(NB) Giáo trình Điện cơ bản với mục tiêu giúp các bạn có thể tháo lắp và sửa chữa được các khí cụ điện đúng theo thông số của nhà sản xuất; Phán đoán hư hỏng và sửa chữa được các thiết bị điện gia dụng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!
Vật liệu điện
Khái niệm về vật liệu điện
Vật liệu điện bao gồm tất cả các chất liệu được sử dụng để chế tạo thiết bị trong ngành điện Các loại vật liệu này thường được phân loại dựa trên đặc điểm, tính chất và công dụng của chúng.
Mọi vật liệu đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử, trong đó nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Bor, mỗi nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron e) mang điện tích âm, di chuyển xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định.
Hạt nhân nguyên tử được hình thành từ các proton và nơtron, trong đó proton mang điện tích dương và nơtron không có điện tích Số lượng proton trong hạt nhân được ký hiệu là Z.
Số lượng điện tử (Z) của nguyên tử đồng không chỉ xác định vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêlêep mà còn liên quan đến điện tích của điện tử (q = 1,6 x 10^-19 culông) Trong khi proton có khối lượng khoảng 1,6 x 10^-27 kg, thì electron có khối lượng nhẹ hơn nhiều, chỉ khoảng 9,1 x 10^-31 kg.
Trong trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa về điện, với tổng điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các điện tử Khi nguyên tử mất một hoặc nhiều điện tử, nó trở thành ion dương, và khi nhận thêm điện tử, nó trở thành ion âm Để hiểu rõ hơn về năng lượng của điện tử, chúng ta có thể xem xét nguyên tử Hiđrô, được cấu tạo từ một proton và một điện tử.
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn với bán kính r xung quanh hạt nhân, nó sẽ chịu lực hút từ hạt nhân được xác định bởi công thức f1 = q² / (2r) Lực hút này sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động, được tính bằng f2 = mv² / r, trong đó m là khối lượng của điện tử và v là tốc độ chuyển động của nó.
Từ (1.1) và (1.2) ta có: f1 = f2 hay mv 2 = q 2 r ( 1.3 )
Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng T = 2
2 mv và một thế năng U = - q 2 r , nên năng lượng của điện tử bằng:
Mỗi điện tử trong nguyên tử có một mức năng lượng xác định, và mức năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử Để di chuyển điện tử ra xa khỏi quỹ đạo, cần cung cấp năng lượng lớn hơn bằng q²/(2r).
Năng lượng ion hóa (Wi) là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách điện tử ra khỏi nguyên tử, biến chúng thành điện tử tự do Khi nguyên tử bị ion hóa và mất điện tử, nó trở thành ion dương Quá trình chuyển đổi từ nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do được gọi là quá trình ion hóa.
Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau có sự khác biệt Các điện tử hóa trị nằm ở lớp ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất do khoảng cách xa hạt nhân.
Khi điện tử nhận năng lượng thấp hơn mức ion hóa, chúng sẽ bị kích thích và chuyển động giữa các mức năng lượng khác nhau, nhưng thường trở về trạng thái ban đầu Năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được phát lại dưới dạng năng lượng quang học.
Năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhiệt năng, quang năng, và điện năng Ngoài ra, các tia sóng ngắn như tia α, β, γ và tia Rơnghen cũng là những nguồn năng lượng quan trọng.
1.1.3.1 Liên kết đồng hoá trị
Liên kết đồng hoá trị đặc trưng bởi việc các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử Khi mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân đạt mức bão hoà, liên kết phân tử trở nên bền vững.
Hình 1.1 Cấu tạo phân tử Clo
Phân tử clo (Cl2) bao gồm hai nguyên tử clo, mỗi nguyên tử có 17 điện tử, trong đó có 7 điện tử ở lớp hoá trị ngoài cùng Hai nguyên tử này liên kết bền vững bằng cách chia sẻ hai điện tử, giúp lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử từ nguyên tử kia.
Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực)
Phân tử trung tính là loại phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau Các chất được hình thành từ những phân tử này được gọi là chất trung tính.
Phân tử có trọng tâm các điện tích dương và âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng “a”, được gọi là phân tử cực tính hoặc phân tử lưỡng cực Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số mômen lưỡng cực, người ta phân chia thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh Các chất cấu tạo từ các phân tử cực tính được gọi là chất cực tính.
Phân loại vật liệu
1.2.1 Phân loại theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện
Chất điện môi có vùng cấm lớn, khiến cho việc dẫn điện bằng điện tử không xảy ra ở điều kiện thường Dù các điện tử hoá trị nhận thêm năng lượng từ chuyển động nhiệt, chúng vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm của điện môi thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV).
