BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP CẤU TẠO VẬT CHẤT

1

Vật liệu Kỹ thuật điện & cao áp
Mở đầu
Lịch sử phát triển của khoa học vật liệu
Khoảng 35 nghìn năm trớc đây, loài ngời thông minh (Homo Sapien) đã
xuất hiện trên trái đất

30 nghìn năm sau đó, tức là vào khoảng 3000 năm trớc công lịch, loài ngời
đã phát minh ra chữ viết và số học

mãi 2500 năm sau đó tức là vào khoảng 450 năm trớc công nguyên, mới xuất
hiện một lý thuyết đầu tiên về khoa học vật liệu của Empédocle: đó là
thuyết kim, mộc, thuỷ, thổ, hoả).
Sau đó ít lâu (khoảng năm 420 trớc Công nguyên), Leucippe và sau đó là
Democrite đã phát triển thuyết cấu tạo nguyên tử đầu tiên trong lịch sử.


Thuyết của Democrite có thể tổng kết trong 3 giả thuyết sau:

Tất cả mọi vật chất đều cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ bé không thấy đợc
gọi là những nguyên tử.

Tất cả mọi nguyên tử đều cấu tạo từ một chất.

Sự khác biệt mà chúng ta quan sát thấy giữa các vật chất khác nhau đợc giải
thích bởi hình dạng, trật tự và vị trí của các nguyên tử.

Nhng phải mãi đến những thế kỷ XVIII, đặc biệt là sang thế kỷ XIX, các thực
nghiệm hoá học mới cho thấy tính chất đầy đủ của nguyên tử.

Các khái niệm về khối lợng nguyên tử, hoá trị đều xuất hiện trong thế kỷ XIX.


1.2.
Vật liệu kỹ thuật điện và vị trí
của môn học
Có thể phân lịch sử phát triển của vật liệu cách điện thành ba thời kỳ :
thời kỳ đầu bắt đầu với việc phát hiện các tính chất của hổ phách và kéo dài
đến cuối thế kỷ XVI.
Thời kỳ này chỉ mối quan tâm của các triết gia và những nhà lịch sử.
Cả thời trung cổ và thời phục hng không có thêm một đóng góp nào bổ xung
vào t duy của thời cổ đại
thời kỳ thứ hai : Năm 1600, các công trình nghiên cứu của W. Gilbert với sự phát
minh ra điện năng.
Sự xuất hiện của các máy phát điện vào khoảng năm 1705 đã tạo ta nhiều khả
năng hơn cho những nghiên cứu thực nghiệm sản xuất điện năng bằng ma sát ở
điện thế áp cao.
Trong thời kỳ này để cách ly các vật dẫn điện cao thế ngời ta chỉ cần một số
các vật liệu rất hạn chế.
Một số vật liệu cách điện đã đợc các nhà thực nghiệm của thế kỷ XVIII tìm ra
nhng việc chế tạo những máy điện bằng ma sát, các máy điện từ thời đó cũng
không cần thiết phảị nghiên cứu những vật liệu cách điện mới


Với các thực nghiệm đầu tiên trong lĩnh vực điện báo và chiếu sáng, vấn đề lựa
chọn và chế tạo các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện mới có yêu cầu cao hơn
đã đợc đặt ra một cách khoa học đối với công nghiệp.
Do vậy có thể coi việc sử dụng rộng rãi các vật liệu cách điện khác nhau có
nguồn gốc tự nhiên hoặc thực vật hoặc từ các mỏ là khởi đầu của thời kỳ thứ ba
chính

Đến tận Chiến tranh thế giới lần thứ nhất, các vật liệu cách điện do công nghiệp
sản xuất chủ yếu vẫn từ những sản phẩm tự nhiên, có nguồn gốc từ dầu hoặc vật
liệu thực vật hoặc từ các khoáng sản nh bông, sợi coton, lanh, dầu gai, cao su, gôm
lắc, mica, amiante.
Một số vật liệu tổng hợp đã xuất hiện nh:
xenluloit (Hyatt, 1870),
bakelit (Baekland, 1907).
Hoá học về than đá và dầu khí phát triển, sản xuất công nghiệp các vật
liệu tổng hợp phát triển mạnh:
Các sản phẩm của công nghiệp hoá dầu chủ yếu là ethylen, propylen và
butadien
polyethylen áp suất cao (1938),
nhựa epoxxy (1939).


