GIÁO TRÌNH ÁP CAO VÀ VẬT LIỆU ĐIỆN

-Tài liệu tham khảo
Nguyễn Đình Thắng – Giáo trình vật liệu kỹ thuật điện, NXB KHKT-2002
Võ Việt Đan – Giáo trình kỹ thuật điện cao cấp, Hà Nội – 1972
Chương 1. Cấu tạo vật chất
$1.1. Cấu tạo nguyên tử
Vật chất cấu tạo từ các điện tích (+),(-)
Phân biệt 2 loại điện tích:
+ Điện tích tự do: điện tử tự do, ion(+) và một số loại khác
+ Điện tích rằng buộc: điện tử, hạt nhân,…
$1.2. Cấu tạo phân tử
Liên kết ion:Nacl
Liên kết hoá trị
Liên kết kim loại
$1.3. Lý thuyết vùng năng lượng
$ 4. Phân loại vật liệu kỹ thuật điện
*Phân loại vật liệu theo độ dẫn điện

* Phân loại vật liệu theo độ từ tính
- Vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ, dẫn từ
* Điện môi: là các chất mà t/c điện từ cơ bản là khả năng bị phân cực dưới tác dụng
của điện trường bên ngoài.

1


Chương 2. Vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện, siêu dẫn.
$1. Chuyển động của các điện tích
Tính dẫn điện của các vật liệu là thước đo khả năng cho một dòng điện đi qua khi
nối với một nguồn điện, sự chuyển động của các điện tích tự do nghĩa là dòng điện.
* Phân biệt dòng điện dẫn và dòng điện do các điện tích rằng buộc.
i=

dq
dt

i là lượng điện tích chuyển rời trong một đơn vị thời gian
t

q = ∫ dq = ∫ idt
0

Điện tích (-) chuyển động ngược với chiều điện trường bên ngoài
Điện tích (+) cuyển động cùng chiều với chiều điện trường bên ngoài
Quy ước chiếu dòng điện từ (+)  (-)
Lượng điện tích chuyển dời qua một tiết diện vuông trong một đơn vị thời gian
i = ∫ Jds
J=

dI

∫ dS (A/m2)

Các điện tử dẫn trong một vật dẫn có vận tốc có hướng hỗn độn v = 106 m/s
Dòng có hướng hoặc vận tosc trôi của các điện tử dẫn nhỷo hơn v = 10-3m/s
4. Điện trở và điện trở suất của kim loại
R=

V
I

Định luật Om

di =no.e.vd.ds
J =di / dt = no.vd
vd :vận tốc chuyển động trung bình phụ thuộc E
vd= µe.E
δ=

no.e 2 .µ
= no.e.µe
me

µ e:dộ linh động đạc trưng cho khả năng chuyển dọng của hạt mang điện đaqtj

trong E
VD: 29Cu

D = 8,960 kg/m3
2


NA = 6,02 . 1023
M = 63,35 g/mol
n = NA.D/M = 8,51.1028 (1/m3)
Điện trở suất:
ρ=
5. Quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ
Thời gian trung bình giữa hai lần va chạm tỉ lệ nghịch với độ lớn của các điệ n tử
chịu một va chạm
1 1
1

1
= +
+
τ τ1 τ 2 τ 3
ϕ = ϕ1 + ϕ 2 + ϕ 3

Điện trở suât của kim loại tạp chất với nhiệt độ
ϕ = ϕl + ϕt

ϕl : diện trở suất do dao động mạng
ϕt : điện trở suất co tán xạ của điện tử tạp chát

7. Điện dẫn cảu kim loại sạch <tinhkhiết>
độ dẫn điện của kim loại được biểu diễn
ϕ = no.e.µe

ở nhiệt độ cao : ϕ ÷ 1 / t
ở nhiệt đọ thấp : ϕ ÷ 1 / t 5

$2. Vật liệu dẫn điện
Hầu hết vận liệu dẫn điện là các KL và các hợp kim của chúng. (trừ KL kiềm, kiềm
thổ)
1. Tính chất điện hoá của kim loại
a) Tính dẫn điện
Điện trở tiếp xúc và sức nhiệt điện động
Điện trở tiếp xúc
Sức nhiệt điện động
Et = kĐ = k(T1 – T2)
v = c (T1 – T2)
3

v = c (T1 - T2)
c - đối với 1 cặp KL là suất sức nhiệt điện động
c) Tính chất vật lý của kim loại
- Nhiệt độ và nhiệt lượng nóng chảy
- Tính dẫn điện
- Giãn nở nhiệt
- Vẻ sáng của kim loại
d) Tính chất hoá học của kim loại
e) Tính chất cơ học của kim loại
- Độ bền
- Độ đàn hồi
- Độ dẻo

