giáo trình vật liệu điện chuẩn

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU........................................................v
1.1. CẤU TẠO VẬT LIỆU..................................................................................................v
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử..................................................................................................v
1.1.2. Cấu tạo phân tử.....................................................................................................vi
1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU............................................................................................vii
1.2.1. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn.................................................vii
1.2.2. Phân loại theo khả năng dẫn điện........................................................................vii
1.2.3. Phân loại vật liệu theo từ tính.............................................................................viii
CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN VÀ SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MÔI............................ix
2.1. NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ ĐIỆN MÔI KHI ĐẶT VÀO ĐIỆN TRƯỜNG.ix
2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN, ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI......................................................x
2.2.1. Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi...................................................x
2.2.2. Điện dẫn của điện môi..........................................................................................xi
2.2.3. Điện trở của điện môi............................................................................................xi
2.2.4. Điện trở suất khối và điện trở suất mặt.................................................................xi
2.2.5. Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS..................................................xii
2.3. ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ, LỎNG VÀ RẮN..............................................xii
2.3.1. Điện dẫn của điện môi khí...................................................................................xii
2.3.2. Điện dẫn của điện môi lỏng................................................................................xiv
2.3.3. Điện dẫn của điện môi rắn...................................................................................xv
2.4. SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI..........................xv
2.4.1. Khái niệm về sự phân cực....................................................................................xv
2.4.2. Hằng số điện môi (ε)...........................................................................................xvi
2.5. CÁC DẠNG PHÂN CỰC XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI......................................xvi
2.5.1. Phân cực nhanh...................................................................................................xvi
2.5.2. Phân cực chậm...................................................................................................xvii
2.5.3. Phân loại điện môi theo các dạng phân cực......................................................xvii
CHƯƠNG 3: TỔN HAO ĐIỆN MÔI VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN
MÔI...................................................................................................................................................xix
3.1. KHÁI NIỆM VỀ TỔN HAO ĐIỆN MÔI.................................................................xix
3.2. CÁC DẠNG TỔN HAO XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI.........................................xxi

i


3.2.1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò......................................................................xxi
3.2.2. Tổn hao điện môi do phân cực...........................................................................xxi
3.2.3. Tổn hao điện môi do ion hoá.............................................................................xxii
3.2.4. Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất.................................................xxii
3.3. TÍNH TOÁN TỔN HAO ĐIỆN MÔI.....................................................................xxiii
3.3.1. Tính toán công suất tổn hao lớn (sơ đồ song song).........................................xxiv
3.3.2. Tính toán công suất tổn hao nhỏ(sơ đồ nối tiếp)...............................................xxv
3.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỔN HAO ĐIỆN MÔI................................xxvi
3.4.1. Tổn hao điện môi của chất khí..........................................................................xxvi
3.4.2. Tổn hao điện môi của chất lỏng......................................................................xxvii
3.4.3. Tổn hao điện môi của chất rắn.......................................................................xxviii
3.5. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI.xxviii
3.6. SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ........................................................xxix
3.6.1. Các yêu cầu chung của chất khí dùng làm chất khí cách điện.........................xxix
3.6.2. Các dạng ion hoá xảy ra trong chất khí.............................................................xxx
3.6.3. Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí.........xxxi
3.6.4. Phóng điện trong trường đồng nhất và không đồng nhất...............................xxxvi
3.7. SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG VÀ RẮN..................................xxxix
3.7.1. Sự phóng điện trong điện môi lỏng................................................................xxxix
3.7.2. Sự phóng điện trong điện môi rắn.......................................................................xli
CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN...............................................................................xlv
4.1. TÍNH CHẤT CƠ, LÝ, HÓA CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN.................................xlv
4.1.1. Đặc tính vật lý của điện môi...............................................................................xlv
4.1.2. Đặc tính cơ giới của điện môi..........................................................................xlvii
4.1.3. Đặc tính hóa học của điện môi..........................................................................xlix
4.2. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ........................................................................xlix
4.2.1. Không khí...........................................................................................................xlix

4.2.2. Khí SF6 (Hecxanflorit hay êlêgaz)........................................................................li
4.2.3. Khí Hydro (H2)......................................................................................................li
4.3. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG.......................................................................lii
4.3.1. Dầu máy biến áp...................................................................................................lii
ii


4.3.2. Dầu tụ điện, dầu cáp điện....................................................................................liv
4.3.3. Điện môi lỏng tổng hợp.......................................................................................liv
4.4. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN..........................................................................lv
4.4.1. Điện môi hữu cơ cao phân tử................................................................................lv
4.4.2. Điện môi vô cơ.....................................................................................................lix
4.4.3. Vật liệu cách điện dạng sợi.................................................................................lxii
4.4.4. Mica....................................................................................................................lxii
4.5. CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN.........................................lxiii
4.5.1. Nhóm cách điện cơ bản.....................................................................................lxiii
4.5.2. Cách điện của MBA............................................................................................lxx
4.5.3. Cách điện của máy điện...................................................................................lxxiv
4.5.4. Cách điện khí cụ điện....................................................................................lxxviii
CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN............................................................................lxxxiv
5.1. PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN lxxxiv
5.1.1. Định nghĩa......................................................................................................lxxxiv
5.1.2. Phân loại.........................................................................................................lxxxiv
5.1.3. Các tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện.....................................................lxxxv
5.2. VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN CAO.....................................................................lxxxviii
5.2.1. Đồng(Cu).....................................................................................................lxxxviii
5.2.2. Nhôm(Al)...........................................................................................................xcii
5.2.3. Sắt (Fe)..............................................................................................................xciii
i. Các sợi cấu thành......................................................................................................xcv
5.2.4. Một số kim loại khác.........................................................................................xcvi

5.3. LƯỠNG KIM LOẠI..............................................................................................xcviii
5.3.1. Định nghĩa.......................................................................................................xcviii
5.3.2. Phân loại và ứng dụng:...................................................................................xcviii
5.4. VẬT LIỆU DÙNG LÀM DÂY DẪN ĐIỆN, ĐIỆN TRỞ VÀ TIẾP ĐIỂM ĐIỆN
.....................................................................................................................................................xcix
5.4.1. Khái quát và phân loại......................................................................................xcix
5.4.2. Kim loại tinh khiết dùng làm điện trở..............................................................xcix
5.4.3. Hợp kim dùng làm điện trở....................................................................................c
iii


