhau








Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 22
CHƯƠNG 4
SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

4.1. KHÁI NIỆM VỀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ
xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, khi đó điện môi mất hoàn toàn các thuộc
tính cách điện. Hiện tượng đó chính là sự phóng điện trong điện môi, hay còn gọi là
hiện tượng đánh thủng điện môi.
Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh
thủng (U
đt
), trị số cường độ điện trường tương ứng gọi là cường độ điện trường
đánh thủng (E

đt
) hoặc độ bền điện của điện môi.
h
U
E
đt
đt
 (KV/mm) (4.1)
h là chiều dày điện môi (mm)
Vậy, độ bền điện chính là khả năng chịu đựng giá trị điện áp giới hạn trên một
milimét chiều dày mà điện môi chưa bị đánh thủng.
Khi tính toán để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp
định mức nào đó (U
đm
), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn.
đt
đm
E
U
.Kh  , (mm)
Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách
điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp,
điều kiện môi trường….
Đối với điện môi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm
và ion hoá quang. Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra
đột ngột, trong điện trường không đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có
hiện tượng vầng quang điện.
Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình
nhiệt và ion hoá. Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đánh
thủng chất lỏng là do sự tồn tại của tạp chất.

Đối với điện môi rắn hiện tượng đánh thủng có thể do quá trình nhiệt hoặc quá
trình điện dưới ảnh hưởng của điện trường.
+) Hiện tượng đánh thủng về điện liên quan đến quá trình điện tử trong điện
môi nó xuất hiện ở điện trường mạnh và làm tăng mạnh mẽ, đột ngột, có tính chất
cục bộ mật độ dòng điện lúc đánh thủng.
+) Hiện tượng đánh thủng về nhiệt là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác
dụng của điện môi khi nó bị đốt nóng trong điện trường. Điều đó làm tăng thành
phần tác dụng của dòng điện và làm cho điện môi càng bị đốt nóng cho đến khi bị
phân huỷ vì nhiệt.
+) Dưới tác dụng lâu dài của điện áp hiện tượng đánh thủng còn gây bởi các
quá trình điện hoá xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường.

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 23
4.2. SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ
4.2.1.Yêu cầu chung của các chất khí cách điện
+ Phải là khí trơ, nghĩa là không phản ứng hoá học với các chất cách điện
khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với kim loại của thiết bị điện.
+ Có cường độ cách điện cao để giảm kích thước của kết cấu cách điện và
thiết bị.
+ Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao.
+ Tản nhiệt tốt.
+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm.
4.2.1. Điều kiện xác định khả năng ion hoá và các dạng ion hóa chất khí
Ở điều kiện bình thường, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn dưới tác động
của năng lượng nhiệt, khi đặt trong điện trường chúng nhận thêm một năng lượng
bổ xung:

UqW
bx

. (4.3)
với q- Điện tích, U

- Điện áp giáng trên đoạn đường chuyển động tự do của hạt
Nếu trong điện trường đồng nhất: U

= E.  (4.4)
Với: E- Cường độ điện trường, - Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện đã di
chuyển qua không gặp va chạm.=> W
bx
= q. E. (4.5)
Năng lượng này truyền cho các phân tử khí mà nó va chạm phải. Nếu năng
lượng đủ lớn thì phân tử bị ion hoá. Nếu năng lượng còn nhỏ, các phân tử khí chỉ bị
kích thích và khi trở về trạng thái ban đầu năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng
các photon.
Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hoá chất khí: W  W
i
(4.6)
W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, W
i
- Năng lượng ion hoá,
vác chất khí khác nhau thì W
i
cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev
*. Các dạng ion hoá trong chất khí
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong quá trình ion hoá,
có thể có các dạng ion hoá sau:
a. Ion hoá va chạm:
Khi các phần tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ
chuyển cho nhau và có thể xảy ra ion hoá nếu:

i
2
W
2
mv
 (4.7)
m - khối lượng hạt, v - Tốc độ chuyển động của hạt.
b. Ion hoá quang:
Năng lượng cần thiết để ion hoá có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn với điều kiện:
h.f  W
i
hoặc
i
W
h.c
 (4.8)
Với:  - Độ dài sóng của sóng ngắn
f
C


, f - Tần số bức xạ của sóng ngắn,
c - Tốc độ ánh sáng, h= 6,63.10
-34
J.s là hằng số Planck
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 24
c. Ion hoá nhiệt:
Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các khả năng sau:
- Ion hoá va chạm do các phân tử, điện tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn.

- Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên.
- Cả hai quá trình trên
Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít
hay nhiều. Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có quá trình ion hoá được xác
định theo công thức:
i
WkT
2
3
W  (4.9)
Với T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí, k =1,38.10
-23
J/
0
K - hằng số Boltzman.
d. Ion hoá bề mặt:
Ba dạng ion hoá trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hoá bề mặt thì
xảy ra ngay trên bề mặt của các điện cực.
Muốn giải phóng điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cũng cần 1 năng lượng nhất
định gọi là "công thoát". Trị số công thoát này phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện
cực và trạng thái bề mặt của điện cực.
4.2.3. Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng
điện trong điện môi khí:
Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu
vực giữa 2 điện cực. Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi
mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng
Plazma nối liền giữa 2 điện cực.
Chúng ta xét quá trình ion hoá chất khí giữa
hai điện cực với nguồn điện áp một chiều như hình
4.1. Giả thiết rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại

một điện tử tự do ở phía cực âm. Dưới tác dụng của
điện trường E

, điện tử bay về phía cực dương.
Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm với
các phân tử khí và gây nên ion hoá với hệ số ion hoá
là . Sau mỗi lần ion hoá xuất hiện thêm điện tử tự
do và ion dương. Các điện tử tự do mới được sinh ra
cũng được gia tốc, tích luỹ năng lượng và gây nên
ion hoá, đồng thời các ion dương mới được sinh ra
cũng được sinh ra sẽ chuyển động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có
thể gây ion hoá chất khí với hệ số  (thường <<)… Do đó số lượng điện tích (ion
dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng lên nhiều
lần, chúng tập hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử.
Trên hình 4.1a cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x. Do
điện tử bé và nhẹ nên tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên
khoảng không gian rộng. Còn các ion dương do có khối lượng và kích thước lớn,
Hình 4.1: Thác điện tử và sự phân bố
điện tích và điện trường

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 25
nên di chuyển chậm với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử),
chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác. Hình 4.1b cho sự phân bố điện tử tự do
(n
e
) và ion dương (n
i
). Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện
trường phụ do các điện tử tự do (E

e
) và ion dương (E
i
) gây nên (hình 4.1c). Chúng
làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d
Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được
tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này
đều có khả năng bức xạ phô tôn. Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện
trường E bên ngoài, do vậy dẽ dàng gây nên ion hoá phần khí tiếp theo tạo nên các
thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện. Mặt khác, do trường tăng cao làm
cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả
lại năng lượng dưới dạng các phô tôn. Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột
ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn.
Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng, nên trong
khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phô tôn dã vượt
trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc
cũng có khả năng giải thoát các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số
lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên.
Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời
được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ
trung hoà trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử.
Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông
liên tục giữa hai điẹn cực. Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các
điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình
thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu.
Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dòng”
hướng từ cực âm đến cực dương. Đồng thời hình thành dòng các điện tích dương
hướng ngược lại (gọi là dòng dương). Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật
độ điện tích lớn (khoảng 10
12

ion/cm
3
) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ
điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe khí hẹp ở tại đó cường độ điện trường
rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của
thác điện tử. Khi chúng hoà nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng điện
môi khí tạo thành dòng plazma, kết thúc bằng quá trình phóng điện.
Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe
hở khí là 1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10
-8
÷10
-7
giây.
4.2.4. Các dạng phóng điện của điện môi khí
Tuỳ thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình
hình thành dòng Plasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau:
*) Phóng điện toả sáng