Chất bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện môi, với độ rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Nhờ vào tác động của năng lượng bên ngoài, chiều rộng vùng cấm này có thể thay đổi Ở nhiệt độ bình thường, một số điện tử hoá trị trong vùng đầy có thể nhận được năng lượng từ chuyển động nhiệt, giúp chúng di chuyển vào vùng tự do và tham gia vào dòng điện dẫn.
Vật dẫn điện có vùng tự do gần sát hoặc chồng lên vùng đầy (W < 0,2eV), cho phép các điện tử tự do chuyển đổi dễ dàng giữa hai vùng này ở nhiệt độ bình thường Dưới tác động của điện trường, những điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn, nhờ đó mà vật dẫn có khả năng dẫn điện tốt.
1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính
Các chất có mật độ từ thẩm nhỏ hơn 1 (μ < 1) không bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường bên ngoài Những chất này bao gồm hidro, các khí hiếm, hầu hết các hợp chất hữu cơ, muối mỏ, cùng với một số kim loại như đồng, kẽm, bạc, vàng và thủy ngân.
Các chất có độ từ thẩm lớn hơn 1, không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài, bao gồm oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, muối coban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm và bạch kim.
Các chất có độ từ thẩm () lớn hơn 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài bao gồm sắt, niken, coban, cùng với các hợp kim của chúng Ngoài ra, hợp kim crom và mangan, gađolonit, pherit cũng thuộc loại này với các thành phần khác nhau.
Khái niệm về vật liệu dẫn điện
Vật liệu dẫn điện là những chất có điện tích tự do trong trạng thái bình thường Khi đặt trong điện trường, các điện tích này sẽ di chuyển theo một hướng nhất định, tạo thành dòng điện Do đó, những vật liệu này được gọi là vật liệu có tính dẫn điện.
1.3.1 Tính chất của vật liệu dẫn điện
1.3.1.1 Điện dẫn suất và điện trớ suất
Khi đặt vật dẫn một từ truờng E thì có dòng điện chạy trong vật dẫn và được tính theo công thức:
Trong đó: n0 – là mật độ điện tử tự do của vật dẫn qe – điện tích của điện tử
S – tiết diện của dây dẫn vtb – tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E
Nếu gọi K là độ linh hoạt của điện tử K E v thì có biểu thức của định luật Ôm như sau:
Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở suất , nếu vật dẫn có tiết diện không đổi là S và độ dài l thì:
S (1.8) Đơn vị của điện trở suất là: .mm 2 /m Trong hệ SI điện trở suất có thứ nguyên là .m
1.3.1.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ Giá trị của điện trở suất có thể tính theo công thức:
Trong đó: t – điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t 0
0 - điện trở suất của nhiệt độ ban đầu t0
p – hệ số nhiệt của điện trở suất
Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi
Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc, chúng tạo ra hiệu điện thế tiếp xúc do sự khác biệt về công thoát của điện tử Sự không đồng nhất này dẫn đến số lượng điện tử tự do trong các kim loại hoặc hợp kim không bằng nhau Theo thuyết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại A và B được tính bằng công thức: uAB = uB - uA + e.
0 (1.10 ) Ở đây: uA vàuB là điện thế tiếp xúc của hai kim loại A và B, n0A và n0B là mật độ điện tử trong kim loại A và B
Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các cặp kim loại thường dao động từ vài phần mười vôn đến vài vôn Khi nhiệt độ của các kim loại trong cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín sẽ bằng không Tuy nhiên, khi một trong các phần tử của cặp có nhiệt độ khác, hiệu điện thế sẽ thay đổi.
T1 còn phần kia là T2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động: u = uAB + u AB
Biểu thức nhận được (1.11 ) chứng tỏ s.n.đ.đ là hàm số của hiệu nhiệt độ
Cặp nhiệt ngẫu là thiết bị đo nhiệt độ sử dụng hai dây dẫn có sức điện động lớn và có mối quan hệ tuyến tính với nhiệt độ Để đảm bảo độ chính xác trong đo lường, các dụng cụ và điện trở mẫu nên được làm từ kim loại và hợp kim có sức điện động nhỏ hơn đồng Trong quá trình đốt, một số cặp nhiệt ngẫu có thể xảy ra hiện tượng đổi dấu sức điện động.
1.3.1.4 Hệ số nhiệt độ dãn nở dài của vật dẫn kim loại
Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại:
Trong kỹ thuật cần phải chú ý đến hệ số l để tính toán hệ số nhiệt độ của vật dẫn:
Giữa hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ và nhiệt độ nóng chảy của kim loại tồn tại mối quan hệ chặt chẽ theo quy luật nhất định Kim loại có giá trị dãn nở dài cao thường sẽ có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, điều này ảnh hưởng đến tính chất và ứng dụng của chúng trong ngành công nghiệp.
l cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp, còn kim loại có hệ số l nhỏ sẽ khó nóng chảy
1.3.1.5 Tính chất cơ học của vật dẫn
Thông thường đặc tính cơ được đặc trưng bằng giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối khi đứt l/l
1.3.2 Đặc điểm và tính chất chọn lựa
Vật liệu dẫn điện trong quá trình sử dụng có những đặc điểm sau:
- Tính dẫn điện giảm đi đáng kể sau thời gian làm việc lâu dài
- Hay bị gãy hoặc biến dạng do chịu tác dụng của lực cơ học, lực điện động và nhiệt độ cao
- Bị ăn mòn hóa học do tác dụng của môi trường hoặc của các dung môi
Khi lựa chọn vật liệu dẫn điện, cần chú ý đến các yêu cầu về tính chất lý hóa để đảm bảo phù hợp với mục đích sử dụng Thông thường, các yêu cầu này phải được đáp ứng để đảm bảo hiệu quả và độ bền của vật liệu.
- Có sức bền cơ học, đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt
- Có khả năng kết hợp với các kim loại khác thành hợp kim
- Đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở vì nhiệt
- Đảm bảo được tính chất hóa học: tính chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra
- Đảm bảo được tính chất cơ học.
Phân loại và phạm vi ứng dụng
Vật liệu dẫn điện có thể ở thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi
Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng
Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng bao gồm kim loại lỏng và dung dịch điện phân Trong số đó, kim loại lỏng chủ yếu là thủy ngân, vì hầu hết các kim loại khác nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, ngoại trừ thủy ngân với nhiệt độ nóng chảy -39°C, cho phép sử dụng trong điều kiện nhiệt độ bình thường.
Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác động của điện trường lớn
Vật liệu dẫn điện được phân thành hai loại: vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn ion
Vật liệu dẫn điện tử là những chất mà sự hoạt động của điện tử không làm thay đổi cấu trúc của chúng Các vật liệu này bao gồm kim loại ở dạng rắn hoặc lỏng, hợp kim, và một số chất không phải kim loại như than đá Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được sử dụng để chế tạo dây dẫn điện, cáp điện, và dây quấn cho máy biến áp Ngược lại, các kim loại và hợp kim có điện trở cao thường được ứng dụng trong các thiết bị đốt nóng, đèn chiếu sáng, biến trở và điện trở mẫu.
Vật liệu dẫn ion là những chất mà khi dòng điện đi qua, sẽ gây ra sự biến đổi hóa học Các vật dẫn ion thường gặp bao gồm dung dịch axit, dung dịch kiềm và dung dịch muối.
Tất cả các chất khí và hơi, bao gồm cả hơi kim loại, thường không dẫn điện khi cường độ điện trường bên ngoài thấp Tuy nhiên, khi cường độ điện trường vượt quá một ngưỡng nhất định, quá trình ion hóa quang và ion hóa va chạm sẽ xảy ra, khiến chất khí trở thành vật dẫn điện với sự dẫn điện của ion và điện tử Khi ion hóa mạnh, số lượng điện tử và ion dương trong một đơn vị thể tích sẽ bằng nhau, tạo ra môi trường dẫn điện đặc biệt gọi là plasma.
Một số vật liệu thông dụng
1.5.1 Đồng và hợp kim của đồng
1.5.1.1 Đồng Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các loại vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện, vì nó có các ưu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác
+ Điện trở suất nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag)
+ Độ bền cơ học tương đối cao
Đồng có khả năng chống ăn mòn tốt, bởi vì nó bị oxy hóa chậm hơn so với sắt, ngay cả trong điều kiện ẩm ướt Chỉ khi nhiệt độ cao, đồng mới bị oxy hóa mạnh mẽ.
+ Khả năng gia công tốt, đồng cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi; độ nhỏ của dây có thể đạt tới phần nghìn milimet
+ Hàn và gắn tương đối dễ dàng
+ Có khả năng tạo thành hợp kim tốt
Đồng tiêu chuẩn, với trạng thái ủ ở 20 °C, có điện dẫn suất là 58 m/Ω.mm², tương đương với giá trị điện trở suất ρ = 0,017241 Ω.mm²/m Thông thường, số liệu này được sử dụng làm cơ sở để đánh giá điện dẫn suất của các kim loại và hợp kim khác.
+ Đồng được kéo nguội gọi là đồng cứng: có sức bền cao, độ dãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn)
Đồng mềm là loại đồng được nung nóng và sau đó để nguội, có tính chất ít rắn hơn đồng cứng Loại đồng này có sức bền cơ học kém, độ dãn khi đứt lớn và đặc biệt có khả năng dẫn điện cao.
Đồng công nghiệp là loại đồng tinh chế, được phân loại dựa trên mức độ tinh khiết và các tạp chất có trong nó.
Bảng 1.1: Phân loại đồng theo tỷ lệ tạp chất
Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0
Trong kỹ thuật người ta sử dụng đồng có tỷ lệ đồng 99,95% và 99,90% để làm dây dẫn điện
Đồng cứng là vật liệu lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu độ bền cơ giới cao và khả năng chịu mài mòn, thường được sử dụng trong các bộ phận như cổ góp điện, thanh dẫn tại tủ phân phối, thanh cái trong trạm biến áp, lưỡi dao chính của cầu dao cách ly, và các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ.
