Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên PHẦN I: VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI Cấu tạo nguyên tử Mọi vật chất cấu tạo từ hạt Proton, nơtron điện tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo Proton nơtron mang điện tích dương bao quanh hạt nhân điện tử mang điện tích âm cân với điện tích dương hạt nhân Thông qua dạng liên kết mà hình thành nên vật chất Mô hình nguyên tử Bohr Trong nguyên tử điện tử chuyển động quỹ đạo xác định, có bán kính định, quay quỹ đạo lượng bảo toàn Hình 0.1: Các lớp e nguyên tử Si Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng xác định, quỹ đạo gần hạt nhân có mức Nlượng nhỏ ngược lại Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ giải phóng lượng Theo học lượng tử: chuyển động điện tử mô tả hàm sóng Đối với nguyên tử biệt lập hàm số có tính đối xứng cầu, điện tích điện tử phân bố tản tạo thành đám mây Các dạng liên kết a Liên kết cộng hoá trị: Là mối liên kết nguyên tử hình thành phân tử cách góp chung vác điện tử Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương trùng phân tử trung tính (trung hoà) Các chất cấu tạo từ phân tử gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương không trùng phân tử lưỡng cực (cực tính) Phân tử lưỡng cực đặc trưng mô men lưỡng cực: m = q.l Được tính tích số điện tích với khoảng cách trọng tâm điện tích âm dương b Liên kết ion: Được xác lập lực hút ion trái dấu: NaCl = Na+ + ClVật rắn có cấu tạo ion đặc trưng tính chất bền vững học nhiệt độ nóng chảy tương đối cao c Liên kết kim loại: Dạng liên kết tạo nên tinh thể rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion (+) nằm môi trường điện tử tự chung Lực hút ion (+) điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính óng ánh tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lên lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng d Liên kết Vanđecvan: Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Dạng liên kết yếu, tạo nên nhờ lực hút phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững Thường có chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin Phân loại vật liệu a Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng lượng vật rắn: Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ chất khác chứng tỏ nguyên tử khác có trạng thái (mức) lượng xác định, khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường, lớp vỏ điện tử ứng với trạng thái lượng xác định (1 số mức lượng điện tử lấp đầy) mức lượng khác cao điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên Khi kích thích nguyên tử trở trạng thái ban đầu phát lượng thừa Khi nguyên tử liên kết với để tạo thành mạng tinh thể vật rắn, tương hỗ chúng lamg phân chia mức lượng, dẫn đến xuất nhiều mức lượng nắm gần phạm vi lớp Các mức lượng tạo nên dải lượng khác Trong người ta quan tâm đến hai dải “dải hóa trị” (vùng điền đầy điện tử) “dải dẫn” (các điện tử tự vùng này), hai dải ngăn cách “dải cấm” Hình 0.2: Mô hình dải lượng nguyên tử (a), vật rắn (b) Người ta dựa vào chiều rộng dải cấm, để phân chia vật liệu Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử không xảy Chiều rộng vùng cấm điện môi khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J) Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm nhỏ khắc phục nhờ nguồn lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử vùng mức lượng tự nằm kề chồng lên phần Vì cần tác động nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái b Phân loại theo từ tính: loại Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < không phụ thuộc vào cường độ từ trường Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, … Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > (  1) không phụ thuộc vào cường độ từ trường VD, muối sắt, muối Côban Niken,kim loại kiềm Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 phụ thuộc vào cường độ từ trường Ví dụ: Fe, Ni, Coban hợp kim chúng Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên PHẦN I: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 0.1 ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường(mạnh hay yếu, chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số điện trường ), thời gian tác động điện trường yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà điện môi xảy tượng với chất vật lý khác Trong có hai tượng tượng dẫn điện tượng phân cực điện môi Hiện tượng phân cực: Là dịch chuyển có giới hạn điện tích liên kết định hướng phân tử lưỡng cực Trong trình phân cực tạo nên dòng phân cực, thường đánh giá số điện môi  góc tổn thất điện môi  (nếu trình phân cực kèm theo phân tán lượng làm cho điện môi nóng lên) Do điện môi kỹ thuật có điện tích tự nên tác động điện áp xuất dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi theo bề mặt Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện điện môi Do điện môi xuất dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên Tổn thất điện môi đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg Mỗi điện môi ứng với chiều dày định chịu giá trị điện áp định Khi điện áp vượt giá trị tới hạn điện môi bị đánh thủng, vật liệu hoàn toàn thuộc tính cách điện Được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt Trong trình vận hành tác động điện trường, điện môi chịu tác động yếu tố môi trường tác động cơ, nhiệt khác… Sau thời gian tính chất cơ, lí, hoá điện điện môi bị thay đổi (thường đi) hoá già điện môi Chương SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 1.1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI Sự phân cực điện môi Xét điện môi đặt cực nối vào mạch điện Dưới tác dụng điện trường ngoài, điện tích điện môi dịch chuyển điện cực chiều ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu chúng Các phân tử lưỡng cực (nếu có) định hướng theo hướng điện trường Hình 1.1 Hiện tượng phân cực điện môi Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Khi điện trường tăng mật độ di chuyển lớn, phân cực mạnh Khi điện trường giảm phân cực giảm dần điện trường = điện tích trở trạng thái ban đầu Kết trình phân cực: bề mặt tiếp giáp điện môi với điện cực xuất lớp điện tích trái dấu Trong điện môi xuất điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường Khi điện môi đặt điện cực nối vào mạch điện xem tụ điện điện tích Q tụ xác định: Q = C.U với C: Điện dung tụ U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q giá trị điện áp xác định có thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1) Q0: Điện tích tụ có kích thước, điện cực chân không Q’: Điện tích tạo phân cực điện môi Hằng số điện môi Để đánh giá mức độ phân cực điện môi, người ta đưa khái niệm số điện môi tương đối, ký hiệu , gọi tắt “Hằng số điện môi” Nó dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị  Q  Q0 Q Q'  1 Q0 Q0 Q0 (1.2) Hằng số điện môi tỷ số điện tích tụ chứa điện môi có điện áp xác định với điện tích tụ kích thước điện áp cực chân không 1.2 CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có dạng phân cực điện môi *) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không phát tán lượng Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện *) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy tức thời, tăng giảm cách chậm chạp có kèm theo phát tán lượng điện môi làm cho điện môi nóng lên Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện mắc nối tiếp điện trở Các chế phân cực Một số chế phân cực thấy nhiều điện môi khác nhau, loại điện môi thấy tồn đồng thời nhiều chế phân cực khác a Phân cực điện tử nhanh Là chuyển dịch đàn hồi biến dạng lớp vỏ điện tử nguyên tử ion Thời gian xảy nhanh (t  10-15s) phân cực điện tử coi tức thời Sự phân cực điện tử có tất loại điện môi không gây tổn thất lượng Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0:  = 4..0R03 (1.5) Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên b Phân cực ion nhanh Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion xác định chuyển dịch đàn hồi ion liên kết Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng Thời gian xác lập phân cực này: t  10-13s Hệ số phân cực:  = 4..0(a/2)3 (1.6)  Với a khoảng ion (+) (-) E  c Phân