Ngày nay, các vật liệu cách điện nh polyethylen, nhựa epoxy, polyeste... đã thay
thế dần các vật liệu cách điện tự nhiên, lấn át, và thậm chí nhiều vật liệu cách
điện tự nhiên kể cả về mặt kỹ thuật và cả về mặt kinh tế


1.2.2

Vật liệu cách điện của thế kỷ XVII và XVII

Các hiện tợng điện và từ thờng hay bi nhầm lẫn.
W. Gilbert lần đầu tiên phân biệt chúng
Lập một danh sách các vật chất khác nhau có tính chất tơng tự nh hổ
phách trong đó phải kể đến thuỷ, tinh, lu huỳnh, cao su, sáp ong, gom
lắc (cánh kiến).
Năm 1729, S. Gray đã định nghĩa và phân loại các vật liệu cách điện và dẫn

điện.
J. Th. Désaguliers mới là tác giả của các thuật ngữ "isolator" (cách ly) conductor (vật dẫn).
C. F. de Cisternay du fay là ngời hệ thống hoá các quan sát của Gray


Sigaud de la Fond (1777) đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu của ba nhà vật lý trên đây
"Kể từ khi con ngời tìm ra khả năng nhiễm điện của các vật bằng cọ sát,
thì cũng là lúc ngời ta phải nghĩ đến việc bảo tồn nó. Phơng thức này đ
ợc gọi là cách điện, có nghĩa là có thể bố trí xắp đặt các vật nhiễm
điện này sao cho điện năng mà chúng ta tạo ra không chuyền xuống
đất, sao cho chúng ta có thể giữ nó nh một nguồn chung của năng lợng
điện".

đa ra một số chỉ số của vật liệu cách điện : " (..) mỗi khi chúng ta muốn
truyền tải điện năng đến một vật có khả năng tiếp nhận nó bằng con đ
ờng truyền thông, nhất thiết phải treo nó trên những dây lụa tơ tằm
hoặc đặt nó trên mẩu thuỷ tinh, cao su, sáp ong hoặc nhựa dính, nói
chung là trên các vật có khả năng nhiễm điện tích".


Năm 1705 : F. Hauskbee sử dụng một quả cầu bằng thuỷ tinh để chế tạo cái máy
điện đầu tiên
thuỷ tinh dới dạng quả cầu, hình ống và sau đó là dạng đĩa là vật liệu
tốt nhất để sinh ra điện tích bằng ma sát

Thuỷ tinh hoặc pha lê đã trở thành vật liệu đợc dùng rộng rãi nhất thời
đó để cách ly các vật dẫn trong các máy điện

Những nhà thực nghiệm của thế kỷ XVIII đã chỉ ra rằng các tính năng của các
máy điện phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu sử dụng cũng nh sụ thực thi kỹ

càng về cách điện
áp dụng một phơng thức tiếp cận hiện đại, Nottnet chỉ ra rằng thành phần cao
các chất alcalin trong thuỷ tinh làm tăng tính hấp thụ độ ẩm bề mặt và do vậy
làm giảm lợng điện năng sản sinh.


Năm 1775, J. C. Wilcke thiết lập đợc một bảng phân loại các vật liệu cách điện
theo quan điểm về tính chất điện ma sát

các loại vật liệu cách điện đợc biết đến của những thế kỷ XVII và XVIII nh là lu
huỳnh, sáp ong, gôm lắc, lụa, nhựa dính đợc sử dụng cho tận đến đầu thế kỷ XX;

riêng về thuỷ tinh, nó vẫn là loại vật liệu đợc sử dụng trong kỹ thuật điện và
điện tử cho đến tận ngày nay.