Đồng mềm được sử dụng ở những khu vực yêu cầu độ uốn lớn và sức bền cơ học cao, như trong ruột cáp dẫn điện, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện, và dây quấn máy điện.
Ngoài việc sử dụng đồng tinh khiết làm vật dẫn, các hợp kim đồng với thiếc, silic, photpho, crom, mangan và cadimi cũng được ứng dụng, trong đó đồng chiếm tỷ lệ cao Dựa vào thành phần và lượng các chất, có hai loại hợp kim đồng chính: đồng thanh và đồng thau.
Bảng 1.2 Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật
Hợp kim Trạng thái Điện dẫn %, so với đồng
Giới hạn bền kéo, kG/mm 2 Độ giãn dài tương đối khi đứt % Đồng thanh Camidi
5 Ứng dụng của hợp kim đồng:
Đồng thanh là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo các chi tiết dẫn điện cho máy điện và khí cụ điện Nó được sử dụng để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, cũng như các ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cỏ góp điện và các gia đỡ.
Đồng thau là vật liệu phổ biến trong kỹ thuật điện, được sử dụng để gia công các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điện, phích cắm, đui đèn, đầu nối hệ thống tiếp đất, cũng như các loại ốc và vít.
Nhôm, sau đồng, là vật liệu quan trọng thứ hai trong kỹ thuật điện nhờ vào khả năng dẫn điện cao, chỉ đứng sau bạc và đồng Với trọng lượng riêng nhẹ và các đặc tính vật lý cũng như hóa học ưu việt, nhôm được sử dụng rộng rãi làm dây dẫn điện.
Nhôm là một kim loại nhẹ, có màu trắng bạc, với khối lượng riêng khoảng 2,6G/cm³ đối với nhôm đúc và 2,7G/cm³ đối với nhôm cán, nhẹ hơn đồng 3,5 lần Hệ số nhiệt độ dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt độ nóng chảy của nhôm đều cao hơn so với đồng Ngoài ra, điện dẫn suất của nhôm là ρ = 0,028Ω.mm²/m.
Ngoài ra nhôm còn có một số ưu, nhược điểm sau:
Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần
Khó hàn nối hơn đồng, chỗ tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có điện trở cao, phá huỷ chỗ tiếp xúc
Khi nhôm và đồng tiếp xúc trong điều kiện ẩm ướt, hiện tượng hình thành pin cục bộ với suất điện động cao xảy ra, dẫn đến dòng điện chảy từ nhôm sang đồng, gây ra sự hủy hoại nhanh chóng mối tiếp xúc.
Trọng lượng nhẹ của vật liệu giúp chế tạo các đường dây tải điện trên không hiệu quả Để giảm điện trở, đường kính dây cần phải lớn, từ đó hạn chế hiện tượng phóng điện vầng quang.
Nhôm tinh khiết có thể thay thế chì để làm vỏ cáp
Nhôm trong công nghiệp được phân loại dựa trên tỷ lệ phần trăm của kim loại tinh khiết và tạp chất Đối với nhôm sử dụng trong kỹ thuật điện, yêu cầu về độ tinh khiết tối thiểu là 99,5% Al, trong khi các tạp chất như sắt và silic không được vượt quá 0,45%, và đồng cùng kẽm tối đa là 0,05%.
Bảng 1.3: Phân loại nhôm theo tỷ lệ tạp chất
Khái niệm vật liệu cách điện
Vật liệu cách điện, hay còn gọi là chất điện môi, là những chất mà trong điều kiện bình thường không cho phép điện tích dịch chuyển Điều này có nghĩa là, trong trạng thái bình thường, các điện môi không dẫn điện và có khả năng dẫn điện gần như bằng không hoặc không đáng kể.
1.7.1 Tính chất của vật liệu cách điện
1.7.1.1 Tính dẫn điện của điện môi
Khi điện môi đặt trong điện trường chịu tác dụng của một cường độ điện trường E, trong trường hợp đồng nhất thì E được xác định:
Trong đó: E: điện áp đặt lên hai điểm cực
H: khoảng cách giữa hai điểm cực Điện môi đặt trong điện trường thì xảy ra hai hiện tượng cơ bản là: sự dẫn điện của điện môi và sự phân cực của điện môi Điện dẫn của điện môi được xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong điện môi (các điện tích tự do có thể là điện tử, ion hoặc các nhóm phần tử mang điện)
Dưới tác dụng của lực điện trường F = E.q (N), trong đó q là điện tích của các phần tử mang điện tự do, các điện tích dương sẽ chuyển động theo chiều của điện trường E, trong khi các điện tích âm di chuyển ngược lại, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện trong điện môi Trị số của dòng điện phụ thuộc vào mật độ các điện tích tự do trong điện môi Tuy nhiên, trong điện môi, số lượng điện tích tự do rất ít, chủ yếu là các điện tích có liên kết chặt chẽ, nên dưới tác dụng của điện trường, chúng chỉ có thể xê dịch nhẹ hoặc xoay theo hướng của điện trường mà không thể di chuyển xuyên suốt để tạo thành dòng điện.
Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành 3 loại sau:
- Điện dẫn điện tử: thành phần mang điện là các điện tử, loại điện dẫn này có trong tất cả các điện môi
Điện dẫn ion là hiện tượng mà cả ion dương và âm di chuyển đến điện cực dưới tác động của điện trường Tại điện cực, các ion này sẽ được trung hòa điện và tích lũy trên bề mặt, tương tự như quá trình điện phân Do đó, điện dẫn ion còn được gọi là điện dẫn điện phân.
Điện dẫn điện di, hay còn gọi là điện dẫn Môliôn, là hiện tượng liên quan đến các nhóm phân tử hoặc tạp chất mang điện tích tồn tại trong môi trường điện môi Những thành phần này được hình thành do ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt.
Quá trình dẫn điện và phân cực gây tiêu hao năng lượng, tạo ra nhiệt và làm nóng điện môi, dẫn đến tổn hao điện môi.
Sự phân cực điện môi
Khi điện môi được đặt trong điện trường E, hiện tượng phân cực xảy ra, dẫn đến sự xuất hiện của điện tích âm trên bề mặt gần điện cực dương và điện tích dương trên bề mặt gần điện cực âm Phân cực được định nghĩa là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác động của lực điện trường.
Khi xảy ra hiện tượng phân cực, bề mặt của điện môi sẽ xuất hiện điện tích trái dấu so với điện cực bên ngoài Điều này dẫn đến việc điện môi hoạt động như một tụ điện, với điện dung được hình thành từ sự phân cực này.
C, điện tích của tụ là Q Điện tích Q của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và tính bởi công thức:
Trong đó : C – điện dung của tụ điện
U – điện áp đặt vào tụ điện
Hình 1.4 Phân cực điện môi Điện tích Q gồm 2 thành phần:
Q’ – điện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi
Q0 – là điện tích có ở điện cực nếu như giữa các điện cực là chân không
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi là hằng số điện môi tương đối ε, có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ thuật điện Đại lượng này thể hiện tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ điện môi khi điện áp đặt vào có một trị số nhất định với Q0, là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không.
Từ biểu thức (1.18) ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn một và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không
Chú ý: Giá trị hằng số điện môi phụ thuộc vào hệ đơn vị Trong hệ CGSE nó bằng 1, còn trong hệ SI nó bằng 9
Từ công thức (1.16)và (1.17), ta có thể viết biểu thức dưới dạng:
Trong đó: C0 – điện dung của tụ điện khi giữa các điện cực là chân không
Từ công thức (1.19) ta có: C 0
Hằng số điện môi của một vật liệu được xác định bằng tỷ lệ giữa điện dung của tụ điện chứa điện môi đó và điện dung của tụ điện có cùng kích thước điện cực khi môi trường là chân không.
* Các dạng phân cực chính của điện môi
- Phân cực điện tử: là dạng phân cực do xê dịch của các điện tử dưới tác động của điện trường ngoài
- Phân cực ion: là dạng phân cực do các ion liên kết dưới tác dụng của điện trường ngoài
- Phân cực lưỡng cực: là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng cực (các phân tử có cực tính)
- Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không đồng nhất
- Phân cực tự phát: là dạng phân cực đặc trưng cho các điện môi Xec-nhet
Nó có đặc điểm là tự phân cực khi điện trường ngoài bằng không
Khi điện trường tác động lên điện môi, các điện tích tự do và điện tích ràng buộc trong điện môi sẽ dịch chuyển, tạo ra dòng điện dẫn và dòng điện phân cực Quá trình này làm cho điện môi nóng lên, tỏa nhiệt và truyền nhiệt vào môi trường xung quanh Năng lượng nhiệt này không sinh ra công, do đó được gọi là tổn hao điện môi.
Tổn hao công suất trong vật liệu tỷ lệ với bình phương điện áp áp dụng Đối với điện áp một chiều, công thức tính công suất tổn hao điện môi được xác định rõ ràng.
Trong đó: R – đo bằng Ôm;
Hình 1.5 Góc tổn hao điện môi
Khi điện áp xoay chiều có tần số = 2t, giữa dòng điện I và điện áp U tồn tại một góc lệch pha φ Góc phụ với φ, gọi là góc tổn hao điện môi, được ký hiệu là , với mối quan hệ φ + = 90°.