$3. Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao

1. Đồng – Cu.
Là kim loại quan trọng nhất trong các vật liệu dẫn điện sử dụng trong kỹ thuật
điện
Màu đỏ nhạt, dẫn điện tốt sau 1 thời gian, độ bền cơ lớn, chống ăn mòn, dẫn
nhiệt tốt, dễ dát mỏng, gia công, s/d rộng rãi nhất.
Được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng, nấu nóng chảy. Đồng (97,5% –
98%) bằng cách điện phân
Đồng thô 79% tính chất
Tính chất ảnh hưởng đến độ dẫn điện và độ bền cơ của đồng
Sự kéo, dát mỏng -> giảm điện dẫn suất
Thực tế sử dụng 2 loại: Đồng mềm, đồng cứng
Đồng mềm: nung xong để nguội -> sử dụng làm dây dẫn của cáp và dây quấn
máy điện

Đồng cứng: độ bền cơ lớn -> sử dụng làm dây dẫn không bọc cách điện, dây
trần, thanh góp của trạm phân phối
Kết luận: ưu điểm
ρ: nhỏ (1,69.10-8 Ωm), rẻ hơn Ag
Độ bền cơ khá cao trong một số trường hợp
Thoả mãn độ bền đối với môi trường xung quanh (oxi hoá chậm hơn Fe ngay cả
trong môi trường có độ ẩm cao), chỉ bị oxi hoá ở nhiệt độ cao.
Công nghệ sản xuất: dễ gia công, cán mỏng, dễ hàn
b) Các hợp kim của đồng
Đồng, vàng hoặc đồng thau (laiton): hợp kim của đồng + kẽm
4


Ghép đấu nối,… sử dụng các hợp kim đồng vì có độ bền và độ cứng lớn
Đồng thanh hoặc đồng đỏ (Bronze)
Hợp kim Cu – Ag
Cu – berylium
Cu – Calitrium
Cu – Crome
2. Nhôm – Al
- Là vật liệu quan trọng thứ 2
- Dẫn điện sau Ag, Cu
Nhược điểm: Xử lý tiếp xúc khó -> sử dụng ít trong gia đình
a) Các tính chất:
- Nhôm dùng để sản xuất các vật liệu dẫn điện phải có độ tinh khiết cao.
- Nhiệt độ nóng chảy thấp hơn Cu -> giá rẻ hơn
- Khó đấu nối do các lớp oxit Al2O3 cách điện tốt ->Rtx lớn
* Phương pháp xử lý:
- Hàn HQ trong Argon
- Cáp tiết diện lớn: s/d các ghíp, đầu cốt đã mạ thiếc cho các dây nhỏ.

3. So sánh Cu – Al
- Sự lựa chọn Cu, Al là các lựa chọn về kỹ thuật và kinh tế.
VD:
Cu: ρ = 1,72.10-8 Ωm, D = 8.900 kg/m3.
Al: ρ = 2,82.10-8 Ωm, D = 2.700 kg/m3
mCu mAl
Điều kiện R như nhau để S: như nhau, tổn thất ∆P như nhau
dAl > dCu
SAl > SCu
Tuy nhiên mCu > mAl (vì DCu > DAl)
a) Các dây trần:
b) Các dây cách điện
Đối với dây bọc cách điện, cáp, nếu tăng kích thước -> tăng cách điện
+ Hạ thế: ít ảnh hưởng -> Cả Al, Cu đều được sử dụng
+ Trung thế: sử dụng Al vẫn kinh tế hơn.
+ Cao thế: Cách điện tăng dáng kể sử dụng đồng
+ Dây vặn xoắn
AC – nhôm lõi thép
c) Máy biến áp và động cơ
- Nếu sử dụng Al -> tăng kích thước của các cửa sổ gông từ
4) Các kim loại khác
5


Ag, Au, bạch Kim, Pb, Wolfram, Hg

$4. Các điện kim có điện trở suất cao
1. Các hợp kim có điện trở suất cao
Sử dụng cấu tạo các fần dẫn điện của các dụng cụ đo lường
Hệ số nhiệt của điện trở suất nhỏ, không biến tính

VD: Hợp kim: Mn + Cu
2. Các hợp kim có điện trở suất cao và bền nhiệt
Các lò nung , bàn là, bếp điện
Chịu nóng tốt
VD: Dây điện trở chịu nóng của Nga: Cacbon + Mn + Si + Cr + Al nhiệt độ từ
10000C – 12000C.
Vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao
Sử dụng trong truyền tải

6


Chương 4. Các quá trình điện lý của điện môi
$1. Nhắc lại các khái niệm cơ bản về tĩnh điện
1. Các khái niệm cơ bản về tĩnh điện
1.1.
Định luật Culong
Q1 cách Q2 một khoảng r trong môi trường có hệ số điện môi tương đối
Lực tương tác giữa chúng:
1.2.
Điện trường và đinh luật Gauss
Khi các điện tích gần nhau thì điện tích đã thay đổi đặc tínhvật lý của môi trường
mà nó nằm trong
Xung quanh mỗi điện tích là một điện trường có cương độ E
1.3.
Thông lượng của cường độ điện trường
1.4.
Liên hệ giữa địện thế và điện trường
1.5.
Lưỡng cực điện

