Giáo trình Vật liệu điện

Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Giới thiệu môn học
I. Vị trí và nhiệm vụ môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên ngành
trong ngành điện, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong ngàng điện
hiểu biết về vật liệu kỹ thuật điện, trên cơ sở đó lựa chọn và sử dụng thích hợp các
vật liệu trong quá trình chế tạo và sửa chữa thiết bị điện đồng thời còn đề ra đợc các
biện pháp sử dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện.
II. Yêu cầu môn học:
- Nắm đợc các hiện tợng, bản chất các hiện tợng xảy ra trong vật liệu điện khi sử
dụng chúng vào những mục đích khác nhau.
- Biết đợc tính chất của các vật liệu điện để sử dụng chúng 1 cách thích hợp, đáp
ứng đợc yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với điều kiện vận hành.
- Biết cách bảo quản vật liệu điện, bảo quản các thiết bị điện nhằm tăng tuổi thọ
của chúng.
III. Tính chất môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện giúp cho sinh viên giải thích đợc lý do sử
dụng các loại vật liệu kỹ thuật điện trong các thiết bị điện và đánh giá đợc u nhợc
điểm của các vật liệu tác dụng đó.
IV. Quan hệ với các môn học khác:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện có liên quan trực tiếp với những môn học có
nội dung thiết kế, chế tạo các chi tiết, các bộ phận và các kết cấu thiết bị điện.
V. Các sách tham khảo:
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 1975 - Dịch từ nguyên bản tiếng
Nga. N.P Bôgôrôdixki, V.V Paxncôv, B.M Tarêep.
- Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp Khoa ĐHTC -1972.
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 2001 Nguyễn Xuân Phú và Hồ
Xuân Thanh.
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 2004 Nguyễn Đình Thắng.
VI. Kết cấu chơng trình:

Gồm 5 Chơng
Chơng 1: Vật liệu dẫn điện.
Chơng 2: Vật liệu cách điện.
Chơng 3: Vật liệu bán dẫn.
Chơng 4: Vật liệu từ
Chơng 5: Dây dẫn điện, dây cáp, dây điên từ.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
1
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Chơng 1: Vật liệu dẫn điện
1.1 Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện
Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất điện của nó có thể nằm trong nhóm điện
môi, điện dẫn hoặc bán dẫn. Sự khác nhau giữa chúng có thể chỉ ra trên đồ thị năng
lợng theo lý thuyết phân vùng năng lợng của 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 lợng xác định khác nhau.
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thờng không bị kích thích thì mỗi lớp vỏ điện tử
ứng với một trạng thái năng lợng xác định (1 số trong các mức năng lợng đợc các
điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lợng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt
khi nguyên tử nhận năng lợng từ bên ngoài (trạng thái bị kích thích nếu nguồn kích
thích đủ lớn).
Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lợng
thừa.
Sơ đồ phân bố mức năng lợng riêng biệt và của vật rắn phi kim loại nh sau:

Điện môi Bán dẫn Vật dẫn
Điện môi Bán dẫn Vật dẫn
_____________________________________________________________________________

Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
2
Vùng cấm Vùng đầy điện tửVùng các mức
năng ljợng tự do
3
1
Nguyên tử
Vật thể
W
4
5
2
1-Mức năng ljợng bình thjờng
của kim loại.
2-Vùng đầy điện tử.
3-Mức năng ljợng kích thích
của nguyên tử.
4-Vùng tự do.
5-Vùng cấm.
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Do sự phân vùng năng lợng mà tạo nên tính chất điện của vật chất.
+ Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức
năng lợng 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.
Nguồn kích thích có thể là năng lợng của chuyển động nhiệt, năng lợng ánh
sáng (quang năng), năng lợng cơ học (cơ năng), năng lợng của các tia sóng ngắn
hay tia Rơnghen hoặc điện năng.
Số lợng các điện tử tự do hoặc các lỗ hổng trong một chất tăng lên sẽ làm
tăng độ dẫn điện, tăng cờng độ dòng điện, xuất hiện cờng độ điện trờng.

Vật liệu dẫn điện có thể là vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định
có thể là thể khí.
- Kim loại là vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm:
Vật liệu điện dẫn cao: Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp
Vật liệu điện trở cao: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: Biến trở,
đèn sợi đốt, điện trở mẫu
- Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Các kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân.
- Vật liệu dẫn điện ở thể khí: Tất cả khí và hơi, nếu cờng độ điện trờng vợt quá trị số
tới hạn đủ để ion hoá do va chạm thì có thể trở thành vật dẫn.
* Phân theo tính chất:
- Vật dẫn loại 1: Có điện dẫn bằng điện tử (kim loại rắn và lỏng)
- Vật dẫn loại 2: Có điện dẫn bằng ion (dung dịch điện phân)
- Vật dẫn loại 3: Có điện dẫn bằng điện tử và ion (khí và hơi kim loại khi c-
ờng độ điện trờng vợt quá trị số tới hạn).
1.2 Cấu tạo kim loại và hợp kim
Các nguyên tố kim loại đều là những nguyên tố d và f một số các nguyên tố s và
p. Chiếm 84 nguyên tố trong 107 nguyên tố ở bảng hệ thống tuần hoàn.
Đa số các nguyên tố kim loại có số electron hoá trị là 1,2,3,4 nên nguyên tử dễ
nhờng electron để trở thành cation.
Kim loại đợc xem nh 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trờng 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 đợc giải thích bằng sự dịch chuyển và trợt lên
nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
3
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________

Đa số các kim loại hoá trị đơn đợc kết tinh thành mạng lục giác hoặc lập ph-
ơng.
1.3. Các tính
chất chung của kim loại và hợp kim:
1.3.1 Tính dẻo
Khi tác động một lực đủ lớn lên miếng kim loại và hợp kim nó bị biến dạng. Sự
biến dạng này là do các cation trong kim loại trợt lên nhau, nhng không rời nhau vì
giữa chúng có lực liên kết tĩnh điện giữa các electron tự do và các cation trong
mạng kim loại hoặc hợp kim.
1.3.2 Tính dẫn điện
Nối một đoạn dây kim loại hoặc hợp kim với một nguồn điện, các electron đang
chuyển động hỗn loạn trở nên chuyển động thành dòng trong dây dẫn. Đó là sự dẫn
điện trong kim loại và hợp kim.
Khi nhiệt độ kim loại hay hợp kim càng cao thì tính dẫn điện càng kém.
Những kim loại, hợp kim khác nhau thì tính dẫn điện cũng khác nhau chủ yếu là do
mật độ các electron tự do của chúng không giống nhau.
VD: Tính theo độ dẫn điện của Hg thì Ag là 49; Cu là 46; Au là 35,5; Al là 26;
Trong cùng một điều kiện kim loại nguyên chất dẫn điện tốt hơn hợp kim của
chúng.
1.3.3 Tính dẫn nhiệt
Khi đốt nóng một đầu dây kim loại , những electron tự do ở vuùng nóng có động
năng lớn nó chuyển động đến vùng có nnhiệt độ thấp và năng lợng cho các ion d-
ơng ở đây và làm cho vật nóng lên. gọi là sự dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim.
1.3.4. ánh kim
Hầu hết kim loại đều có ánh kim, sở dĩ kim loại có ánh kim là vi trong kim loại có
các electron tự do đã phản xạ tốt những tia sáng có bớc sóng mà mắt ta có thể nhìn
thấy.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
4

b
a
a
a
a
a
F- Lục giác. Hình hộp
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Các tính chất chung trên của kim loại và hợp kim chủ yếu là do các electron tự
do gây ra.
1.4. Các yếu tố ảnh hởng đến điện dẫn của kim :
1.4.1 Điện dẫn suất:
- Cờng độ dòng điện trong vật dẫn: I = n
0
.S.v
tb
.e (1)
Trong đó: n
0
: nồng độ điện tử.
v
tb
: vận tốc trung bình chuyển động có hớng của điện tử dới tác dụng
điện trờng E. v
tb
= u.E. (u: Độ linh động của điện tử)
S: tiết diện của vật dẫn.
I = n
0