1.2.3

Vai trò của vật liệu điện trong kỹ thuật điện

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, các vật liệu điện có một vai trò hết sức quan trọng
Các vật liệu điện có thể phân thành

vật liệu dẫn điện (chủ yếu là các kim loại có điện dẫn cao, kể cả vật liệu siêu d
các vật liệu cách điện
vật liệu từ
vật liệu bán dẫn điện
Chúng đợc sử dụng để dẫn điện (vật liệu dẫn điên), để cách ly những bộ phận có
điện thế khác nhau (vật liệu cách điện) hoặc để khép kín mạch từ (vật liệu từ),
làm nên cấu trúc cơ bản cuả tất cả các thiết bị điện.

Chất lợng của các vật liệu này không chỉ đảm bảo độ tin cậy, đảm bảo an toàn,
tuổi thọ của thiết bị mà còn càng ngày càng làm giảm kích thớc, khối lợng và giá
thành của các thiết bị


so với những vật liệu cách điện sử dụng vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ này,
công nghệ vật liệu cách điện vào cuối thế kỷ XIX đã đạt những thành tịu vợt bậc.

Từ những vật liệu cách điện thật đơn giản nh hổ phách, tơ tằm, cánh kiến....vận
hành ở cấp điện áp thấp, những vật liệu phong phú hiện tại rất đa dạng về chủng
loại, về thành phần, có những tính chất cách điện tuyệt vời, có thể chịu đợc
mức cách điện rất cao.
Những tiến bộ trong công tác nghiên cứu vật liệu cách điện dựa trên những
t duy sau
nhằm tối u hoá kích thớc của thiết bị, nói cách khác khi thiết kế cần
tính toán để có thể sử dụng các ứng lực tối đa để hạ giá thành
giữ tỷ lệ hỏng hóc cách điện của các sản phẩm, tức là độ tin cậy làm
việc của thiết bị ở mức chấp nhận đối với ngời sử dụng
luôn tìm kiếm và phát triến các loại vật liệu cách điện làm việc ở
điện áp ngày càng cao hoặc vận hành trong những điều kiện đặc
biệt


Do vậy, để giúp lựa chọn đợc các vật liệu một cách tốt nhất nhằm nâng cao phẩm
chất của các thiết bị điện khi thiết kế, cần thiết phải có những hiểu biết rất sâu
về các tính chất của vật liệu.

Đây là một lĩnh vực mang tính chất đa ngành. Công tác nghiên cứu cơ bản và
nghiên cứu ứng dụng vật liệu điện, đòi hỏi các kiến thức cơ bản trong nhiều lĩnh

vực : vật lý, hoá học, cơ khí, kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật điện.

Việc triển khai ứng dụng một loại vật liệu mới từ khi nghiên cứu có thể kéo dài hàng
nhiều năm, với rất nhiều các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, trên mô hình
cũng nh trên thực tế


Nội dung môn học
Cấu trúc môn học :
Cơ sở lý thuyết của các loại vật liệu : các tính chất điện và các tính chất
cơ lý hoá quan trọng của các vật liệu đợc sử dụng trong kỹ thuật điện
Giới thiệu các loại vật liệu cụ thể, các kết cấu cách điện cao áp

Phần 1 : Vật liệu kỹ thuật
điện
Phần 2 : Kết cấu cách điện
cao áp


Tài liệu tham khảo

Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình Vậtliệu kỹ thuật điện, NXB KHKT, Hà
nội, 2002

Võ Viết đạn, Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp, Hanội, 1972.


Ch¬ng 1 : CÊu t¹o vËt chÊt
1.1

CÊu t¹o nguyªn tö

1.2

CÊu t¹o ph©n tö

1.3

Lý thuyÕt vïng n¨ng lîng

1.4

Ph©n lo¹i vËt liÖu


Để có thể hiểu đợc diễn biến của các quá trình vật lý xảy ra trong các vật liệu
cùng các tính chất khác của chúng, cần phải hiểu biết về
cấu tạo vật
chất
ảnh hởng của các tác động bên
ngoài
các kiến thức về vật lý, về hoá
học....
Ngày nay, sự hiểu biết của chúng ta về tơng tác giữa các nguyên tử đã đạt đợc
mức đủ cho phép giải thích các tính chất vĩ mô của vật liệu dựa trên thuyết cơ
học lợng tử và tơng tác tĩnh điện giữa điện tử và hạt nhân.

