Chuong 1 tinh dan dien cua dien moi

9,704 views

Published on

Chuong 1 tinh dan dien cua dien moi

Published in: Education
0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
9,704
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
120
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Chuong 1 tinh dan dien cua dien moi

  1. 1. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1Chương 1 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI 1.1 Đặc điểm của điện môi đặt trong điện trường. Khi các điện môi nằm trong điện trường thì chịu tác dụng của một cường độ điệntrường E. Trong trường đồng nhất: U E= (1.1) h U- điện áp đặt lên hai điện cực. h - khoảng cách giữa hai điện cực. Tuỳ thuộc vào dạng cường độ điện trường, thời gian đặt điện trường mà trong điệnmôi xảy ra nhiều hiện tượng với các đặc điểm khác nhau. Ngoài ra các yếu tố môi trường(nhiệt độ, độ ẩm, áp suất...) cũng ảnh hưởng đến các đặc điểm của quá trình xảy ra trongđiện môi. Bản thân trong điện môi dưới tác dụng của điện trường có thể xảy ra hai hiệntượng cơ bản: sự dẫn điện của điện môi và sự phân cực điện môi. •Điện dẫn của điện môi xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong các chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi. Dưới tác dụng của lực điện trường: F = qE q- điện tích của các phần tử mang điện. Các điện tích dương sẽ chuyển động theo chiều của điện trường và các điện tíchâm sẽ chuyển động ngược chiều của điện trường. Như vậy trong điện môi xuất hiện mộtdòng điện. •Phân cực là hiện tượng chỉ đặc trưng của các chất điện môi. Đó là quá trình xê dịch trong phạm vi nhỏ của các điện tích ràng buộc hoặc sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường ngoài. Sự phân cực có tính đàn hồi. Do quá trình dẫn điện và phân cực mà một phần năng lượng bị tiêu hao và toả radưới dạng nhiệt năng làm cho điện môi nóng lên: đó là sự tổn hao điện môi. Điện môinằm lâu trong điện trường còn chịu sự lão hoá điện tức là quá trình thay đổi các tính chấtđiện, cơ, lý, hoá ... Ở điện áp cao sẽ xảy ra quá trình phóng điện trong điện môi và có thểdẫn đến phá huỷ điện môi. 1.2 Điện dẫn của điện môi. Như ta đã biết dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích tự do dướitác động của điện trường. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện ápđặt, ngoài ra dưới tác động của lực điện trường tạo ra các trạng thái chuyển động mộtcách có trật tự các điện tích có trong vật chất. Như vậy, điều kiện cần thiết để có dòngđiện dẫn ở bất kỳ vật chất nào chính là sự tồn tại trong vật chất các điện tích tự do. Ta xét một điện môi có dạng hình trụ với tiết diện vuông góc là S và chiều dàibằng vận tốc chuyển động trung bình của các phần tử v , chiều của điện trường ngoài _trùng với trục của hình trụ. 5