5.4.4. Vật liệu làm tiếp điểm điện....................................................................................c
CHƯƠNG 6: VẬT LIỆU BÁN DẪN..................................................................................ciii
6.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN..................................................ciii
6.1.1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn.................................................................ciii
6.1.2. Phân loại bán dẫn.................................................................................................cv
6.2. CÁC CHẤT BÁN DẪN CHÍNH DÙNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN..................cvi
6.2.1. Cacbon(Than)......................................................................................................cvi
6.2.2. Gecmani (Ge).....................................................................................................cvii
6.2.3. Silic (Si)............................................................................................................cviii
6.2.4. Sêlen (Se)............................................................................................................cix
6.3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU BÁN DẪN KHÁC...............................................................cx
6.3.1. Vật liệu bán dẫn có tạp chất.................................................................................cx
6.3.2. Vật liệu bán dẫn ghép........................................................................................cxii
6.3.3. Vật liệu bán dẫn ghép có tạp chất.....................................................................cxiii
6.4. QUÁ TRÌNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN.................................cxiv
6.4.1. Quá trình dẫn điện trong Vật liệu bán dẫn (VLBD).........................................cxiv
6.4.2. Dòng điện trong VLBD.....................................................................................cxvi
6.5. TIẾP GIÁP P – N.....................................................................................................cxix
6.5.1. Cách để chế tạo lớp p-n.....................................................................................cxix

6.5.2. Tiếp giáp p-n......................................................................................................cxx
CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU TỪ...........................................................................................cxxvi
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH.........cxxvi
7.2. CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ CHÍNH...................................................................cxxviii
7.2.1. Vật liệu từ mềm............................................................................................cxxviii
7.2.2. Vật liệu từ cứng................................................................................................cxxx
7.2.3. Những vật liệu từ đặc biệt..............................................................................cxxxii
7.3. MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH TỪ...........................................................cxxxii
7.4. NAM CHÂM ĐIỆN.............................................................................................cxxxiv

iv


CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
1.1. CẤU TẠO VẬT LIỆU
Để hiểu được bản chất dẫn điện và cách điện của vật liệu, chúng ta cần có khái niệm về cấu
tạo vật liệu cũng như sự hình thành các phân tử mang điện trong vật liệu.
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử

Hình 1 - : Mô hình nguyên tử Borh

Mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và
phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật
chất. Theo mô hình nguyên tử Borh, nguyên tử được
cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các
điện tử (electron) mang điện tích âm. Các điện tử này
chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất
định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt
proton va nơtron. Nơtron là hạt không mang điện,
còn proton mang điện tích dương. Điện tích của các

nơtron là Z.q

Trong đó :
Z- số lượng điện tử của nguyên tử, đồng thời là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử trong
bảng tuần hoàn Mendeleep.
q- điện tích của điện tử e (qe= -1,601.10-19C)
Protôn có khối lượng bằng mp=1,67.10-27kg, còn khối lượng của một điện tử bằng
me=9,1.10-31kg.
Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà về điện, tức là tổng các điện tích dương của
hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của điện tử. Nếu vì lý do nào đó mà nguyên tử mất đi một
hay nhiều điện tử thì sẽ mang điện tích dương, thường gọi là ion dương. Ngược lại, nếu nguyên tử
trung hòa nhận thêm điện tử thì mang điện tích âm, trở thành ion âm.
Trong nguyên tử, điện tử chuyển động trên những quỹ đạo xác định tương ứng với một
mức năng lượng nhất định
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ
chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức :
f1 =

q2
r2

(1- 0)

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2
mv 2
f2 =
r

Trong đó:

(1- 0)

m – khối lượng của điện tử
v


v – vận tốc chuyển động của điện tử
Từ

(1- 0) và

(1- 0) ta có f1 = f2, hay
mv 2 =

q2
r

(1- 0)

Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng T =

mv 2
q2
và một thế năng U = ,
2
r

nên năng lượng của điện tử sẽ bằng
W =T+U =

mv 2 q 2
q2
−
=−
2
r
2r

(1- 0)

Điều này chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, tỉ lệ
nghịch với bán kính quỹ đạo của chuyển động. Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để nó
tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do gọi là năng lượng ion hoá(W i). Khi đó nguyên tử
trở thành ion dương.Nếu biến nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá
trình ion hoá. Ngược lại nếu nguyên tử nhận thêm điện tử, nó trở thành ion âm. Năng lượng của
các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau. Các điện tử hóa trị ở ngoài có mức năng lượng ion hóa
thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân.
Trong thực tế, năng lượng ion hoá và kích thích do nhiều nguồn năng lượng khác nhau như
: nhiệt năng, quang năng, điện năng hay năng lượng của các tia bức xạ α, β, γ...
1.1.2. Cấu tạo phân tử
Phân tử được tạo nên từ nhữn nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn
tại bốn loại liên kết sau
1. Liên kết đồng hoá trị
Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử trong phân tử. Khi
đó, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Ví
dụ: O2; H2 hay Cl2. Tùy thuộc cấu trúc đối xứng hay không mà liên kết đồng hoá trị được chia làm
hai loại như sau:
a. Liên kết trung tính
Là loại liên kết đồng hoá trị có tâm của các điện tích dương trùng với tâm của điện tích âm,
ví dụ: Cl2..

b. Liên kết cực tính (lưỡng cực)
Là liên kết có tâm điện tích dương và tâm điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một
khoảng cách a nào đó, ví dụ: HCl...
2. Liên kết ion

vi


Liên kết ion là liên kết được xác lập do lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong
phân tử. Loại liên kết này khá bền vững, do đó vật rắn có cấu tao ion này thường có độ bền cơ học
và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ điển hình là các muối halogen của các kim loại kiềm, như NaCl.
3. Liên kết kim loại
Thường gặp trong các mạng tinh thể kim loại (chất rắn), sự liên kết này là do lực hút giữa
các ion dương của mạng tinh thể với các điện tử tự do của kim loại. Lực hút này tạo nên tính
nguyên khối của kim loại, do vậy liên kết kim loại khá bền vững. Kim loại có đọ bền cơ học và
nhiệt độ nóng chảy cao. Do sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim, tính
dẫn nhiệt và dẫn điện tốt.
4. Liên kết Vandec-Vanx
Đay là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể không vững chắc nên chúng có độ nóng
chảy và độ bền cơ thấp, ví dụ như sáp(parafin)...