$2. Điện môi đặt trong điện trường một chiều
Hầu như không có điện tích tự do
Các điện tích tồn tại dưới dạng điện tích rằng buộc
Thanh Cu đồng chất, đẳng hướng, chiều dài l giữa hai điện cực kim loại tiết
diện S trong điện trường một chiều
+ Coi điện môi lý tưởng (không có diện tích tự do nên không có dòng điện)
ngoài l,R của dây nối thì một mạch như vậy chỉ tồn tại điện dung C
Dòng nạp
R,l rất nhỏ thì quá trình nạp rất ngắn
Thực tế mọi điện môi đều có điện tích tự do
Sự dẫn điện của điện môi gây bởi sự chuyển động của các điện tích tự do ứng
với nó là dòng điện dẫn
Sự phân cực điện môi do sự xê dịch của các điện tích rằng buộc làm xuất hiện
dòng điện hấp thụ.
$4.3. Sự dẫn điện của vật liệu điện môi
1. Đặc tính chung
Kim loại:
Môi trường bên ngoài
E tăng -> quá trình xảy ra càng nhanh
E tăng -> ion hoáva chạm, phân ly, bức xạ điện tử
-> Sự dẫn điện của các vật liệu được xem xét riêng rẽ cho 2 miền cường độ E
khác nhau 2 khái niệm điện dẫn suất hoặc ρ của các điện môi là ứng với E yếu
a) Trong điện trường yếu
J tăng tuyến tính với E ngoài trong dải 10-6 (v/m)
b)Trong E mạnh
E tăng -> sự dẫn điện của các vật liệu cách điện mất dẫn tích chất định luật Ôm
i tăng nhanh do sự can thiệp: ion va chạm trong các điện môi khí -> sinh ra và tự
do
7

Sự tăng điện trường kéo dài xảy ra phân điện chọc thủng, mất dần tính chất cách
điện
c) Điện trở suất
G=

I
V

R=

V
I

Phân biệt:
Điện dẫn khối của cách điện G xác định bởi sự dẫn điện qua chiều dày c/điện
Điện dẫn mặt GS do sự dẫn điện qua lớp bề mặt
Đối với vật liệu cách điện khí, lỏng -> không xét GS
ir khối I và Rkhối
ir mặt IS và RS
U
= V.Gk
R
U
IS =
= V.GS
Rs
1 1
-> Gcđ = +
R Rs

I=

$4. Sự phân cực của vật liệu điện môi
I. HIện tượng phân cực
1. Tụ điện và địên dung
a) Tụ điện:
Gồm 2 điện cực được ngăn cách bằng một vật liệu điện môi
b) Điện dung:là tỉ số giữa điện tích trên bản tụ và hiệu điện thế giữa hai bản tụ
Tụ chân không: q0 = C0.V
d- chiều dày
s- dung tích
ε 0 = 8,85.10-12 (F/m): hệ số
εo.S
d
2πεo
C0 = ln( R 2
R1

C0 =
Tụ trụ:

điện dung của 1 đơn vị chiều dài

2πε
C0 = ln R 2
R1
4πεoεrR1R 2 4εoεR1R 2
Tụ cầu: C =
=

R 2 − R1
R 2 − R1

c) khi đặt một điện môi trong điện trường
8


C = εr.C0
εr: Hệ số điện môi tương đối của vật liệu đưa vào
2. Hằng số điện môi (ko đơn vị là hệ số điện môi tương đối)
ε a= ε 0 ε r : hệ số điện môi tuyệt đối
* Tụ phẳng:
Ban đầu : Q0 = C0.V
đặt trong điện môi → Q Q0
Qp : phân cực
Q = CV C- điện dung của tụ điện với chất điện môi
ε r=

C
Q Qo + Qp
Qp
=
=
= 1+
Co Qo
Qo
Qo

ε r ≥ 1 ( dấu = đối với chân không)

3. Moment điện
n

m =

∑ qi.ri

q nằm ở toạ độ r

sự phân cực của điện môi làm xuất hiện 1 mômen điện lưỡng cực
m = Qd
Q= ∑ Q +

-Q = ∑ Q −
+) trong các vật liệu trung tính khi: E = 0 ⇒ mc.ứng = 0 = q.d
E ≠ 0 ⇒ mc.ứng = qd ≈ E → mcứ = α E
ε r: đặc trưng cho khả năng phân cực của cả khối điện môi ( thể hiện mật độ phân

tử, nguyên tử)
α : hệ số phân cực đối với mỗi phân tử, nguyên tử, điện tử.đặc trưng cho từng
phân tử, nguyên tử.
trên toàn khối điện môi
M = Qd
d- chiều dày của khối điện môi
4. Vecto phân cực, P
Momen điện của 1 đơn vị thể tích.
-nếu điện môi đồng chất, đẳng hướng P =
n