cực Lưỡng cực chậm Xảy điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực Các phân tử lưỡng cực trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn định hướng phần tác dụng điện trường gây nên phân cực Quá trình định hướng phân tử phải thắng lực chuyển động nhiệt có kèm theo tổn hao lượng Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực nhiệt độ:  = m 20 3KT (1.7) Với: m0 - mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38.10-23J/0K – số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối d Phân cực ion chậm Xảy điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc ion không chặt chẽ Các ion liên kết yếu chất chuyển động nhiệt hỗn loạn nhận thêm chuyển dịch thừa theo hướng điện trường Thường quan sát thấy thuỷ tinh vô số chất vô mà tinh thể ion ràng buộc không chặt Sau loại bỏ điện trường định hướng ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ Sự phân cực ion chậm tăng với tăng nhiệt độ e Phân cực điện tử chậm Đặc trưng cho điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên lớn có tính dẫn điện - điện tử Nói cách khác: điện môi có điện tử khuyết tật thừa lỗ hổng kích thích nhiệt Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ có vài điểm cực đại chí nhiệt độ âm f Phân cực cấu kết cấu Xảy vật rắn có cấu tạo không đồng có tạp chất Sự phân cực biểu tần số thấp kèm theo tổn hao lượng đáng kể Nguyên nhân phân cực chất dẫn điện bán dẫn lẫn điện môi kỹ thuật, tồn lớp có độ dẫn điện khác g Phân cực tự phát Dạng phân cực tồn dạng điện môi đặc biệt Xenhit kèm theo khuếch tán lượng đáng kể (có toả nhiệt)  phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường đặc trưng điểm cực đại nhiệt độ xác định Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên *)Sơ đồ đẳng trị điện môi mà xảy đầy đủ chế phân cực hình vẽ Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị điện môi Trong đó: U điện áp nguồn Nhánh 1: Điện dung C0 điện tích Q0 tụ điện môi chân không Nhánh 2÷ 8: Điện dung điện tích chế phân cực: Phân cực điện tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát phân cực cấu (kết cấu) Nhánh 9: RCĐ điện trở cách điện hay gọi điện trở thật điện môi Nhánh đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi 1.3 HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN Hằng số điện môi điện môi khí Các chất khí có mật độ phân tử nhỏ phân cực chất khí không đáng kể số điện môi chất khí  = 2  Để xác định số điện môi,   N  ta sử dụng phương trình Claudiut-Môxôpchi:  (1.8)   3. Đối với điện môi khí 1, nên (1.8)    Với N  N  P.  1 0 K T  (1.9) P mật độ phân tử, P (at), T(0K),  hệ số phân cực K T *Với điện môi khí trung tính: Chỉ tồn chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03 Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử lớn, số điện môi lơn Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2 Hình 1.2: Quan hệ =f(P), T số =f(T), P số Để đánh giá ảnh hưởng  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt số điện môi: TK      d  dt [độ-1] Với chất khí trung hòa : TK   Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện d  (  1)  0  dT  T (1.10) (1.11) Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên *Với chất khí cực tính tồn hai chế phân cực chế phân cực điện tử nhanh (là chủ yếu), chế phân cực lưỡng cực chậm Do  = e+lc, phương trình (1.8)     N P. e P.m02 ( e   lc )    0 K T  3( K T )2  (1.12) Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất nhiệt độ     2 Hệ số nhiệt số điện môi : TK     (độ-1) .T .T (1.13) Hằng số điện môi điện môi lỏng Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng phan thành hai nhóm: Điện môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …) * Hằng số điện môi điện môi lỏng trung tính Điện môi chất lỏng trung tính đặc trưng phân cực điện tử nhanh vậy  22÷ 2,5 phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất tần số Hình 1.3 Quan hệ  chất lỏng trung hoà với nhiệt độ tần số Về trị số tuyệt đối TK chất lỏng trung tính gần hệ số giãn nở thể tích chất lỏng  (nhưng ngược dấu) d    1    TK v (độ-1)  dT 3 dV với TKv = hệ số nhiệt thể tích V dT TK   (1.14) * Hằng số điện môi chất lỏng cực tính Chất lỏng cực tính tồn đồng thời phân cực điện tử phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu) Có nhiều thuyết đưa để tính  điện môi cực tính, nói chung việc tính  chất lỏng cực tính phức tạp Mỗi công thức kèm giả thiết nên có tính chất gần Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:   1  2 m 20  N   e   3  3KT  (1.15) Quan hệ  nhiệt độ chất lỏng lưỡng cực phức tạp chất lỏng trung hoà Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi Sau tăng mạnh theo đường dốc đứng đạt cực đại giảm dần Nhiệt độ mà  tăng nhanh ứng với chất lỏng có độ nhớt giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả tự định hướng tạo nên phân cực phụ điện môi Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ  giảm chuyển động nhiệt phân tử tăng lên, cản trở định hướng theo chiều điện trường Hằng số điện môi điện môi rắn Đặc điểm điện môi rắn đa dạng cấu trúc thành phần, số điện môi có giá trị Hình 1.4: =f(t0), f1 gọi thuỷ tinh Silicat Các đặc tính thuỷ tinh: Biến đổi phạm vi rộng tuỳ theo thành phần cấu tạo chế độ nhiệt luyện chúng Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 39 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên + Đặc tính cơ: Độ bền nén lớn bền kéo nhiều Trong điều kiện bình thường thuỷ tinh giòn + Đặc tính nhiệt: Không có nhiệt độ nóng chảy định Nhiệt độ hoá dẻo loại thuỷ tinh từ 400  16000C Khi thêm chất phụ vào nhiệt độ hoá dẻo thuỷ tinh giảm dần + Đặc tính quang học: Phần lớn thuỷ tinh kỹ thuật hấp thụ mạnh tia tử ngoại + Đặc tính điện: Phụ thuộc vào thành phần cấu tạo Phân loại vài ứng dụng thuỷ tinh: * Phân loại theo công dụng: - Thuỷ tinh tụ điện: Dùng làm điện môi cho tụ dùng lọc cao thế, máy tạo xung, mạch dao động thiết bị cao tần - Thuỷ tinh định vị: Chế tạo chi tiết định vị, sứ cách điện - Thuỷ tinh bóng đèn:Làm bóng đèn thắp sáng nhiều loại ống điện tử khác - Men thuỷ tinh:Là loại thuỷ tinh đục dễ nóng chảy dùng để phủ lên mặt nhiều loại sản phẩm - Thuỷ tinh có chất độn: Thuỷ tinh mica Là chất dẻo ép nóng thuỷ tinh bột mica - Xơ thuỷ tinh:Là thuỷ tinh kéo thành sợi nhỏ (đường kính 4-7 micron), dài, mềm dùng để sản xuất vật liệu dệt - Sợi quang học: làm thuỷ tinh gồm lớp có chiết suất khác nhau, hệ số chiết suất lớp lõi cao lớp vỏ Đường kính sợi khoảng  0,125mm (đường kính sợi quang khoảng 4m) * Phân loại theo thành phần hoá học: - Thuỷ tinh kiềm không chứa ôxit nặng: làm cửa kính, chai lọ - Thuỷ tinh kiềm có chứa ôxit nặng (BaO ): Làm kính quang học thuỷ tinh cách điện Các loại thuỷ tinh có độ dẫn điện không đáng kể tg nhỏ - Thuỷ tinh vô kiềm: (thuỷ tinh thạch anh khiết kể loại có hàm lượng ôxit kiềm nhỏ) dùng vào mục đích quang học cách điện 6.9 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN BẰNG GỐM Vật liệu gốm vật liệu vô dùng để sản xuất sản phẩm sau đem nung nhiệt độ cao Nếu ta chọn thành phần cấu tạo trình công nghệ chế tạo thích hợp gồm có độ bền học cao, góc tổn thất điện môi nhỏ, số điện môi cao, chịu nóng tốt Gốm có độ bền hoá già điện nhiệt cao vật liệu cách điện hữu Nó không bị biến dạng chịu tải trọng thời gian dài Sứ cách điện: Sứ dùng rộng rãi vào mục đích cách điện Sứ chế tạo từ loại đất sét đặc biệt với khoáng thạch anh SiO2 fenspat Công nghệ chế tạo sứ: Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 40 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên + Lọc tạp chất khỏi chất thành phần nhào kỹ với nước + Gia công tạo hình  đem sấy khô để loại lượng nước thừa + Tráng men (ngăn không cho ẩm thấm vào làm tăng độ bền cho sứ, giảm độ rò điện theo bề mặt, loại bỏ vết nứt nhỏ bề mặt) + Nung: Là nguyên công làm cho sứ có độ bền học cao, chịu nước có đặc tính cách điện tốt Đặc tính điện quan trọng sứ cách điện điện áp cao trị số điện áp phóng điện bề mặt Có loại điện áp phóng điện: Điện áp phóng điện khô điện áp phóng điện ướt Điện áp đánh thủng: Là điện áp gây đánh thủng qua chiều dày sứ nằm điện cực Trị số lớn điện áp phóng điện khô * Những yêu cầu cách điện sứ: - Bề dày lớp sứ không