Bài giảng Vật liệu điện - Trần Thị Ánh Duyên

- 38,87 0C, thủy ngân đông rắn lại, tạo nên một khối tinh thể dễ dát mỏng và vuốt giãn được. Thủy ngân có sức bền đối với sự tác động của không khí khô. Khi nung nóng trong không khí nó bị oxi hóa và oxi hóa dễ dàng khi nhiệt độ > 350 0C. Thủy ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường. Hơi thủy ngân và hợp chất của nó rất độc. Thủy ngân hòa tan được nhiều kim loại. Với những kim loại nó hòa tan sẽ tạo nên hợp kim lỏng hay rắn gọi là hỗn hống (amalgame). Thủy ngân không được hợp kim với Fe, W, Graphit. Thủy ngân hòa tan trong HNO3 loãng, trong nước cường toan, trong H2SO4 đậm đặc - nóng. 3.8.4. Ứng dụng Sử dụng thủy ngân để chế tạo các đèn chỉnh lưu thủy ngân. Sử dụng thủy ngân ở dạng hơi trộn lẫn với những khí trung tính dùng trong các bóng đèn chiếu sáng sử dụng khí cho ánh sáng màu tím hay trắng. Hơi thủy ngân dùng trong bóng đèn ở các máy photocopy. Với những trang bị đèn chiếu, sử dụng các bóng đèn với hơi thủy ngân có áp lực từ 20 ÷ 100 at, để có độ sáng rất cao. 3.9. Bạc (Ag) 3.9.1. Sản xuất và chế tạo Bạc tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng mỏ hay tự nhiên (kim loại có 98 ÷ 100% Ag). Ở dạng mỏ, thường thấy dạng acgentit (Ag2S), pira-acgentit (Ag3SbS3), kêra acgêrit [(AgCl)Ag2Sb] hoặc trong các mỏ Cu, Pb, Zn hoặc 0,001mg/lít nước biển. Trang 29 Bài giảng Vật liệu điện Thông qua điện phân tinh chế điện cực anôt bạc trong dung dịch Nitơ-bạc người ta thu được kim loại với độ tinh khiết 99,88%. 3.9.2. Hằng số vật lý và hóa học. - Trọng lượng riêng ở 200C : 10,5kg/dm3. - Nhiệt độ nóng chảy : 960,80C. - Nhiệt độ sôi ở 760mmHg : 21770C - Thế điện hóa so với Hydro : + 0,808 V 3.9.3. Các đặc tính của bạc - Bạc là kim loại có màu trắng và chiếu sáng, chiếu sáng này không bị mất đi trong môi trường không khí. Ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, bạc không bị oxy hóa và do vậy kim loại này nằm trong nhóm kim loại quý. - Ôzôn sẽ tác dụng với bạc cho ra Ag2O, còn sunfua và hydro sunfuarơ làm cho bạc ngả màu đen. - Bạc dễ phản ứng với clo, lưu huỳnh, tương tự bạc cũng chịu tác dụng của axit nitric (HNO3) và axit sunfuaric (H2SO4). - Ở nhiệt độ cao (1400÷16000C) bạc sẽ bay hơi (hơi có màu vàng xanh lơ da trời). Trong môi trường khí hydrô, nó bay hơi chậm từ nhiệt độ 7500C (< nhiệt độ nóng chảy). - Bạc dễ vuốt giãn, dễ uốn cong, người ta có thể chế tạo thành các lá bạc có chiều dày 0,00001 – 0,00025 mm. Bạc còn có thể thực hiện các qui trình gia công cơ khí như rót, dát mỏng, rèn, kéo sợi, - Bạc là kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt nhất trong tất cả các kim loại. 3.9.4. Ứng dụng Trong kỹ thuật điện, bạc thường được sử dụng trong các ứng dụng sau: - Làm dây dẫn dùng trong tần số cao: quấn dây trong máy thu thanh, làm dây chảy trong cầu chì, làm khung cho tụ điện - Các sợi bạc dùng làm dây chảy trong cầu chì nóng chảy đối với dòng điện bé có ưu điểm so với các kim loại khác là không bị oxi hóa, có khối lượng bé và khi nóng chảy cho ra số lượng hơi ít. Bạc được dùng để bọc các dây Inva được sử dụng trong việc quấn các cuộn dây trong kỹ thuật vô tuyến để đạt được độ tự cảm với hệ số biến đổi của điện trở theo nhiệt độ nhỏ. - Dùng làm các tiếp điểm điện với dòng điện nhỏ trong thông tin viễn thông. Bạc tinh khiết dễ bị ăn mòn và dễ bị hàn chặt nên người ta thường chế tạo các tiếp điểm dưới dạng hợp kim: Ag-Paladi, Ag-Au, Ag-Au-Pt, Ag-Cu, Ag-Pt, Ag-Cd. - Chế tạo các chi tiết nhỏ như đinh tán, đinh vít, các đầu cựcdùng trong dụng cụ đo lường điện, những chi tiết này được thực hiện bằng hợp kim bạc - đồng. - Hợp kim để dính chặt: Để dính chặt các hợp kim của bạc, của đồng, của thép người ta dùng hợp kim dính chặt có kim loại bạc (5 ÷ 80%Ag), có nhiệt độ nóng chảy 600 ÷ 800 0C. Những hợp kim này nhìn chung có chứa Ag – Cu - Zn và có thể có thêm Trang 30 Bài giảng Vật liệu điện Cd, Sn, Ni dùng trong kỹ thuật mạ bạc bằng cách nhúng vào bể bạc đang nóng chảy hoặc điện phân (nhằm ngăn cản oxi hóa). ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 3 1. Đồng là kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật điện. Hãy phân tích các đặc tính nổi bậc của đồng. 2. Trình bày ưu nhược điểm của dây dẫn bằng đồng so với dây dẫn bằng nhôm. 3. Phân biệt đồng thanh và đồng thau. 4. Trình bày các ứng dụng của vônfram trong kỹ thuật điện. 5. Trình bày các đặc tính cơ bản của vật liệu chì. Ứng dụng của chì trong ngành kỹ thuật điện. Trang 31 Bài giảng Vật liệu điện Chương 4 LƯỠNG KIM LOẠI 4.1. Khái niệm lưỡng kim loại Những sản phẩm dùng vật liệu lưỡng kim loại là những sản phẩm kỹ thuật được chế tạo bằng nhiều cách để tạo thành một khối liên hệ chặt chẽ giữa hai kim loại. 4.2. Dây dẫn bằng lưỡng kim thép - đồng Ở những đường dây thông tin liên lạc dùng dòng điện có tần số cao ( >2000Hz) thì hiệu ứng màng ngoài thể hiện rất rõ rệt. Thế nào là hiệu ứng màng ngoài? - Đối với dây dẫn được sử dụng ở tần số thấp hoặc dòng điện 1 chiều, sự di chuyển của các electron để tạo thành dòng điện được phân bố đều trên bề mặt tiết diện. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- - -- -- -- -- -- -- - - - - - - - - - -- -- - -- -- -- -- - - - - - - - - - - Đèn K E Hình 4.1. Tuy nhiên đối với dòng điện được sử dụng ở tần số cao, lúc này chỉ có các electron tự do ở bề ngoài của dây dẫn di chuyển để tạo thành dòng điện, gọi là hiệu ứng màng ngoài. - - - - - - - - - -- -- -- -- -- -- -- -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- -- -- - - -- -- --- --- -- - -- --- --- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Đèn - - - - - - - K e(t) Hình 4.2. Vậy hiệu ứng màng ngoài là gì? Là hiệu ứng dẫn điện ở mặt ngoài của dây dẫn khi dây dẫn làm việc ở tần số cao. Người ta đã nghiên cứu: Đối với dây dẫn bằng đồng có đường kính 5mm thì điện trở của nó khi làm việc ở tần số 5000Hz so với điện trở đối với dây dẫn đối với dòng điện 1 chiều là: Trang 32 Bài giảng Vật liệu điện R AC  3,9 R DC Hay nói cách khác, điện trở của dây dẫn đối với dòng xoay chiều lớn hơn rất nhiều so với điện trở của dây dẫn dòng một chiều khi dòng xoay chiều làm việc ở tần số cao. Hay dòng điện xoay chiều ở tần số cao chỉ chạy qua lớp mặt ngoài có bề dầy rất mỏng (0,5 – 0,6mm) còn trung tâm của tiết diện trở nên mất tác dụng trong việc dẫn điện. Kết quả cho thấy: Lõi của dây dẫn điện bằng đồng có thể được làm bằng thép mà không ảnh hưởng đến điện trở của dòng điện xoay chiều ở tần số cao. Đồng thời việc sử dụng dây dẫn bằng lưỡng kim thép - đồng còn có các ưu điểm sau: - Tiết kiệm được dây dẫn bằng đồng (vật liệu thép rẻ hơn nhiều so với vật liệu đồng). - Tăng sức bền cơ khí của dây dẫn ( Sức bền cơ khí của dây dẫn bằng thép tăng gấp 2,5 – 3,0 lần so với dây dẫn bằng đồng). - Lớp đồng bên ngoài có tác dụng bảo vệ rất tốt đối với sự ăn mòn. Như vậy có thể tiết kiệm được đồng mà không hề ảnh hưởng đến điện trở của dòng xoay chiều. Đồng thời đây cũng là biện pháp tốt nhất để tăng sức bền cơ khí của dây dẫn và lớp đồng bên ngoài cũng là lớp bảo vệ rất tốt đối với sự ăn mòn. Do vậy người ta đã chế tạo dây dẫn bằng vật liệu lưỡng kim thép-đồng thay cho dây dẫn bằng đồng đối với đường dây thông tin liên lạc có tần số cao. Nó có các ưu điểm so với dây dẫn bằng đồng như sau: - Độ dẫn điện không thay đổi. - Giảm được chi phí vật liệu rất đáng kể. - Tăng cường được sức bền cơ khí. Như vậy người ta đã thực hiên thay dây dẫn bằng đồng bởi dây dẫn bằng lưỡng kim thép - đồng đối với các đường dây thông tin liên lạc ở tần số cao. * Chú ý: Đối với dòng điện có tần số thấp hoặc dòng điện không đổi, người ta không sử dụng dây dẫn bằng lưỡng kim thép - đồng thay cho dây dẫn bằng đồng vì hiệu ứng màng ngoài không đáng kể, đồng thời công nghệ chế tạo dây dẫn bằng lưỡng kim rất khó khăn. Ví dụ: Ứng dụng của hiệu ứng màng ngoài trong thực tế? Chấn tử của anten là những trụ nhôm tròn rỗng. Tín hiệu truyền hình có tần số rất lớn nên hiệu ứng màng ngoài thể hiện rất rõ. Do đó không ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu của anten so với chấn tử anten là trụ nhôm tròn đặc. 4.3. Nhiệt lưỡng kim Nhiệt lưỡng kim là sự ghép nối từ hai dải băng hẹp có cùng chiều dài bằng những kim loại hay hợp kim có hệ số giãn nở theo chiều dài rất khác nhau. Thông thường, chúng được chế tạo bằng phương pháp dát mỏng khi nóng, tỉ lệ giữa trọng lượng các lớp là 1:1. Ví dụ: Nhiệt lưỡng kim thép - đồng Trang 33 Bài giảng Vật liệu điện Đồng Thép Hình 4.3. Khi nung nóng, lưỡng kim loại sẽ cong do hệ số giãn nở theo chiều dài là không giống nhau, do đó sẽ tác dụng lên các chi tiết để mở rơle nhiệt hay những thiết bị tự động Khi nung nóng, lưỡng kim loại sẽ cong về phía có hệ sốgiãn nở vì nhiệt bé hơn. * Ứng dụng: Khi cho dòng điện qua rơle nhiệt (nhiệt lưỡng kim) với thời gian dài, rơ le nhiệt sẽ nóng lên. Khi nóng đến 1 mức độ nào đó thì rơle sẽ cong và làm mở tiếp điểm -> ngắt dòng qua tiếp điểm. Sau đó rơle nhiệt nguội dần và sau 1 khoảng thời gian nhất định, nhiệt lưỡng kim sẽ quay về trạng thái ban đầu và tác động đóng rơle nhiệt. Quá trình này được lặp đi lặp lại: khi nhiệt độ tăng thì mở rơle, khi nhiệt độ hạ thấp thì đóng rơle tự động. i(t) R e(t) Hình 4.4 Việc uốn cong của tấm lưỡng kim khi nung nóng phụ thuộc vào chiều dài của thanh và độc lập với chiều rộng của thanh ( Chỉ quan tâm đến hệ số giãn nở dài vì nhiệt của kim loại hay hợp kim) Đối với hợp kim có hệ số giãn nở theo chiều dài ít (kim loại ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt), người ta dùng hợp kim của Niken (36 ÷ 46%). Hợp kim được dùng nhiều nhất hiện nay là Invar (Invar là hợp kim của sắt với 3,5%C, 35 -> 37% Ni). Đối với hợp kim có hệ số giản nở theo chiều dài lớn, người ta dùng hợp kim Cu - Zn, thép hợp kim với Crôm và Niken, thép hợp kim Ni - Mo. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 4 1. Thế nào là hiệu ứng màng ngoài. Ứng dụng. 2. Phân biệt hợp kim và lưỡng kim. Trình bày khái niệm lưỡng kim loại. Ứng dụng. 3. Phân biệt lưỡng kim và nhiệt lưỡng kim. Trình bày nguyên lý làm việc của nhiệt lưỡng kim. 4. So sánh ưu nhược điểm của dây dẫn bằng lưỡng kim thép - đồng với dây dẫn bằng đồng. Trang 34 Bài giảng Vật liệu điện Chương 5 VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN 5.1. Các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm điện Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện phải thỏa mãn các điều kiện sau đây: - Có sức bền cơ khí và độ rắn tốt. - Có điện dẫn suất và dẫn nhiệt tốt để không nung nóng quá nhiệt độ cho phép khi những tiếp điểm này có dòng điện định mức đi qua trong thời gian lâu dài. - Có sức bền đối với sự ăn mòn do tác nhân bên ngoài (Sức bền hoá học). - Có nhiệt độ nóng chảy và hóa hơi cao. - Oxit của nó phải có điện dẫn suất lớn (tức có điện trở suất nhỏ), nghĩa là khi tiếp điểm làm việc, nhiệt độ tiếp điểm tăng lên do đó tiếp điểm dễ bị oxi hóa tạo oxit tương ứng. Nếu oxit này có điện trở lớn sẽ ảnh hưởng đến dòng điện qua tiếp điểm. - Có thể gia công dễ dàng. - Giá thành hạ. Ngoài ra cần phải thỏa mãn các điều kiện khác tùy thuộc vào dạng tiếp điểm cụ thể:  Tiếp điểm cố định (thời gian làm việc lớn, cố định cả 2 vị trí của tiếp điểm) - Phải có sức bền khi nén để có thể chịu áp suất ép lớn. - Có điện trở ổn định trong thời gian làm việc lâu dài. - Không bị hàn chặt.  Tiếp điểm di động: Chúng làm việc theo cách ấn (đóng, mở những máy cắt điện, công tắctơ, rơle). - Phải có sức bền đối với ăn mòn do tác động cơ khí hoặc va chạm khi đóng mở. - Phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện. - Không bị hàn chặt.  