Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

Chia sẻ: Lạc Vũ Chi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) được kết cấu thành 4 chương, trình bày những nội dung về: chương 1 - Khái niệm về vật liệu điện; chương 2 - Vật liệu cách điện; chương 3 - Vật liệu dẫn điện; chương 4 - Vật liệu dẫn từ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm … của Hiệu trưởng Quảng Ninh, năm 2021 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình (bài giảng) nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Vật liệu điện là một trong những môn học chuyên ngành được biên soạn dựa trên chương trình khung và chương trình chi tiết của trường Cao Đẳng nghề Xây dựng ban hành năm 2021 dành cho hệ Cao Đẳng Nghề Điện công nghiệp. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện có để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo của nhà trường và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Giáo trình này gồm chương: Chương 1: Khái niệm về vật liệu điện Chương 2: Vật liệu cách điện Chương 3. Vật liệu dẫn điện Chương 4. Vật liệu dẫn từ Giáo trình cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện tử công nghiệp, điện tử, cơ khí và cán bộ vận hành sửa chữa máy điện. Mặc dù nhóm tác giả đã có nhiều cố gắng, song thiếu sót là khó tránh. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn! Mọi đóng góp xin gửi về Khoa Điện – Điện tử Trường Cao đẳng nghề Xây dựng theo hòm thư: khoadiencdnxd@gmail.com. Quảng Ninh, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Vũ Thị Thơ 2. Tham gia: 3
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU………………………………………………………………... 7 I. Vị trí, tính chất môn học …………………………………………………….. 7 II. Mục tiêu môn học …………………………………………………………… 7 III. Nội dung môn học ………………………………………………………….. 7 CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN ………………………………. 8 2.1. Khái niệm về vật liệu điện. …………………………………………………. 8 2.1.1. Khái niệm……………………………………………………………………. 8 2.1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu………………………………………………. 8 2.1.3. Cấu tạo phân tử……………………………………………………………… 10 2.1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn…………………………………………….. 13 2.1.5. Lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn…………………………….. 14 2.2. Phân loại vật liệu điện…………………………………………………………. 15 2.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện…………………………………………… 15 2.2.2. Phân loại theo từ tính ……………………………………………………….. 15 2.2.3. Phan loại theo trạng thái vật thể …………………………………………….. 16 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 .............................................................................. 16 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ……………………………………………. 17 2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện…………………………………….. 17 2.1.1. Khái niệm…………………………………………………………………… 17 2.1.2. Phân loại vật liệu cách điện…………………………………………………. 17 2.2. Tính chất chung của vật liệu cách điện……………………………………….. 18 2.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện…………………………………………. 18 2.2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện…………………………………….. 20 2.2.3. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện…………………………………… 21 2.3. Một số vật liệu cách điện thông dụng………………………………………… 21 2.3.1. Vật liệu sợi………………………………………………………………….. 21 2.3.2. Giấy và các tông…………………………………………………………….. 21 4
2.3.3. Phíp…………………………………………………………………………. 22 2.3.4. Amiăng, xi măng amiăng…………………………………………………… 22 2.3.5. Vải sơn và băng cách điện………………………………………………….. 23 2.3.6. Chất dẻo……………………………………………………………………… 23 2.3.7. Nhựa cách điện……………………………………………………………… 25 2.3.8. Dầu cách điện……………………………………………………………….. 28 2.3.9. Sơn và các hợp chất cách điện……………………………………………… 29 2.3.10. Chất đàn hồi……………………………………………………………….. 31 2.3.11. Điện môi vô cơ……………………………………………………………. 32 2.3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ………………….………………………. 33 2.3.13. Mica và các vật liệu trên cơ sở Mica……………………………………. 34 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 .............................................................................. 36 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ……………………………………………… 37 2.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện…………………………………. 37 2.1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện……………………………………………… 37 2.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện……………………………………………… 38 2.1.3. Các tác nhân môi trƣờng ảnh hƣởng đến tính dẫn điện của vật liệu………. 39 2.1.4. Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động…………………………………… 40 2.2.Tính chất chung của kim loại và hợp kim…………………………………….. 42 2.2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim………………………………….. 42 2.2.2. Các tính chất……………………………………………………………….. 42 2.3. Những hư hỏng thường và cách chọn vật liệu dẫn điện…………………….. 44 2.3.1. Những hư hỏng thường gặp……………………………………………….. 44 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện……………………………………………….. 44 2.4. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng…………………………………………. 44 2.4.1. Đồng và hợp kim đồng……………………………………………………… 45 2.4.2. Nhôm và hợp kim nhôm……………………………………………………. 48 2.4.3. Chì và hợp kim chì…………………………………………………………. 51 2.4.4. Sắt (Thép)………………………………………………………………….. 52 2.4.5. Wonfram…………………………………………………………………… 53 5