dày (trường hợp cần lớp sứ dày người ta gắn lớp sứ mỏng lại men sứ chất kết dính khác) - Tránh thay đổi đột ngột bề dày lớp sứ, góc cạnh sứ cần nhẵn tròn - Nên sứ chịu nén trình làm việc - Cần đảm bảo điện áp phóng điện bề mặt sứ (kể phóng điện khô ướt) - Điện áp đánh thủng qua bề dày lớp sứ phải nằm phạm vi cho phép Các loại sứ cách điện: a Sứ cách điện đường dây: Sứ đứng: Đảm bảo siết cứng dây dẫn vào vị trí định cột, dùng U < 35 KV Sứ treo: Dùng cho U  35 KV Ta nối sứ treo riêng biệt thành chuỗi treo dây dẫn vào Số lượng bát sứ xác định theo điện áp làm việc đường dây Cũng sử dụng dạng b Sứ dùng trạm: Sứ đỡ: Siết cứng dẫn thiết bị phân phối điện chi tiết khác thiết bị điện Sứ xuyên: Luồn dây dẫn có điện áp cao xuyên qua tường vách ngăn c Sứ dùng điện báo điện thoại: Kích thước nhỏ yêu cầu chặt chẽ sứ đứng d Sứ đặt thiết bị: Có hình dáng kích thước khác Quan trọng sứ đầu vào (đưa dây dẫn vào vỏ thùng chứa thiết bị kim loại MBA, máy cắt dầu ) e Sứ định vị: Gồm puly sứ, chi tiết ổ cắm phích cắm 6.10 MIKA Đặc tính Mika: Là loại vật liệu quan trọng vật liệu cách điện chất khoáng thiên nhiên Theo thành phần hoá học mika loại nhôm silicat Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 41 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ngậm nước Vì có độ bền điện cao, tính chịu nhiệt chịu ẩm tốt, dẻo nên Mika dùng làm cách điện chỗ quan trọng làm điện môi cho số tụ điện Điểm đặc biệt Mika tách thành mỏng dễ dàng theo chiều song song bề mặt Phần lớn Mika giữ đặc tính điện tốt đốt nóng lên vài trăm độ (Nhiệt độ nóng chảy mika: 1250  13000C) Khi tới nhiệt độ cao nước cấu tạo mika bắt đầu thoát ra, đặc tính điện Mika bị trương phồng lên Mika xếp vào cách điện cấp C *)Mikanít: Được sản xuất thành cuộn cánh mica rời dán lại với nhau, dùng thêm xơ giấy xơ Nó có độ bền nhiệt cao 6.11 AMIAN Là nhóm khoáng vật có cấu trúc xơ, xơ dài chất lượng tốt đắt tiền Nó chịu nhiệt độ cao, tính cách điện không cao  không dùng làm cách điện cao áp, cao tần Xi măng Amian: Là chất dẻo ép nguội Thành phần chất vô cơ, chất độn amian, kết dính xi măng Sản xuất thành tấm, ống Có đặc tính không tồi chịu nhiệt độ cao, chống tác dụng tia lửa hồ quang => dùng làm bảng phân phối chắn ngăn cách buồng dập hồ quang Vì đặc tính cách điện không cao nên dùng làm cách điện phải tẩm PHẦN II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Chương VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 7.1 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT DẪN Phân loại: * Phân loại theo trạng thái: Vật liệu dẫn điện vật rắn, lỏng điều kiện định thể khí * Phân loại theo điện dẫn: Vật dẫn có điện dẫn cao: Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp Vật dẫn có điện trở cao: Dùng dụng cụ đốt nóng điện: Biến trở, đèn sợi đốt, điện trở mẫu * Phân theo tính chất: - Vật dẫn loại 1: Có dòng điện dòng chuyển dịch điện tử tự do(kim loại rắn lỏng) - Vật dẫn loại 2: Có dòng điện dòng chuyển dịch điện tích, gồm ion điện tử (dung dịch điện phân, axit, kiềm…) Các tính chất bản: a Điện dẫn suất: Đặc trưng cho khả cản trở dòng điện vật liệu Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 42 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên R S l (.mm2/m) (7.1) b Hệ số nhiệt điện trở suất: Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất vật liệu thay đổi, gần tính theo (7.2), t  0 (1    t ) (7.2) Với t 0 điện trở suất nhiệt độ t0, nhiệt độ ban đầu,  - Hệ số nhiệt d   0 điện trở suất    TK    t (độ-1) (7.3)  dt 0 t c Tính siêu dẫn: Ở nhiệt độ thấp điện trở suất kim loại trở nên nhỏ Theo lý thuyết điện trở suất kim loại khiết coi nhiệt độ không tuyệt đối (O0K = - 2730C), chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn d Sự biến đổi điện trở suất biến dạng Đối với kim loại bị kéo hay bị nén, điện trở suất thay đổi  l   (1    ) (7.4) Với:  - Ứng suất cơ,  - Hệ số ứng suất cơ, dấu (+) bị éo, dấu (-) bị nén e Độ dẫn nhiệt: Kim loại khác có mức độ dẫn nhiệt khác nhau, thông thường kim loại dẫn điện tốt dẫn nhiệt tốt dl l dt f Hệ số nhiệt giãn nở dài vật dẫn:  l  