Tổn hao điện môi được tính như sau:
P = U 2 C tg (1.20) Trong đó: P: Công suất tổn hao;
U: Điện áp đặt vào vật thể;
Trong điện môi lý tưởng, vectơ dòng điện dẫn trước vectơ điện áp một góc 90 độ, dẫn đến góc tổn hao điện môi = 0 và tổn hao điện môi P = 0, không phát sinh tổn hao Công suất tiêu hao năng lượng để phát nhiệt tăng khi góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp giảm Để xác định khả năng phát tán năng lượng trong điện môi dưới tác động của điện trường, người ta sử dụng góc tổn hao điện môi và tang của góc này tg theo công thức (1.20).
Theo công thức (1.20), tổn hao công suất tỷ lệ thuận với tgδ khi tần số và điện áp giữ nguyên Do đó, trong nghiên cứu tổn hao điện môi của vật liệu, việc đo góc δ hoặc tgδ là phương pháp phổ biến để xác định tính chất của điện môi.
Giá trị tg có thể được xác định bằng công thức sau: tg C
Với Q – là công suất phản kháng
1.7.1.3 Sự phóng điện trong điện môi
Một số vật liệu cách điện thông dụng
1.8.1 Vật liệu cách điện thể khí
Không khí là một trong những vật liệu cách điện thể khí quan trọng nhất, được sử dụng rộng rãi trong cách điện cho các đường dây tải điện trên không và các thiết bị điện hoạt động trong không khí Nó cũng thường được kết hợp với các chất cách điện rắn và lỏng Tuy nhiên, trong quá trình tẩm cách điện cho máy điện, cáp điện, máy biến áp, và tụ điện, nếu không được thực hiện cẩn thận, có thể xuất hiện bọt khí Những bọt khí này khi làm việc dưới điện áp cao hoặc điện trường lớn có thể trở thành ổ phát sinh vầng quang và tạo ra nhiệt, gây nguy hiểm cho thiết bị.
Dưới cùng một điều kiện thí nghiệm như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, dạng cực và khoảng cách giữa các cực, các chất khí khác nhau sẽ có cường độ điện trường cách điện khác nhau Nếu coi cường độ cách điện của không khí là một đơn vị, bảng 1.6 trình bày các tính chất và cường độ cách điện của một số chất khí thường được sử dụng trong kỹ thuật.
Bảng 1.6 So sánh đặc tính của không khí với các chất khác
Các đặc tính tương đối Không khí Nitơ (N2) Cacbonic
Hệ số tỏa nhiệt từ vật rắn sang khí Độ bền cách điện
0.60 Ở bảng ta thấy so với không khí thì cường độ cách điện của các chất khí đều kém hơn Song nitơ (N2) đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầu các tụ điện khí hay trong các thiết bị điện khác vì nó có đặc tính gần giống với không khí, đồng thời không chứa ôxy là chất có thể gây ra ôxy hóa các vật liệu khi tiếp xúc với nó
Hợp chất halôgen như florua lưu huỳnh (SF6) có khối lượng phân tử và tỉ trọng cao, năng lượng ion hóa lớn, cùng với cường độ cách điện vượt trội hơn không khí SF6, hay còn gọi là khí êlêgaz, có độ bền điện lớn gấp khoảng 2,5 lần so với không khí, nặng hơn không khí 5 lần và có thể duy trì trạng thái khí ở áp suất lên tới 20 at mà không hóa lỏng Khí này không độc hại, chịu được tác động hóa học và không bị phân hủy khi đốt nóng tới 800°C SF6 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như tụ điện, cáp điện và máy cắt ở nhiều cấp điện áp khác nhau, mang lại hiệu quả kinh tế cao và đặc biệt có những ưu điểm vượt trội khi ở áp suất cao.
Khí frêon (CCl2F2) có độ bền tương đương với khí êlêgaz và chỉ có thể chịu nén tối đa 6 at ở nhiệt độ bình thường Việc sử dụng khí frêon trong các thiết bị như tủ lạnh, máy điều hòa và máy làm lạnh cần lưu ý vì nó có khả năng ăn mòn một số vật liệu hữu cơ thể rắn.
Các khí và hơi từ các chất lỏng như êlegaz và freôn có độ bền điện cao gấp 6-10 lần so với không khí Việc pha trộn một lượng nhỏ các khí này vào không khí tạo ra hỗn hợp khí có độ bền điện đáng kể, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện cao áp.
Khí hyđro là một loại khí nhẹ với khả năng dẫn nhiệt tốt, vì vậy nó được sử dụng để làm mát thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng.
Sử dụng khí hyđro trong các máy điện giúp giảm thiểu thất thoát công suất do ma sát và cải thiện điều kiện làm việc của chổi than Khí hyđro làm chậm quá trình lão hóa của chất cách điện hữu cơ, đồng thời loại bỏ nguy cơ hỏa hoạn trong trường hợp ngắn mạch Việc làm mát bằng khí hyđro không chỉ nâng cao công suất và hiệu suất làm việc mà còn được áp dụng phổ biến trong các máy phát nhiệt điện và máy bù đồng bộ Tuy nhiên, khí hyđro có khả năng tạo ra hỗn hợp dễ nổ khi kết hợp với oxy, do đó cần duy trì áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển và đảm bảo khí hyđro không tiếp xúc với không khí trong chu trình kín.