2.4.6. Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp……………………………………. 54 2.4.7. Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt…………………………………….. 55 2.4.8. Lưỡng kim…………………………………………………………………. 56 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 …………………………………………………. 57 CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU DẪN TỪ ………………………………………………. 58 2.1. Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ……………………………………….. 58 2.1.1. Khái niệm………………………………………………………………….. 58 2.1.2. Tính chất vật liệu dẫn từ…………………………………………………… 59 2.1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ…………………………………………… 59 2.1.4. Đường cong từ hóa……………………………………………………….. 61 2.2. Mạch từ và tính toán mạch từ………………………………………………. 62 2.2.1. Các công thức cơ bản……………………………………………………… 62 2.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ………………………………………………… 63 2.2.3. Mạch từ xoay chiều………………………………………………………… 64 2.2.4. Những hư hỏng thường gặp………………………………………………. 66 2.3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng………………………………………….. 66 2.3.1. Vật liệu sắt từ mềm……………………………………………………….. 66 2.3.2. Vật liệu sắt từ cứng……………………………………………………….. 67 2.3.3. Các vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt………………………………… 68 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 ………………………………………………… 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………….. 71 6
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN Tên môn học: Vật liệu điện Mã số môn học: MH09 Thời gian thực hiện môn học: 30giờ; (Lý thuyết: 23 giờ; Bài tập, thảo luận: 5 giờ, Kiểm tra: 2 giờ) I. Vị trí tính chất môn học: - Vị trí: Môn học đƣợc bố trí học song song với các môn học, mô đun cơ sở: Điện kỹ thuật, Khí cụ điện, Kỹ thuật điện tử cơ bản, Kỹ thuật đo lƣờng điện. - Tính chất: Là môn học cơ sở của nghề. II. Mục tiêu môn học: - Về kiến thức : + Trình bày được các đặc tính của các loại vật liệu điện. + Trình bày đƣợc các dạng và nguyên nhân gây hƣ hỏng ở vật liệu điện. - Về kỹ năng : + Nhận dạng đƣợc các loại vật liệu điện thông dụng. + Phân loại đƣợc các loại vật liệu điện thông dụng. + Sử dụng thành thạo các loại vật liệu điện. + Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện. + Tính chọn, thay thế vật liệu điện. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tích cực, chủ động trong công việc đƣợc giao. + Có tinh thần hợp tác tích cực trong quá trình thực hiện công việc. 7
III. Nội dung môn học: CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1. Mục tiêu: - Kiến thức: + Trình bày được khái niệm về vật liệu điện, cấu tạo nguyên tử và phân tử của vật liệu điện, lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn. - Kỹ năng: + Nhận dạng được các loại vật liệu điện. + Phân loại chính xác các loại vật liệu điện dùng trong công nghiệp và dân dụng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Nghiêm túc trong học tập, ghi chép bài đầy đủ. 2. Nội dung chương: 2.1. Khái niệm về vật liệu điện 2.1.1. Khái niệm Vật liệu điện là tất cả những chất liệu dùng để sản xuất các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thường được phân ra các vật liệu theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó, thường là các vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ. 2.1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu Như chúng ta đã biết, mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bohr, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt prôton và nơtron. Nơtron là các hạt không mang điện tích còn prôton có điện tích dương với số lượng bằng Zq. Trong đó: Z: số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố đó ở trong bảng tuần hoàn Menđêlêép. q: điện tích của điện tử e (qe=1,601.10-19 culông). Prôton có khối lượng bằng 1,67.10- 27 kg, êlêctron (e) có khối lượng bằng 9,1.10-31 kg 8
Hình 1.1. Mô hình nguyên tử của Bohr Ở trạng thái bình thường, nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dƣơng của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương mà ta thường gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử, ta xét nguyên tử của hiđrô, nguyên tử này được cấu tạo từ một prôton và một điện tử. Hình 1.2. Mô hình nguyên tử Hydro Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút f1 của hạt nhân và được xác định bởi công thức sau: 9
Lực hút f1 được cân bằng bởi lực ly tâm của chuyển động f2, f2 được xác định bởi công thức sau: Trong đó: - m: là khối lƣợng của điện tử; - v: là tốc độ chuyển động của điện tử. 𝑞2 Từ (1.1) và (1.2) ta có: f1 = f2 hay là: 𝑚𝑣 2 = (1-3) 𝑟 𝑚𝑉 2 Trong quá trình chuyển động điện tử có một điện năng: 𝑇 = và một thế năng 2 𝑞2 𝑈= , nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: 𝑟2 Biểu thức (1.4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra xa vô cùng ta cần phải cung cấp thêm cho nó một năng lượng lớn hơn q2/2r . Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do ngƣời ta gọi là năng lượng ion hóa (Wi), khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dƣơng. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hóa. Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng xa hạt nhân nhất. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lương quang học (quang năng). Trong thực tế ion hóa và năng lương kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, quang năng, điện năng, năng lượng của các tia song ngắn như các tia: ,, hay tia Rơghen v.v... 10