TK l  (độ-1) (7.5) g Sức nhiệt điện động: Khi cho hai kim loại khác tiếp xúc chúng phát sinh hiệu điện tiếp xúc, gọi sức nhiệt điện động h Tính chất học vật dẫn: Là khả chống lại tác dụng lực bên lên kim loại Đặc trưng độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm, độ chịu mỏi 7.2 VẬT LIỆU ĐIỆN DẪN CAO Đồng hợp kim đồng: a Đồng: Là kim loại sử dụng rộng rãi lỹ thuật điện, đồng có số ưu điểm sau: - Điện trở suất nhỏ ( = 0,017241mm2/m) - Có độ bền tương đối cao - Trong đa số trường hợp đồng có tính chống ăn mòn tốt (bị ôxi hoá chậm không khí) - Dẫn nhiệt tốt, nhiệt độ nóng chảy cao (tnc= 10830C) - Dễ gia công (Rất dẻo, dễ biến dạng kéo, cán, dát mỏng ), hàn gắn dễ dàng *) Tính chất đồng: Điện dẫn suất nhạy với tạp chất đồng, với gia công khí xử lý nhiệt Cơ tính đồng phụ thuộc vào công nghệ công + Đồng cứng (MT): Cứng, chịu mài mòn tốt, chủ yếu sử dụng làm tiếp điểm, cái, dẫn … Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 43 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên + Đồng mềm (MM), đồng có ủ: Dẻo, chịu uốn chịu kéo tốt, chủ yếu dùng làm dây dẫn, dây quấn … b Hợp kim đồng: Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng hợp kim đồng, với lượng nhỏ thiếc, silic, crom, magie… Hợp kim đồng có tính tốt giữ tính chất đáng quy đồng * Theo thành phần hoá học: có nhóm - Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm kẽm  46% Nó có độ giãn dài tương đối cao, độ bền kéo điện trở suất cao đồng tinh khiết Được dùng để sản xuất chi tiết dẫn điện Có thể phân thành: đồng thau dùng để đúc, dùng để cán mỏng, dùng để hàn gắn - Đồng (Brông): Là hợp kim đồng với lượng nhỏ thiếc, Si, P, Mg, Cr Nó có độ bền điện trở suất lớn đồng tinh khiết, dùng để chế tạo lò xo dẫn điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn -Ngoài Đồng - Cadimi : hợp kim chịu mài mòn , ứng dụng chỗ tiếp xúc phiến góp có công dụng đặc biệt Nhôm hợp kim nhôm a Nhôm: Là kim loại nhẹ đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng Hệ số nhiệt độ giãn nở dài nhôm lớn đồng Nhưng nhôm đồng độ bền đặc tính điện Khó khăn việc thực tiếp xúc điện Các tạp chất làm giảm điện dẫn nhôm Nếu đem so sánh hai dây dẫn có chiều dài điện trở, dây nhôm nhẹ dây đồng khoảng 2,2 lần Điều có nghĩa lớn sử dụng nhôm làm dây dẫn không Ngoài nhôm dùng làm vỏ tụ điện, làm điện cực bể điện phân, làm dây quấn rotor máy điện quay… Trong đại đa số trường hợp khác dùng dây nhôm thay dây đồng không cớ lợi mặt kinh tế *) Tính chất nhôm: Điện trở suất nhạy với tạp chất, tính phụ thuộc vào công nghệ gia công, nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn Lớp màng bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn tạo nên điện trở lớn chỗ tiếp xúc, nhôm bị ăn mòn điện hóa mạnh… b Hợp kim nhôm: Theo tính công nghệ hợp kim nhôm phân thành: hợp kim biến dạng (chế tạo bán thành phẩm gia công áp lực) hợp kim đúc (đúc chi tiết) Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo bán thành phẩm chi tiết gia công áp lực nóng nguội (ủ mềm, tôi, hoá già nhân tạo, biến cứng, biến cứng không hoàn toàn ) Ta phân biệt thành loại hoá bền nhiệt luyện loại không hoá bền nhiệt luyện Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc chi tiết có hình dạng công dụng khác Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 44 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Sắt: Là vật liệu rẻ tiền, có độ bền học cao, sắt tinh khiết có  0,1 mm2/m, nhiều trường hợp sắt dùng làm vật dẫn Trong kỹ thuật chủ yếu sắt dùng dạng hợp kim (thép) Khi sử dụng vật dẫn thép gặp hiệu ứng mặt tổn hao từ trễ, thép chủ yếu dùng mạch điênh chiều, xoay chiều tần số thấp trương hợp vừa vật dẫn vừa vật liệu kết cấu Lưỡng kim: Là vật dẫn thép bọc đồng, hai kim loại gắn chặt với suốt chiều dài dẫn Các tính chất điện trung bình hai kim loại 7.3 CÁC HỢP KIM ĐIỆN TRỞ CAO VÀ THAN KỸ THUẬT ĐIỆN 1- Các hợp kim điện trở cao: a Manganin: Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến dụng cụ đo điện điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc  600C với điện trở khoảng 3000C với