Hiện nay, khí trơ như argon, nêon, hơi thủy ngân và hơi natri được sử dụng phổ biến trong các dụng cụ điện chân không và bóng đèn.
1.8.2 Vật liệu cách điện thể lỏng
1.8.2.1 Dầu mỏ cách điện (dầu biến áp)
Dầu biến áp có hai chức năng chính
Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và các khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây, cũng như giữa cuộn dây và vỏ máy biến áp, giúp cải thiện khả năng cách điện và tăng cường độ bền cách điện.
- Dầu có nhiệm vụ làm mát, tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép máy biến áp sinh ra
Dầu biến áp không chỉ được sử dụng để làm mát và dập tắt hồ quang trong các máy cắt dầu, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cách điện và làm mát cho các thiết bị điện như kháng điện và biến trở.
Tính chất của dầu biến áp
Làm việc lâu dài ở nhiệt độ 90 - 95 độ C giúp giảm thiểu hiện tượng hóa già Dầu biến áp có độ bền cách điện cao, tuy nhiên, trị số bền điện của nó phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và mức độ tạp chất Chỉ cần một lượng nhỏ nước hoặc tạp chất cũng có thể làm giảm đáng kể độ bền điện của dầu.
Bảng 1.7 Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu biến áp
Thiết bị có điện áp làm việc, kV Điện áp phóng điện của dầu kV/2,5 mm (không nhỏ hơn)
Dầu mới Dầu đã vận hành
Trị số tổn hao điện môi tgδ quy định như sau: ở nhiệt độ 20 0 C tgδ không lớn hơn 0,003 và khi nhiệt độ 75 0 C tgδ không lớn hơn 0,025
Trong quá trình sử dụng, dầu có thể bị giảm tính chất cách điện, dẫn đến hiện tượng hóa già, với màu sắc trở nên sẫm và xuất hiện lắng cặn Tốc độ hóa già của dầu gia tăng trong một số trường hợp nhất định.
Hiện tượng hóa già của dầu xảy ra khi không khí lọt vào, dẫn đến oxy hóa dầu do sự tiếp xúc với ôzôn trong không khí.
- Khi dầu làm việc ở nhiệt độ cao
Khi dầu tiếp xúc với một số kim loại như đồng, sắt, và chì, cùng với các chất khác, sẽ xảy ra các phản ứng hóa học Những phản ứng này đóng vai trò là chất xúc tác, thúc đẩy hiện tượng hóa già trong dầu.
- Dầu chịu tác dụng của ánh sáng
- Dầu đặt trong điện trường cao
Khi dầu bị hóa già để có thể sử dụng ta cần loại bỏ nước và tạp chất bằng phương pháp lọc và hấp thụ
Khái niệm về vật liệu dẫn từ
Khi dòng điện di chuyển trong một môi trường vật chất, nó sẽ tạo ra cảm ứng từ khác với cảm ứng từ trong chân không Môi trường này được gọi là môi trường bị nhiễm từ, và những vật liệu có khả năng nhiễm từ được gọi là vật liệu từ.
Nguyên nhân chính gây ra từ tính của vật liệu là do các điện tích chuyển động, tạo ra những quỹ đạo kín và dòng điện vòng Chuyển động này bao gồm spin điện từ của các điện tử và chuyển động xung quanh hạt nhân, dẫn đến sự hình thành dòng điện vòng và mômen từ Trong trạng thái điện trường bằng 0, tổng mômen từ trong vật liệu sắt từ sẽ bằng 0.
1.9.1 Tính chất của vật liệu từ
1.9.1.1 Sự từ hoá vật liệu sắt từ
Sự từ hoá vật liệu sắt từ phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu và phương từ hoá của vật liệu sắt từ
Ví dụ: Đối với tinh thể sắt thì:
− Từ hoá theo các cạnh của khối thì dễ dàng hơn so với chiều đường chéo của khối
− Từ hoá theo chiều đường chéo của bề mặt thì trung bình
1.9.1.2 Quá trình từ hoá vật liệu sắt từ
Khi chịu tác động của điện trường ngoài, các mômen từ trong vật liệu sắt từ sẽ xoay theo hướng của từ trường Hiện tượng bão hòa từ xảy ra khi các miền từ hóa không còn bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài, và tất cả các mômen từ đã đồng nhất xoay theo hướng của từ trường.