.S.u.E.e => J = n
0
.u.E.e = .E.
= n
0
.u.e là điện dẫn suất của vật dẫn.
- Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất là điện trở suất của vật dẫn điện.
Một số kim loại khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng có điện trở
suất tăng lên, nhng cũng có vài kim loại lại giảm điện trở khi nóng chảy (Bitmút,
Gali và ăng ti moan).
Điện trở suất của kim loại nóng chảy sẽ tăng lên nếu thể tích của chúng ở
trạng thái nóng chảy lớn hơn ở thể rắn và ngợc lại. Biến dạng dẻo thờng làm tăng
điện trở suất của kim loại vì nó làm xô lệch mạng tinh thể. Biến dạng nén sẽ làm
giảm điện trở suất. Với hợp kim: tạp chất và sự phá hoại cấu trúc kim loại đều làm
tăng điện trở suất.
Nếu vật dẫn có tiết diện không đổi S và độ dài l thì: = R.S/l (.mm
2
/m)
Với [S] = mm
2
và [l] = m. Trong hệ SI: [] = .m
1

.m = 10
6


.mm
2
/m = 10

6

à
.m
1.4.2 Tính siêu dẫn:
ở nhiệt độ thấp điện trở suất của kim loại trở nên rất nhỏ. Theo lý thuyết thì
điện trở suất của kim loại thuần khiết có thể coi bằng 0 ở nhiệt độ không tuyệt đối
(O
0
K = - 273
0
C), khi đó chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn. Nhng ở 1 số kim loại và
hợp kim đến gần nhiệt độ không tuyệt đối điện trở của chúng giảm mạnh và ở nhiệt
độ cao hơn độ không tuyệt đối chúng chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
Nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn
Các nguyên tố T
0
K Các nguyên tố T
0
K
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
5
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Chì
Tantan
Thuỷ ngân
Thiếc (trắng)
7,2

4,48
4,15
3,7
Nhôm
Môlipđen
Kẽm
Titan
1,2
1
0,88
0,4
Mặt khác: Tồn tại 1 trị số tới hạn của từ trờng phá hoại hiệu ứng siêu dẫn mà
với kim loại thuần khiết trị số này không lớn.
Đã chế tạo đợc 1 số kim loại có nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn t-
ơng đối cao mà vẫn giữ đợc tính siêu dẫn ngay trong từ trờng mạnh và khi dòng
điện lớn chạy qua. Điều đó mở ra khả năng chế tạo nam châm kích thớc nhỏ có c-
ờng độ từ trờng lớn khi ngâm vào Hêli lỏng (4,2
0
K)
1.4.3 Nhiệt dẫn suất ():
Là lợng nhiệt toả ra trong 1 đơn vị thời gian qua 1 đơn vị tiết diện thẳng góc
với hớng toả nhiệt của vật thể thuần nhất và đẳng hớng, trên 1 đơn vị khoảng cách
mà ở đó sự chênh lệch nhiệt độ bằng 1 đơn vị (grd). Đơn vị của nó là W/m.grd
Nhiệt dẫn suất có liên quan đến điện dẫn suất của vật dẫn. Vật liệu dẫn điện
tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt. Liên quan giữa chúng:
aT=


Với a: hệ số thực nghiệm (2,1.10
-8

ữ 2,8.10
-8
); : điện dẫn suất.
Thuyết điện tử cho rằng: Khi trao đổi điện tử giữa các phần kim loại nóng và
lạnh mà không có điện trờng sẽ có quá trình truyền động năng từ phần vật dẫn
nóng sang phần vật lạnh hơn. Nghĩa là có hiện tợng dẫn nhiệt. Nh vậy cơ chế dẫn
điện và nhiệt cùng phụ thuộc mật độ và chuyển động của các điện tử.
1.4.4 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động:
Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc giữa chúng phát sinh hiệu điện thế
tiếp xúc.
U
AB
= U
B
- U
A
+
oB
oA
n
n
ln
e
kT
Nguyên nhân là do công thoát điện tử của các kim loại khác nhau và mật độ điện
tử khác nhau.
Trong đó: U
A
và U
B

là điện thế tiếp xúc kim loại A và B.
n
oA
và n
0B
là nồng độ điện tử trong kim loại A và B.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
6
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Nếu nhiệt độ của 2 kim loại bằng nhau thì tổng hiệu điện thế trong mạch kín
bằng 0. Nhng nếu nhiệt độ của chúng là T
1
và T
2
thì sẽ phát sinh sức nhiệt điện
động:
U
AB
=
( )
oB
oA21
n
n
ln
e
TTk
= A(T

1
- T
2
)
Bởi vì: U = U
AB
+ U
BA
= U
B
- U
A
+
oB
oA1
n
n
ln
e
kT
+ U
A
- U
B
+
oA
oB2
n
n
ln

e
kT
=
( )
oB
oA21
n
n
ln
e
TTk
Ngời ta dùng 2 dây dẫn có sức nhiệt điện động lớn và có
quan hệ tuyến tính với nhiệt độ để đo nhiệt độ tạo thành cặp
nhiệt ngẫu.
Trong các dụng cụ đo nên sử dụng kim loại và hợp kim có sức nhiệt điện động nhỏ
so với đồng để không gây sai số khi đo.
1.4.5. Tính chất cơ học của vật dẫn:
Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại. Đặc trng bởi
độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm, độ chịu mỏi
1.5 nhận dạng các Vật liệu điện dẫn cao:
1.5.1 Đồng và hợp kim của đồng:
a. Đồng:
- Có độ dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao. Điện trở suất nhỏ (chỉ có bạc có điện
trở suất nhỏ hơn đồng 1 ít)
- Độ bền cơ tơng đối cao, độ dẻo cao, có tính chống ăn mòn của khí quyển
tốt (nó chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao), nhiệt độ nóng chảy 1083
0
C.
- Dễ gia công: Có thể cán thành tấm, thanh, kéo thành sợi nhỏ. Khả năng hàn
gắn dễ dàng.