1.2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
1.2.1. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn
Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các
nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫnvà cách điện(điện môi).

Trong đó:
1: - Vùng đầy điện tử
2: - Vùng cấm
3: - Vùng các mức năng

lượng tự do
Điện môi

Bán dẫn

Vật dẫn

Hình 1 - : Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của chất rắn ở 0oK

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng
lượng được các điện tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi
nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Vùng năng lượng
bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất được gọi là vùng hoá trị (vùng đầy). Những điện tử
tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn tập hợp thành vùng tự do (vùng điện dẫn) ở phần trên
cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng. Giữa vùng tự do và vùng đầy tồn tại vùng năng lượng
được gọi là vùng cấm hay vùng trống. Tùy theo chiều rộng của vùng cấm (ΔW) mà vật liệu phân
thành vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện (điện môi).
1.2.2. Phân loại theo khả năng dẫn điện
1. Cách điện (điện môi)
vii


Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện
tử không xảy ra. Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt
vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của
điện môi ∆W nằm trong khoảng 1,5 đến vài điện tử vôn (eV).
2. Bán dẫn
Bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác
dộng từ năng lượng bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (∆W=0,2÷1,5eV), do đó ở
nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt

có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn.
3. Vật dẫn
Vật dẫn là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên vùng đầy
(∆W≤0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ bình thường các điện tử
hoá trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện
trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt.
1.2.3. Phân loại vật liệu theo từ tính
Theo từ tính, người ta phân vật liệu thành nghịch từ, thuận từ và dẫn từ.
1. Nghịch từ
Nghịch từ là những chất có độ từ thẩm µ < 0 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường
bên ngoài. Loại này gồm có Hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, một số các kim loại
như đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân,…
2. Thuận từ
Thuận từ là những chất có độ từ thẩm µ > 1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ
trường bên ngoài. Loại này gồm có Oxy, ni tơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối Coban và
Niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim…
Chất nghịch từ và thuận từ thường có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
3. Chất dẫn từ
Chất dẫn từ là các chất có độ từ thẩm µ >> 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên
ngoài. Loại này gồm có sắt, Niken và Coban và các hợp kim của chúng, hợp kim Crom và
Mangan, Gadoloit, Pherit…

viii


CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN VÀ SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN
MÔI
2.1. NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ ĐIỆN MÔI KHI ĐẶT VÀO ĐIỆN TRƯỜNG
Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, điện môi sẽ chịu lực tác dụng của cường độ điện
trường. Tuỳ theo dạng của cường độ điện trường và thời gian tác dụng mà trong điện môi xảy ra

những hiện tượng với các đặc điểm khác nhau. Dưới tác dụng của điện trường, trong điện môi có
thể xảy ra hai hiện tượng cơ bản đó là hiện tượng dẫn điện và phân cực điện môi.
Hiện tượng dẫn điện: Dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương chuyển
động theo chiều của điện trường, các điện tích âm (bao gồm cả điện tử tự do) chuyển động theo
chiều ngược lại, chúng tạo nên một dòng điện đi trong điện môi. Như vậy điện dẫn của điện môi
được xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích dưới tác dụng của điện trường bên
ngoài. Số lượng điện tích tự do của các điện môi không nhiều, do đó dòng điện này có trị số nhỏ.
Hiện tượng phân cực: Phân cực là sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích liên kết
hay sự định hướng của các phần tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường. Trong quá trình
phân cực cũng tạo nên dòng điện phân cực.
Do có dòng điện dẫn và sự phân cực mà một phần năng lượng điện bị tiêu hao và tỏa ra
dưới dạng nhiệt năng làm cho điện môi nóng lên. Phần năng lượng tiêu hao đó gọi là tổn hao điện
môi. Dựa vào trị số tổn hao điện môi mà người ta đánh giá chất lượng vật liệu cách điện.
Mỗi loại điện môi với chiều dày nhất định chỉ chịu được điện áp giới hạn nhất định. Khi
điện áp cao hơn trị số giới hạn sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện làm hỏng điện môi. Độ bền của
vật liệu là khả năng vật liệu chịu điện áp mà không bị phá huỷ. Độ bền điện được đặc trưng bởi trị
số cường độ điện trường đánh thủng E dt =

U dt
[ kV / mm] .
h

Trong quá trình vận hành, điện môi phải chịu tác động của môi trường và điện trường. Sau
một thời gian tính chất cơ học, lý, hoá, điện....của điện môi sẽ bị thay đổi khác với tính chất ban
đầu, khi đó điện môi bị lão hoá dần dần mất dần tính chất cách điện.
Các chương dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu từng hiện tượng xảy ra trong điện môi.