2.1.3. Cấu tạo phân tử Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau: 2.1.3.1. Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị đƣợc đặc trƣng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Khi đó mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kêt đồng hóa trị có thể là trung tính hay lưỡng cực. Phân tử có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách ‟a‟ nào đó gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lưỡng cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi mô men lưỡng cực m = q.a. Dựa vào trị số mô men lưỡng cực của phân tử người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh. Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính. Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử. Hình 1.3. Một số liên kết đòng hóa trị 2.1.3.2. Liên két ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ các muối halôgen của các kim loại kiềm. Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử ngoài cùng. 11
Hình 1.4. Liên kết ion 2.1.3.3. Liên kết kim loại Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dƣơng nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng Hình 1.5. Liên kết kim loại đồng 12
2.1.3.4. Liên kết Van Der Waals Giữa các phân tử, cho dù đã bão hòa hóa trị, luôn luôn tồn tại một tương tác tĩnh điện yếu đƣợc gọi là liên kết Van Der Waals. có cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do vậy những liên kết dạng này có nhiệt độ nóng chảy và có độ bền cơ thấp. Hình 1.6. Hạt trung lập có tính hút nhau do lực Vander Waal 2.1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có thể có cấu tạo đồng nhất. Sự phá hủy các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu. Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của giao động đàn hồi, lỗ xốp v.v... Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi. 13
Hình 1.7. Một số dạng khuyết tật trong cấu tạo của vật rắn 2.1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn. Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, cách điện và vật liệu bán dẫn. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thƣờng của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng điền đầy (ở 0 0K các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng điện dẫn (phần trên cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng ở hình sau). Hình 1.8. Các mức phân bố năng lượng trong vật rắn 14
Hình 1.9. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0K 2.2. Phân loại vật liệu điện. 2.2.1. Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện: Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn. a. Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W  0,2eV). Vật liệu dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn; ở nhiệt độ bình thường các điện tử hóa trị ở vùng điền đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng địên dẫn. Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt. b. Vật liệu bán dẫn: Vật liệu bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (W = 0,2  1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng điền đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng địên dẫn. c. Vật liệu cách điện (Điện môi): Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm 2.2.2. Phân loại theo từ tính Theo từ tính ngƣời ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ. a. Vật liệu nghịch từ: Là những vật liệu có độ từ thẩm  1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: hydrô, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân, gali, antimoan. b. Vật liệu thuận từ: Là những vật liệu có độ từ thẩm   1 và không phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài. Loại này gồm có: oxy, oxit nitơ, muối đất hiếm, muối sắt, muối côban và niken, kim loại kiềm, nhôm và bạch kim. Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm  xấp xỉ bằng 1. c. Vật liệu dẫn từ: 15
Là những vật liệu có độ từ thẩm   1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, côban, niken và các hợp kim của chúng: hợp kim crôm và mangan, gađôlônít, pherit có các thành phần khác nhau. 2.2.3. Phân loạỉ theo trạng tháỉ vật thể -Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn -Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng -Vật liệu điện theo trạng thái thể khí CÂU HỎI CHƯƠNG 1 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính và chất cực tính? 2. Trình bày nguyên nhân gây ra những khuyết tật trong vật rắn ? 3. Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất 4. Tính lực hút hướng tâm và lực hút ly tâm một nguyên tử biết mc= 9,1 .10"31 (Kg)qe = 1,601 . 10‘19 (C), v= 1,26.105m/s 5. Tính năng lượng một nguyên tử biết me= 9,1 .10"31 (Kg), qe = 1,601 . 10"19 (C), V = 1,24.106 m/s 6. Trình bày cách phân loại vật liệu điện ? 16
CHƯƠNG 2 : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1. Mục tiêu: - Kiến thức: + Trình bày được các khái niệm cơ bản của vật liệu cách điện và phân liệu vật liệu cách điện. + Trình bày đƣợc các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thƣờng dùng. - Kỹ năng: + Nhận dạng, phân loại chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng. + Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể. + Xác định đƣợc các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phƣơng án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thƣờng dùng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Nghiêm túc trong học tập, ghi chép bài đầy đủ. 2. Nội dung chương: 2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 2.1.1. Khái niệm Vật liệu dùng làm cách điện (còn gọi là chất điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn Ỵ của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể. Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp. 2.1.2. Phân loại vật liệu cách điện 2.1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có: • Vật liệu cách điện thể khí, • Vật liệu cách điện thể lỏng, 17