  2. 2. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 E S _ l= v H.1.1 Giả thiết: mật độ điện tích tự do chứa trong điện môi là n và mỗi phần tử có điệntích là q. Dưới tác dụng của lực điện trường tất cả các điện tích tự do sẽ chuyển động đếncác điện cực. Tổng điện tích chuyển động qua tiết diện S chính bằng tổng điện tích chứatrong thể tích V của hình trụ. Q = qnV (1.2) Và như vậy dòng điện qua điện môi: _ I = Q = qnV = qnS . v (1.3) Công thức trên có thể viết lại: I=j S _ (1.4) j= nq v j- mật độ dòng điện [ A/m2 ] tức là tổng điện tích chuyển động qua một đơn vị diện tích của tiết diện vuông góc trong một đơn vị thời gian. Trong các chất điện môi tồn tại các dạng điện tích tự do khác nhau. Chúng có thểlà các điện tử, các ion.v.v.. và chúng có vận tốc chuyển động trung bình khác nhau vớicùng một trị số của cường độ điện trường. Vận tốc chuyển động trung bình của chúngđược xác định: _ v − = k −. E _ (1.5) v + = k + .E trong đó: _ _ v − , v + : vận tốc chuyển động trung bình của các điện tích âm và dương. _ _ k − , k + : độ linh hoạt của điện tích âm và dương. Ta có: j= q − n − v − + q + n + v + = ( q − n − k − + q + n + k + ) E (1.6) Công thức trên chính là công thức của định luật Ohm dưới dạng vi phân: j j = γE ⇒ γ = E 6
  3. 3. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 với: γ = n − q − k − + n + q + k + = nqk (1.7) γ : điện dẫn suất của điện môi. Nó đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu. Giá trị nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở suất. 1 ρ= (1.8) γ 1.2.1 Điện dẫn điện tử. Hạt mang điện là các điện tử, loại điện dẫn này có trong tất cả các điện môi. Cầnchú ý rằng điện tử không phải là những hạt đại diện cho một nguyên tố hoá học nào, nêntrong điện dẫn điện tử không xảy ra sự chuyển dời vật chất và không làm thay đổi thànhphần của điện môi. 1.2.2 Điện dẫn ion. Các thành phần mang điện là các ion âm và ion dương. Khác với điện tử, các ionmang đầy đủ tính chất của một nguyên tố hoá học nên trong điện dẫn ion có xảy ra sựchuyển dời vật chất. Các ion dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động đến hai điệncực, bị trung hoà và tích luỹ đầy trên bề mặt điện cực, giống như quá trình điện phân. Vìvậy điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân. 1.2.3 Điện dẫn điện di: hay còn gọi là điện dẫn molion có các thành phần mangđiện là các nhóm phần tử tích điện, các tạp chất tồn tại trong các chất điện môi. 1.3 Sự dẫn điện của điện môi. Khi đặt điện môi trong điện trường, trong điện môi xuất hiện dòng điện, mà ngườita thường gọi là dòng điện rò. Dòng điện rò là dòng điện đi qua đoạn cách điện ở thời gian ổn định. Đối với điệnmôi rắn dòng điện rò bao gồm hai thành phần: •Dòng điện khối (IV): là dòng điện chạy xuyên qua điện môi. •Dòng điện mặt (IS): là dòng điện chạy trên bề mặt của điện môi rắn. IS Như vậy: Rcd = U/Icd Irò = IV + IS = Icd Icd IV Icd = IV + IS Gcd = GV + GS 1 1 1 = + R cd R V R S l R cd = ρ IS S l R V = ρV S H.1.2 l R S = ρS S Điện trở suất khối của đoạn cách điện có hình dạng khác nhau: Xét một tụ điện phẳng, có lớp điện môi bề dày là h (m) được đặt giữa hai điện cựccó diện tích là S (m2). l R =ρ (1.9) h S H.1.3 S 7