ix

2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN, ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI
2.2.1. Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi
Điện môi là một loại vật liệu được dùng để chế tạo cách điện nhưng thực tế không là một
vật liệu cách điện hoàn toàn vì trong điện môi cũng có một số tuy không nhiều, các điện tích tự do
và các tạp chất (không đồng nhất). Do vậy sẽ có dưới tác dụng của lực điện trường vẫn có dòng
điện đi qua. Tuỳ theo nguyên nhân sinh ra dòng điện mà người ta phân ra dòng điện chạy trong
điện môi ra như sau :
- Dòng điện chuyển dịch : Do tác dụng của cường độ điện trường E làm cho điện tích
trong điện môi chuyển dịch có hướng. Các điện tích đó sẽ chuyển dịch từ trạng thái cân bằng này
sang trạng thái cân bằng khác, nói cách khác đó là sự chuyển dịch năng lượng và nó biến thiên
trong khoảng thời gian rất ngắn.
- Dòng điện hấp thụ : Là thành phần do phân cực chậm gây lên, dưới tác dụng của một
điện áp đặt vào điện môi thì các phân tử lưỡng cực sẽ xoay hướng và tạo nên dòng điện hấp thụ.
Sự phân cực này phụ thuộc vào loại điện áp tác dụng. Nếu là điện áp một chiều thì dòng điện chỉ
xuất hiện khi đóng cắt mạch, còn nếu là điện áp xoay chiều thì dòng điện này tồn tại trong suốt
thời gian đóng mạch
- Dòng điện rò : Nguyên nhân sinh ra là do các điện tích tự do như bụi bẩn bám trên bề
mặt của điện môi hoặc là có ở bên trong chất điện môi. Dưới tác dụng của điện trường các điện
tích tự do có thể dịch chuyển theo hướng của điện trường, trị số dòng điện rò này rất nhỏ.

Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện với điện áp và thời gian

Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp U và đo trị số dòng điện đi qua điện môi
ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu điễn như Hình 2 - . Dòng điện đi trong
điện môi gồm hai thành phần là dòng điện rò (Irò) và dòng điện phân cực (Iph.c)
Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong một thời gian quá trình quá độ
khi đóng hay cắt mạch điện.Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời
gian đặt điện áp.
x

I = Ipc +Irò
Ipc= Icd +Iht
I = Irò +Icd +Iht
Vậy bất kỳ một chất điện môi nào khi có tác dụng của một điện trường thì nó cũng gồm hai
thành phần I= Ipc +Irò. Dưới tác dụng của điện áp một chiều thì sau khi sự phân cực hoàn thành thì
trong chất điện môi chỉ còn thành phần dòng điện Irò.
2.2.2. Điện dẫn của điện môi
Trong vật liệu KTĐ có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫn
điện. Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành ba loại sau đây:
- Điện dẫn điện tử: thành phần của loại điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong
điện môi.
- Điện dẫn ion: thành phần của loại điện dẫn này là các ion dương và âm.Các ion sẽ
chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động, tại điện cực các ion sẽ trung hoà về điện
và tích luỹ dần trên bề mặt điện cực giống như quá trình điện phân.Vì vậy, nó còn được gọi là
điện dẫn điện phân.
- Điện dẫn điện di (môliôn):bao gồm các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại
trong điện môi, chúng được tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt.
2.2.3. Điện trở của điện môi
Điện trở của điện môi được xác định bằng định luật Ohm. Nếu là điện áp một chiều thì
dòng điện trong điện môi chủ yếu là dòng điện rò Irò. Khi đó:
I=

U
;[ Ω]
I rò

(2 - )

Nếu điện áp đặt vào là xoay chiều thì điện trở điện môi R đm còn phụ thuộc vào dòng điện

chuyển dịch Icd và dòng điện hấp thụ Iht :
I=

U
; [ Ω]
I rò + I cd + I ht

(2 - )

2.2.4. Điện trở suất khối và điện trở suất mặt
1. Điệntrở suất khối ρV
Điện trở suất khối ρV có trị số bằng điện trở của khối lập phương chiều dài mỗi cạch 1cm,
được tưởng tượng cắt ra từ vật liệu nghiên cứu, khi dòng điện chạy qua vuông góc hai mặt đối
diện của khối đó.
Với mẫu vật liệu phẳng và điện trường đồng nhất, điện trở suất khối được tính theo công
thức:
xi


ρV = R V

S
; [ Ω.cm ]
h

(2 - )

Trong đó :
RV : Điện trở khối của mẫu(Ω)
S: Điện tích của điện cực(cm2)

h: chiều dài của khối mẫu(cm)
2. Điện trở suất mặt
Điện trở suất mặt có trị số bằng điện trở của một hình vuông(kích thước bất kỳ) được tách
ra một cách tưởng tượng trên bề mặt của vật dẫn khi dòng điện chạy qua vuông góc hai cạnh đối
diện của hình vuông đó.
ρS = R S

d
; [ Ω]
L

(2 - )

Trong đó :
RS : Điện trở mặt của mẫu(Ω)
d: Chiều rộng của hai điện cực song song (cm)
L: khoảng cách giữa hai điện cực(cm)
2.2.5. Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS
Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS của mẫu vật liệu bằng nghịch đảo của điện
trở suất khối và điện trở suất mặt của mẫu vật liệu đó.
γV =

1
;[1/ Ω.cm]
ρV

(2 - )

γS =

1
;[1 / Ω]
ρS

(2 - )

Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trở cách điện R cđ của điệm môi rắn bằng tổng các
điện dẫn khối và mặt. Điện trở cách điện của khối điện môi Rcđ
R cd =

U
I rò

Trong đó U là điện áp một chiều [V]

2.3. ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ, LỎNG VÀ RẮN
2.3.1. Điện dẫn của điện môi khí
Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hoá tự nhiên, khi điều kiện môi trường
không thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng điện tích tự do nhất định.
Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hoá tự nhiên sẽ
xii


chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí. Dòng điện dẫn này được gọi là “điện
dẫn không tự duy trì”.
Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn, những điện tích có trong điện môi sẽ
nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với các phân tử trung hòa sẽ gây
lên ion hóa (ion hóa do va chạm). Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va
chạm sẽ tăng theo hàm số mũ làm cho dòng điện dẫn tăng. Điện dẫn của chất khí trong trường
hợp này được gọi là điện dẫn tự duy trì.

Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với chất khí

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chất khí hay còn gọi là đặc tính Vôn-Ampe(VA) được thể hiện trên Hình 2 - . Có thể thấy đặc tính chia thành 3 vùng riêng biệt.
Vùng I: Đoạn đầu của đường cong, điện áp tăng từ 0 cho đến U A tương ứng với miền của
định luật Ohm, trong chất khí có thể xem số lượng ion dương và âm(n 0) không đổi. Khi điện áp
đặt lên hai điện cực tăng, thì cường độ điện trường E sẽ tăng lên. Lực điện trường tác dụng lên các
điện tích tăng(F=q.E)do đó tốc độ chuyển động của các điện tích sẽ tăng, mật độ dòng điện tăng
và dòng điện sẽ tăng tuyến tính với điện áp tuân theo định luật Ohm.
Vùng II: Ứng với khu vực điện trường cong dòng điện bão hòa. Khi điện áp tăng cao,
cường độ trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn các ion chưa kịp tái hợp đã bị
kéo đến các điện cực. Điều đó có nghĩa là: có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích
đi về các điện cực trung hoà. Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi ion hoá tự nhiên không đổi
cho nên dòng điện đạt tới trị số bão hoà, mặc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng không làm cho dòng
điện tăng-ứng với phần gần nằm ngang của đồ thị.
Đối với không khí ở điều kiện bình thường với khoảng cách giữa các điện cực là 10mm và
cường độ trường khoảng 0,0006V/mm thì dòng điện đạt trị số bão hoà với mật độ dòng điện
khoảng 10-21A/mm2.Vì vậy có thể xem không khí là điện môi tốt khi chưa kề đến các điều kiện
đưa đến ion hoá va chạm.
xiii


Vùng III: ứng với khu vực có cường độ trường mạnh. Ở khu vực này dòng điện bắt đầu
tăng nhanh không tuân theo định luật Ohm. Điều này được hiểu trên cơ sở hiện tượng ion hoá va
chạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn. Khi mật độ điện tích lớn sẽ gây nên
phóng điện tạo thành dòng điện tử(Plasma) nối liền giữa hai điện cực, chất khí trở thành vật dẫn
điện, dòng điện tăng theo hàm số mũ. Song theo định luật bảo toàn năng lượng và do công suất
nguồn hạn chế, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duy
trì(UTDT).
2.3.2. Điện dẫn của điện môi lỏng

Trong điện môi lỏng tồn tại hai loại điện dẫn đó là điện dẫn ion và điện dẫn điện di.
1. Điện dẫn ion của điện môi lỏng
Trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hoá tự nhiên mà còn do
quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất.
Trên Hình 2 - là quan hệ giữa U và I. Đường cong a là đặc tính Von-Ampe của điện môi
lỏng có chứa tạp chất.Trên đồ thị này không thấy phần dòng điện bão hoà, dòng điện tăng tuyến
tính với điện áp đến giá trị U th (điện áp tới hạn) sau đó xuất hiện quá trình ion hoá va chạm, điện
tích tăng lên theo hàm số mũ, dòng điện cũng tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môi
lỏng. Đối với các điện môi lỏng tinh khiết đường đặc tính Von-Ampe có xuất hiện một đoạn nhỏ
giống như đoạn bão hoà của điện môi khí (đường cong b). Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ
thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng trong điện môi lỏng có sự dãn nở nhiệt, lực liên kết
giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt giảm làm tăng điện dẫn điện môi lỏng,ví dụ: dầu máy biến áp,
độ dẫn điện được xác định bởi chuyển động của các ion tạp chất, mức độ phân ly các ion này tăng
theo nhiệt độ vì thể tích của dầu cũng tăng theo nhiệt độ.

xiv


Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong điện môi lỏng

2. Điện dẫn điện di của điện môi lỏng
Điện dẫn điện di còn được gọi là điện dẫn môliôn được tạo ra bởi sự chuyển động có
hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài. Điện môi lỏng
thường chứa các tạp chất: bọt khí, bụi bẩn...dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích
dương và âm của tạp chất sẽ chuyển động: khối điện tích dương đi về cực âm, khối điện tích
dương đi về cực âm, khối điện tích âm đi về cực dương chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di.
2.3.3. Điện dẫn của điện môi rắn
Điện môi rắn có nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hoá học, nguồn gốc và
mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn...do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. Điện dẫn của nó
được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các loại tạp

chất dưới tác dụng của điện trường. Để đánh giá chất lượng của điện môi rắn người ta thường
đánh giá thông qua điện dẫn suất khối (γ V) hay điện trở suất khối (ρ V).
Khi bề mặt điện môi bị ẩm thì điện dẫn mặt (γ S) thay đổi, sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt
điện môi có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh, nó sẽ giảm rõ rệt
khi độ ẩm tương đối cao hơn (60-80)% đặc biệt khi bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn.

2.4. SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI
2.4.1. Khái niệm về sự phân cực

Hình 2 - : Sự phân bố điện tích trong chất điện môi phân cực

Một hiện tượng phát sinh trong môi chất khi đặt nó trong điện trường gọi là hiện tượng
phân cực. Dưới tác dụng của điện trường E, các điện tích liên kết của điện môi xoay theo hướng
của lực tác dụng vào nó. Nếu cường độ điện trường càng mạnh, điện tích chuyển hướng càng
mạnh, các điện tích dương chuyển dịch theo hướng của điện trường tác dụng còn điện tích âm thì
dịch chuyển theo chiều ngược lại, còn khi không còn điện trường tác dụng nữa thì các điện tích lại
quay trở về trạng thái ban đầu. Chính vì vậy chúng ta định nghĩa về sự phân cực như sau:
Phân cực được xác định bởi sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc
sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường. Như vậy điện môi sẽ
xv


tạo thành một tụ điện với điện dung là C, điện tích của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ
điện và được tính bởi công thức sau:
Q = CU

(2 - )

Trong đó:
C; U- điện dung, điện áp của tụ điện.

