Bài giảng môn Vật liệu điện: Tính dẫn điện của điện môi

Môn học: VẬT LIỆU ĐIỆNTẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKhái niệm chungĐiện trở khối của đoạn cách điện có hình dạng khác nhauBản chất vật lý của sự dân điện trong vật chấtTính dẫn điện trong kim loạiTính siêu dẫn và tính dẫn điện cao (dây dẫn lạnh)TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔITính dẫn điện trong bán dẫnTính dẫn điện của điện môi rắnTính dẫn điện của chất khíTính dẫn điện của chất lỏngTÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI Theo lý thuyết, vật liệu cách điện dưới điện áp DC sẽ không cho dòng điện chạy qua. (Rcđ = ∞, cđ = ∞) Tuy nhiên, thực tế là có dòng điện rất nhỏ chạy qua (dòng điện rò).  Điện trở suất của vật liệu cách điện là có giới hạn. (Rcđ ≠ ∞, cđ ≠ ∞) Dòng điện rò:Khái niệm chungIrò = Icđ: dòng điện ròU: Điện áp đặt hai đầu cách điệnRcđ: điện trở cách điệnIs: dòng điện mặt I = Iv: dòng điện khối Dòng điện rò qua 1 đoạn cách điện: là tỉ số giữa điện áp 1 chiều với điện trở của đoạn cách điện ở thời gian ổn định. Dòng điện rò khối: là dòng diện đi trong lòng của điện môi Dòng điện mặt: là dòng điện đi trên bề mặt của điện môi.Khái niệm chungRV: Điện trở khối; RS: Điện trở mặtGV: Điện dẫn khối; GS: Điện dẫn mặtĐiện trở khối RV () V: Điện trở suất khối (m) S: tiết diện của điện môi (m2)l: chiều dài đoạn cách điện (m)dlUĐiện trở suất khối V (m) Điện trở mặt Rs () S: Điện trở suất mặt (m) l: khoảng cách giữa 2 điện cực tính theo bề mặt của điện môi rắnh: chiều dài của điện cực tiếp xúc với điện môi.Điện trở suất mặt S (m) UlhVí dụ: Xác định dòng điện rò qua 1 đoạn cách điện hình trụ có chiều dài trụ là 20cm. Đường kính trụ là 2cm. Đặt giữa 2 điện cực phẳng tròn có đường kính 2 cm vào chính tâm 2 đầu điện môi.V = 1015 (m) S = 1016 (m) UDC = 1000 (V)dlU Xét đoạn cách điện hình chữ nhật có kích thước a,b và độ dày cách điện l (như hình vẽ). Đặt điện cực tròn tiết diện S ở bề mặt đoạn cách điện. a,b >> l Rs, s  Điện trở khối của các đoạn cách điện có hình dạng khác nhauablUSĐiện cực Đối với đoạn cách điện dài l, đường kính D. Đặt hai đầu đoạn cách điện hai điện cực tròn đường kính d (ngay tâm), điện áp U (như hình vẽ). l>>D, dDlUda) Nếu Rs, s  b) Nếu Rs, s  Bài tập:Cho khối điện môi vuông, kích thước cạnh là 2a. Giữa 2 mặt đối diện, người ta đặt điện cực phẳng vuông tại tâm, kích thước điện cực là a được đặt dưới điện áp DC. V = 1015 (m) S = 1016 (m) UDC = 1000 (V)a) Tính dòng điện rò qua điện môi theo a. U2aaU2aab) Trong trường hợp điện cực tròn, đường kính aTính dòng điện rò qua điện môi theo a Đối với tụ điện hình trụ hay cách điện giữa hai điện cực đồng trục (đặc biệt là cách điện của cáp một sợi). Độ dài điện cực là l, bán kính trong r1, bán kính ngoài r2.r1r2lNếu r2-r1 > VEChuyển động nhiệt của điện tử cũng tuân theo định luật chuyển động nhiệt của khí lý tưởng:K = 1,38.10-23 (J/K) hằng số Boltzmann.T: nhiệt độ tuyệt đối (oK): điện dẫn suất của kim loại; : điện trở suất của kim loại Theo vật lý lượng tử, người ta có thể đưa ra công thức chính xác hơn để tính được điện dẫn suất trong kim loại. Tuy nhiên, về bản chất là không thay đổi, nó đồng nghĩa với việc nhiệt độ giảm xuống thì tính dẫn điện của kim loại tăng lên.Hệ số nhiệt điện trở TKR:Hệ số nhiệt điện trở suất TK:: hệ số nhiệt nở dài của vật liệuLưu ý:TKR, TK của kim loại là số dươngTKR, TK của các loại chất khác là số âm Khi nghiên cứu tính chất của kim loại, người ta nhận thấy rằng nhiệt độ của dây dẫn càng thấp thì có điện dẫn suất  càng cao (hay điện trở suất  càng nhỏ). Trên thực tế có rất nhiều kim loại khi nhiệt độ giảm đến một giới hạn nào đó thì điện trở suất hoàn toàn biến mất:  = 0  gọi là