Tiếp điểm trượt (như cầu dao, cổ góp máy điện) - Yêu cầu phải có sức bền đối với sự mài mòn cơ khí do ma sát. - Phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện. 5.2. Sức bền của tiếp điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền Sức bền của tiếp điểm bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất bề mặt, lực ấn, nhiệt độ tiếp điểm, trạng thái bề mặt lúc tiếp xúc a) Bản chất bề mặt - Điện trở của tiếp điểm càng lớn khi điện trở suất ρ của vật liệu càng lớn - Vật liệu càng mềm thì sự biến dạng của vật liệu càng dễ dàng và số lượng điểm tiếp xúc càng lớn, tức tổng bề mặt tiếp xúc tăng lên, điện trở giảm. (Chì có ứng suất nghiền đập bé nhất δ = 230kG/cm2). Trang 35 Bài giảng Vật liệu điện - Trong 1 số trường hợp, các tiếp điểm được làm bằng vật liệu cứng, song được bọc bằng vật liệu mềm hơn. - Bản chất vật liệu và những điều kiện làm việc ảnh hưởng đến sự ăn mòn tiếp điểm (không khí, nước, các chất hoá học,.) tạo nên trên bề mặt tiếp điểm một lớp làm xấu tính chất dẫn điện, do vậy điện trở tiếp xúc của tiếp điểm tăng lên. - Sự ăn mòn còn thể hiện khá rõ ở những tiếp điểm ngắt điện vì khi đó sẽ tạo nên những tia lửa hay tia hồ quang giữa bề mặt tiếp xúc do quá trình quá độ trong mạch điện gây nên. - Để tránh sự ăn mòn, người ta ngăn không cho ẩm ướt xâm nhập các tiếp điểm cố định bằng mạ điện tiếp điểm. Mạ thiếc và bạc đối với đồng, kẽm đối với tiếp điểm nhôm, cadmi, niken hay kẽm đối với tiếp điểm bằng thép. - Những tiếp điểm làm bằng hai kim loại khác nhau sẽ chịu sự ăn mòn mạnh hơn những tiếp điểm làm cùng một kim loại, vì chúng có thể tạo nên ngẫu điện hóa làm hòa tan kim loại có thế điện hóa âm lớn hơn hay thế điện hoá nhỏ hơn (so với H) - Sự ăn mòn tiếp điểm thể hiện khá rõ ở các môi trường như axit, amoniac,.nên để làm giảm sự ăn mòn tiếp điểm, người ta phủ lên tiếp điểm những kim loại có sức bền lớn hoặc tạo điều kiện cho các tiếp điểm làm việc trong môi trường chân không hay khí trơ ( như Argon, nitơ.). b) Lực ấn Là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở các tiếp điểm. Khi cùng một độ lớn của bề mặt tiếp xúc thì điện trở càng nhỏ khi lực ấn càng lớn vì điện tích tiếp xúc thực tế phụ thuộc vào lực này. Lực ấn của các tiếp điểm cố định được ghép bằng bulong. c) Nhiệt độ tiếp điểm - Nếu lực ấn được duy trì không đổi đối với nhiệt độ đến 2500C thì điện trở suất tăng theo nhiệt độ, do đó điện trở mà dòng điện qua tiếp điểm sẽ tăng lên. - Giữa 2500C và 4000C, sức bền cơ học của vật liệu sẽ giảm, vật liệu trở nên mềm hơn, tức dẫn đến việc tăng điện tích tiếp xúc thực tế. Do đó điện trở của tiếp điểm giảm, dòng điện đi qua tiếp điểm tăng.. Từ đó ta thấy, nhiệt độ làm việc của tiếp điểm ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của tiếp điểm. Vì vậy người ta cần tạo điều kiện để tiếp điểm làm việc trong môi trường nhiệt độ ổn định (như môi trường làm việc, độ ổn định của dòng điện, điện áp.) d) Trạng thái bề mặt trong lúc tiếp xúc Việc gia công bề mặt tiếp xúc cần phải đảm bảo loại được màng oxit và những chất lạ, đồng thời phải làm thế nào để tạo số lượng tối đa các điểm tiếp xúc khi tiếp xúc các bề mặt. -------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 5 1. Trình bày các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm. 2. Phân tích các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm trượt. Trang 36 Bài giảng Vật liệu điện 3. Phân tích các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm cố định. 4. Phân tích các yêu cầu chung đối với vật liệu dùng làm tiếp điểm di động. 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền của tiếp điểm. Phân tích. Trang 37 Bài giảng Vật liệu điện Phần II. VẬT LIỆU BÁN DẪN Chương 6 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN DÙNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 6.1. Khái niệm chung Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, ρ =10-6 ÷ 10+8 Ωm. 6.2. Chất bán dẫn thuần Trong kỹ thuật bán dẫn, người ta hay dùng hai chất là Giecmani và Silic được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể. Người ta chỉ dùng những chất bán dẫn ở tính dẫn điện tử (dòng điện chạy là do sự chuyển dời của các điện tử). Hiện nay chất bán dẫn hay dùng nhất là silic, silic có rất nhiều và chiếm 28% trong lớp vỏ quả đất nhưng kỹ thuật sản xuất silic thì rất phức tạp vì vậy những dụng cụ sử dụng bán dẫn silic rất đắt so với dụng cụ sử dụng bán dẫn germani, mặc dù germani là nguyên tố hiếm. Cấu hình e của silic (Z =14): 1s22s2p63s2p2. Silic có 3 lớp điện tử, lớp ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị, trong khi số lượng điện tử có thể chứa được là 8, vì vậy lớp điện tử ngoài cùng là chưa hoàn thiện. Các điện tử hóa trị sẽ tham gia tác động lẫn nhau giữa các nguyên tử, chúng tạo thành tinh thể silic hay các phần tử hợp chất hóa học của silic với các chất khác. Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử silic được liên kết với những nguyên tử silic nằm cạnh nó nhờ 4 mối liên kết đồng hóa trị. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Hình. Cấu tạo tinh thể của silic Tính dẫn điện của kim loại là do sự tồn tại của các điện tử tự do hay các điện tử dẫn, chúng có mối liên kết rất yếu đối với các nguyên tử. Nguyên tử germani cũng có lớp ngoài cùng gồm 4 điện tử hóa trị. Nếu khối tinh thể germani hoàn toàn nguyên chất thì tất cả các điện tử hóa trị của nguyên tử liên hệ với nhau và không có điện tử tự do, do vậy tinh thể không dẫn điện. Nếu ta đốt nóng hoặc Trang 38 Bài giảng Vật liệu điện chiếu chùm tia phóng xạ vào mạng tinh thể này để có thể làm tăng mức năng lượng các điện tử thì các điện tử này có thể phá vỡ mối liên kết, thoát ra thành điện tử tự do. Ở mối liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử thoát ra sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này dễ bị một điện tử ở mối liên kết khác nhảy đến lấp chỗ trống và do vậy xuất hiện một lỗ trống mới ở chỗ điện tử vừa rời khỏi. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di động trong mạng tinh thể. Như vậy ta thấy, đối với chất bán dẫn thuần thì mật độ điện tử tự do bằng với mật độ lỗ trống trong mạng tinh thể. Tính dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào các tác nhân bên ngoài kích thích các điện tử trong mối liên kết thoát khỏi nguyên tử. 6.3. Chất bán dẫn tạp Ta nhận thấy rằng ở chất bán dẫn nguyên chất, mật độ điện tử tự do hay mật độ lỗ trống có thể được tăng cường nếu ta pha thêm tạp chất. Đối với silic, nếu ta thêm một lượng nhỏ photpho (P) hay antimon (Sb) thuộc nhóm 5, có 5 điện tử hóa trị, trong đó có 4 điện tử tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử nằm cạnh của tinh thể bán dẫn còn điện tử thứ 5 nằm tự do ở tinh thể. Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ điện tử lớn hơn mật độ lỗ trống là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại n. Cũng với silic, nếu ta thêm một lượng nhỏ nhôm (Al), Bo (B), Gali (Ga) thuộc nhóm 3, có 3 điện tử hóa trị. Mỗi nguyên tử tạp chất thiếu mất một điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử nằm cạnh của chất bán dẫn, như vậy là tạo thành một lỗ trống. Chất bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ điện tử gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p. Từ 2 loại chất bán dẫn tạp n và p người ta tạo ra các linh kiện điện tử bán dẫn trong thực tế. 6.4. Các chất bán dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện Phổ biến nhất là Ge, Si, Cacbon, Sêlen 6.4.1. Cacbon (than) a) Sản xuất và chế tạo Cacbon tồn tại dưới 3 dạng: kim cương (diamond), graphit, cacbon vô định hình (cacbon amorphe). b) Hằng số vật lý và hóa học Tính chất Kim cương Graphit Cacbon vô định hình Trọng lượng riêng 3,514 kg/dm3 2,16 1,2218 ÷ 1,919 t0 nóng chảy - 3540 0C - t0 sôi (ở 760mmHg) - 400 0C - Điểm đốt với oxi 800 0C 650 0C 100 0C Điện trở suất của kim cương là: 4,74.1014 (Ω.cm) nên kim cương là vật liệu cách điện. Trang 39 Bài giảng Vật liệu điện c) Ứng dụng Cacbon dùng để chế tạo số lượng khá lớn các sản phẩm trong kỹ thuật điện như: - Điện cực cacbon. - Chổi than. - Tiếp điểm điện bằng cacbon - Dây tóc bằng cacbon ở các bóng đèn chiếu sáng. - Điện trở bằng cacbon cho các bộ phận đốt nóng bằng điện. - Điện trở bằng cacbon silic. d) Điện cực bằng cacbon Điện cực bằng cacbon có rất nhiều ứng dụng như: - Ở các điện cực trong điện phân. - Ở các lò điện hồ quang và lò điện trở. - Ở hàn bằng hồ quang điện. - Ở những đèn với hồ quang và đèn chiếu. - Ở các phân tử Gamanic. e) Chổi than Chổi than dùng trong máy điện tạo thành tiếp xúc động giữa phần cố định và phần quay của máy điện, tức là dành cho dòng điện đưa đến cổ góp hay vòng tiếp xúc của máy điện. f) Những tiếp điểm bằng cacbon Cacbon dùng làm tiếp điểm điện vì nó có tính dẻo cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Nó không bị nóng chảy, không bị hàn dính và không tạo nên các lỗ trên bề mặt khi có tia lửa hay hồ quang. Những tiếp điểm bằng cacbon có thể trượt được. g) Cacbon dùng trong micrô Cacbon được sử dụng trong micro dưới dạng khối hay màng mỏng được ép ở 300kG/cm2 sản xuất từ bụi than cốc, sản phẩm đen của khói và hắc ín. Các màng có chiều dày 0,4 ÷ 0,7mm. Chúng cần phải đàn hồi để tiếp nhận tốt dao động của âm thanh. h) Các dây tóc bằng cacbon dùng ở các đèn nung sáng Hiện nay các dây tóc loại này không còn được dùng vì nó bay hơi, dây tóc bằng cacbon rất mảnh nên dễ đứt. i) Điện trở hóa học trên cơ sở của cacbon Điện trở cacbon được dùng trong kỹ thuật truyền thanh, đo lường, hoặc biến trở điều chỉnh. j) Điện trở cacbon dùng cho nung nóng điện Trang 40 Bài giảng Vật liệu điện Điện trở cacbon dùng cho nung nóng điện được thực hiện dưới dạng thanh hay ống, được sử dụng ở nhiệt độ đến 30000C. 6.4.2. Germani (Ge) a) Sản xuất và chế tạo Ge tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng mỏ. Nó được tìm thấy rất ít trong một số mỏ kẽm, trong tro và trong chất cặn của hắc ín Ge là kim loại thu được thông qua việc làm giảm oxi của GeO2 hay sunfua (GeS2) bằng cacbon, hydro hay Magiê. b) Hằng số vật lý. - Trọng lượng riêng ở 20 0C : 5,36 kg/dm3 - Điện trở suất ở 30 0C : 0,01178Ω.cm - Điện dẫn suất : 85 (Ω-1 .cm-1). - Nhiệt độ nóng chảy : 958,5 0C - Nhiệt độ sôi (760mmHg) : >2700 0C Một số tạp chất tạo cho Ge có tính dẫn điện bằng lỗ trống. c) Đặc tính Ge là kim loại có màu xám tro nóng. Không bị oxi hóa trong không khí và không bị phân hủy bởi nước. Nó bị oxi hóa trong môi trường oxi tạo thành GeO2. Hòa tan trong nước cường toan (dung dịch HCl : HNO3 = 3 : 1) nhưng không bị tác dụng bởi axit HCl và H2SO4 loãng. Các axit nitric HNO3 và H2SO4 đậm đặc sẽ oxi hóa nó và tạo thành bioxyt Giecmani (GeO2). Ge hòa tan chậm trong chất kiềm. Ở t0 > 200 ÷ 2500C, Ge phản ứng mạnh với halogen. d) Ứng dụng Giecmani được dùng để chế tạo các bộ tách sóng, các bộ chỉnh lưu phẳng, transistor, các bộ khuếch đại 6.4.3. Silic (Si) a) Sản xuất và chế tạo Silic là một trong những nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên. Người ta tìm thấy nó dưới dạng SiO2 trong các mỏ khác nhau hoặc dưới dạng silicat. b) Hằng số vật lý - Trọng lượng riêng ở 20 0C : 2,37 kg/dm3 - Điện trở suất : 102Ω.cm - Nhiệt độ nóng chảy : 1415 0C - Nhiệt độ sôi (ở 760mmHg) : 2260 0C Trang 41 Bài giảng Vật liệu điện - Điện dẫn suất biến đổi trong phạm vi rộng từ 7.102 ÷ 10-2 (Ω-1.cm-1). c) Đặc tính Silic ở dạng vật chất tinh thể, có màu tro xám giống như thép với phản chiếu hơi trắng. Dễ bị bể vụn và không được phép gia công dưới áp lực. Silic vô định hình khó bị oxi hóa trong không khí, song rất dễ cháy ở 700÷8000C. Silic tinh thể thực tế không tan trong axit. Với cacbon, silic cho ra cacbua silic hay SiC rất dễ được sử dụng. d) Ứng dụng 4% Silic trong hợp kim Fe + Si được dùng dưới dạng thép tấm làm khung từ của máy biến áp nhằm giảm tổn thất trong lõi thép. Silic dùng làm chất khử oxy trong luyện kim. Dùng Silic để chế tạo các hợp kim với Fe, Cu, Silic nguyên thể dùng làm chất bán dẫn để sản xuất các loại máy tách sóng, dùng làm điện trở trong lĩnh vực tần số rộng, trong các bộ khuếch đại 6.4.4. Sêlen (Se) a) Sản xuất và chế tạo Sêlen thu được từ bùn cặn của việc sản xuất H2SO4, từ cặn của tinh chế Cu. Nhờ sự giúp đỡ của HNO3, bằng cách nóng chảy với Na2CO3 và NaNO3chúng tạo thành axit sêlenit. b) Hằng số vật lý - Trọng lượng riêng : 4,807 (kg/dm3) - Điện trở suất 200C : 12 Ω.cm - Điện dẫn suất : 0,083 (Ω-1.cm-1) - Nhiệt độ nóng chảy : 217 0C - Nhiệt độ sôi ở 760mmHg : 688 0C c) Đặc tính Sêlen tồn tại ở nhiều dạng: dạng vô định hình, dạng tan được, dạng tinh thể màu đỏ, dạng trong suốt. Bằng cách chiếu sáng trong thời gian 0,001 (s), tính dẫn điện của Sêlen tinh thể sẽ tăng lên 15 lần. Khi ngắt ánh sáng thì tính dẫn điện của nó giảm nhanh. Điện trở suất của Sêlen thay đổi tùy theo mức độ % tinh khiết. d) Ứng dụng Sêlen dùng để chế tạo tế bào quang điện, sản xuất diod Selen để tách dòng điện có tần số cao, ------------------------------------------------------------------------------------------- Trang 42 Bài giảng Vật liệu điện Câu hỏi chương 6 1. Trình bày đặc tính cơ bản của các loại chất bán dẫn được sử dụng phổ biến trong ngành kỹ thuật điện. 2. Phân loại chất bán dẫn trên cơ sở cấu tạo của chúng. 3. Vì sao trong thực tế, bán dẫn tạp được sử dụng phổ biến hơn bán dẫn thuần. Phân loại bán dẫn tạp. 4. Trình bày nguyên lý tạo thành bán dẫn tạp loại n (hay còn gọi là bán dẫn điện tử). 