  4. 4. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 Đối với một tụ hình trụ hay đoạn cách điện giữa hai điện cực đồng trục: r2 r1 Độ dài điện cực l. Bán kính trong r1. l Bán kính ngoài r2. H.1.4Ta có công thức tính R: xem như điện trở mắc nối tiếp của nhiều lớp điện trở cực mỏngdx có bán kính là x: dx dR = ρ 2πlx 1 r2 dx r R = ∫ρ =ρ l 2 n r1 2πl x 2πl r1 Trong trường hợp (r2 - r1) rất nhỏ so với r1 và r2 thì công thức tính R có thể đượcxác định: 1 r2 − r1 R =ρ . πl r2 + r1 Có thể tính điện trở khối hoặc điện dẫn khối cho bất kỳ một dạng điện cực nào cóđiện môi đồng nhất theo điện trở suất khối ρ (hay điện dẫn khối γ) của điện môi như sau: ρ 1 R= = Λ Λγ (1.10) Λ G = γ.Λ = ρ Λ - biểu thị đặc tính hình dáng của đoạn cách điện, là tham số hình học có đơn vịlà m. Để cho một tụ phẳng trên cơ sở công thức trên: S Λ= (1.11) h Để cho một tụ hình trụ: 2lπ Λ= l 2 n r (1.12) r1 Hoặc tính gần đúng: r2 + r1 d +d1 Λ=l n =l 2 n (1.13) r2 − r1 d 2 −d 1 8
  5. 5. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 Ví dụ: cho một đoạn cách điện có bán kính trong r 1, bán kính ngoài r2. được đặtdưới điện áp UDC. Hãy tính dòng điện qua đoạn cách điện đó ? biết chiều dài là l. Giả sử ở trong ống trụ là không khí: r2 Irò = IV + IS r1 Icd = IV + IS1 + IS2  1 1 1  =U R + R + R    V S1 S2  l l IV R V = ρV = ρV S π( r2 − r12 ) 2 l l IS1 R S1 = ρ S = ρ S l IS2 S 2πr1 l l R S2 = ρS = ρS S 2πr2 H.1.5Giả sử ở ống trụ người ta đổ đặc bằng một chất bán dẫn khác có điện trở suất là ρ 2 . r2 r1 Irò = IV + IS Icd = IV1 + IV2 + IS  1 1 1  =U R + R + R    V1 V2 S  IV2 l l R V2 = ρ V2 = ρ V2 S π( r2 − r12 ) 2 l IS IV1 l l R V1 = ρ V1 = ρ V1 2 S πr1 l l R S = ρS = ρS S 2πr H.1.6Nếu bỏ qua dòng điện mặt: ta dùng công thức gần đúng áp dụng cho một đoạn cách điệnhình trụ (nếu bài toán không cho ρ V ,ρ S ). l 1 r2 − r1 R =ρ =ρ (1.14) S πl r2 + r1 1.4 Sự dẫn điện của điện môi khí. Là sự dẫn điện tương đối phức tạp, tuỳ theo mật độ tạp chất có trong nguồn khí đó.Trong các chất khí mật độ phân tử rất bé, khoảng cách giữa chúng rất lớn và lực tươngtác của chúng cũng rất nhỏ. Trong chất khí luôn luôn tồn tại một số ít các điện tích tự do:chúng có thể là các điện tử, các ion dương hoặc âm. Những điện tích tự do này xuất hiệnchủ yếu là do quá trình ion hoá gây nên. Giả sử rằng trong 1 thể tích chất khí nào đó có n phân tử khí sẽ có: n- : ion âm. n+: ion dương. Gọi np: số phân tử được tái hợp. 9
  6. 6. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 Khi đưa vào điện trường ta có: n p = αn + .n − α : hệ số tái hợp. Trong trường hợp điện trường yếu: xác suất tái hợp cao. n+ = n− = n np I n p = αn hay n = 2 α Mặt khác: J= nqv c a b np J= q ( k + + k − ) E = γE α Ion hóa tự nhiên (1.15) Ibh U np γ=q (k + + k − ) α H.1.7 •Xét ở điện trường yếu: Mật độ dòng điện của chất khí sẽ tỷ lệ với cường độ điện trường E. Vì n p, q, k+, k-,α là hằng số. Và dòng điện sẽ tuân theo định luật Ohm. •Xét khi tăng cường độ điện trường: Khi tăng E đến một mức độ nào đó thì định luật Ohm sẽ không còn đúng nữa dotốc độ chuyển động của các ion sẽ tăng lên k+, k-, α sẽ không còn là hằng số và do sốlượng của ion không còn phụ thuộc vào điện trường và điện áp nên khi tiếp tục tăng điệntrường ngoài thì dòng điện sẽ đạt ở mức bảo hoà. •Xét ở điện trường mạnh: Tiếp tục tăng E thì vận tốc các ion chạy về 2 cực sẽ tăng và gây ion hoá va chạmvới