hiện tượng SIÊU DẪN, còn dây dẫn được gọi là DÂY SIÊU DẪN. Tuy nhiên, có một số kim loại dẫn điện tốt ở nhiệt độ bình thường như Al, Ag lại không có nhiệt độ siêu dẫn. Al có nhiệt độ siêu dẫn, nhưng ở giá trị cực thấp.Tính siêu dẫn và tính dẫn điện cao trong kim loại (tính dẫn lạnh)Đặc điểm của dây siêu dẫn:Dây siêu dẫn có tính nghịch từ lý tưởng  = 0 (Nghịch từ lý tưởng là nếu đặt 1 nam châm trên đĩa siêu dẫn thì nam châm không chạm được vào đĩa, hoặc nếu người ta đặt 1 dây siêu dẫn trong từ trường thì dây siêu dẫn này cũng lơ lửng trong từ trường đó).Nếu ta nạp một lần năng lượng vào cuộn dây siêu dẫn thì năng lượng đó có thể giữ được ở 1 thời gian không hạn chế.Nếu cuộn dây siêu dẫn đang ở trạng thái tích trữ năng lượng, nhưng vì một lý do nào đó mà tính siêu dẫn biến mất thì toàn bộ năng lượng sẽ bị giải phóng đột ngột gây nguy hiểm cho người và vật.Nhiệt độ siêu dẫn của kim loại và hợp kim hầu hết đều dưới 10oK (-263oC)Ứng dụng của dây siêu dẫn:Nhờ tính nghịch từ lý tưởng  = 0, người ta chế tạo vòng bi.Chế tạo các bộ tích lũy năng lượng cho hệ thống điện.Theo tính toán, có thể chế tạo được máy biến áp, máy phát kích thước nhỏ nhưng hiệu suất cao (99,99%).Chế tạo cáp điện truyền được công suất lớn với chiều dài không hạn chế.Áp dụng sự xuất hiện và phá vỡ tính siêu dẫn để điều khiển lạnh sử dụng trong điều khiển máy tính điện tử.Chế tạo nam châm điện có cuộn dây bằng vật liệu siêu dẫn, tạo ra từ trường mạnh mà không hao phí năng lượng do tỏa nhiệt.NAM CHÂM KHỔNG LỒ CÓ CUỘN DÂY BẰNG VẬT LIỆU SIÊU DẪN Nam châm siêu dẫn dùng trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI)Tính dẫn lạnh Dây dẫn lạnh là dây dẫn luôn tồn tại 1 điện trở suất nhất định nào đó. Cu & Al được dùng làm dây dẫn lạnh do nó có nhiều ưu điểm nổi trội so với dây siêu dẫn. Tính chất của dây dẫn lạnh là chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào từ thông hoạt động của dây dẫn (hoặc chỉ phụ thuộc rất ít). Dây siêu dẫn thường hoạt động ở nhiệt độ E2 thì mật độ dòng điện tăng rất mạnhNguyên nhân: Điện trường càng lớn  tốc độ chuyển động của ion tạp chất càng lớn, chúng va chạm với các phân tử khí nguyên vẹn và làm phá hủy chúng  hình thành thêm điện tích mới. Các điện tích mới lại phá hủy các phân tử khí khác  số lượng điện tích tăng lên không ngừng cho đến khi chọc thủng khoảng cách.E2: được gọi là cường độ điện trường ion hóa (cường độ điện trường tới hạn). Điện môi lỏng có thể chia thành 2 nhóm chính:Điện môi lỏng không cực  dùng cho máy biến ápĐiện môi lỏng có cực Tính đẫn diện của điện môi lỏng không cực chỉ phụ thuộc vào lượng tạp chất có trong thành phần điện môi và chúng có tính cách điện rất cao. Điện môi lỏng có cực ngoài sự phụ thuộc vào lượng tạp chất, nó còn phụ thuộc vào độ phân ly của chính phân tử chất lỏng. Cả chất lỏng không cực và chất lỏng có cực có tính dẫn điện phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ và chúng tăng theo hàm mũ với nhiệt độ.Tính dẫn điện của điện môi lỏng Nếu điện môi lỏng có chứa tạp chất là ion tự do và được đặt dưới điện áp 1 chiều thì tính dẫn điện sẽ giảm dân theo thời gian, do có hiện tương điện phân. Đây được gọi là phương pháp làm sạch điện môi bằng điện.Bán kính r Để chứng minh quan hệ giữa điện dẫn suất và độ nhớt của nó sử dụng định luật Stokes:+-+-U Khi đặt điện áp  Lực tác động lên các điện tích mang điện và gây ra sự chuyển động: F: lực tác đông; : độ nhớt của chất lỏng; r: bán kính điện tích tạp chất Khi nhiệt độ thay đổi, các giá trị n, q, r không đổi   = hằng số.  U tăng lên thì I tăng lên liên tục đến khi điện môi bị đánh thủng. Độ bền điện của chất lỏng cao hơn chất khí.CBGD: ThS. Nguyễn Hữu VinhEmail: huuvinhdct@gmail.com