5. Trình bày nguyên lý tạo thành bán dẫn tạp loại p (hay còn gọi là bán dẫn lỗ trống). Trang 43 Bài giảng Vật liệu điện Phần III. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Chương 7 NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN 7.1. Khái niệm chung Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách điện đặt trong điện trường. Muốn vậy không để xảy ra những hiện tượng sau đây: - Phóng điện trong vật liệu cách điện. - Đánh thủng toàn phần hoặc bộ phận bên trong vật liệu cách điện. - Phóng điện bề mặt ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu. Hiện tượng phóng điện xảy ra nếu điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện. Trị số này gọi là điện áp phóng điện. Điện áp mà bắt đầu có phóng điện gọi là điện áp ngưỡng của phóng điện. Để phân biệt hiện tượng đánh thủng với hiện tượng phóng điện bề mặt, chúng ta quan sát hai điện cực sau: Phóng điện bề mặt U Đánh thủng Hình 7.1. Hiện tượng đánh thủng và phóng điện bề mặt. Khi chúng ta tăng điện áp giữa hai điện cực, có thể xảy ra hai hiện tượng: - Một là: tấm cách điện không chịu nỗi điện áp và ở một hoặc nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực này sang điện cực kia xuyên qua tấm cách điện. Tấm cách điện bị đánh thủng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng. - Hai là: khi điện áp tăng đến một mức nào đó thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang, rồi phát triển thành những tia lửa điện bò loằn ngoằn trên bề mặt tấm cách điện. Điện áp càng tăng thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng nối với nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, hồ quang điện phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ điện cực này sang điện cực kia, gọi là hiện tượng phóng điện bề mặt. Đối với vật liệu cách điện thể lỏng hoặc thể khí thì chỉ xảy ra hiện tượng đánh thủng, còn nếu là cách điện thể rắn thì có thể xảy ra hiện tượng đánh thủng và hiện tượng phóng điện bề mặt. Trang 44 Bài giảng Vật liệu điện Phóng điện đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng vật liệu, cách điện thể khí hoặc thể lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn cách điện thể rắn thì bị phá hủy vĩnh viễn, không sử dụng lại được. Phóng điện bề mặt thường không gây hậu quả nghiêm trọng như phóng điện đánh thủng. Nhiệt độ của hồ quang điện có thể gây rạn nứt bề mặt của cách điện nhưng thường không làm hư hỏng đến mức không sử dụng được hoàn toàn và không đòi hỏi phải thay thế cách điện ngay lập tức. Trên bề mặt cách điện rắn, hiện tượng phóng điện bề mặt có thể xảy ra lặp lại mà không gây hư hỏng trầm trọng thêm. Xét phương diện tính liên tục trong vận hành thì có sự khác nhau cơ bản giữa phóng điện đánh thủng và phóng điện bề mặt. Cách điện bị phóng điện đánh thủng đòi hỏi phải sửa chữa ngay, việc vận hành bị gián đoạn. Ngược lại, phóng điện bề mặt chỉ gây nên sự cố trong thời gian ngắn, khi nguyên nhân của phóng điện bề mặt không còn tồn tại thì cách điện vẫn tiếp tục làm việc bình thường.  Điện áp đánh thủng (Uđt): Là điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng.  Điện áp phóng điện bề mặt (Upđ): Là điện áp làm sinh ra phóng điện bề mặt trên bề mặt cách điện. Điều kiện làm việc của cách điện là: U < Upđ < Uđt U: điện áp định mức của cách điện. U a  ñ t : hệ số an toàn đối với đánh thủng. ñt U U a  pñ : hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt. pñ U Ở một số vật liệu cách điện, điện áp đánh thủng tăng tỷ lệ thuận với bề dày cách điện nhưng ở phần lớn vật liệu cách điện thì không có quan hệ tỉ lệ thuận như vậy, có nghĩa là bề dày tăng, ví dụ gấp đôi, thì điện áp đánh thủng không tăng gấp đôi mà tăng với tỉ lệ nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là điện áp đánh thủng tăng chậm hơn bề dày cách điện. Điện áp tính trên 1 cm bề dày cách điện đo theo hướng của đường sức điện trường gọi là phụ tải điện của cách điện (V/cm). Độ bền cách điện: Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dày 1 cm, đặt trong điện trường đồng nhất (kV/cm). Hằng số điện môi: D = ε.ε0.E Trong đó: D : mật độ điện tích (A.s/cm2), thường gọi là dịch chuyển. E : điện trường (V/cm). ε0 : hằng số điện môi chân không. Trang 45 Bài giảng Vật liệu điện 1 A.s   ( )  0,0886.1012 (A.s ) 0 4..9.1011 V.cm V.cm ε : hằng số điện môi tương đối, gọi là hằng số điện môi. Trong chân không: D = ε0.E Trong môi trường có hằng số điện môi ε: D = ε.ε0.E Khi chúng ta đặt giữa hai điện cực một tấm cách điện thì có sự khác nhau giữa điện trường trong không khí và điện trường trong tấm cách điện. Trong không khí, số đường sức điện trường và số đường dịch chuyển (mật độ điện tích) bằng nhau, điện trường E bằng: E = D/ε0 + _-   1   1   3 A C B Hình 7.2. Sự biến đổi của điện trường trong cách điện. Trong cách điện C có hằng số điện môi ε, điện trường giảm tỷ lệ nghịch với ε. Hình 1 1 7.2 cho thấy cách điện C có ε = 3, vì vậy số đường sức điện trường bằng  số  3 đường sức trong không khí. Điện tích khi chuyển động đến bề mặt của cách điện C thì một số bị giữ lại, còn một số điện tích tự do chuyển động qua được cách điện, số điện tích tự do này tạo ra điện trường trong cách điện. Dịch chuyển trong cách điện C vẫn giữ không đổi (D vẫn không đổi). Gọi E0 là điện trường trong không khí thì: D = ε0.E = E0 (ε0=1) Còn trong cách điện C với hằng số điện môi ε thì điện trường giảm ε lần: E0 E  (D = ε0.ε.E = ε.E0).  7.2. Tổn hao điện môi Khi cho dòng điện xoay chiều qua tụ điện C có hằng số điện môi ε, ta thấy điện môi nóng lên, tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Phần năng lượng này không sinh công, gọi là tổn hao điện môi. Trang 46 Bài giảng Vật liệu điện Xét dòng điện xoay chiều có tần số ω = 2πf qua tụ điện C, lúc này dòng điện tích điện cho tụ It có 2 thành phần: - Dòng tích điện thực sự Ic, sớm pha 900 so với điện áp, mang tính chất điện dung: U I   U  U.C. (A) c 1 X c C. Trong đó: 2   2f  với f là tần số dao động của điện áp (rad/s). T C: điện dung của tụ điện (Fara). U: điện áp (V). - Dòng IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U IC It   IR Hình 9.3. Phân tích dòng điện qua điện môi. Dòng tích điện It là dòng tổng hợp của 2 thành phần vuông góc với nhau này: 2 2 I t  IC  I R Trong đó: IC = cosδ.It : dòng điện dung (dòng điện vô công). IR = sinδ.It : dòng điện gây tổn hao (dòng điện hữu công). Tỉ lệ hai thành phần: I tg  R với δ là góc tổn hao. IC Vậy IR = IC.tgδ = ω.C.U.tgδ Tổn hao điện môi: 2 Pd = U.IR = ω.U .C.tgδ (W) Với C = C0.