các phân tử khí khác tạo nên điều kiện phát sinh các điện tử và dòng điện đạt đếnmức đánh thủng điện môi giữa hai điện cực. Tại điểm C xảy ra quá trình phóng điện trongchất khí tức là sự nối liền hai điện cực bằng một cầu có điện dẫn cao. Lúc này chất khí trởthành vật liệu dẫn điện. Để duy trì dòng điện lúc này không cần điện áp lớn hơn điện ápphóng điện nữa. 1.5 Sự dẫn điện của điện môi lỏng. Trong cách điện môi lỏng tồn tại hai loại điện dẫn khác nhau: điện dẫn ion và điệndẫn điện di. 1.5.1 Điện dẫn ion của các điện môi lỏng. Khác với trong các điện môi khí, trong các điện môi lỏng các điện tích tự do xuấthiện không chỉ do sự ion hoá gây bởi các yếu tố gây ion hoá tự nhiên, mà còn do quátrình phân ly các phân tử của chính chất lỏng, cũng như của các phân tử tạp chất. Điện dẫn của điện môi lỏng gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của cáctạp chất. Điện dẫn của các điện môi lỏng phụ thuộc vào độ sạch của nó. Đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc dòng điện chạy qua điện môi và điện áp đặt: I a b Uth U 10 H.1.8
  7. 7. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 Trên đồ thị này không quan sát thất dòng bảo hòa: dòng điện tăng tuyến tính vớiđiện áp giống như định luật Ohm đến giá trị Uth. Sau đó xuất hiện qúa trình ion hóa vachạm và dòng điện bắt đầu tăng vọt lên. Tuy nhiên đối với các điện môi lỏng thật sạch, được điều chế trong phòng thínghiện thì trên quan hệ trên thấy xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bảo hòa trongcác điện môi khí (b). Những chất lỏng như vậy gọi là chất lỏng sạch giới hạn. Nước là một dạng tạp chất phổ biến nhất trong các điện môi điện môi lỏng. Trongcác điện môi lỏng nước chủ yếu tồn tại ở 3 dạng sau: nước tan, nước huyền phù và nướcdư. Nước dư có thể lắng xuống dưới đáy hoặc nổi trên mặt điện môi tuỳ thuộc vào tỷ lệgiữa tỷ trọng của nước và tỷ trọng của điện môi lỏng. Nếu điện môi có tỷ trọng lớn hơn1000 kg/m3 thì nước dư sẽ nổi trên bề mặt của điện môi, ngược lại thì nước dư sẽ lắng ởdưới đáy của điện môi. Khả năng phân ly của các phân tử càng lớn thì điện môi lỏng có điện dẫn càngcao. Dễ phân ly nhất là các phân tử có liên kết ion. Những phân tử của các chất lỏng cóhằng số điện môi lớn hơn cũng dễ phân ly hơn. Do vậy các điện môi lỏng có cực tính dohằng số điện môi của nó lớn hơn so với hằng số điện môi của chất lỏng trung tính nên cóđiện dẫn lớn hơn. Chúng ta sẽ nghiên cứu sự chuyển động của các phân tử dựa vào sơ đồ năng lượng"hàng rào thế năng". Trong sơ đồ này phân tử nằm ở đáy hố thế năng có năng lượng cựctiểu. Các phân tử luôn luôn ở trạng thái chuyển động nhiệt và dao động xung quanh vị trícân bằng với tần số 10-12 - 10-13 Hz. Tuy nhiên chúng có thể chuyển động từ vị trí cânbằng này sang một vị trí cân bằng khác khi chúng nhận được một năng lượng đủ lớn đểvượt qua được sự liên kết với các phân tử bên cạnh. Năng lượng mà phân tử cần có đểthoát ra khỏi hố thế năng gọi là hàng rào thế năng. Những phân tử nằm ở đáy hố thế nănggọi là những phân tử liên kết, những phân tử vượt ra khỏi hố thế năng gọi là các phân tửhoạt tính. Dùng phân bố Boltzman có thể viết: U1 u − n lk = n 0 e KT 2 U (1.16) u2 − 2 n ht = n 0 e KT n0- mật độ phân tử. K- hằng số Boltzman. K= 1,38.10-16 erg/0K = 1,38.10-13J/0K. u1 T- nhiệt độ tuyệt đối (0K). 1 3 Suy ra: U 2 −U 1 U0 − − n ht = n lk .e KT = n lk .e KT (1.17) x δ H.1.9 U0= U2 - U1: gọi là năng lượng hoạt tính. Đó chính là năng lượng cần cung cấp chophân tử để đảm bảo cho phân tử vượt qua hàng rào thế năng sang vị trí bên cạnh. 11