Hình 1.6 Phương từ hóa của vật liệu từ
Hình 1.7 Đường cong từ hóa
Quá trình từ hoá của vật liệu từ được đánh giá bằng đường cong từ hoá B = f(H) Trong đó : B – cảm ứng từ, H – cường độ từ trường
− Đường (1) ứng với loại sắt đặc biệ hay là sắt nguyên chất
− Đường (2) ứng với sắt chiếm 99,98%
− Đường (3) ứng với loại có 99,92% là sắt
Qua đường cong từ hoá người ta xác định được độ thẩm từ Độ thẩm từ là tỷ số của đường cảm ứng từ B và cường độ từ trường H μ = B/H
Khi từ hóa ứng với từ trường xoay chiều, ta sẽ nhận được đường cong từ hóa ban đầu cùng với vòng từ trễ Trên vòng từ trễ, có một số điểm quan trọng cần lưu ý.
− Điểm 2 có H = HC; B = 0 (HC gọi là lực khử từ)
Khi từ hóa vật liệu sắt từ bằng từ trường xoay chiều, tổn hao do từ hóa bao gồm hai phần chính: tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy.
Tổn hao từ trễ trong vật liệu sắt từ xảy ra khi chúng được đặt trong trường xoay chiều, dẫn đến tổn hao chủ yếu do dòng điện xoay chiều gây ra Tổn hao này phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu; cụ thể, nếu điện trở suất của vật liệu sắt từ cao, dòng điện xoáy sẽ giảm, từ đó làm giảm tổn hao.
Hình 1.8 Đường cong từ hóa ban đầu và vòng từ trễ
1.9.1.3 Các loại vật liệu sắt từ
Trong kỹ thuật điện (KTĐ) vật liệu sắt từ được chia làm 3 nhóm:
* Vật liệu sắt từ có tần số thấp
Loại vật liệu này có kích thước lớn, với lực khử từ nhỏ và tổn hao từ trễ thấp, thường được sử dụng làm lõi trong máy biến áp (MBA) và nam châm điện Để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy, các MBA thường sử dụng sắt từ mềm có điện trở cao.
Sắt có tỷ lệ chiếm ưu thế, nhưng cũng chứa một lượng nhỏ tạp chất như cacbon, lưu huỳnh, mangan, silic và các nguyên tố khác, điều này làm giảm chất lượng của nó Do có điện trở tương đối thấp, loại sắt này ít được sử dụng.
Công dụng: Làm mạch từ có từ thông không đổi b) Thép lá kỹ thuật điện ( KTĐ)
Loại vật liệu này chủ yếu được sử dụng trong KTĐ, với thành phần chính là sắt và chứa silic chiếm tối đa 5% Sự hiện diện của silic giúp khử oxy hóa, đồng thời loại này có suất tổn hao nhỏ và điện trở suất cao.
Là hợp kim của sắt và Niken, tuỳ theo hàm lượng của Niken mà chia Pecmalôi ra làm hai loại sau:
Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, làm MBA âm tần nhỏ và các MBA xung và trong khuếch đại từ
Pecmalôi ít Niken, với tỷ lệ Ni từ 40 đến 50%, có khả năng cảm ứng từ bão hòa lớn gấp đôi so với loại chứa nhiều Niken Nhờ vào đặc tính này, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong các lõi máy biến áp lực, lõi cuộn cảm, và các thiết bị yêu cầu mật độ từ thông cao.
* Vật liệu sắt từ mềm tần số cao a) Từ môi
Là vật liệu do ép bột của chất liên kết hữu cơ hay vô cơ với vật liệu sắt từ Thành phần cơ bản gồm Cácbon, Pecmalôi, và Alsife
Để tạo ra một màn cách điện chắc chắn giữa các hạt, cần sử dụng những tính từ tốt và chất liên kết có khả năng gắn kết các hạt với nhau một cách đồng đều về độ dày.
Môi trường cần có tổn hao điện môi thấp và độ từ thẩm ổn định theo thời gian và nhiệt độ Vật liệu này được sử dụng làm lõi cho các cuộn cảm trong bộ lọc của máy phát điện.
Vật liệu có điện dẫn điện tử thấp và điện trở suất lớn hơn vật liệu sắt từ từ 10^6 đến 10^11 lần, dẫn đến năng lượng tổn hao ở vùng tần số cao rất nhỏ.
Ferit là một hệ thống quan trọng trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, bao gồm oxyt sắt và oxyt kim loại Nó được chia thành bốn loại chính: ferit mềm, ferit cao tần, ferit có đường từ trễ hẹp và ferit từ cứng Những loại ferit này có ứng dụng đa dạng trong các thiết bị điện tử, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
Ferit từ mềm là hợp kim Niken và Kẽm với cảm ứng từ B đạt 0,3 Tesla và lực khử từ HC đạt 0,2 Ơtsxtet Loại ferit này thường được sử dụng trong các ứng dụng như cuộn dây của bộ lọc, màn từ, lõi MBA xung và lõi MBA quét mành trong truyền hình vô tuyến.