biến trở) b Conxtantan: Là hợp kim 60% đồng - 40% niken, dùng để sản xuất dây biến trở dụng cụ đốt nóng điện có nhiệt độ làm việc không 4000C Có thể kéo thành sợi cán thành Manganin Khi đốt nóng đến nhiệt độ tương đối cao bề mặt tạo màng ôxít có tính cách điện c Hợp kim Crôm - Niken: Dùng dụng cụ đốt nóng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn Chịu nhiệt độ cao, khả chống ôxy hoá tốt d Hợp kim Crôm - nhôm: Là hợp kim rẻ tiền dùng thiết bị nóng điện công suất lớn lò điện công nghiệp Hợp kim cứng giòn, khó kéo thành sợi thành băng dài 2- Than kỹ thuật điện: Dùng làm chổi than máy điện, điện cực đèn chiếu, điện cực lò điện bể điện phân Từ than làm điện trở có trị số cao, phóng điện cho mạng thông tin dùng than kỹ thuật chân không Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện dùng bồ hóng, than chì hay than gầy tự nhiên Các điện cực chế tạo cách nghiền nguyên liệu với chất dính kết - nhựa than đá thuỷ tinh lỏng - ép qua miệng phun Có thể chế tạo hình dạng phức tạp khuôn ép Phôi than qua trình nung chế độ nung định dạng cácbon sản phẩm nhiệt độ cao cacbon chuyển sang dạng Graphit, trình gọi graphit hoá Chổi than máy điện nung 8000C Chổi điện Graphit hoá nung đến 22000C Các điện cực than làm việc nhiệt độ cao nung nhiệt độ cao, đến 30000C 7.4 MỘT SỐ KIM LOẠI KHÁC Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 45 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 1- Vonfram: Là kim loại rắn nặng, màu xám Nó có nhiệt độ nóng chảy cao kim loại, bị ôxy hoá nhiệt độ 7000C Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, giảm chiều dày giới hạn bền kéo tăng Nó làm việc nhiệt độ cao chân không điều kiện khí tạo thành màng ôxit 2- Môlipđen: Được dùng làm tiếp điểm, lưới bóng đèn điện tử, phần tử đốt nóng chân không, lò điện trở có nhiệt độ đến 16000C 3- Vàng: Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, dùng vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, làm điện cực tế bào quang điện Có thể dùng hợp kim (Au + 20% Cr) làm dây dẫn điện trở điện kế chúng có hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ bé 4- Bạch kim (Platin): Dùng để sản xuất cặp nhiệt nhiệt độ làm việc đến 1600 C Do độ cứng thấp dùng làm tiếp điểm hợp kim lại dùng làm tiếp điểm (Platin- Inđi) Cũng dùng làm điện cực quy trình điện phân hay mạ platin chi tiết Nhược điểm đắt tiền nên dùng việc quan trọng 5- Thuỷ ngân: Là kim loại có trạng thái lỏng nhiệt độ bình thường Nó dùng dụng cụ phóng điện chứa khí thuỷ ngân có điện ion hoá thấp Nó có tính bền hoá học tốt, bị ôxy hoá nhiệt độ gần nhiệt độ sôi Nó dùng làm tiếp điểm rơle, chế tạo đèn chỉnh lưu thuỷ ngân, làm điện cực thuỷ ngân đo tính chất điện điện môi rắn 6- Chất hàn: Là hợp kim đặc biệt dùng hàn Nó chọn theo kim loại hàn, theo yêu cầu độ bền cơ, độ chống ăn mòn Khi hàn chất hàn nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy chất hàn Ta có đường cong kín đặc trưng cho trình từ hoá vật liệu gọi vòng từ trễ hay chu trình từ trễ d Tổn hao từ trễ tổn hao dòng xoáy Trong trình từ hóa vật liệu từ từ trường xoay chiều gặp tổn n hao dạng nhiệt, bao gồm: tổn hao từ trễ, Pt   f Bmax V (8.4) Và tổn hao dòng xoáy, Px   f Bmax V (8.5) Với ,  hệ số phụ thuộc vật liệu, f tần số từ trường, V thể tích khối vật liệu, n=1,6÷2 hệ số mũ Ta nhận thấy tổn hao tỷ lệ thuận với tần số thể tích khối vật liệu, kỹ thuật để giảm tổn hao người ta dùng thép mỏng ghép cách điện với Phân loại vật liệu từ Tùy theo công dụng, VLT phân thành” Vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng, vật liệu từ có công dụng đặc biệt 8.2 VẬT LIỆU TỪ MỀM Có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ, dùng làm lõi MBA, nam châm điện, dụng cụ đo diện trường hợp cần có cảm ứng từ lớn với lượng tiêu phí lượng nhỏ * Sắt (thép bon thấp): Vì điện trở suất tương đối thấp nên phần lớn dùng cho lõi từ Thường dùng làm mạch từ có từ thông không đổi * Thép kỹ thuật (tôn silic): Thép kỹ thuật điện vật liệu từ mềm dùng rộng rãi nhất.Nó hợp kim sắt silic (Si chiếm từ 1÷4%), thành phần có Silic làm tăng điện trở