P = ∑ m..α = n.m = nαE

α =1

-

M
V

[ ∀ phân tử phân cực như nhau

Nếu điện môi không đồng chất: P = lim

∆M dM
=
∆V
dV

5. Liên hệ giữa P, E , hai mật độ bề mặt của điện tích Q= PS
9


ε .s
Qp
+ Qp
(εoE +
)S
εoE + P
s
ε r = C = Qo + Qp = q
=
=

εoS
C0
Qo
εoE
εoE.S
d

Điện môi tuyến tính chỉ có khả năng phản lực với E bên ngoài
P = ( εr -1) εo E
S - diện tích điện cực: P=

M Qd Q
=
= = n với n là mật độ điện tích bề mặt
V
Sd S

P ⊥ bề mặt,
-

Trường hợp tổng quát:
M
σ .Sd
σ ⇒σ
= P.cos α = Pn
=
=
V
Sd .c.o.sα c.o.sα
về trị số, σ xuất hiện khi có phân cực là pháp tuyến Pn

P=

6. Đường sức E, đường cảm ứng điện qua mặt phân cách hai điện môi
- khi qua mặt phân cách của hai chất điện môi có ε r khác nhau, E bị biến đổi đột
ngột
⇒ các đường sức bị gián đoạn ở mặt phân cách 2 môi trường
⇒ Đại lượng vật lí ∉ môi trường: D
D= ε oE
Điện môi đồng chất : D = ε r ε o E
vật liệu nào có ε nhỏ thì E lớn
7. Độ cảm điện môi
II. Điện trường cục bộ trong điện môi
1.
P = ε o( ε r – 1)E, E ngoài
Điện trường thực tế tác dụng lên phân tử: E
+) nếu hệ cô lập E = Ecục bộ= Engoài
+) điện môi El = Engoài+

∑ Ed

∑ Ed : điện trường tổng hợp của các phân tử lưỡng cực trong điệnmôi lên từ phân

tử đang xét, trừ điện trường của phân tử đang xét.
El = E + En + Et
a) tính En
- Hướng từ (+) → (-)

10

σ = P cos θ - θ góc tạo bởi chiều E với vecto pháp tuyến với 1 đơn vị diện

tích mặt cầu
σ (θ )dS
cos θ
4πεoR
dq
Pc.o.sθ 2πR sin θdθ
dEN =
cos θ =
.cos θ
4πεo.R
4πεo

dEN =

π

EN =

p

∫ 2εo cos2 θ .sin θ d θ
0

=

P
cos2 θ

2εo

=

P
3εo

b) tính Er
- Điện trưòng bên trong qủ cầu gây ra lên điểm A = 0 → Et=0
+) điện môi trung tính
+) mạng
+) điện môi khí cực tính
Điện trường nội bộ gây lên phân cực phân tử điện môi
P
εr + 2
=(
)E
3εo
3
Đối với điện môi khí ε r = 1 → Ecb ~ E

EL = E +

2. Hệ số phân cực: đại lượng đặc trưng cho khả năng phân cực của từng nguyên
tử, phân tử
E cục bộ tác dụng → mỗi phân tử có moment m = α Ecb (F/m)
α : hệ số phân cực(độ phân cực)
P = n α Ecb
P = ε 0( ε r – 1)E
εr=1+

nαE
εoE

phân cực điện tử → hệ số phân ực điện tử
phân cực ion → hệ số phân cực ion
phân cực lưỡng cực → hệ số phân cực lưỡng cực
phân cực kết cấu (các điện môi không đều)
phân cực tự phát
phân cực do tác dụng của lực bên ngoài
III. Phân loại các dạng phân cực – cơ chế phân cực
+) điện môi phân cực do tác dụng của E ngoài ( phân cực thụ động): điện tử, ion,
lưỡng cực, tiếp giáp
+) điện môi tự phân cực không cần E ngoài
tự phát do tác đọng lực bên ngoài
1. phân cực điện tử
- Sự xê dịch quỹ đạo tương đốicủa điện tử so với hạt nhân
-

11


E đồng nhất.
E đồng nhất ⇔ E ≡ phương, hướng, độ lớn
I. Thác điện tử - lý thuyết phóng điện Townsend
Điện tử mầm → tăng tốc chuyển động, tích luỹ năng lượng → va chạm → phát
triển thác điện tử
+) do E = const  hệ số ion hoá va chạm = const trong toàn bộ khoảng
P = const
không phân giữa hai điện cực.

→
+) E đồng nhất đối xứng → quá trình hình thành và phát triển của phân điện
∉ cực tính của
+) Giả sử ban đầu có no điện tử rời khỏi cathode