Một số tính chất của vật liệu có thể giải thích đơn giản bằng các thuyết kinh điển
về cấu tạo vật chất

1.1

Cấu tạo nguyên tử

1.1.1 Thuyết cấu tạo nguyên tử
của Borh
Để hiểu rõ bản chất của các quá trình, cần sử dụng mô hình nguyên tử bằng
thuyết cơ học lợng tử.
Ngời ta gọi hạt cơ bản là các hạt hạt nhỏ nhất của vật chất, không thể phân chia
thành các hạt khác.
Ban đầu nguyên tử đợc xem là hạt
cơ bản.
Sau khi khám phá ra điện tử, nguyên tử không còn đợc xem là phần tử nhỏ
nhất của vật chất.
Khoảng năm 1910, cấu tạo của nguyên tử đợc xem là gồm một hạt nhân
mang điện tích dơng và các điện tử mang điện tích âm chuyển động
xung quanh trên các quỹ đạo tròn.
Hạt nhân lại gồm các neutron và các proton. Proton là các hạt tích điện d
ơng, còn neutron là các hạt không mang điện và cả hai đều có cùng một
khối lợng


Bình thờng
Nguyên tử là một phần tử trung hoà về điện, (tổng điện tích âm của các điện tử
bằng tổng điện tích dơng)
Điện tử là
một hạt tích điện âm
với điện tích bằng1,602.10-19 Coulomb
có khối lợng bằng 9,1.10-31 kg.

Hạt nhân
có điện tích dơng bằng Ze (e là điện tích của một điện tử,
Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn
của
Mendelev)
có khối
lợng lớn hơn rất nhiều (có thể coi toàn bộ khối lợng của
nguyên tử đợc tập trung tại hạt nhân).
Nguyên tử có thể mất một vài điện tử và trở thành ion dơng,
Còn khi nó nhận thêm điện tử nó sẽ trở thành ion âm
Tuy nhiên để đơn giản chúng ta sử dụng các yếu tố đơn giản hoá : thuyết cấu
tạo nguyên tử dựa trên mô hình nguyên tử của Borh (1913).


Thuyết cấu tạo của Borh dựa trên những luận điểm cơ bản sau
Luận điểm 1
Các điện tử chuyển động xung quang hạt nhân trên các quỹ đạo tròn. Giữa hạt
nhân và điện tử tồn tại lực tơng tác Coulomb theo các định luật điện từ


q2
f1 2
r



mv 2
f 2 tròn
Lực này sẽ cân bằng với lực ly tâm của chuyển động
r

m là khối lợng nguyên tử
v là vận tốc dài của chuyển động tròn

mv 2
q2
T

động năng T của điện tử
2
2r


thế năng của điện tử

q2
U
2r

năng lợng của một điện tử chuyển động trên quỹ đạo thứ n bán kính rn đợc xác
định bằng tổng động năng T và thế năng U
q2
Wn T U
q là điện tích
2 rn

r1 là bán kính quỹ đạo của điện tử đầu tiên của
2
rn n r1
nguyên tử


Luận điểm 2.

Mỗi điện tử của nguyên tử đều chuyển động trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân
chỉ tơng ứng với một mức năng lợng xác định.

Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo n sang quỹ đạo m cần cung cấp cho nó một năng lợng đủ lớ

W = Wm - Wn = h.f

Wm, Wn là năng lợng của điện tử ở quỹ đạo tơng ứng;
h là hằng số Plank (h=6,624.10-34 J.s)
f là tần số


Luận điểm 3

Nếu năng lợng cung cấp cho điện tử đủ lớn làm cho điện tử di chuyển tới một quỹ
đạo rất xa, tách rời khỏi nguyên tử đợc xem là thoát hẳn khỏi ảnh hởng của hạt
nhân và trở thành một điện tử tự do.
Nguyên tử mất một điện tử, trở thành một ion tích điện dơng. Hiện tợng này đợc
gọi là ion hoá.
Nh vậy để gây ion hoá nguyên tử, cần phải cung cấp cho điện tử một năng lợng
bằng q2/2rn, năng lợng này gọi là năng lợng ion hoá Wi.