Đồng đỏ (đồng nguyên chất) rất dẻo, khi gia công cắt gọt độ dẻo cao của đồng làm
khó gẫy phôi. Để cải thiện tính gia công cắt gọt ngời ta sử dụng các nguyên tố hợp
kim thích hợp.
Độ dẫn điện giảm nhanh khi hàm lợng tạp chất trong đồng tăng. Có tạp chất làm
giảm cơ tính làm xấu khả năng gia công, là nguyên nhân gây vỡ phôi khi cán nóng,
nứt giòn khi biến dạng nguội. Có tạp chất tơng tác với đồng làm thành hợp chất
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
7
T
2
T
1
mV
B
A
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
hoá học (Ôxy) làm xấu khả năng gia công biến dạng nguội của đồng và ở nhiệt độ
cao sẽ làm đồng trở nên giòn (400
0
C). Trong các trờng hợp có liên quan đến hàn
thì không cho phép dùng đồng có lẫn O
2
.
Đồng dùng làm vật dẫn điện ở Liên xô có nhãn hiệu M1 và MO:
+ Đồng M1 có 99,9% Cu, các tạp chất khác 0,01%, lợng ôxy < 0,08%.
+ Đồng MO có 99,95% Cu, tạp chất < 0,05%, ôxy < 0,02%. Loại này thu đợc nhờ
chế độ nấu đặc biệt và có tính cơ học tốt hơn, có thể kéo thành sợi mảnh.
- Khi kéo nguội sẽ đợc đồng cứng (MT): Thờng dùng ở những nơi cần độ bền

cơ đặc biệt cao, cứng và chống mài mòn, làm phiến góp máy điện, ở chỗ tiếp xúc
làm thanh dẫn thiết bị phân phối.
Đồng cứng có giới hạn bền cao, độ giãn dài nhỏ khi kéo, có độ cứng và độ đàn hồi
khi uốn.
- Đồng mềm (Đồng ủ - MM): Nung nóng đến vài trăm độ sau đó làm nguội.
Đồng mềm tiết diện tròn và hình chữ nhật chủ yếu làm lõi cáp và các cuộn dây là
nơi không cần giới hạn bền kéo lớn.
Đồng mềm tơng đối dẻo, độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhng độ giãn dài
rất lớn và điện dẫn suất cao.
Nhợc điểm của đồng: Điện dẫn suất rất nhạy với tạp chất ở trong đồng, với gia công
cơ khí và sự xử lý nhiệt.
VD: 0,5% tạp chất là Zn, Cd, Ag thì điện dẫn suất giảm 5% nhng nếu tạp
chất là Ni,Sn, Al thì sẽ giảm 25
ữ
40%.
Sự dát mỏng hay sự kéo nguội sẽ làm giảm điện dẫn của đồng. Khi dây dẫn
có đờng kính nhỏ hơn 1mm, thì điện dẫn sẽ giảm đồng thời với sự giảm của đờng
kính.
Sự thay đổi điện dẫn tuỳ theo nhiệt độ nung nóng trở lại (ủ nhiệt):nung giữa
200 - 300
0
C sẽ có điện dẫn suất nhỏ hơn nhiều so với giữa 400 - 500
0
C.
Thông thờng đồng có 2 loại ôxit tạo thành những lớp xếp chồng lên nhau: CuO có
màu hơi đen ở bên ngoài và nó là 1 lớp ngăn cách điện; Cu
2
O có màu đỏ son ở
ngay trên mặt đồng và là chất bán dẫn điện. ôxy sẽ xâm thực vào đồng ở nhiệt độ

70
0
C song lớp ngoài của đồng sẽ làm chậm sự xâm thực. Sự ôxy hoá của đồng chỉ
xảy ra ở nhiệt độ rất cao.
b. Hợp kim của đồng:
* Theo tính chất và công dụng, hợp kim đồng đợc phân thành các nhóm:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
8
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
- Hợp kim đúc và hợp kim biến dạng.
Đồng đúc ít đợc sử dụng vì nó có bọt khí xuất hiện khi đúc và lỗ chỗ.
- Nhóm có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và nhóm không có đặc điểm này.
* Theo thành phần hoá học: có 2 nhóm chính
- Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm 46%. Nó có độ
giãn dài tơng đối khá cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết. Đợc
dùng để sản xuất mọi chi tiết dẫn điện. Có thể phân thành: đồng thau dùng để đúc,
dùng để cán mỏng, dùng để hàn gắn.
Với Latông: ký hiệu L rồi lần lợt Cu, Zn sau đó là các nguyên tố hợp kim nếu
có. Các con số đứng sau mỗi ký hiệu nguyên tố chỉ hàm lợng trung bình theo % t-
ơng ứng của nó. VD: L Cu Zn40 Pb2: latông chứa 40%Zn, 2%Pb còn lại là Cu.
Một số nguyên tố hợp kim thông dụng: Pb, Zn, Al, Mn
Pb (chì với hàm lợng nhỏ 0,4
ữ
3%): Cải thiện tính cắt gọt nhờ dễ làm gãy phôi và
giảm ma sát.
Al: Nếu Al có tỷ lệ 2% sẽ làm tăng sức bền cơ khí và độ cứng đồng thời sức bền hoá
học, tạo vật liệu đồng nhất.
Mn: làm tăng cơ tính và tăng khả năng chống ăn mòn.

Thiếc: làm tăng sức bền cơ và tạo sự vững bền đối với sự ăn mòn nhất là nớc biển.
Nếu >25% thì lớp bảo vệ của ôxit kẽm sẽ tạo nên trên mặt vật liệu càng nhanh khi
nhiệt độ càng lớn.
- Đồng thanh (Brông): Là hợp kim của đồng với 1 lợng nhỏ thiếc, Si, P, Mg,
Cr Nó có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết, đợc dùng để chế tạo
lò xo dẫn điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn
Với Brông: ký hiệu B rồi lần lợt Cu, Sn sau đó là các nguyên tố hợp kim. VD:
B Cu Sn4 Zn4 Pb2,5.
Cho cađimi vào sẽ làm giảm điện dẫn suất nhng độ bền cơ và độ cứng tăng
nhiều. Sự có mặt của ôxy làm tăng tính dễ gẫy: nếu tỷ lệ > 0,9% Cu
2
O trên bề mặt
của đồng thì sẽ giảm sức bền cơ của đồng.
Đồng thanh dùng làm dây dẫn cần chịu đợc sức bền khi ăn mòn.
Với những kết cấu máy điện phải chịu quá tải điện và sực bền cơ lớn, ta dùng đồng
thanh với tỷ lệ 0,3 - 0,1% Cr và 0,1% Ag.
1.5.2 Nhôm và hợp kim của nhôm:
a. Nhôm:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
9
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng. Hệ số nhiệt độ giãn nở
dài của nhôm lớn hơn đồng. Nhng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng nh các đặc
tính điện. Khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện. Các tạp chất cũng làm giảm
điện dẫn của nhôm.
- Nếu so sánh giữa nhôm và đồng cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở dây
nhôm lớn hơn dây đồng 1,68 lần. Nếu cùng chiều dài và cùng điện trở thì tiết diện
dây nhôm lớn hơn đồng 1,68 lần. Nếu có các đặc tính điện giống nhau, truyền dòng