12


Chương 5 Hiện tượng phóng điện trong điện môi thẻ khí
1.Hiên tương phòng điện
khi có Eđủ lớn lên 2 diện cực với môi trường cách điên (chân không hoạc 1 đm )
sễ xảy ra qua trình đặc biệt .Môi truờng vốn cách điên sẽ bị nối liền bằng 1 tia lửa
điện hồ quang có điên dẫn rất cao
+) với chất khí ,sau khi phóng điện kết thúc  tính chất cách điện đuợc phục hồi
nên chỉ mất cách điện tạm thời
+)chất rắn -> mỗi làn phóng điện là quá trình không thuận nghich1 kênh dẫn sẽ
phsa huỷ cách điện không phục hồi cấch điện hoan toàn hoặc mất cách điên vĩnh
viễn
*2 loại phóng điện
+) phóng điện một pầhn -1 dạng phóng điên nói chung , khong hoàn toàn ,
vi dụ : phóng diện vầng quang,phóng điện cục bộ,… có thể nghe thấy
+)phógn điện chọc thủng là dạng phóng điện hoàn toàn ,khi toàn bộ không gain bị
giữa 2 điện cực bị ngắn mạch bởi 1 tia lửa diện
*Độ bền điện : đặc trưng cho khả năng có thể làm viẹc lâu dài dưới t5ác dụng của
U và E cao.Là cường độ điẹn trường mã có thể dặt lên vật liệumà không đến phóng
điện

4. Điên dẫn của các điện môi khí trong E thấp
*Mở đầu
* điện dẫn của các chất khí

+)E = 0 trạng thái cân bằng thể hịên
:no= α .n 2
+)E ≠ 0 có quá trình đẫn điện  trạng thái cân băng mới
No= Nt + Nj
No :e xuất hiện do ion hoá
Nt : sô e mất di do tái hợp trong toàn bộ của chất khí
Nj : số e tham ja vào quá trình dẫn điện

3. Điện dẫn trong điện trường mạnh

-phóng điện trong điện môi khí
1.các quá trình hình thành điênj tích trong điện môi khí
13


1.1 Ion hoá do va chạm
Năng lượng ion hoá > Năng lượng diện tử
Khi nguyên tử bị ion hoá :
A + e  A + + 2e2A + 2e  2A + +4eE va chạm vào các nguyên tử trung hoà, động năng của chúng sẽ được truyền
cho nhau và ion hoà chỉ sảy ra nếu năng lwngj của điên tử lớn hơn năng lượng
ion hoá
mo.v 2 /2 ≥ Wi
e.E.x ≥¦ Wi
x: quãng đuơng chuyển động
+) Số lần va chạm S = N=N.V
P
=N: số phân tử 1 đơn vị thể tích  mật độ phân tử
KT
S=N. π .( r0 + r)2. λ
1

+) Đoạn đường tự do trung bình λ , λ =
S
1
( Nếu r ≥ r0  bỏ qua r0)
λ = N .H .r 2

[λ =
N=

1
NH (r + ro )

]

P
kt

kT
Po.T
= λ0
Pπλ
P.To
−x
n(x) = n0.e
( λ >= x), n(x) = e –x/ λ 0 biểu thị quy luật phân bố của
λe
đường tự do khi x = λ , n(x) = 0,37  chỉ có 37% số đoạn do có thể có

 λ 0 (PT)=

* Độ linh hoạt của các hạt tích điện
F = qE
động năng của hạt tích điện dọc theo phương của điện trường là
K - tần suất va chạm  tốc độ tổn hao động năng là :
Theo Newton: mvk = qE
thời gian giữa 2 lần vận chuyển liên tiếp τ = λ /k
-

14


v=
chúng có thể viết:
-

a
F
qE
E = aτ , a = =
-tỷ lệ vận tốc chuyển động của
mk
m
m

Vo
vi

Đối với không khí thành phần chủ yếu là khí Nitơ

Mỗi điện tử khi đi được quãng đường là x trong trường có cường độ E  tích

luỹ một năng lượng qEx.
Để thắng được lực tương tác hạt nhân ⇔ điện tử, qEx phải tích luỹ 1 năng
lượng tối thiểu bằng năng lượng ion hoá Wi
* Hệ số ion hoá do va chạm, α
số lần gây ion hoá va chạm của 1 điện tử khi nó chuyển động với quãng đường
là 1cm dọc theo chiều điện trường ngoài với điện tử qEx = e.Ex
Ion hoá ↔ eEx ≥ Wi
-

⇔

xi)

xi ≥

α

= số lần va chạm x xác suất ion hoá (

λ

e≥

1
− xi
.e
λ
λe
α = π r2p/kT . e = A.pe-Bp/E
A, B là hằng số ∈ chất khí, >= t0

α=

Ion hoá tự nhiên: e mầm
↓

Ion hoá va chạm: quá trình xuất hiện
α : hệ số ion hoá va chạm
↓

Tia lửa điện
* Ion hoá va chạm làm sản sinh
Ion hoá quang ( ion hoá do bức xạ)
Khi nguyen tử nhận được 1 năng lượng yếu

5.3.2 Các quá trình xảy ra trên điện cực âm (cathode).
1. Bắn phá cathode bằng ion (+) hoặc nguyên tử ở trung tâm hình thành (foton).
- Khi ion (+) bắn vào âm cực (cathode), nó sẽ giải phóng ít nhất 2 điện tử trên 2
cực trên 2 điện cực: 1 điện tử trung hoà ion (+), 1 điện tử thoát ra khỏi cathode.
15


Năng lượng cần thiết của ion (+)đó là có trị số ≥ 2 lần
2. quang thoát
5. Nhiệt thoát ( thermionic emision)
6. Thoát do điện trường ( field emission)
5.3.3. Các quá trình trung hoà điện tích trong điện môi khí
- làm giảm số lượng các điện tử trong điện môi.
- Ngăn cản sự phát triển của thác điện tử.
1. Quá trình tái hợp.