Năng lợng ion hoá tơng ứng với các điện tử trên các quỹ đạo khác nhau trong cùng
một nguyên tử là khác nhau. Điện tử ở lớp ngoài cùng (điện tử hoá trị) có năng lợng
thấp nhất nên quá trình ion hoá xảy ra trớc hết là đối với những điện tử này.


Nếu năng lợng cung cấp cho điện tử bé hơn năng lợng ion hoá, điện tử chỉ có thể
chuyển dời đến một quỹ đạo xa hạt nhân hơn.

Khi chuyển động từ một quỹ đạo xa hạt nhân về quỹ đạo gần hạt nhân hơn,
năng lợng mà nó đã nhận sẽ đợc trả lại dới dạng các bức xạ quang học xác định theo
điều kiện tần số của Plank.
Nếu xảy ra quá trình kích thích liên tục điện tử có thể nhận đợc một năng lợng
tổng cộng đủ lớn dẫn đến ion hoá. Quá trình ion hoá theo nhiều giai đoạn đợc
gọi là sự ion hoá từng cấp.
Hạt

Khối lợng
(kg)

Điện tích
(C)

Môment từ
(A.m2)

Spin

Photon

0

0

0

0

Neutron

1,675.10-27

0

-9,64.10-27

1/2

Proton

1,673.10-27

1,602.10-19

1,41.10-26

1/2

Điện tử

9,101.10-31

-1,602.10-19

6,27.10-24

1/2


Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại đã phá bỏ quan niệm cho rằng nguyên tử chỉ
cấu tạo từ các neutron, proton và các điện tử.

Chúng ta lại còn biết rằng quỹ đạo chuyển động của các điện tử không phải
lúc nào cũng là các quỹ đạo tròn. Ngày nay khoa học đã khám phá ra hàng
loạt các hạt khác nên khó có thể nói thực sự thế nào là một hạt cơ bản

Một số nguyên tử cũng có thể nhận thêm một số điện tử để trở thành ion âm


1.2
tử

Cấu tạo phân

Một vấn đề đặt ra là tại sao vật rắn lại giữ đợc hình dạng nhất định trng
khi chúng đợc cú tạo bởi các nguyên tử
Muốn tạo nên cấu trúc ổn dịnh của vật rắn, phải có một lực hay một liên kết
giữ cho các nguyên tử cố đínho với nhau : đó chính là lực liên kết
Các nguyên tử có mối liên kết chung đảm bảo nguyên tắc
Phân bố các điện tử phải tuân theo nguyên lý Pauli
Các điện tích nh các ion và điện tử hoá trị phải sắp xếp sao

cho lực đẩy của điện tích cùng dấu là ít nhất, lực hút giữa các
điện tích khác dấu là lớn nhất
Tổng năng lợng là thấp nhất


Hai nguyên tử nằm cách biệt nhau một khoảng cách đủ lớn đợc xem nh là các hệ cô lập
(nguyên tử bị cách ly).

Khi hai nguyên tử xích lại gần nhau, giữa chúng xuất hiện lực tơng tác.

Tuỳ thuộc vào đặc điểm chuyển động của các điện tử trong các nguyên tử mà có thể
là lực hút hoặc lực đẩy.

Hai nguyên tử này tác dụng lên nhau một lực đẩy nếu năng lợng của cả hệ tăng khi chúng
xích lại gần nhau. Trong trờng hợp ngợc lại sẽ là lực hút.

Các quỹ đạo chuyển động của các điện tử có thể bị xếp chồng lên nhau, làm cho
năng lợng của điện tử bị thay đổi. ở trạng thái cân bằng, các nguyên tử hình thành
lên phân tử