Điện tích Q bao gồm hai thành phần:
Q0-là điện tích có ở điện cực nếu như giữa các điện cực là chân không và Q’-điện tích tạo
nên bởi sự phân cực của điện môi
Q = Qo + Q '

(2 - )

2.4.2. Hằng số điện môi (ε)
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ
thuật điện là hằng số điện môi tương đối ε( hằng số điện môi). Nó là một đại lượng đánh giá sự
phân cực mạnh hay yếu của chất điện môi. Đại lượng này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế
tạo từ loại điện môi khi điện áp đặt vào có một giá trị nào đó với Q 0-điện tích của tụ điện cùng
kích thước đặt dưới điện áp cùng trị số giữa các điện cực là chân không:
ε=

Q Q '+ Q0 Q '
=
=
+1
Q0
Q0
Q0

(2 - )

Trong đó:
Q0- Điện tích có ở điện cực khi giữa các cực là chân không.
Q’-Điện tích tạo lên bởi sự phân cực điện môi giữa các điện cực.
Từ công thức trên ta thấy bất kỳ chất nào cũng có hằng số điện môi tương đối ε ≥ 1 và chỉ
bằng 1 khi điện môi là chân không. Hằng số điện môi của chân không - εo phụ thuộc vào hệ đơn

vị. Trong hệ CGSE nó bằng 1 còn trong hệ SI thì
εo =

1
[ F / m]
36.π.109

2.5. CÁC DẠNG PHÂN CỰC XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI
Trong thực tế, tuỳ theo kết cấu của điện môi mà người ta chia sự phân cực điện môi thành
hai loại cơ bản sau :
2.5.1. Phân cực nhanh
Đặc điểm của phân cực nhanh là chỉ xảy ra trong một thời gian rát ngắn khi điện môi chịu
tác dụng của điện trường ngoài (t=10-12-10-15giây). Nó phụ thuộc vào điện áp, nhiệt độ t0 và áp suất
p. Loại phân cực này không sinh ra tổn hao điện môi. Sự phân cực tức thời điện tử xảy ra trong
tất cả các môi chất còn sự phân cực tức thời ion chỉ xảy ra trong các điện môi có kết cấu như
thạch anh, mica...Trong kỹ thuật điện, phân cực nhanh được biểu diễn bằng một tụ điện C.
xvi


2.5.2. Phân cực chậm
Dạng phân cực này xảy ra một cách chậm chạm vì quá trình xoay hướng phải thắng lực ma
sát, với thời gian lớn (t≥10-10giây thậm chí đến hàng giờ). Loại phân cực này chỉ xảy ra trong điện
môi có kết cấu lưỡng cực hay có cực tính, nó phụ thuộc vào t 0,p và điện áp, có phát sinh tổn hao
điện môi. Sơ đồ thay thế điện môi bằng một điện dung C mắc nối tiếp với một điện trở.Trong
phân cực chậm có 5 loại phân cực chính: phân cực lưỡng cực, phân cực điện tử chậm, phân cực
ion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát.
2.5.3. Phân loại điện môi theo các dạng phân cực
1. Nhóm một
Bao gồm các điện môi chủ yếu chỉ có loại phân cực điện tử nhanh. Trong nhóm này có các
chất trung tính ở trạng thái khí, lỏng và rắn, ngoài ra còn có một số chất cực tính yếu có cấu trúc

tinh thể, vô định hình như: farafin, polistirol, dầu máy biến áp, dầu tụ điện...
2. Nhóm hai
Bao gồm các điện môi có loại phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực chậm. Loại
này gồm các chất hữu cơ cực tính ở trạng thái lỏng, nửa lỏng và rắn như các hydrocacbon bị clo
hoá, xenlulô...
3. Nhóm ba
Gồm các điện môi rắn vô cơ có phân cực điện tử và ion nhanh như thạch anh, mica, kim
cương...Phân cực điện tử và ion chậm như thuỷ tinh vô cơ, vật liệu sứ...
4. Nhóm bốn
Gồm các điện môi xécnhét đặc trưng bởi sự phân cực tự phát, điện tử, ion nhanh và phân
cực điện tử chậm như các chất có từ tính...
Bảng 2 - : Hằng số điện môi của một số môi chất
Chất điện môi

Chất khí

Chất lỏng

Chất rắn

Tên các chất

ε(ở 200C,f=50Hz)

Hêli

1,00007

Hydro

1.00027

Oxy

1,00055

Nito

1,0006

Benzen

2,218

Tetraclorua cacbon

2,294

Dầu Xôvôn

5,0

Dầu Xốptôn

3,2

Parafin

1,9÷2,2

Polistirol

2,4÷2,6

Thạch anh nóng chảy

xvii

4,5


Nhựa PVC

4,5

Xenlulô

6,5

Nhựa epocxi

3÷4

Bảng 2 - : Hằng số điện môi biến đổi với nhiệt độ ở tần số 50Hz
Nhiệt độ 0C

20

100

200

Sứ

5,9

7,8

50

Xteatit

5,7

6,5

12

Thạch anh

3,25

3,25

3,3

Thuỷ tinh thạch anh

4,0

4,0

4,05

Giấy ép với nhựa tổng hợp

4,1

5,3

6,2

Giấy bìa

5,0

5,0

5,0

Ống giấy bằng bìa

4,3

4,3

4,32

Mica

3,3

3,7÷4,2

4,3÷4,9

Mica tổng hợp

4,2

12,0

3,4÷4,2

Bảng 2 - : Hằng số điện môi, hệ số tổn hao , góc tổn hao biến đổi với nhiệt độ ở tần số 50Hz của một số vật liệu
cách điện
Vật liệu

Εδ
0

tgδ
0

0

ε.tgδ

100 C

200 C

100 C

200 C

100 C

2000C

Sứ

8,0

50

0,29

2,9

2,32

145

Xteatit

6,5

12

0,08

1,4

0,52

17

Thạch anh

3,2

3,3

0,001

0,018

0,003

0,06

xviii

0

0


CHƯƠNG 3: TỔN HAO ĐIỆN MÔI VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG

ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
3.1. KHÁI NIỆM VỀ TỔN HAO ĐIỆN MÔI
Khi điện môi đặt trong điện trường, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện
tích tự do và điện tích ràng buộc. Như vậy trong điện môi tồn tại dòng điện dẫn và dòng điện phân
cực. Chúng tác động đến điện môi và làm cho điện môi nóng lên. Đã có sự biến đổi điện năng
thành nhiệt năng. Lượng điện năng tổn hao chuyển thành nhiệt năng làm nóng điện môi gọi là tổn
hao điện môi.
Tổn hao điện môi là phần năng lượng phát sinh ra trong điện môi, trong một đơn vị thời
gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện trường ngoài tác động.
Để đánh giá tổn hao điện môi người ta dùng góc tổn hao δ nhưng thực tế hay dùng dạng
hàm tgδ. Góc δ là góc phụ của góc lệch pha φ giữa dòng điện và điện áp.
- Nếu là điện áp một chiều tác dụng thì tổn hao điện môi chủ yếu là do thành phần ròng
điện rò (Irò) gây ra. Công thức tính tổn hao điện môi
P = RI 2 =

Trong đó:

U2
R

(3- 0)

R - Điện trở, đo bằng ôm (Ω)
I – Dòng điện, đo bằng Ampe (A)
U – Điện áp, đo bằng Vôn (V)

- Nếu là điện áp xoay chiều tác dụng thì tổn hao điện môi ngoài thành phần I rò còn do thành
phần dòng điện phân cực chậm(Ipcc) gây ra.
Nếu tổn hao điện môi càng lớn thì nhiệt phát ra trong chất điện môi đó càng lớn, nếu vượt
quá giới hạn thì chất điện môi sẽ bị phân huỷ do nhiệt.

xix


Ta xét một tụ điện mà môi trường giữa hai
điện cực là cách điện, có hằng số điện môi. Ta đặt
điện áp xoay chiều vào tụ, dòng điện tích điện cho
tụ It có hai thành phần :
- Dòng điện IC sớm pha hơn 900 so với điện
áp, mang tính chất điện dung
I = CUω; [ A ]

(3- 0)

Hình 3 - : Góc tổn hao điện môi

Trong đó :

ω = 2πf với f - tần số dao động (1/s) của điện áp.
C- Điện dung của tụ (F)
U- Điện áp đặt vào tụ (V)

- Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U
- Dòng tích điện It là dòng tổng hợp của hai thành phần vuông góc với nhau :
It =

I C2 + I R2

(3- 0)

Trong đó :
IC=It.cosδ: dòng điện điện dung (dòng phản kháng)
IR=It.cosδ: dòng điện gây tổn hao(dòng tác dụng)
Tỷ lệ của hai thành phần :
tgδ =

IR
IC

(3- 0)

Như vậy tổn hao điện môi được tính như sau :
Pd = UIR = ωCU 2 tgδ

với

(3- 0)

I R = I C tgδ = ωCUtgδ

Mặt khác, C = ε.C0
Với C0 là điện dung của tụ điện với cách điện là không khí. Khi thay thế không khí bằng
điện môi có hằng số điện môi δ thì điện dung của tụ tăng lên δ’ lần. Từ đó tổn hao điện môi :
Pd = UIR = ωCo U 2 εtgδ; [ W ]

(3- 0)

Hằng số điện môi ε sẽ dùng để so sánh những vật liệu điện môi về phương diện tác dụng
nâng cao trị số điện dung. Hệ số tổn hao tgδ chỉ có thể dùng so sánh những điện môi về phương
diện tổn hao trong trường hợp hằng số điện môi của chúng bằng nhau. Hệ số tổn hao điện môi

xx


(ε.tgδ) cho ta khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi so với tgδ, vì nó cho biết
khả năng phân cực của điện mội (ε) và giá trị tổn hao điện môi(tgδ).

3.2. CÁC DẠNG TỔN HAO XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI
Theo đặc điểm và bản chất vật lý có thể chia tổn hao điện môi thành bốn dạng chính.
3.2.1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò
Trong điện môi bao giò cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới tác dụng của điện
trường E các điện tích kể trên sẽ tham gia vào dòng điện dẫn và dòng điện 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 điện môi lớn, trị số tgδ của góc tổn hao điện môi trong trường
hợp này có thể tính theo công thức sau:
tgδ =

Trong đó :

1,8.1012
ε . f .ρ

(3- 0)

f - tần số của điện trường đo bằng [Hz]
ρ - điện trở suất[Ω.cm]

Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của điện môi sẽ tăng theo quy luật hàm mũ nên tổn hao
cũng tăng theo quy luật này:
Pt = P0 e αt

(3-4)

Trong đó:
Pt - tổn hao công suất ở nhiệt độ t0C
P0 - tổn thất ở nhiệt độ 200C
α - hằng số mũ của vật liệu
t - nhiệt độ,0C
3.2.2. Tổn hao điện môi do phân cực
Dạng này thường thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, chất có cấu tạo lưỡng cực.
Tổn hao do phân cực chậm chúng gây ra bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phân tử
dưới tác động của cường độ điện trường, sự phân huỷ này làm phát sinh năng lượng tiêu tán và
điện môi bị phát nóng. Tổn hao trong các điện môi cực tính phụ thuộc vào tần số của điện áp đặt
lên điện môi, biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao do đó tổn hao điện môi có
trị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu.
Trong các loại điện môi có tổn hao do phân cực cần phải kể đến hiện tượng gọi là tổn hao
cộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng. Dạng tổn hao này thấy rõ trong một số chất khí khi ở một
tần số xác định có sự hấp thụ năng lượng điện trường.Tổn hao này cũng có thể xảy ra ở chất rắn
xxi


khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao động riêng của các hạt
chất rắn.
3.2.3. Tổn hao điện môi do ion hoá
Thường xảy ra đối với các điện môi khí, nó thường xuất hiện trong các điện trường không
đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hoá của loại khí đó.Ví dụ không
khí xung quanh dây dẫn của các đường dây tải điện trên không điện áp cao, đầu cực của các thiết
bị cao áp hay các bọt khí trong các điện môi rắn, lỏng khi chịu điện áp cao...Tổn hao ion hoá được
tính theo công thức sau:
Pi = Af (U − U o )3

(3- 0)