điện có cờng độ nh nhau thì dây nhôm chỉ nhẹ bằng 1/2 dây đồng và bị nung nóng
ít hơn.
- Nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn. Lớp màng
này bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn nhng tạo nên điện trở lớn ở chỗ tiếp xúc các dây
nhôm và không thể hàn nhôm bằng phơng pháp thông thờng (dùng thuốc bột đặc
biệt hay mỏ hàn siêu âm). Tuy nhiên lớp ôxit tự nhiên này rất mỏng (vài ăngstrôm)
nên khả năng chống ăn mòn kém. Ngời ta tạo ra lớp màng ôxit dày hàng chục
micrônmet có khả năng bảo vệ cao nhờ kỹ thuật Anôt hoá.
- ở chỗ tiếp xúc giữa nhôm và đồng xảy ra ăn mòn điện hoá. Dới tác dụng của hơi
ẩm trong vùng tiếp xúc sẽ phát sinh cặp pin cục bộ có trị số cao và có dòng điện đi
từ nhôm sang đồng. Kết quả là dây nhôm có thể bị phá huỷ vì bị ăn mòn nhanh.
Nhôm bị tác dụng mạnh bởi Cl trong không khí tạo nên những lỗ nhỏ xung quanh
lớp bọc và làm hỏng bề mặt dây dẫn điện. Nớc biển có ảnh hởng xấu đến nhôm
cũng nh dung dịch xút giặt quần áo.
b. Hợp kim của nhôm:
Theo tính công nghệ hợp kim nhôm phân thành: hợp kim biến dạng (chế tạo
bán thành phẩm bằng gia công áp lực) và hợp kim đúc (đúc chi tiết).
Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết
bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội (ủ mềm, tôi, tôi và hoá già nhân tạo, biến
cứng, biến cứng không hoàn toàn ). Ta còn có thể phân biệt thành loại có thể hoá
bền bằng nhiệt luyện và loại không hoá bền bằng nhiệt luyện.
Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác
nhau.
TCVN quy định hợp kim nhôm ký hiệu nh sau: bắt đầu là nhôm, các nguyên tố hợp
kim chính, các nguyên tố hợp kim phụ. Các con số chỉ hàm lợng % đặt sau ký hiệu
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
10
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________

tơng ứng. VD: Al Mg5

hàm lợng MG là 5%. Nếu là hợp kim đúc có thêm chữ Đ
ở cuối: Al Si12 Mg1 Cu2 Mn0,6 Đ.
Các chất Zn, Fe, Si, Cu, Mg sẽ làm tăng sức bền cơ khí khi kéo nhôm.
Xử lý nhiệt và nhiệt độ có ảnh hởng đến tính chất cơ của nhôm. Mức độ ảnh
hởng phụ thuộc vào độ tinh khiết của kim loại, thời gian và nhiệt độ nung nóng.
ở các đờng dây dẫn điện trên không khí khoảng cách giữa các cột lớn ngời ta
dùng hợp kim nhôm có độ bền cơ cao hơn nhôm tinh khiết. Phổ biến là dây nhôm
lõi thép.
Trong ruột là lõi thép xoắn lại, bên ngoài là nhôm. Loại dây này có độ bền
cơ do lõi thép quyết định, còn tính dẫn điện do nhôm.
Hợp kim dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim của nhôm với Mg (0,3
- 0,5%); silic (0,4 - 0,7%) và sắt (0,2 - 0,3%). Dây dẫn loại này có độ bền gấp 2 lần
dây nhôm thông thờng.
Nhôm đúc dùng trong rôto lồng sóc đòi hỏi hợp kim với mangan vì chúng có
điện trở tăng và ổn định đến nhiệt độ quá 200
0
C tức là đảm bảo độ ổn định của
điện trở rôto trong quá trình làm việc (điện trở suất khoảng 0,03

mm
2
/m).
Nối cáp nhôm có thể dùng phơng pháp đúc: 2 đầu cáp đợc đa vào 1 khuôn tháo lắp
đợc. Sau đó rót nhôm nóng chảy với nhiệt độ 850 - 900
0
C. khi nguội thì tháo khuôn
ra.
1.5.3 Sắt:

- Thép (sắt công nghệp) là kim loại rẻ tiền, dễ kiếm nhất.
Nó có độ bền cơ cao nhng điện trở suất lớn. Dòng xoay chiều trong thép gây
nên hiệu ứng bề mặt đáng kể. Vì vậy điện trở của dây thép đối với dòng xoay chiều
cao hơn đối với dòng 1 chiều. Ngoài ra dòng xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ.
Để làm dây dẫn thờng dùng thép mềm có 0,1 - 0,15% cácbon có điện dẫn
suất nhỏ hơn đồng 6 - 7 lần. Chỉ dùng làm đờng dây trên không tải công suất nhỏ.
- Thép làm vật liệu dẫn điện dới dạng thanh dẫn, đờng ray tàu điện, dây chống sét
và trang thiết bị nối đất Khi dùng làm dây dẫn hay thanh góp ở dòng 1 chiều cần
phải có thật ít tạp chất vì tạp chất sẽ làm giảm điện dẫn. Đối với dòng xoay chiều tỷ
lệ cácbon phải tăng hơn (0,1 - 0,15%) để giảm tổn thất.
Chỉ dùng dây dẫn sắt trong trờng hợp năng lợng điện có giá thành hạ (năng
lợng cấp từ nhà máy thuỷ điện) hay trong những lới điện có công suất rất bé (lới
điện nông thôn không quan trọng) vì tổn thất năng lợng nhiều.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
11
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Cũng có thể dùng để chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ đến 300 -
500
0
C hay làm biến trở khởi động và điều chỉnh Sắt tinh khiết (chế tạo bằng điện
phân) đợc sử dụng để chế tạo các điện cực anôt (điện cực dơng) ở các chỉnh lu với
bể thuỷ ngân.
Khả năng chống ăn mòn của thép yếu: ở nhiệt độ bình thờng và nhất là khi
độ ẩm cao nó bị gỉ nhanh. Khi nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn nhanh vì vậy bề mặt dây
thép thờng đợc mạ 1 lớp bảo vệ (Zn).
1.5.4 Các hợp kim điện trở cao:
a. Manganin: Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến trong các
dụng cụ đo điện và điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc 60

0
C với điện trở và khoảng
300
0
C với biến trở).
Nó là hợp kim có sắc vàng, đợc kéo thành sợi mảnh đờng kính 0,02 mm và
sản xuất thành tấm mỏng 0,01
ữ
1mm rộng 10
ữ
300 mm. Manganin cần chế độ
nhiệt luyện đặc biệt (ủ ở nhiệt độ 350 - 550
0
C trong chân không sau đó làm nguội)
b. Conxtantan:
Là hợp kim 60% đồng - 40% niken, dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ
đốt nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 400
0
C.
Có thể kéo thành sợi và cán thành tấm nh Manganin. Khi đốt nóng đến
nhiệt độ tơng đối cao trên bề mặt sẽ tạo màng ôxít có tính cách điện.
c. Hợp kim Crôm - Niken:
Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn
Chịu đợc nhiệt độ cao, khả năng chống ôxy hoá tốt.
d. Hợp kim Crôm - nhôm:
Là hợp kim rẻ tiền dùng trong các thiết bị nóng bằng điện công suất lớn và lò
điện công nghiệp. Hợp kim này cứng và giòn, khó kéo thành sợi và thành băng dài.
1.5.5 Than kỹ thuật điện:
Dùng làm chổi than của máy điện, các điện cực đèn chiếu, điện cực các lò
điện và các bể điện phân. Từ than có thể làm các điện trở có trị số cao, cái phóng