  8. 8. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 Khi không có điện trường, dưới tác dụng của chuyển động nhiệt số lượng các phântử hoạt tính ở mọi phương có xác suất bằng nhau. Dưới tác dụng của điện trường sơ đồnăng lượng bị biến dạng như hình sau: u E Hàng rào thế năng dọc theo hướng của cườngđộ điện trường giảm do đó số phân tử hoạt tính theo 2hướng của điện trường sẽ nhiều hơn ở các hướng u12 u32khác. (2) Các thành phần mang điện là các ion. Nếu biết U0số lần một ion vượt qua hàng rào thế năng chuyển (1)sang vị trí bên cạnh trong một đơn vị thời gian là z thì 1 3 ∆uta dễ dàng tính được vận tốc chuyển động của ion: v = z .δ x δ Trong đó δ là khoảng cách giữa hai hố thế năng. H.1.10 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện dẫn suất chất lỏng được tính: a γ = A .e T (1.18) A, a- hằng số đặc tính của chất lỏng. Hoặc dùng công thức Boltzman: γ = γ 0 .e αt (1.19) 0 t- nhiệt độ ( C). γ 0 - điện dẫn suất chất lỏng ở t = 0oC. α- hệ số nhiệt. Sự phụ thuộc của điện dẫn suất vào nhiệt độ do hai nguyên nhân sau: do sự thayđổi mật độ điện tích tự do n và do nhiệt độ làm thay đổi độ nhớt của chất lỏng. Điện dẫn của điện môi lỏng có dạng tổng quát như sau: nq νδ − U 0  ∆U − ∆U  γ = nqk = .e KT  e KT − e KT    (1.20) 6E   Ta xét sự phụ thuộc của điện dẫn của điện môi lỏng vào cường độ điện trường trêncơ sở của biểu thức trên trong hai trường hợp sau: •Trường hợp 1: Điện dẫn của điện môi lỏng trong điện trường yếu. Năng lượng của điện trường gây nên nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của chuyển động ∆U nhiệt ∆U << KT do đó << 1. Điều đó cho phép ta khi phân tích biểu thức mũ KT dạng chuỗi. x x2 x3 x4 e ± = 1± + ± + ± ⋅⋅⋅ 1! 2! 3! 4! ∆U Chỉ giới hạn hai số hạng đầu tiên vì x = << 1 KT ∆U ∆U KT − e KT =  1 + − ∆U   ∆U  ∆U Ta có: e   − 1 −  = 2.  KT   KT  KT δ Mặt khác ta có: ∆U = qE 2 ∆U ∆U − ∆U Suy ra: e KT − e KT = qE KT 12
  9. 9. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 nq νδ − U 0 qE δ nq 2 δ 2 ν − U 0 Vậy: γ= .e KT . = .e KT (1.21) 2E KT 6KT Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy điện dẫn của điện môi lỏng trong điện trườngyếu phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do, vào cấu trúc của chất lỏng, vào nhiệt độ. Từđây cũng nhận thấy điện dẫn suất không phụ thuộc vào cường độ điện trường. Công thức này có thể đơn giản hoá bởi biểu thức thực dụng: a γ = A .e T (1.22) •Trường hợp 2: Điện dẫn của điện môi lỏng trong điện trường mạnh. Lúc này năng lượng của điện trường đáng kể so với năng lượng của chuyển động nhiệt. Do đó, khi phân tích hàm mũ e ± x ta cần giới hạn thêm nhiều số hạng, cụ thể trong trường hợp này ta giới hạn 4 số