ε. 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 ε thì điện dung của tụ tăng lên ε lần. Tổn hao điện môi là: 2 Pd = ω.C0.U .ε.tgδ (W) Trang 47 Bài giảng Vật liệu điện Điện dung C của tụ điện có điện tích điện cực A (cm2), cách nhau a (cm) là: A 1 A C   .  . 0 0 a 4..9.1011 a Tổn hao điện môi là: 1 A P  . . .U2 ..tg d 4..9.1011 a Với ω=2.π.f 1 A P  . .U2 ..f.tg d 18.1011 a 1 A a  . . .U2 ..f.tg 18.1011 a a U A Với E   d a 1  P  .A.a.E2 ..f.tg d 18.1011 Với A.a là thể tích V của lớp điện môi => tổn hao điện môi trung bình tính trên 1 cm3 là: P 1 P  d  .E2 ..f.tg (W cm 3 ) d V 18.1011 Tổn hao điện môi trung bình trong trường hợp E = 1V/cm gọi là số tổn hao điện môi: .f.tg W cm3 K   W 18.1011 (v cm) 2 v 2 .cm 2 3 Vậy p d  K.E (W cm ) Trong tất cả các chất điện môi thể rắn, dưới tác dụng của điện áp xoay chiều, có những hiện tượng điện môi xảy ra dẫn đến 2 hệ quả quan trọng: a) So với điện dung có điện môi là không khí, điện dung của điện môi tăng lên ε lần, ε là hằng số điện môi, là thông số đặc trưng của chất điện môi, phụ thuộc vào tần số và nhiệt độ của điện môi. b) Trong điện môi sinh ra tổn hao, làm nóng bên trong điện môi, tổn hao này tỉ lệ thuận với điện áp, với bình phương của cường độ điện trường trong điện trường đồng nhất, tỉ lệ thuận với tần số, với hệ số tổn hao tgδ. Tgδ là tỉ số của thành phần dòng điện hữu công so với dòng vô công, cũng là thông số đặc trưng của điện môi. * Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi: - Tần số dòng điện. - Nhiệt độ làm việc của điện môi. - Độ ẩm của điện môi và môi trường. Trang 48 Bài giảng Vật liệu điện - Trị số điện áp hay cường độ điện trường tác dụng lên điện môi. 7.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi - Tần số dòng điện - Nhiệt độ làm việc của điện môi - Độ ẩm của điện môi và môi trường - Trị số điện áp hay cường độ điện trường tác dụng lên điện môi. 7.4. Sự hóa già của vật liệu cách điện Tính chất của vật liệu cách điện, chủ yếu là vật liệu cách điện hữu cơ, trong thời gian vận hành, chất lượng của nó sẽ bị giảm sút liên tục; vật liệu cách điện hóa già, lão hóa. Đến 1 lúc nào đó, tính chất của vật liệu sẽ giảm sút đến mức không thể hoàn thành chức năng cách điện giữa những chi tiết kim loại mang điện ở những điện thế khác nhau. Đó là quá trình già hóa của vật liệu. Vật liệu cách điện có tuổi thọ bao nhiêu ngoài yếu tố bản chất vật liệu, còn do điều kiện vận hành quyết định. Quá trình hóa già thực chất là kết quả của những sự biến đổi hóa chất xảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động. Tất cả những yếu tố nào ảnh hưởng đến những phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện đều có tác động đến sự hóa già của vật liệu cách điện. 7.4.1. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già - Nhiệt độ, phụ tải nhiệt. Tốc độ phản ứng hóa học tăng với nhiệt độ theo hàm mũ, thậm chí còn lớn hơn. Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi phụ tải tăng. - Trên cơ sở quan hệ giữa sự hóa già và những phản ứng hóa học trong vật liệu, có thể hiểu rằng những tác dụng hóa học từ bên ngoài hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp có ảnh hưởng lớn đến sự hóa già của vật liệu. Những tác dụng hóa học tác dụng đến vật liệu cách điện có thể phát sinh từ: + Những vật liệu cách điện ở gần, như sơn tẩm, dầu, + Môi trường bao quanh vật liệu cách điện, như: chất bẩn thể khí, sản phẩm sinh ra từ phóng điện vầng quang, khí ozon, không khí ẩm, Những tác dụng hóa học từ bên ngoài có thể làm giảm hoặc làm tăng tuổi thọ của vật liệu cách điện. Ví dụ: một số hóa chất làm tăng tuổi thọ của dầu biến thế vì chúng ngăn cản quá trình oxy hóa của dầu, đối với các cách điện từ giấy thì độ ẩm làm giảm tuổi thọ của cách điện, tuổi thọ của vật liệu cách điện dùng để bọc dây dẫn cũng chịu ảnh hưởng từ vật liệu chế tạo dây dẫn, - Những tác động cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành cũng ảnh hưởng đến sự hóa già của vật liệu. 7.4.2. Những quá trình hóa học chủ yếu gây nên sự hóa già của vật liệu cách điện - Sự oxy hóa: Oxy làm cho những thành phần cấu tạo vật liệu cách điện bị oxy hóa. Những tác dụng bên ngoài đẩy nhanh quá trình oxy hóa (như O3, sản phẩm sinh ra từ quá trình phóng điện trong môi trường cách điện, một số chất xúc tác) nhưng cũng có trường hợp làm chậm lại quá trình oxy hóa với chất tẩm phù hợp. Trang 49 Bài giảng Vật liệu điện Oxy hóa làm cho trong vật liệu cách điện sinh ra những hóa chất mang tính axit, những hóa chất này làm suy giảm tính chất điện của cách điện và đẩy nhanh quá trình hóa già bằng xúc tác. - Sự trùng hợp: Chủ yếu trong nhựa tổng hợp, sự trùng hợp tiếp tục xảy ra cả trong quá trình hóa già. Theo nguyên lý thì tính chất điện nhờ đó mà được cải thiện nhưng tính chất cơ học thì bị suy giảm mạnh (vật liệu trở nên dòn), từ đó những thông số điện bị suy giảm theo. - Sự khử trùng hợp: Quá trình khử trùng hợp chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao, nó gây nên sự đứt vụn của những dây chuyền phân tử. Do đó những thông số điện và cơ của vật liệu cách điện bị suy giảm nhanh chóng. Sự khử trùng hợp đều có thể xảy ra đối với sự hiện diện của oxy hoặc cả khi không có oxy. - Sự thủy phân: Những phân tử nước làm cho cấu trúc phân tử bị lỏng lẻo, như vậy vật liệu sẽ kém chịu đựng hơn đối với những tác dụng hóa học và dễ bị khử trùng hợp. - Sự bay hơi: Những sản phẩm làm mềm hoặc dễ bay hơi trong vật liệu khi thoát đi sẽ làm cho vật liệu bị dòn, bị co ngót, dẫn đến tính chất cơ bị suy giảm. 7.4.3. Tuổi thọ Sự hóa già của vật liệu cách điện về cơ bản là kết quả của sự biến đổi hóa học bên trong vật liệu. Dựa vào những định luật phản ứng hóa học, chúng ta xác định quy luật của sự hóa già, qua hệ của tốc độ hóa già với nhiệt độ. Biểu thức Montsinger cho biết quan hệ giữa tuổi thọ và nhiệt độ. L  L .2(0 ) / b .  