điện cho mạng thông tin và dùng cả than trong kỹ thuật chân không.
Đặc tính điện cực than
Loại điện
cực
Khối lợng
riêng
Hàm l-
ợng tro,
Giới hạn
bền nén,
Giới hạn
bền kéo,
Điện trở
suất,
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
12
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
g/cm
3
% kg/cm
2
kg/cm
2

mm
2
/m
Than

Graphit hoá
1,5
2
5-12
0,03- 0,3
230 - 410
20 - 50
70 - 110
60 - 70
50
15
Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện có thể dùng bồ hóng, than chì hay
than gầy tự nhiên. Các thanh điện cực đợc chế tạo bằng cách nghiền nguyên liệu với
chất dính kết - nhựa than đá hay đôi khi là thuỷ tinh lỏng - ép qua miệng phun. Có
thể chế tạo hình dạng phức tạp bằng khuôn ép. Phôi than đi qua quá trình nung và
chế độ nung sẽ quyết định dạng của cácbon trong sản phẩm. ở nhiệt độ cao cacbon
chuyển sang dạng Graphit, do đó quá trình này gọi là graphit hoá.
Chổi than của các máy điện đợc nung ở 800
0
C. Chổi điện Graphit hoá nung
đến 2200
0
C. Các điện cực than làm việc ở nhiệt độ cao đợc nung ở nhiệt độ rất cao,
đến 3000
0
C.
Có thể dùng graphit tự nhiên, bồ hóng (là biến thể phân tán mịn của cacbon),
cac bon nhiệt phân làm điện trở không dây tuyến tính.
Điện trở không dây khác với điện trở dây là kích thớc giảm rất nhiều, điện
trở định mức giới hạn cao, trị số điện trở ít phụ thuộc điện áp và phải có độ ổn

định cao đối với tác dụng của nhiệt độ và độ ẩm.
Điều chế cácbon nhiệt phân bằng phân tích nhiệt không có ôxy (nhiệt phân)
của các khí Hyđrôcacbon các loại (mêtan, benzen ). Nếu đặt sẵn các lõi điện trở
bằng thuỷ tinh hoặc bằng gốm trong buồng nhiệt phân, ta sẽ có lớp cácbon bám
vào và tạo thành điện trở không dây.
1.5.6 Một số kim loại khác:
a. Vonfram:
Là kim loại rắn rất nặng, màu xám. Nó có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong
các kim loại, bị ôxy hoá ở nhiệt độ 700
0
C. Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, càng
giảm chiều dày của nó giới hạn bền kéo càng tăng. Nó có thể làm việc ở nhiệt độ
cao trong chân không. ở điều kiện khí quyển tạo thành màng ôxit.
Dùng làm tiếp điểm. Khi đó nó có u điểm: ổn định lúc làm việc, độ mài mòn
nhỏ, có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không bị dính tiếp điểm. Nhợc
điểm: Khó gia công, cần áp lực tiếp xúc lớn để trị số điện trở tiếp xúc nhỏ.
Cũng có thể dùng chế tạo điện trở cho các lò điện khi cần thu đợc nhiệt độ
cao (1600
0
C). Khi đó ta quấn 1 số vòng dây bằng Vonfram quanh 1 ống chịu nhiệt
đợc nung nóng bằng điện.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
13
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
b. Môlipđen:
Đợc dùng làm tiếp điểm, các lới của bóng đèn điện tử, phần tử đốt nóng trong
chân không, trong những lò điện trở có nhiệt độ đến 1600
0

C.
Là kim loại có bề ngoài và công nghệ chế tạo gần giống Vonfram. Nó làm
việc trong chân không ở nhiệt độ thấp hơn Vonfram. Độ bền nó phụ thuộc và phơng
pháp gia công, hình dáng sản phẩm và sự nhiệt luyện.
c. Vàng:
Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, đợc dùng nh vật liệu tiếp xúc để làm
lớp mạ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện Có thể dùng hợp kim
(Au + 20% Cr) làm dây dẫn ở các điện trở trong điện kế vì chúng có hệ số biến đổi
của điện trở suất theo nhiệt độ bé.
d. Bạch kim (Platin):
Là kim loại không kết hợp với O
2
và rất bền vững với các thuốc thử hoá học.
Nó dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng.
Dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 1600
0
C. Do độ cứng thấp
nó ít dùng làm tiếp điểm nhng hợp kim của nó lại đợc dùng làm tiếp điểm (Platin-
Inđi). Cũng dùng làm điện cực trong các quy trình điện phân hay mạ platin các chi
tiết. Nhợc điểm là đắt tiền nên chỉ dùng trong những việc quan trọng.
e. Thuỷ ngân:
Là kim loại duy nhất có trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thờng. Nó đợc dùng
trong các dụng cụ phóng điện chứa khí vì hơi thuỷ ngân có điện thế ion hoá thấp.
Nó có tính bền hoá học tốt, chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.
Nó cũng dùng làm tiếp điểm trong các rơle, chế tạo đèn chỉnh lu thuỷ ngân,
làm điện cực thuỷ ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn
1.5.7 Chất hàn:
Là hợp kim đặc biệt dùng khi hàn. Nó đợc chọn theo kim loại đợc hàn, theo
yêu cầu độ bền cơ, độ chống ăn mòn. Khi hàn các bộ phận dẫn điện phải chú ý đến
điện dẫn của chất hàn (chất hàn cứng: Đồng - kẽm, mềm là chì - thiếc).

Chất hàn mềm nhiệt độ nóng chảy đến 400
0
C;
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
14
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Chất hàn cứng nhiệt độ nóng chảy đến 500
0
C;
1.5.8 Chất giúp chảy:
Là vật liệu để giúp mối hàn đợc đảm bảo.
Chúng cần phải:
+ Hoà tan, khử ôxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại đợc hàn.
+ Bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng nh chất hàn nóng chảy
khỏi bị ôxy hoá.
+ Giảm lực căng mặt ngoài chất hàn nóng chảy.
+ Cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt đợc nối.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
15
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Chơng 2: Vật liệu cách điện
2.1 KháI niệm chung về vật liệu cách điện
2.1.1 Tầm quan trọng của vật liệu cách điện.
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng
đợc dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị
điện và tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nó chỉ cho dòng điện đi theo

những con đờng mà sơ đồ quy định. Vật liệu cách điện còn đợc dùng làm điện môi
công tác trong các tụ điện.
Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo đợc bất kỳ 1 loại
thiết bị nào.
Tuỳ thuộc vào các trờng hợp sử dụng vật liệu điện phải đáp ứng đợc nhiều yêu
cầu khác nhau. Ngoài những tính chất về điện thì những tính chất cơ, nhiệt, lý hoá
khác cũng nh khả năng gia công vật liệu để chế tạo thành những sản phẩm cần thiết
cũng giữ vai trò to lớn. Vì vậy trong những điều kiện khác nhau phải chọn những
vật liệu khác nhau.
2.1.2 Phân loại:
a. Phân theo trạng thái:
Vật liệu cách điện đợc phân loại theo các dạng: Khí, lỏng, rắn. Ngoài ra còn có vật
liệu hoá rắn. Trớc khi đa vào sản xuất chất cách điện chúng là chất lỏng, sau khi
chế tạo xong chúng là chất rắn (sơn và các chất hỗn hợp)
b. Phân theo bản chất hoá học:
Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ.
Chất hữu cơ: Những hợp chất chứa các bon, H
2
, O
2
, N
2

Chất vô cơ: Có thể có Si, Al, các kim loại
+ Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi tuy nhiên
chúng có độ bền nhiệt thấp.
Cách điện hữu cơ đợc ứng dụng rộng rãi vì có thể tạo đợc thành dạng sợi,
màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau.
+ Cách điện vô cơ thờng giòn, không có tính dẻo và đàn hồi. Chế tạo phức
tạp nhng có độ bền nhiệt cao.