suất tổn hao dòng xoáy giảm Ký hiệu: 11, 21, 310, 330A + Con số thứ hàm lượng Silic theo % (Số lớn hàm lượng silic nhiều, thép có độ từ tính tốt độ giòn tăng, điện trở suất tăng Quá 5% thép trở nên giòn) + Con số thứ đặc trưng cho tính chất điện từ thép (chỉ chất lượng mặt tổn hao Số lớn tổn hao ít) + Con số thứ (0) tôn cán nguội + Có chữ số liên tiếp thép cán nguội thớ + Chữ A ký hiệu suất tổn hao thấp * Fecmalôi: Là hợp kim Fe - Ni, có độ từ thẩm ban đầu lớn vùng từ trường yếu Nó tượng dị hướng từ giảo Để nâng cao điện trở suất người ta đưa thêm vào tạp chất Mn, Si Fecmalôi nhiều niken (72 - 80% Ni) dùng làm lõi cuộn cảm kích thước nhỏ, biến áp âm tần nhỏ, biến áp xung Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 48 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Fecmalôi niken (40 - 50% Ni) có từ cảm bão hoà lớn gần lần fecmalôi nhiều Niken, thường dùng làm lõi thép máy biến áp điện lực, cuộn cảm dụng cụ cần có từ thông cao Các Fecmalôi với vòng từ trễ hình chữ nhật dùng làm khuyếch đại từ, cấu chuyển mạch, thiết bị chỉnh lưu phần tử máy tính * Alusipe: Hợp kim sắt với nhôm silic Có đặc tính cứng giòn dễ đúc định hình Dùng để sản xuất từ, thân dụng cụ Do tính giòn nghiền bột để sản xuất lõi ép cao tần 8.3 VẬT LIỆU TỪ CỨNG Chủ yếu ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu, theo thành phần, trạng thái, phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng chia thành loại sau: * Thép hợp kim hoá: Chế tạo nam châm vĩnh cửu Chúng hợp kim hoá với chất phụ như: Vonfram, Crôm, Côban * Hợp kim từ cứng đúc: Là hợp kim nguyên tố Al - Ni - Fe (Aluni) Vì có độ giòn cứng gia công phương pháp mài nên khó chế tạo chi tiết có kích thước xác * Các nam châm bột: Chế tạo nam châm vĩnh cửu phương pháp luyện kim bột từ hợp kim Fe - Ni - Al Nó ép từ bột nghiền sau thiêu kết nhiệt độ cao * Ferit từ cứng: Loại biết đến nhiều Ferit bari: BaO 6Fe2O3 Thường dùng để sản xuất nam châm bari Chúng có tính ổn định cao với tác dụng từ trường ngoài, chịu lắc, va đập, điện trở suất lớn Có thể dùng tần số cao Nhưng độ bền thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ 8.4 VẬT LIỆU TỪ CÓ CÔNG DỤNG ĐẶC BIỆT * Ferit: Là vật liệu ôxit phức tạp, khác với chất sắt từ trị số từ cảm nhỏ hơn, quan hệ nhiệt độ từ cảm phức tạp có điện trở suất cao cao Nó kim loại Ferit gốm từ xếp vào loại bán dẫn điện tử (vì có điện dẫn điện tử không đáng kể) Năng lượng tổn hao vùng tần số cao tương đối nhỏ làm cho Ferit dùng rộng rãi tần số cao Các Ferit vật liệu cứng giòn, không cho phép gia công cắt gọt, mài đánh bóng Ferit từ mềm: Có  lớn, có trị số tổn hao lớn tăng nhanh tần số tăng Có số điện môi tương đối lớn phụ thuộc vào tần số thành phần Ferit, tần số tăng  giảm Ferit từ cao tần: Ngoài Ferit từ mềm tần số cao dùng thép kỹ thuật điện Fecmalôi cán nguội điện môi từ (Điện môi từ chế tạo cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện) Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 49 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Ferit có vòng từ trễ hình chữ nhật: Được đặc biệt ý kỹ thuật máy tính để làm nhớ, thiết bị chuyển mạch * Gang thép kết cấu: Dùng ngành chế tạo máy điện, thiết bị điện dụng cụ cần có đặc tính tốt khả áp dụng rộng rãi phương pháp công nghệ Phân thành vật liệu từ tính (gang xám, thép bon, thép hợp kim) vật liệu không từ tính (thép không từ tính, gang không từ tính) Gang xám: Dùng đúc vỏ máy điện, chi tiết ghép chặt, đúc chi tiết có hình dáng đặc biệt lớn Thép cacbon: thường dùng thép có hàm lượng cacbon từ 0,08 - 0,2% Với máy chuyên dụng đặc biệt quan trọng dùng thép có độ bền tăng cường cách hợp kim hoá với niken, crôm, môlipđen Gang không từ `tính: Gang có pha thêm Ni, Mn Dễ gia công cắt, điện trở gang không từ tính lớn nên giảm tổn hao dòng xoáy Dùng chế tạo nắp, vỏ, ống máy cắt dầu, vòng cách máy biến áp điện lực Thép không từ tính: Đưa thêm Ni, Mn vào thép Thép không từ tính có tính cao, dùng chế tạo nhiều chi tiết mà dùng hợp kim đồng, nhôm không đủ độ bền Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 50