• Vật liệu cách điện thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phàn tử kim loại không thể giữ chặt được trong không khí. Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm. 2.1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phân hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. - Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. + Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phàn hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,... + Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,.... - Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng... 2.2. Tính chất chung của vật liệu cách điện Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện càn phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh,...gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự ỉão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Bởi thế càn phải nghiên cứu về tính chất cơ lý ho á, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện. 2.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm (hút hơi nước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua). Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối £ = 80 - 81, độ điện dẫn Ỵ 18
=10"5 -T- 10"6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút tràm trọng. Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng. - Độ ẩm của không khí Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định bởi tham số gọi là độ ẩm của không khí. Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. + Độ ầm tuyệt đổi: Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí (g/m 3). Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua m ax (mmax được gọi là độ ẩm bão hoà). Nếu khối m lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương. + Độ ẩm tương đối, (p%) Độ ẩm tương đối RH hoặc Ø là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước(PH20) và áp suất hơi bão hào của nước (P*H20) ở cùng nhiệt độ, được thể hiện bằng tỷ lệ phần trăm: 𝑃𝐻2 𝑂 ∅= 𝑃𝐻∗2 𝑂 Độ ẩm tương đối thường được biểu thị bằng phần trăm; không khí càng ẩm, độ ẩm tương đối càng cao. Khi độ ẩm tương đối đạt 100%, không khí đã bão hòa hơi nước và đang ở điểm sương. Độ ẩm tương đối khác với độ ẩm tuyệt đối – được định nghĩa là khối lượng của hơi nước có trong 1 m3 không khí. Độ ẩm tuyệt đối chưa cho biết mức độ ẩm của không khí vì ở nhiệt độ càng thấp thì hơi nước trong không khí càng dễ đạt trạng thái bão hòa. Do vậy, để mô tả mức độ ẩm của không khí, người ta dùng độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối có thể được đo bằng những thiết bị đo độ ẩm, gọi là ẩm kế. * Độ ẩm của vật liệu Độ ẩm của vật liệu là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật liệu. Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm cp% và nhiệt độ t (°C) thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu sẽ đạt tới giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng. Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm thì vật liệu sẽ bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm trong không khí khiến cho độ ẩm sẽ tăng dàn tới trị số cân bằng * Tính thẩm ẩm Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện. Khi vật liệu bị 19
thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm. Nếu vật liệu không thấm nước sẽ hấp thụ trên bề mặt một lượng nước hoặc hơi nước. Căn cứ vào góc biên dính nước 0 của giọt nước trên bề mặt phẳng của vật liệu (hình 3.6), người ta chia vật liệu cách điện hấp thụ tốt và hấp thụ yếu. 0 < 90°: vật liệu hấp thụ tốt. 0 > 90°: vật liệu hấp thụ yếu. Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng dò lớn do pị (yT). Sự hấp thụ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu vật liệu, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,...của môi trường. Nhân xét Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm...của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đàu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tgôT, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn. Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện càn sử dụng các biện pháp sau đây: - Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài. - Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đày các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu. - Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. - Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào. 2.2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện càn xét đến tính chất cơ học của nó. Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo ơk, nén ơn và uốn ơu hàu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó. Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén ơn= 2.104 kG/cm2 trong khi độ bền kéo ơk = 5.102 kG/cm2 . Vì thế tìiuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ. Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng càn phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật liệu cách điện với 20