Tuy công nghệ chế tạo phức tạp nhng chúng đợc dùng trong những chất
cách điện phải làm việc ở nhiệt độ cao.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
16
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
+ Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó
là những vật liệu hữu cơ nhng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên tố
đặc trng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P
c. Phân theo khả năng chịu nhiệt:
vật liệu đợc phân thành các cấp Y, A, E, B, F, H, C. Việc phân cấp theo nhiệt độ
làm việc lớn nhất cho phép có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.
2.2 tính chất chung của vật liệu cách điện.
2.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện:
Khi lựa chọn vật liệu cách điện với 1 mục đích cụ thể cần phải chú ý tới tính
chất điện của nó trong những điều kiện bình thờng và cả độ ổn định của các tính
chất ấy khi có tác động của độ ẩm, nhiệt độ và các tia phóng xạ. Tuổi thọ của cách
điện trong điều kiện nhiệt đới phụ thuộc vào khả năng của các vật liệu đợc bảo vệ
về hoá học chống sự tạo thành nấm mốc, côn trùng
a. Độ ẩm của không khí:
- Không khí luôn chứa 1 lợng hơi nớc nhất định
- Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Đợc đánh giá bằng khối lợng (m) của hơi nớc
chứa trong 1 đơn vị thể tích không khí (m
3
).
Độ ẩm tuyệt đối cần thiết để gây bão hoà không khí tăng mạnh theo nhiệt độ
tức là áp suất của hơi nớc tăng lên.
ứng với mỗi nhiệt độ xác định, không khí không thể chứa 1 lợng nớc lớn hơn vì nó
sẽ rơi xuống dới dạng sơng.

- Độ ẩm tơng đối của không khí:
%100
m
m
%
max
kk
=
Điều kiện bình thờng của không khí đợc lấy bằng độ ẩm (60 ữ 70)% ở nhiệt
độ (20 5)
0
C.
- Tác động của độ ẩm làm giảm tính chất điện của điện môi.
Đặc biệt ở nhiệt độ (30
ữ
40
0
C) và khi

kk
có trị số cao

98
ữ
100% làm cho
điều kiện vận hành của các máy điện và thiết bị điện trở nên nặng nề.
Độ ẩm cao của không khí làm ảnh hởng đến điện trở bề mặt của điện môi
Để bảo vệ chống tác động của độ ẩm cho điện môi rắn cực tính ngời ta phủ
lên chúng 1 loại dầu không dính nớc. Khả năng dính nớc hoặc chất lỏng khác của
điện môi đợc đặc trng bởi góc biên dính nớc

của giọt nớc đổ lên bề mặt phẳng
của vật liệu.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
17
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________

càng nhỏ sự dính nớc càng mạnh
Khi trong điện môi có các lỗ xốp hở hơi ẩm sẽ đi vào bên trong vật liệu.
b. Độ ẩm của vật liệu:
Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều hút ẩm tức là có khả năng
hút vào trong nó hơi ẩm từ môi trờng xung quanh và thấm ẩm tức là có khả năng
cho hơi nớc xuyên qua.
Mẫu vật liệu cách điện để trong điều kiện độ ẩm và
nhiệt độ nhất định của môi trờng xung quanh sau 1 thời
gian dài không hạn định sẽ đạt đến 1 trạng thái cân bằng độ
ẩm nào đó. Hình vẽ biểu sự biến đổi độ ẩm của mẫu vật
liệu khi hút ẩm (đờng 1) và khi sấy khô (đờng 2).
Nếu mẫu vật liệu tơng đối khô thì nó sẽ hút ẩm của môi trờng và độ ẩm tăng
dần cho đến khi cân bằng độ ẩm của môi trờng (đờng 1). Nếu mẫu vật liệu có độ
ẩm lớn hơn độ ẩm

cb
thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị

cb
.
- Giá trị

cb
tơng ứng với độ ẩm tơng đối
kk
của không khí.
Trị số độ ẩm cân bằng

cb
của những mẫu vật liệu khác nhau ở cùng 1 độ ẩm
tơng đối

kk
của không khí có thể rất khác nhau.
Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện rất quan trọng để chọn những
điều kiện thử nghiệm các tính chất điện của vật liệu.
Đối với vật liệu hút ẩm mạnh mà thu nhận và giao hàng lại tiến hành theo
trọng lợng thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán chính xác số lợng vật
liệu.
Đối với vật liệu dệt còn dùng khái niệm độ ẩm quy ớc tơng ứng với độ ẩm cân bằng
của vật liệu khi để nó trong không khí ở điều kiện bình thờng.
Cấu tạo và bản chất hoá học có ảnh hởng quyết định đến tính hút ẩm của vật
liệu: Các vật liệu xốp nhiều, đặc biệt là các vật liệu sợi, hút ẩm mạnh hơn vật liệu
cấu tạo đặc.
Việc xác định độ hút ẩm theo sự tăng trọng lợng của mẫu không phản ánh
hoàn toàn mức độ biến đổi tính chất điện của vật liệu đó khi bị ẩm.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
18
> 90
0
< 90

0
(1
)
(2
)

C
B
t

Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Nếu hơi ẩm hút vào tạo nên sợi và màng mỏng theo chiều dày cách điện mà
lớp màng và sợi này có thể xuyên qua toàn bộ hay 1 phần đáng kể của khoảng cách
giữa các điện cực thì chỉ cẩn 1 lợng hơi ẩm rất nhỏ hút vào cũng làm xấu tính chất
điện đi rất nhiều. Nếu hơi ẩm phân bố theo thể tích vật liệu dới dạng tạp chất nhỏ
riêng biệt không nối với nhau thì ảnh hởng của hơi ẩm đến tính chất điện ít hơn
nhiều.
Khi điện áp là xoay chiều, tg tăng lên rõ rệt khi vật liệu bị ẩm, hằng số điện
môi cũng tăng theo nhng ít nhạy hơn. Vì thế ngời ta thờng đoán về tính hút ẩm theo
độ tăng của điện dung của mẫu dới tác dụng của hơi ẩm.
c. Tính thấm ẩm:
Là khả năng cho hơi nớc đi qua của vật liệu cách điện. Đặc điểm này rất quan
trọng khi đánh giá chất lợng của các vật liệu dùng để sơn phủ bảo vệ. Phần lớn các
vật liệu đều thấm ẩm qua các lỗ xốp rất nhỏ và có độ ẩm đo đợc:
( )
t
h
SPP
m

21

=
Với: m: Lợng hơi ẩm (microgam)
t: Thời gian (giờ)
S: Diện tích mặt phẳng (cm
2
)
h: Chiều dày lớp vật liệu cách điện (cm)
P
1
, P
2
: áp suất ở 2 phía của vật liệu (mmHg)
: Độ thấm ẩm của vật liệu đang xét
Riêng có thuỷ tinh, gốm đã nung kỹ và kim loại là có độ thấm ẩm thực tế = 0.
d. Cải thiện sự thấm ẩm và hút ẩm:
Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp ngời ta dùng
biện pháp tẩm.
Việc tẩm chỉ làm sự hút ẩm của vật liệu cách điện chậm lại bởi các phân tử
của chất tẩm có kích thớc rất lớn so với kích thớc phân tử nớc nên không có khả
năng bịt kín các lỗ xốp đợc, còn với các lỗ nhỏ nhất của vật liệu thì các phân tử
chất tẩm lại không chui vào đợc.để khắc phục vấn đề này ngời ta dùng phơng pháp
tẩm sấy chân không.
ở các điện môi hữu cơ thờng có nấm mốc phát triển và huỷ hoại. Nấm mốc làm
xấu điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách
điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
19

Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Để chống nấm mốc ngời ta thêm vào thành phần của các vật liệu cách điện
hữu cơ chất Fungixit hoặc phủ lên chất cách điện lớp sơn chứa Fungixit.
2.2.2. Tính chất cơ học của điện môi:
Các chi tiết bằng vật liệu cách điện luôn luôn chịu tác động của phụ tải cơ
học nên độ bền cơ của vật liệu và khả năng không bị biến dạng bởi các lực cơ học
có ý nghĩa thực tế lớn.
a. Độ bền đứt, nén, uốn:
Xác định trị số giới hạn bền và biến dạng tơng đối khi bị phá huỷ cho ta khái
niệm về độ bền cơ và khả năng biến dạng dới tải (tính dẻo) của vật liệu.
Một số vật liệu (chất nhiệt dẻo) đợc đặc trng bởi khả năng biến dạng trông
thấy khi tác động lâu dài phụ tải cơ tơng đối nhỏ (hiện tợng chảy dẻo hay chảy
nguội).
Sự chảy dẻo rất tai hại nếu vận hành yêu cầu phải duy trì lâu dài hình dáng
và kích thớc của vật.
Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thờng giảm khi
nhiệt độ tăng. Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.
Khi nhiệt độ tăng lên và gần đến nhiệt độ làm mềm thì sự chảy dẻo của vật
liệu tăng lên mãnh liệt.
b. Tính giòn:
Nhiều vật liệu giòn tức là trong khi có độ bền tơng đối cao đối với phụ tải
tĩnh thì lại bị phá huỷ bởi các lực động (bất ngờ đặt vào).
Phơng pháp đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải
động là thí nghiệm uốn va đập (xác định ứng suất dai va đập). Trong nhiều trờng
hợp ngời ta thờng kiểm tra khả năng vật liệu cách điện chịu tác động rung lâu dài
tức là những dao động lặp lại có tần số và biên độ xác định. Cách kiểm tra này th-
ờng tiến hành cho các thành phẩm.
c. Độ cứng:
Là khả năng lớp bề mặt vật liệu chống lại biến dạng do lực nén truyền từ vật

có kích thớc nhỏ vào.
Đối với điện môi độ cứng ít có ý nghĩa quan trọng và đợc xác định theo
nhiều phơng pháp. Đối với vật liệu vô cơ: Độ cứng đợc xác định theo thang khoáng
vật hay là thang thập phân quy ớc của độ cứng (trong đó hoạt thạch đợc chọn làm
đơn vị đo và xếp theo độ cứng tăng dần nh sau:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
20
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Hoạt thạch - 1; thạch cao - 1,4; CaCO
3
- 10; Florit(CaF
2
)- 27; Apatit - 44; Thạch
anh - 1500; Kim cơng - 5.000 000)
Độ cứng có thể xác định theo độ chống xớc của nó: chất có độ cứng <2 có thể làm
xớc bằng móng tay; độ cứng <5 - bằng dao thờng; độ cứng <7 - bằng dũa.
Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phơng pháp Brinel và phơng pháp con lắc
của Cuznexôp. Phơng pháp Brinel hay dùng nhất là dùng một lực nhất định P ép
một hòn bi thép đã tôi có đờng kính D vào mẫu. Đo vết lõm đợc chiều sâu h hoặc đ-
ờng kính d của vết lõm. Độ cứng tìm đợc là:
T
B
=
(
)
22
dDD
2

D
P
Dh
P


=

(kg/mm
2
; [P]= kg; [D,h,d] = mm)
Để đổi trị số độ cứng theo Brinel đo bằng kg/mm
2
sang đơn vị của hệ SI - N/m
2
ta
phải nhân nó với 10
7
d. Độ nhớt:
Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng.
Độ nhớt động lực học hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng.
Độ nhớt động học:


=
. ( là mật độ của chất lỏng)
Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm
nhiều khi nhiệt độ tăng theo hàm số mũ:
kT
w

Ae=
A: Hằng số đặc trng cho chất lỏng:
3
fl
kT6
A =
f: tần số giao động nhiệt của phân tử = 10
12
- 10
13
s
-1
l: khoảng cách giữa các phân tử.
W: Năng lợng kích thích tính bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn định
này sang trạng thái ổn định khác.
T: Nhiệt độ
2.2.3. Tính chất nhiệt của điện môi:
a. Tính chịu nóng: Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu
đựng không bị h hại trong 1 thời gian ngắn cũng nh lâu dài tác động của nhiệt độ
cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
21
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Đối với điện môi vô cơ: Độ bền chịu nóng đợc xác định theo điểm bắt đầu
biến đổi tính chất điện (tg

tăng hay điện trở suất giảm). Nó đợc đánh giá bằng trị
số nhiệt độ (0

0
C) xuất hiện sự biến đổi này.
Đối với điện môi hữu cơ: Độ bền chịu nóng xác định theo điểm bắt đầu biến dạng
cơ học khi nung nóng điện môi.
Cũng có thể xác định độ bền chịu nóng theo các đặc tính điện.
Nhiệt độ chớp nháy: Là nhiệt độ của chất lỏng mà khi nung nóng chất lỏng
đến nhiệt độ đó hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đa lửa vào gần.
Nhiệt độ cháy: Là nhiệt độ cao hơn mà khi đa ngọn lửa lại gần bản thân chất
lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy.
Điều này cần chú ý khi đánh giá chất lợng của dầu MBA và các dung môi
để sản xuất sơn cách điện.
Nhiệt độ làm việc cho phép cao nhất đợc giải quyết trên cơ sở độ bền chịu
nóng của vật liệu có chú ý đến hệ số dự trữ. Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm
việc, mức độ an toàn cần thiết và tuổi thọ chất cách điện.
Sự giảm xấu chất lợng cách điện chỉ có thể phát hiện đợc khi nhiệt độ cao tác
động lâu dài do các quá trình hoá học diễn ra một cách chậm chạp gọi là sự hoá
già nhiệt chất cách điện. VD: ở màng sơn và xen lu lô: tăng độ rắn và giòn, tạo
thành vết nứt Ngoài ra, tốc độ hoá già còn chịu ảnh hởng của áp suất không khí,
nồng độ ôxy, các chất phản ứng hoá học làm nhanh hoặc chậm quá trình hoá già.
Khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng trong
thực tế. Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt độ cho phép nhận đợc
công suất cao hơn khi kích thớc không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có
thể giảm kích thớc, trọng lợng và giá thành của thiết bị.
Nâng cao nhiệt độ làm việc đặc biệt quan trọng đối với các động cơ kéo và cầu
trục, với các thiết bị điện trên máy bay mà nhiệm vụ giảm kích thớc và trọng lợng
đặt lên hàng đầu. Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng
nổ.
Phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng đối với máy điện, máy
biến áp và thiết bị (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép).