Tồn tại song song với quá trình ion hoá đảm bảo trong không khí
luôn
có một số lượng điện tích nhất định.
Trạng thái cân bằng xác lập khi mà số các điện tích xuất hiện do ion hoá bằng
số lượng e mất đi do tái hợp.
Các ion (+) và (-) có xu hướng tái hợp  nguyên tử trung hoà.
A+ + B-  AB +
3. Trung hoà do nhập điện tử ( Electric attachment )
Khí âm điện O2, CO2, SF6. có xu hướng lấy thêm điện tử  ion nặng ⇔
A+eA4. Trung hoà do khuyếch tán ( diffusion)
5.3.4 Hình thành và phát triển thác điện tử ( Avalanche elẻctonique )
- ion hoá va chạm  số lượng e mới xuất hiện trong không khí tăng lên nhanh
chóng  hình thành 1 thác điện tử trong khu vực giữa hai điện cực
- Giả sử ban đầu trên cathode có no điện tử khởi đầu.
- Dưới tác dụng của E  e bay về anode sẽ va chạm vào các phân tử khí  gây
ion hoá với hàm số ion hoá α
x  n điện tử.
Khi đi đươc dx  ion hoá dn = α n.dx
+ nếu E đồng nhất ( E = constant), α = const
P= const
n

d

dn
 ∫
= ∫ αdx ⇒ n = n0. e α
n
no
0

d

No - số e sơ cấp xuất hiện ở x = 0 ( trên cathode)

⇒ dòng qua chất khí

I = Q = eno. e α d = I0 e α d
J = n0(E) ed = n0 ed
no(E) - sự phụ thuộc
- sự xuất hiện các e luôn đi đôi với các ion (+)  thác điện tử
- dưới tác dụng của E, quá trình ion hoá diễn ra không ngừng
+) điện tử càng tăng về kích thước cũng như số lượng e trong thác. Khi cận với
điểm cực (+), các e của thác sẽ bị trung hoà trên điện cực.

16


+) quá trình này chưa thể gọi là phóng điên vì chưa tạo thành d lưu thông giữa 2
điện cực ⇒ sự tăng lên của thác điện tử chấm dứt
+) để có thể duy trì phóng điện cần phải xuất hiện các e mới để hình thành các
thác điện tử mới không nhờ đến yếu tố ion hoá từ bên ngoài mà nhờ đến các yếu
tố gây ion hoá trong nội bộ chất khí ⇔ e thứ
* phóng điện tự duy trì
- e xuất hiện trong quá trình ion hoá trong nội bộ chất khí → e thứ cấp ⇒ thác
điện tử thứ cấp
- e phát sinh do:
+) sự giải thoát e từ bề mặt âm cực do sự bắn ion (+) do hiệu ứng quang ( do sự
bức xạ của thác điện tử sơ cấp).
+) ion hoá quang trong nội bộ chất khí xảy ra ở đầu thác

a) điều kiện phóng điện tự duy trì – tiêu chuẩn
+) để duy trì phóng điện tự duy trì cần ít nhất 1e thứ cấp xuất hiện trước khi điện
tử đầu tiên đến điểm cức đối diện
+) số điện tử trong thác sơ cấp là e α d. số các ion(+)đươc sản sinh ít, số ion
Để có thể duy trì sự phóng điện phải có ít nhất 1e thứ cấp xuất hiện trước khi
thác e đầu tiên bị triệt tiêu
γ (e α d -1 ≥ 1

+) Điều kiện phóng điện tự duy trì : γ (e α d – 1) + fη e α d ≥ 1
f : hệ số foton do 1 điện tử phát ra
n ; số điện tử được giải thoát do sự bức xạ của 1 foton
γ : hệ số giải thoát e từ bề mặt (-) cực do sự bắn phá của các ion (+)
-

ở áp suất cao: e α d γ ≥ 1

-

1 số dạng phát điện

+) phát điện toả sáng: xảy ra ở áp suất thấp
+) phát điện tia lửa
+) phát điện vầng quang
+) phát điện hồ quang

=>I ch¹y trong chÊt khÝ víi sè elÎcton trong 1s:
I=I0e αx
17

Io dòng điện ban đầu ở catốt
+ Gỉa sử ban đầu có no điện tử.Do ion hoá sinh ra ns điện tử
thoát khỏi catốt trong 1s.Vậy số điện tử thoát khỏi catốt trong
1s là :
nt=no+ns
Mỗi điện tử rời khỏi catốt gây ra
vật chất để tạo ion
hoá
Số lần để gây ion hoá do nt điện tử đi đợc quãng đờng d từ
d
catốt sang anốt là :nt(e x -1)=> ns= nt (e 1)
nt=n0+ns
d
=>nt=no/(1- (e 1) )
I chạy trong mạch ở trạng thái ổn định:

II.Lý thuyết phóng điện streamer
+I tăng chỉ phụ thuộc vào quá trình ion hoá
+thực tế Uphóng điện còn phụ thuộc vào dạng và khoảng cách giữa
2 điện cực
-5
+thời gian phóng điện trọc thủng t=10 s
+thí nghiệm thời gian ngắn hơn t=10-7s

*Lý thuyết streamer
-Sự hình thành của thác điện tử bởi 1elẻctôn đầu tiên
-E phát triển mạnh ở phần đầu của thác
- Sự xâm lợc của quá trình ion hoá quang,các phân tử khí ở
khoảng không gian đầu của thác điện tử

III>Định luật pasen
-điện áp phóng điện ban đầu nhỏ nhất:
U0=E0d
U0=Bpd/ln(Apd/ln(1/ ))
-đờng cong pasen
V

Vmin
Pd
Coi d (khoảng cách giữa hai điện cực)=const
18


áp suất tăng từ điểm Umin về phía phảI đồ thị.Khi đó mật
độ phân tử khí tăng dễ ion hoá.Nhng do mật độ khí cao làm
quãng đờng di chuyển ngắn vì vậy năng lợng tích luỹ trong
điện trờng bé do va chạm.Để có phóng điện ta phảI tăng U
Phía tráI thì mật độ phân tử khí nhỏ.Quảng đờng giữa
hai va chạm lớn xác suất va chạm nhỏ.Do vậy muốn có phóng
điện ta phảI tăng U

Bài 5.5.Phóng điện của chất khí trong điện trờng
không đồng nhất
I>Điện trờng gần đồng nhất và điện trờng
không đồnh nhất
+ E đồng nhất ,gần đồng nhất
-không tồn tại phóng điện vầng quang
-Khi E tăng,phóng điện tự duy trì,phóng điện trọc thủng
+Trờng không đồng nhất:
-Khi U cha đạt tới trị số Ucthủng sẽ xảy ra một dạng phóng

điện không hoàn toàn tồn tại trong khu vực này gọi là phóng
điện vần quang
-Trong điện trờng đồng nhất và gần đồng nhất thì
Uphóng điện vầng quang=Utrọc thủng
-Trong E không đồng nhất phóng điện vầng quang cha
dẫn đến ngắn mạch

II>Phóng điện vầng quang

+Từ trờng đồng nhất va không đồng nhất,khi U tăng hiện
tợng phóng điện trọc thủng sẽ xảy ran gay sau khi có hiện tợng ion
hoá
+Trong từ trờng không đồng nhất khi U tăng hiện tợng
phóng điện do sự hình thành của các thác điện tử xuất hiẹn
trứoc tiên ở những điểm có Emax(phóng điện cục bộ)
+phóng điện vầng quang đợc quan sát bầng những đốm
sáng tiếng nổ nhỏ,vùng không bao quanh điện cực bị õi hóa
thành ôzôn
+Điện trờng hình thành hồ quang
Là Emax khi đó xuất hiện hồ quang(trên bề mặt điện cực)

19


Bài 5.6.Tác dụng của màn chắn trong điện trờng
không đồng nhất
Các điện tích không gian làm E chung bị biến dạng,ảnh hởng
tói quá trình phát triển tiếp theo của quá trình phóng điện.Vì
vậy để giảm phóng điện ta ding màn chắn giữa hai điện cực
ngăn cản sự di chuyển của các điện tích

Màn chắn là một tấm cách điện mỏng đặt trong vùng không
gian giửa hai điện cực với một vị trí thích hợp
a>Trờng hợp mũi nhọn mang cực tính dơng
-Các ion dơng bị ngăn cản bởi màn chắn đến cực âm làm
cho điịen trờng phía S đồng nhất hơn.Khoảng cách từ màn chắn
đến mũi nhọn bằng 25% khoảng cách giữa 2 bản cực

U
Upd(-)
Upd(+)
d1/d
b>Trờng hợp mũi nhọn cực tính âm
-Tác dụng của màn chắn tơng tự nh trừờng hợp trên

Bài5.7.phóng điện xung kích
-

Thực tế cách điện còn chịu tác dụng của Uxungkích
-Uxungkích xuất hiện do quá điện áp khí quyển gây ra bởi phóng
điện sét và có dạng sang xung kích.U phát triển nhanh đến một
giá trị max(phần đầu sóng)sau đó giảm đến giá trị 0(phần
20


đuôi)
Umax

0,5Umax

-Thời gian phóng điện :t phóng điện gồm 3 thành phần

t=to+tg+tf
to thời gian cần thiết ddeer Uxung đạt giá trị ngỡngUs
ts thời gian trễ
tf thời gian hình thành phóng điện
Thời gian phóng điện càng ngắn U càng lớn
*Cách xây dựng đờng đặc tính vôn-giây
-Đặt Uxung một cách hệ thống lên ke hở cách điện
-Uxung kích đợc cấp điện bởi 1 máy phát xung điện áp có t=const
nhng biên độ có thể biến thiên
-Thông thờng ngời ta sử dụng kháI niệm U phóng điện 50%
*Y nghĩa của đờng đặc tính V/s
Nếu Uphóng diện ở phần đầu sóng =>giá trị tức thời