hạng đầu. Tương tự quá trình phân tích như trên ta có công thức sau: nq 2 δ 2 ν − U 0  KT  1 + q 2δ 2 E 2  γ=   24K 2 T 2  .e 6KT   Từ biểu thức này ta thấy điện dẫn suất của điện môi lỏng trong khu vực điện trường mạnh không chỉ phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do, vào cấu trúc của chất lỏng, vào nhiệt độ, mà còn phụ thuộc vào cường độ điện trường E. 1.5.2 Điện dẫn điện di. Điện dẫn điện di hay còn gọi là điện dẫn molion đó là sự chuyển động có hướngcủa các phân tử tích điện dưới tác dụng của điện trường bên ngoài. Trong các chất điệnmôi lỏng tồn tại các hạt dạng keo có tích điện. Chuyển động của chúng trong điện trườnggiống như chuyển động của các phân tử tích điện tự do. Người ta đã xác định được rằngtuỳ thuộc vào quan hệ giữa hằng số điện môi của chất lỏng và hằng số điện môi của cáctạp chất dạng keo này mà chúng có thể tích điện âm hoặc dương. Nếu các tạp chất keo cóhằng số điện môi εtc nhỏ hơn hằng số điện môi của chất lỏng ε thì hạt keo sẽ tích điện âmvà ngược lại chúng sẽ tích điện dương. Trong điện trường các hạt keo sẽ tập trung ở các điện cực, đặc biệt là ở nhữngvùng có cường độ điện trường lớn. Do đó, mật độ tạp chất ở những vùng này tăng lên rõrệt và mật độ tạp chất trong điện môi sẽ giảm tức là đã xảy ra quá trình làm sạch điệnmôi. Do hiệu ứng làm sạch điện nên điện dẫn của điện môi lỏng sau khi đóng vào nguồnmột chiều sẽ giảm. Ở điện áp xoay chiều hiệu ứng này không xuất hiện bởi vì có sự thayđổi hướng chuyển động liên tục của các điện tích điện dạng keo này. Bảng điện dẫn của một số điện môi lòng.Loại Điện môi Điện trở suất Hằng số điện môi ρ[ Ω.cm ]Loại trung tính Benzol 1013 - 1014 2,2 Dầu biến áp 1012 - 1015 2,2Loại có cực tính Sovol 1010 - 1012 4,5 Thầu dầu 1010 - 1012 4,6Cực tính mạnh Azeton 106 - 107 22 Rượu etilic 106 - 107 33 Nước cất 105 - 106 82 13
  10. 10. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 1.6 Điện dẫn của điện môi rắn. Các điện môi rắn rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học, về cấu trúc, vềnguồn gốc và về độ sạch tạp chất. Trong các điện môi rắn có thể hình dung là các phân tửbị buộc chặt vào các điểm nút và chúng chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng này.Quá trình dịch chuyển của các phân tử từ vị trí này sang vị trí khác là rất khó khăn. Điện dẫn của các điện môi rắn khác nhau không những được xác định bởi loạiđiện môi, mà còn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng. Trong cácđiện môi rắn thành phần mang điện là các điện tích tự do tồn tại trong điện môi. Chúngcó thể là điện tử, ion hoặc ion của các tạp chất. Điện dẫn của các điện môi rắn có thể làđiện dẫn điện tử, điện dẫn ion hoặc tổng hợp của cả hai loại. Các điện tích tự do còn tồntại ngay cả trong các lớp ẩm, bụi bám trên bề mặt điện môi. Do đó, mà tồn tại không chỉdòng điện chạy qua bề dày điện môi (dòng điện khối IV) mà còn tồn tại dòng điện mặt củanó (dòng điện mặt IS). 