Loại cách điện Y A E B F H C
Nhiệt độ (C
0
) 90 105 120 130 155 180 >180
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
22
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Cấp Y: bao gổm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ )cha dợc ngâm
tẩm trong vật liệu cách điện lỏng.
Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã đợc ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa
pôlyamit ).
Cấp E: Các loại Y, A, E gồm chủ yếu là vật liệu thuần tuý hữu cơ: 1 số vật liệu
cách điện hữu cơ (cao su, polystyrol ) có độ bền chịu nóng còn thấp hơn loại Y
không đợc đa vào phân loại. VD: Với loại Y gồm các vật liệu gốc xenlulô và tơ nếu
chúng không đợc ngâm tẩm; nhng nếu chúng đợc ngâm tẩm chúng sẽ thuộc loại A.
Các loại có độ bền chịu nóng cao hơn chứa thành phần vô cơ nhiều hơn: VD
loại C gồm các vật liệu vô cơ thuần tuý, không có thành phần kết dính hoặc tẩm:
ôxy nhôm, mi ca
b. Tính chịu băng giá: (độ bền chịu lạnh)
Là khả năng chất cách điện làm việc không bị giảm độ tin cậy vận hành ở
nhiệt độ thấp (-60 ữ -70
o
C)
Thờng ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhng
cũng có nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi sẽ trở nên giòn và cứng ở nhiệt độ thấp, gây
khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện.
c. Độ dẫn nhiệt:
Đặc trng bởi nhiệt dẫn xuất

N
và có ý nghĩa quan trọng vì nhiệt toả ra do tổn
thất công suất trong chất cách điện đợc truyền ra môi trờng xung quanh qua nhiều
lớp vật liệu khác nhau. Độ dẫn nhiệt ảnh hởng đến độ bền điện khi xuyên thủng
nhiệt và ảnh hởng đến độ bền của vật liệu với xung nhiệt.
So với kim loại thì trị số

N
của vật liệu cách điện rất nhỏ. Vật liệu cách điện
xốp có lẫn tạp chất không khí có

N
nhỏ nhất. Điện môi kết tinh có

N
cao hơn điện
môi không định hình.

N
phụ thuộc 1 phần vào nhiệt độ.
d. Sự giãn nở nhiệt của điện môi:
Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:
dt
dl
l
1
l
=
[độ
-1

]
Những vật liệu có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ nhỏ thờng có độ bền chịu
nóng cao và ngợc lại.
Điện môi hữu cơ có

l
rất cao so với điện môi vô cơ. vì vậy các chi tiết chế
tạo từ điện môi vô cơ có kích thớc ổn định cao khi nhiệt độ thay đổi.
Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
23
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Vật liệu

l
.10
6
(độ
-
1
)
Nhận xét
Thuỷ tinh thạch anh
Sứ cao tần
0,55
4,5
Vôcơ
Fenolfomandehit và các chất

dẻo có độn khác
Tấm chất dẻo clorua polivinyl
Poliêtylen
25 - 70
70
100
Hữu cơ
2.2.4 Tính chất hoá học của điện môi:
Đây là tính chất rất đáng chú ý vì độ tin cậy của vật liệu phải đợc đảm bảo
khi làm việc lâu dài.
Không bị phân huỷ để giải thoát ra những sản phẩm phụ và không ăn mòn
các kim loại tiếp xúc với nó. Không phản ứng với các chất khác.
Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng các phơng pháp hoá
công khác nhau: dính đợc, hoà tan đợc trong dung dịch thành sơn
Độ hoà tan của vật liệu rắn đánh giá bằng khối lợng vật liệu chuyển sang
dung dịch trong 1 đơn vị thời gian từ 1 đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với
dung môi. Ngoài ra có thể đánh giá theo nồng độ của dung dịch bão hoà.
Dễ hoà tan nhất là các chất có bản chất hoá học gần với dung môi và chứa
các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử. VD: chất lỡng cực dễ hoà tan trong
chất lỏng lỡng cực. Chất trung hoà dễ tan trong chất lỏng trung hoà.
Khi tăng mức trùng hợp thì độ hoà tan giảm.
Khi tăng nhiệt độ thì độ hoà tan thờng tăng lên.
2.2.5 Tính chịu tác động của bức xạ năng lợng cao:
Trong kỹ thuật hiện đại có thể gặp những điều kiện sử dụng thiết bị điện mà
trong đó thiết bị chịu tác động của bức xạ hạt nhân hoặc sóng năng lợng cao. Khi
đó điều quan trọng là phải biết độ bền bức xạ.
Độ bền bức xạ là mức độ bền vững của vật liệu đối với tác động bức xạ, mức
độ duy trì tính chất điện và cơ của chúng.
Bức xạ năng lợng cao có thể sử dụng trong quá trình công nghệ để tạo ra vật
liệu mới có những tính chất quý giá đối với thực tế, VD: nâng cao độ chịu nóng

hoặc đối với việc tổng hợp các vật liệu mới
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
24
Giáo trình Vật liệu điện
_____________________________________________________________________________
Sự hấp thụ phóng xạ trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và chất l-
ợng của chính sự phóng xạ. Khi gặp bề mặt vật liệu năng lợng phóng xạ giảm theo
mức độ thấm vào chiều sâu vật liệu.
Sự khuyếch tán năng lợng phóng xạ xảy ra chủ yếu do ion hoá (hiệu ứng
quang bên trong) và kích thích các nguyên tử khi năng lợng rất lớn do sự biến đổi
hạt nhân. Một phần năng lợng tiêu tốn để tách các nguyên tử hoặc ion giữa các nút,
làm xuất hiện trong mạng các lỗ khuyết và các trung tâm khuyết tật.
Tác động của bức xạ có thể dẫn đến hàng loạt các biến đổi phân tử và phản
ứng hoá học. Khi bức xạ lâu dài hoặc với cờng độ rất mạnh các chất bị bức xạ đều
bị phân huỷ.
Các vật liệu bền vững với bức xạ phải có 2 thuộc tính:
+ Khả năng hấp thụ năng lợng mà không bị ion hoá 1 cách quá đáng.
+ Khả năng tạo mối liên kết kép với mức độ lớn hơn phá huỷ mối liên kết đó.
Dới tác dụng của bức xạ chất trùng hợp có thể chuyển từ trạng thái này sang
trạng thái cấu tạo khác.
Thực tế cho thấy tất cả các tính chất điện, cơ, hoá, lý đều có thể bị biến đổi do
bức xạ. Độ bền điện của điện môi dới ảnh hởng của bức xạ có thể tăng hoặc giảm
tuỳ theo các quá trình diễn ra trong vật liệu.
2.3 Các yếu tố ảnh hởnh đến độ cách điện
2.3.1 Khái niệm về sự đánh thủng điện môi: Mỗi điện môi nằm trong điện trờng
sẽ mất thuộc tính cách điện nếu cờng độ điện trờng vợt quá trị số giới hạn cho phép
gọi là hiện tợng đánh thủng điện môi hay còn gọi là hiện tợng phá huỷ độ bền điện
của nó.
Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi đợc gọi là điện áp đánh

thủng và trị số tơng ứng của cờng độ điện trờng gọi là cờng độ điện trờng đánh
thủng hoặc cờng độ cách điện của điện môi.

h
U
E
dt
dt
=
Với: U
đt
là điện áp đánh thủng (KV)
E
đt
là cờng độ đánh thủng (KV/cm, KV/mm, V/m)
h là chiều dày điện môi (cm, mm)
Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng. Vật liệu cách điện thể khí
hoặc thể lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn cách điện thể rắn bị phá huỷ
vĩnh viễn, không sử dụng lại đợc.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trờng TC nghề KT CNN nghiệp Yên thành
25