*Để xác định U50% cần thực hiện rất nhiều lần thí nghiệm.Đòng
đặc tính V-s có ý nghĩa giá trị trong việc phối hợp cách điện
giữa thiết bị cần bảo vệ và thiết bị bảo vệ
21


V

V

S
S
đợc

không đợc

Bài 5.7. Phóng điện trong điện môi

chân không
-Cơ chế phóng điện trong chân không hoàn toàn khác cơ chế
phóng điện trong các điện môi khác
-Qúa trình xảy ra trên các điện cực
1>Các quá trình giải thoát điện tử trong chân không
a.Cơ chế đốt nóng anod: Các e thoát ra ở catot bắn phá anot và
gây ra sự phát triển cục bộ nhiệt độ ở anod đồng thời giải phóng
các khí và hơi vào trong chân không,các e này gây ion hoá
nguyên tử khí ở anod và sinh ra các ion +
các ion (+) này sẽ chuyển động đến catot và gây ra 2 hiệu ứng:
+Làm tăng điện trờng tạo bởi điện tích không gian do sinh ra các
điện tử sơ cấp
+Bắn phá anod để sinh ra các e thứ cấp
Qúa trình cứ tiếp diễn cho đến khi xảy ra phóng điện
b.Cơ chế thoát bởi điện trờng
-Cơ chế đốt nóng anod
2>Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình trị số điện áp Uct
a.Khoảng cách giữa 2 điện cực
d<2mm,bề mặt điện cực sạch,U phát triển đến 1 giá trị nào đó
thì xảy ra quá trình tiền phóng điện
b.Vật liệu làm điện cực
các điện cực làm bằng vật liệu khác nhau có Uct khác nhau
22


c.áp suất
-khoảng cách nhỏ,nếu giảm p thì không làm thay đổi Uct
-Khoảng cách lớn,nếu p tăng thì Uctgiảm đến cực tiểu sau đó lại
tăng

Chơng 6. Điện môi lỏng
Bài 1.Giới thiệu điện môi lỏng

-So với chất khí : mật độ vật chất lớn nên Uct cao
-So với chất rắn: khả năng lấp đầy mọi khoảng không cần đợc
cách điện nên hạn chế đợc sự phát triển cục bộ của E
-Khả năng tản nhiệt tốt làm mát mba
23


Bi 2. Hiện tợng dẫn điện của
điện môi lỏng

1>Chất lỏng cực tính và không cực tính
+Cực tính: dễ bị hoà tan,nếu có lẫn tạp chất sẽ có điện dẫn cao
+Không cực tính: có hằng số điện môi thấp
Điện môi là:hexan,benzen,silicon...ứng dụng làm cách điện trong
nghành kĩ thuật điện
2>Qúa trình điện dẫn ở bản thân điện môi
-Khi đặt trong E ,các e trong điện môi lỏng sẽ tham gia dẫn điện
tạo thành dòng dẫn
-Các e có các nguồn gốc khác nhau:các ion tạp chất từ trớc ,sự phân
li của các phần tử điện môi và sự xâm nhập điện tử từ điện cực
a.Bản chất và nguồn gốc của các điện tích tự do trong điện môi
lỏng
-Do phân ly
-Điện dẫn điện di
b.Quan hệ mật độ dòng:J và E
J

Bài 6.3. quá trình phóng điện chọc thủng
trong chất
lỏng
1>Lý thuyết phóng điện gây bởi các phần tử chất rắn
các phần tử chất rắn trong điên môi chịu tác dụng bởi lục F
F=r3( 2 1 )gradE/(2 1 + 2 )
Nếu 2 > 1 thì F có hớng về vùng Emax nên các phần tử chất rắn sẽ
di chuyển về phía điện cực nơi có Emạnh Và tạo nên các cầu nối
giữa các điện cực gây phóng điện chọc thủng
2>Nghiên cứu các quá trình phóng điện bằng phơng pháp quang
học streamer
+Giai đoạn phát triển của streamer có dạng bụi với tốc độ không
24


lớn,chỉ quan sát với điện cực mũi nhọn có bán kính nhỏ và khoảng
cách giũă các điện cực bé
+Thờng gặp trong cách điện ở Ucao,U1c

Bài 6.4. Hiện tợng phóng điện chọc thủng
trong
ứng dụng công nghiệp
Các kết quả về đo Updct dới ảnh hởng của:
+thời gian tác dụng của U
+Khoảng cách giữa các điện cực,kích thớc điện cực,Uchât lỏng
+ảnh hởng của hàm lợng tạp chất
+Các thành phần hoá học của chất lỏng
Các biện pháp để tăng độ bền điện:
-Loại bỏ tạp chất
-cải thiện điện cực

-Ulv

25