1.6.1 Điện dẫn của điện môi có cấu trúc tinh thể ion. Ví dụ: Xét tinh thể muối NaCl. NaCl → Na+ + Cl- Các ion Na+, Cl- nằm xen kẽ nhau tại các nút của mạng tinh thể ở trạng thái cânbằng nhờ lực hút giữa các ion trái dấu. Các ion có thể chuyển động từ nút này sang nút khác và sự chuyển động này đượchình dung như là sự đổi chỗ giữa các ion âm và dương. Để xảy ra quá trình này cần cungcấp một năng tương đương với 15eV. Điều này không thể xảy ra được trong chuyển độngnhiệt. Để có được một năng lượng lớn như vậy trong chuyển động nhiệt phải nâng nhiệtđộ đến 5000oK. H.1.11 Lúc này điện dẫn không còn ý nghĩa vật lý như cũ nữa vì bản thân điện môi đãchuyển sang một trạng thái khác - trạng thái của chất lỏng. Kết quả thí nghiệm đã chứng minh rằng các ion vẫn ở trong trạng thái chuyểnđộng liên tục ở điều kiện bình thường. Hiện tượng này được giải thích dựa trên cơ sở củagiả thiết rằng trong cấu trúc NaCl luôn luôn tồn tại các lỗ trống - các khuyết tật và do vậyở vị trí của chúng lại xuất hiện một chỗ bỏ ngỏ - một khuyết tật mới. Do vậy trong cấutrúc có các ion nằm ở các nút, các ion nằm ở giữa các nút và các lỗ trống. Độ linh hoạt của ion được tính tương tự như đối với chất lỏng. U +U qνδ 2 − KT 0 1 Ki = .e (1.23) 6 KT U1- đó là năng để tạo thành khuyết tật. U +U nq 2 δ 2ν − KT 0 1 γ = nqk i = .e (1.24) 6 KT Tần số dao động nhiệt tỷ lệ với nhiệt độ và nếu ta coi là sự phụ thuộc này là tuyếntính: ν = aT 14
  11. 11. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 a_ hằng số. Do đó công thức trên có thể viết lại. B − γ = Ae T (1.25) nq 2δ 2 a A= 6K với (1.26) U + U1 B= 0 K ln γ II I n1 n2 U1 n3 n4=0 n4<n3<n2<n1 1/T H.1.12 Từ công thức trên suy ra điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion sẽ có 1dạng tuyến tính trong hệ tọa độ ( ln γ , ). TTrên quan hệ này ta thấy nó có dạng gãy khúc gồm hai đoạn. Đoạn I ứng với vùng nhiệt độthấp điện dẫn của tinh thể ion xác định chủ yếu bởi điện dẫn của tạp chất. Điện môi chứa càngnhiều tạp chất có điện dẫn càng lớn. Đoạn II ứng với vùng nhiệt độ cao, điện dẫn của tinh thể ion xác định bởi điện dẫnriêng của điện môi không phụ thuộc vào tạp chất. Khi nhiệt độ tăng, biên độ dao động của cácion tăng, do đó chúng dễ dàng chuyển động hơn. Điện dẫn của điện môi có nhiều loại ion khác nhau được tính theo công thức sau: n Bi − γ = ∑ Ai e T (1.27) i =1 1.6.2 Điện dẫn của thuỷ tinh vô cơ. Thuỷ tinh silicat là điện môi rắn có cấu trúc vô định hình. Các ion phân bố khôngtheo một trật tự nào, tạo thành một lưới không gian. Có thể coi thuỷ tinh như một chấtlỏng “ôquálạnh” và nó có độ linh hoạt nhỏ hơn nhiều so với chất lỏng. Độ linh hoạt của các ion thuỷ tinh được xác định tương tự như đối với chất lỏng. U qνδ 2 − KT 0 Ki = .e (1.28) 6 KT U0 nq 2 δ 2ν − KT γ = nqk i = .e (1.29) 6 KT 15
  12. 12. Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 1 1 Thực nghiệm chứng minh rằng quan hệ giữa γ và nhiệt độ trong hệ toạ độ (lnγ, ) Tcó dạng gãy khúc giống như điện dẫn của tinh thể ion. ln γ II I 1/T H.1.13Điện dẫn của thuỷ tinh phụ thuộc rất nhiều vào thành phần và hàm lượng các oxýt kimloại như K2O và BaO. Ion Na+ có độ linh hoạt lớn nhất nên ảnh hưởng mạnh nhất đếnđiện dẫn của thuỷ tinh. Điện dẫn của thuỷ tinh tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. 16

×