0 Trong đó: 0 L : tuổi thọ ở nhiệt độ θ ( C). L : tu (0C), ví d nhi v c ch 0 ổi thọ ở nhiệt độ so sánh θ0 ụ ệt độ ứng ới ấp ịu nhiệt. b = 8 ÷ 12 là hằng số của vật liệu. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 7 1. Phân biệt hiện tượng phóng điện đánh thủng và hiện tượng phóng điện bề mặt. Nêu các điểm giống nhau và khác nhau của 2 hiện tượng này. 2. Khái niệm độ bền cách điện. 3. Mô tả mối quan hệ giữa điện áp cách điện và bề dày cách điện. 4. Thiết lập biểu thức tính tổn hao điện môi trong tụ điện có điện dung C, điện trở trong tụ là R. Trang 50 Bài giảng Vật liệu điện Chương 8 TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 8.1. Phân loại vật liệu cách điện Có rất nhiều tiêu chí phân loại vật liệu cách điện khác nhau. a) Phân loại theo trạng thái vật lý Vật liệu cách điện có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí. Vật liệu cách điện thể khí và lỏng luôn luôn phải sử dụng với cách điện thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong khí. Vật liệu cách điện thể rắn còn phân thành nhiều loại: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Vật liệu cách điện giữa thể rắn và thể lỏng còn có một loại trung gian, gọi là thể mềm nhão như vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm, b) Phân loại theo thành phần hóa học: gồm vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. + Vật liệu cách điện hữu cơ: gồm 2 nhóm, nhóm nguồn gốc thiên nhiên và nhóm nguồn gốc nhân tạo. Nhóm nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các chất cơ bản trong thiên nhiên hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: vải sợi, sơn vecni, giấy, bitumhoặc biến đổi thành phần hóa học như: cao su, xenlulôit, lụa Nhóm nhân tạo thường gọi là nhựa nhân tạo, gồm: nhựa phenol, aminô, polieste, poliamit, vinyl, poliurêtan, nhựa epoxi, silicon, polietilen + Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng. c) Phân loại theo tính chịu nhiệt Đây là kiểu phân loại cơ bản. Khi lựa chọn vật liệu, đầu tiên chúng ta phải biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào trong bảng 8.1 dưới đây. Cấp chịu Nhiệt độ cho Các vật liệu cách điện chủ yếu nhiệt phép 0C Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự, không tẩm nhựa. Các loại nhựa polyetylen, PVC, polystirol, anilin, cacbimit, A 105 Giấy, vải sợi, lụa trong dầu; nhựa polyeste, cao su nhân tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô, E 120 Nhựa tráng polyvinylphocman, polyamit, epoxi. Giấy ép hoặc vải ép có nhựa phenolphocmandeh (gọi chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo. Vải có thấm polyamit. Nhựa polyamit, nhựa phenol, B 130 Nhựa polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn. Trang 51 Bài giảng Vật liệu điện Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở các bộ phận không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện từ nhựa phenol. Các loại sản phẩm mica. Nhựa epoxy, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiang, mica hoặc thủy tinh có chất độn, P 155 Sợi amiang, sọi thủy tinh có chất kết dính H 180 Silicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính C > 180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ, 8.2. Tính chất vật liệu cách điện thể khí Vật liệu cách điện thể khí có các tính chất sau đây: - Điện môi gần bằng 1, là hằng số. - Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp. - Hệ số tổn hao phụ thuộc vào điện áp. - Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điện cực, thời gian tác động của điện áp, Vật liệu cách điện thể khí được sử dụng phổ biến nhất là không khí. Nó được sử dụng làm cách điện đối với đường dây tải điện trên không, của các thiết bị làm việc trong môi trường không khí, hoặc dùng để phối hợp với các cách điện rắn, lỏng. Ngoài ra người ta còn sử dụng các cách điện thể khí như khí nitơ N2, khí hydro H2, khí cacbonat CO2,. Hiện nay cách điện thể khí được dùng chủ yếu là các hợp chất halogen, chúng có cường độ cách điện cao hơn hẳn so với không khí, như: - Florua lưu huỳnh (SF6) hay còn gọi là khí Êlêgaz có độ bền cách điện hơn không khí khoảng 2,5 lần. - Khí Frêôn (CCl2F2) có độ bền cách điện gần bằng khí Êlêgaz. Trong kỹ thuật điện, khí hidro là khí nhẹ, có tính dẫn nhiệt tốt nên được dùng làm mát thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn nhằm làm giảm công suất tổn hao do ma sát của rôto với chất khí và ma sát do quạt gió gây ra. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các khí trơ như argon, nêon, hêli,cũng như hơi thủy ngân để làm các dụng cụ chân không và bóng đèn 8.3. Tính chất cách điện thể lỏng Vật liệu cách điện thể lỏng được sử dụng phổ biến ở máy biến áp và các thiết bị đóng ngắt. a) Vật liệu cách điện thể lỏng được sử dụng nhiều nhất là dầu máy biến áp. Dầu máy biến áp có 2 chức năng chính sau: - Lấp đầy khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây, giữa cuộn dây và cuộn dây, giữa cuộn dây và vỏ máy làm nhiệm vụ cách điện. Trang 52 Bài giảng Vật liệu điện - Làm mát, tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và tổn hao trong lõi thép của máy biến áp gây ra. * Các tính chất chính của dầu biến áp: - Dầu biến áp có độ bền cách điện rất cao, có thể đạt 200 – 250kV/cm. Các chất bẩn và độ ẩm làm giảm rất nhiều độ bền cách điện của dầu. Vì vậy trước khi cho dầu vào máy, người ta phải làm sạch dầu rất kỹ và sấy trong chân không. - Hằng số điện môi của dầu ε = 2,2 – 2,5, gần bằng hằng số điện môi của cách điện thể rắn. - Điện trở suất của dầu biến áp lớn nhưng lại giảm nhanh khi nhiệt độ tăng. - Nhiệt độ làm việc dài hạn ở 90 – 95 0C dầu không bị hóa già nhiều. - Đồng là chất xúc tác tốt đối với quá trình oxy hóa của dầu, vì vậy không để dầu tiếp xúc trực tiếp với dầu. * Ưu điểm của dầu biến áp: - Có độ bền cách điện cao, có thể đạt 160kV/cm hoặc lớn hơn tùy thuộc vào chất lượng của dầu. - Hằng số điện môi lớn, khoảng 2,2 - > 2,5. - Sau khi bị đánh thủng, khả năng phục hồi cách điện của dầu là rất lớn mặc dù sau nhiều lần bị đánh thủng một phần dầu bị cháy hoặc bị phân hủy hóa học. - Có thể thâm nhập vào các khe rãnh vừa có tác dụng cách điện, vừa có tác dụng làm mát trong trường hợp có dòng chảy mạnh. - Có thể sử dụng ở các môi trường dập tắt hồ quang ở các máy cắt điện. * Nhược điểm của dầu máy biến áp: - Các chức năng của dầu biến áp biến đổi lớn nếu dầu bị bẩn. - Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm, lớp dầu trên bề mặt của dầu có tính hút ẩm mạnh. Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm vì lớp dầu trên bề mặt có tính chất hút ẩm. - Ở nhiệt độ cao nhưng còn trong giới hạn cho phép, dầu vẫn có những thay đổi về hóa học gây nên việc tạo bọt khí trong dầu làm cho khả năng cách điện cũng như khả năng làm mát giảm. Đó là sự hóa già của dầu. - Dầu biến áp dễ cháy, khi cháy phát sinh khói đen, hơi dầu bốc lên hòa lẫn với không khí làm thành hỗn hợp nổ. Trong quá trình làm việc, dầu máy biến áp trong các thiết bị sẽ già hóa, tốc độ già hóa phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Khi có không khí lọt vào. + Nhiệt độ làm việc tăng, có sự tác dụng của ánh sáng. + Khi có tác dụng của điện trường cao. + Khi có sự tiếp xúc của dầu với một số kim loại. b) Ngoài ra, còn có các cách điện lỏng khác cũng được sử dụng phổ biến như: dầu tụ điện, dầu cáp điện Trang 53 Bài giảng Vật liệu điện 8.4. Tính chất vật liệu cách điện thể rắn Vật liệu cách điện thể rắn đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật cách điện, bởi vì không thể nào làm cách điện cho thiết bị điện mà không cần dùng vật liệu cách điện thể rắn. Có nhiều chủng loại vật liệu cách điện thể rắn khác nhau, có cấu tạo lý hóa khác nhau, các thông số và tính chất điện khác nhau. Do đó ngoài những hiểu biết các tính chất và quy luật khái quát, cần phải hiểu biết chi tiết về các loại vật liệu mà chúng ta muốn sử dụng. Thông thường mỗi vật liệu gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu cơ bản và tỉ lệ thành phần của các vật liệu khác mà các thông số tính chất của cách điện biến thiên trong phạm vi rộng. Ngoài các đặc tính về điện, ta cần phải biết các đặc tính cơ của cách điện nữa. Phân loại vật liệu cách điện thể rắn: gồm các hợp chất hữu cơ cao phân tử và các hợp chất vô cơ. a) Các hợp chất hữu cơ cao phân tử (hay cách điện rắn hữu cơ) - Nhựa cách điện: gồm 2 loại: + Nhựa tổng hợp. + Nhựa thiên nhiên. Nhựa tổng hợp như: nhựa phenol, cao su silicon, nhựa melamin,. Nhựa thiên nhiên gồm: + Cánh kiến: do 1 số côn trùng phát ra. + Nhựa thông (hay colofan): là nhựa của cây thông + Nhựa copan. - Dầu thực vật: Là chất lỏng nhớt thu được từ hạt của các loại thực vật khác nhau như dầu gai, dầu trẩu, dầu thầu dầu,.Dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng, không khí cũng như các yếu tố khác, dầu sẽ chuyển sang trạng thái rắn. - Sơn và các hợp chất cách điện: chúng thường ở dạng lỏng trong quá trình chế tạo, sau đó đông rắn lại. - Nhựa đường: Dựa vào nguồn gốc, người ta phân nhựa đường thành 2 loại: + Nhựa đường nhân tạo ( nguồn gốc dầu mỏ): là sản phẩm nặng khi chưng cất dầu mỏ. + Nhựa đường thiên nhiên ( tồn tại dạng khoáng sản): thường gọi là nhựa đường Atfan. - Vật liệu xơ: Được chế tạo từ các phân tử nhỏ và dài như giấy, gỗ, cát tông, vải, sợi,có nhiều thuận lợi như: rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo cao, sản xuất dễ dàng,. nhưng độ bền điện và tính dẫn nhiệt không cao, độ hút ẩm lớn, - Chất đàn hồi: như cao su thiên nhiên, cao su lưu hóa (cho cao su tác dụng với lưu huỳnh), cao su tổng hợp ( dùng rượu, cồn, dầu mỏ và khí thiên nhiên làm nguyên liệu để sản xuất ra cao su tổng hợp thay thế cho cao su thiên nhiên) b) Các cách điện rắn vô cơ (điện môi vô cơ) - Thủy tinh. - Vật liệu gốm, sứ. Trang 54 Bài giảng Vật liệu điện - Meca - Amiăng - Xét nhét - Cách điện oxit, cách điện Florua: cách điện oxit thường được sử dụng nhất là oxit trên bề mặt nhôm(Al2O3). 8.5. Sự phóng điện trong điện môi Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá 1 giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi. * Yêu cầu chung đối với cách điện thể khí: - Phải là khí trơ, nghĩa là không gây phản ứng hóa học với các cách điện khác trong cùng kết cấu, hoặc với các kim loại của thiết bị. - Có cường độ cách điện cao nhằm giảm kết cấu của cách điện. - Nhiệt độ hóa lỏng thấp để sử dụng chúng ở trạng thái áp suất cao. - Tản nhiệt tốt. - Rẻ tiền, dễ sử dụng và chế tạo. * Các dạng phóng điện khác nhau trong cách điện thể khí tùy thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí,gồm: - Phóng điện tỏa sáng: Ứng dụng làm đèn nêon, đèn quảng cáo, trang trí, ống phát sáng, xảy ra khi áp suất khí thấp. - Phóng điện tia lửa: Xảy ra khi áp suất lớn, thường là một tia nhỏ nối giữa các điện cực. Ứng dụng: làm thiết bị đốt lò gas, đánh lửa budi xe máy, ôtô, - Phóng điện hồ quang: Xảy ra khi công suất lớn, thời gian dài và áp suất cao. Ứng dụng: hàn hồ quang. - Phóng điện vầng quang: Đây là dạng phóng điện không hoàn toàn vì tia lửa điện không nối dài giữa 2 điện cực. * Yêu cầu chung đối với cách điện thể lỏng: Ở điều kiện bình thường, điện môi lỏng có cách điện lớn hơn nhiều so với điện môi khí. Quá trình phóng điện trong điện môi khí xảy ra phức tạp hơn vì sau mỗi lần phóng điện sinh ra các tạp chất là muội khói do chất lỏng bị cháy. * Yêu cầu chung đối với cách điện thể rắn: Đối với điện môi rắn, có thể sẽ xảy ra cả 2 quá trình phóng điện: phóng điện đánh thủng và phóng điện bề mặt tùy thuộc vào điện áp đặt vào cách điện. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Câu hỏi chương 8 1. Nêu các tiêu chí để phân loại vật liệu cách điện. 2. Trình bày các chất cách điện thể khí được sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu các đặc tính chính của chúng. 3. Yêu cầu chung đối với cách điện thể khí. Phân tích. Trang 55 Bài giảng Vật liệu điện 4. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già của dầu. 5. Hãy phân tích ưu nhược điểm của dầu biến áp. 6. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ được sử dụng trong thực tế. 7. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ được sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc tính cơ bản của chúng. Trang 56 Bài giảng Vật liệu điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu kỹ thuật điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1996. [2] Vụ giáo dục chuyên nghiệp, Giáo trình vật liệu điện, NXB Giáo dục. [3] Dương Vũ Văn, Vật liệu điện - điện tử, NXB Đại học Quốc gia Thành phố HCM. Trang 57