Trong đó:
A - hằng số
f - tần số của điện trường [Hz]
U - điện áp đặt lên điện môi [V]
U0 - Điện áp tương ứng với điểm bắt đầu ion hoá[V]
Quá trình ion hoá các phân tử khí sẽ tiếp nhận một năng lượng điện trường làm cho nhiệt
độ điện môi khí tăng lên và sinh ra tổn hao hoá. Lúc này trong chất khí có thêm nhiều điện tích và
điện tử tự do làm cho điện dẫn chất khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn.
Đặc biệt trong không khí có chứa oxy (O2)khi bị ion hoá nó biến thành O3 (ozôn) kết hợp với
nước, khí nitơ thành axit nitơric (HNO3). Nếu quá trình ion hoá liên tục thì nồng độ axit sẽ tăng
lên có thể gây nên sự ăn mòn hoá học của vật liệu và làm cho tuổi thọ của vật liệu giảm đi.
3.2.4. Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất
Loại tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trong thực tế, vì vật liệu cách điện của các thiết bị
điện thường có cấu trúc không đồng nhất.Do tính chất đa dạng về cấu trúc và thành phần của vật
liệu cách điện nên không thể có một công thức chung để tính toán tổn hao điện môi này.Trường
hợp đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng hai lớp nối tiếp nhau.

Hình 3 - : Sơ đồ điện môi mắc nối tiếp và sơ đồ đẳng trị thay thế

xxii


Trị số điện dung tương đương C1và C2 phụ thuộc vào hằng số điện môi của các lớp này và
kích thước hình học của chúng. Điện trở R 1 và R2 được xác định bởi điện trở suất và kích thước
hình học điện môi các lớp. Trị số tgδ được xác định bởi công thức sau:
ω2 n + m
tgδ = f (ω) =
ω M + ω2 N

(3- 0)

Trong đó :
m = R1+R2
n = C12R12R2+ C22R22R1
M= C1R12+ C2R22
N= C12R12R22C2+ C22R22R12C1
Trường hợp R1, R2, C1, C2 không phụ
thuộc vào tần số tổn hao do điện dẫn gây ra, ta
lấy đạo hàm theo tần số và cho nó bằng 0 để
giải. Từ đó thấy rõ ràng tgδ có cực tiểu và cực
đại trong quan hệ của tgδ vào ω
Cực đại ở tần số ω 2 =

Mn − 3 Nm + ∆
2 Nn

Cực tiểu ở tần số ω1 =

Mn − 3 Nm − ∆
2 Nn

Trong đó ∆ = (Mn - 3Nm)2-4MNmn

Hình 3 - : Quan hệ tgδ=f(ω)

Khi điện môi nhiều lớp mắc nối tiếp có thể tính sơ đồ bằng công thức sau:
N

tgδ =

∑ C tgδ
i

i =2

N

∑C
i =1

Trong đó:

i

(3- 0)

i

tgδi - tang góc tổn hao điện môi các lớp tương ứng với tần số đã cho.

3.3. TÍNH TOÁN TỔN HAO ĐIỆN MÔI
Khi đặt điện áp lên điện môi, trong nó xuất hiện ba thành phần dòng điện: dòng chuyển
dịch do phân cực nhanh(Icd);dòng hấp thụ do phân cực chậm(Iht) và dòng điện rò(Irò), Như vậy:
I = Icd + I pc + I rò

xxiii

Khi điện áp đặt một chiều thì dòng điện phân cực chỉ xảy ra khi đóng, cắt nguồn điện do đó
tổn hao chủ yếu do dòng rò (Irò) gây ra. Nếu điện áp đặt xoay chiều, dòng phân cực và dòng rò có
suốt trong thời gian đặt điện áp, tổn hao lúc này do cả dòng rò và dòng phân cực gây ra.

Hình 3 - : Sơ đồ thay thế điện môi và biểu đồ vector giữa điện áp và dòng điện

Dựa vào tính chất trên trong tính toán tổn hao điện môi ta có thể thay thế bằng các sơ đồ
đẳng trị mắc điện trở và điện dung nối tiếp hoặc song song.
Trong sơ đồ thay thế (Hình 3 - ) ta thấy:
- Nhánh có điện dung C cd đặc trưng cho sự phân cực tức thời và dòng điện này không tiêu
hao năng lượng nên không có thành phần Rcd.
- Nhánh có điện dung Cht và Rht đặc trưng cho dòng điện phân cực chậm và tổn hao năng
lượng do dòng này gây lên.
- Nhánh có điện trở cách điện(R cđ) đặc trưng cho dòng điện rò I rò, dòng này không do sự
phân cực trong điện môi nên không có điện dung.
3.3.1. Tính toán công suất tổn hao lớn (sơ đồ song song)
Trong thực tế khi có điện áp cần phải tính dòng điện I R và IC ta dùng sơ đồ song song. Các
sơ đồ thay thế phải thoả mãn điều kiện sau:
- Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môi.
- Góc lệch pha giữa dòng và áp của sơ đồ phải bằng góc lệch pha trong thực tế khi có cùng
điện áp và tần số đặt: tgδsơđồ= tgδthựctế

xxiv


Hình 3 - : Sơ đồ mắc song song R// và C//

Ta có công suất tổn hao trong điện môi là:

P// = U

X C // =

Với

P/ / = UIcosϕ = UI R = UIC tgδ

(3- 0)

U
tgδ = U 2 .ω.C // .tgδ
X C //

(3- 0)

1
ω.C //

Trong đó:
U - Trị số điện áp tác dụng xoay chiều[V]
ω=2πf - tần số góc của mạch
C// - điện dung đẳng trị song song đặc trưng cho sự phân cực điện môi [µF]
R// - điện trở đẳng trị song song đặc trưng cho tổn hao của điện môi [Ω]
3.3.2. Tính toán công suất tổn hao nhỏ(sơ đồ nối tiếp)
Khi có dòng điện cần phải tính điện áp URvà UC ta dùng sơ đồ nối tiếp

Hình 3 - : Sơ đồ mắc nối tiếp Rnt và Cnt

Khi đó
tgδ =

R
UR
= ωC nt R nt = nt
UC
X nt

xxv

(3- 0)