Giáo trình Vật liệu điện - Ngành/nghề: Điện tàu thủy, điện dân dụng, điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động
CỤC HẢNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC/MÔ ĐUN: VẬT LIỆU
ĐIỆN
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN TÀU THỦY, ĐIỆN
DÂN DỤNG, ĐIỆN CÔNG NGHIỆP, CÔNG
NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG
TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày .....tháng..... năm... của Hiệu trưởng
trường Cao đẳng Hàng hải I)
Hải Phòng, năm 201
1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình lưu hành nội bộ 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 được biên soạn theo đề cương chi tiết môn học
“Vật liệu điện” dùng cho hệ cao đẳng Điện tàu thủy, Điện dân dụng, Điện công
nghiệp và nghề Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Cao đẳng
Hàng hải I.
Giáo trình này được dùng làm tài liệu giảng dạy cho giảng viên và học tập
của sinh viên Điện .
Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức
mới có liên quan đến môn học phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng
gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế để giáo trình có tính thực
tiễn cao.
Nội dung của giáo trình được biên soạn với dung lượng 04 chương tương
đương với 30 giờ.
Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ của hội
đồng Sư phạm Trường Cao đẳng Hàng hải I trong việc hiệu đính và đóng góp
thêm nhiều ý kiến cho nội dung giáo trình.
Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khiếm khuyết.
Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng. Mọi góp ý xin được
gửi về địa chỉ: Khoa Điện - Điện tử; Trường Cao đẳng Hàng hải I; 498 Đà Nẵng
- Hải An - Hải Phòng.
Hải Phòng, ngày tháng năm 201
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Ths.Nguyễn Thị Ngọc Hà
3
MỤC LỤC
TT
1
Trang
Lời giới thiệu
Mục lục
3
4
5
6
2
Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ
Nội dung
3
4
5
Chương 1: Khái niệm về vật liệu điện
Chương 2: Vật liệu cách điện
Chương 3: Vật liệu dẫn điện
Chương 4: Vật liệu từ
9
18
38
63
76
Tài liệu tham khảo
6
4
Danh mục bảng
Tên bảng
T
T
Tran
g
1
2
3
27
28
41
Bảng 2.1 Thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện
Bảng 2.2 Thông số về tính chịu nhiệt của các vật liệu cách điện
Bảng 3.1 Các đặc tính vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C)
dùng trong kỹ thuật điện
Bảng 3.2 Bảng thế điện hóa của các kim loại so với Hyđrô
Bảng 3.3 Các tạp chất có trong đồng
4
5
6
7
8
43
45
46
47
47
Bảng 3.4 Các tính chất vật lý hóa học chính của đồng điện phân
Bảng 3.5 Tính chất vật lý của đồng thanh
Bảng 3.6 Các đặc tính cơ của đồng thanh - Nhôm được sử dụng
trong kỹ thuật điện
Bảng 3.7 Các hằng số vật lý hóa học chính của dây dẫn nhôm(
9
49
50
99,5%Al)
Bảng 3.8 Ảnh hưởng phụ của sắt và Silic đối với điện trở suất
của nhôm
10
Bảng 3.9 Các tạp chất có trong nhôm
11
12
13
14
15
51
54
54
56
60
Bảng 3.10 Các hằng số vật lý hóa học chính của Chì
Bảng 3.11 Các hằng số vật lý hóa học chính của sắt tinh khiết
Bảng 3.12 Các hằng số vật lý hóa học chính của Wofram
Bảng 3.13 Tổng hợp hành phần và các tính chất cơ bản của một
số hợp kim có điện trở cao hay dùng trong kỹ thuật điện.
Bảng 4.1 Hệ số từ thẩm lớn nhất Max của một số chất
16
17
64
74
Bảng 4.2 Thành phần, từ dư và trường khử từ của một số vật
liệu từ cứng
5
Danh mục hình vẽ
TT
Tên hình vẽ
Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử
Hình 1.2 Mô hình nguyên tử H
Trang
1
10
2
3
10
13
Hình 1.3 Mạng tinh thể cơ bản của kim loại
Hình 1.4 Biểu diễn chiều mômen từ
4
5
6
14
15
15
Hình 1.5 Hưng từ hóa khó và dễ trong đơn tinh thể Sắt
Hình 1.6 Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
7
8
9
19
21
21
Hình 2.1 Quan hệ giữa độ ẩm bào hoà mmax theo nhiệt độ
Hình 2.2 Vật liệu bị ngấm ẩm
Hình 2.3 Vật liệu hấp thụ
10 Hình 2.4 Tấm cách điện nằm giữa điện môi
11 Hình 2.5 Sự phân cực của điện môi
24
25
26
42
12 Hình 2.6 Điện môi khi đặt trong điện trường
13 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện
14
15 Hình 4.2 Đường cong từ trễ
64
Hình 4.1 Đường cong từ hoá cơ bản
65
67
68
16
17
Hình 4.3 Kết cấu mạch từ
Hình 4.4 Đường cong từ hóa
6
18
19
20
69
71
72
Hình 4.5 Phân chia từ trường
Hình 4.6 Phân bố khe hở
Hình 4.7 Mạch từ xoay chiều
21
73
Hình 4.8 Mạch từ đẳng trị
7
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: Vật liệu điện
Mã môn học: MH 6520228.09; 6520226.09; 6520227.10; 6510305.15
I. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học của môn học:
- Vị trí:
+ Vật liệu điện là môn cơ sở chung của các chuyên ngành điện;
+ Môn học có thể bố trí trước hoặc sau các môn cơ sở khác và trước các
mô đun nghề.
- Tính chất:
Môn học nghiên cứu về cấu tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu điện
trong thực tế.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học:
Môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn
điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ. Những ứng dụng chủ yếu của vật
liệu điện trong thiết bị, máy điện, khí cụ điện và trong các lĩnh vực truyền
tải, phân phối và sử dụng điện.
II. Mục tiêu môn học:
- Về kiến thức:
+ Nhận dạng được các loại vật liệu điện, phân biệt được chính xác vật
liệu dùng trong công nghiệp và dân dụng;
+ Trình bày được đặc điểm, tính chất của các loại vật liệu điện;
+ Mô tả được ứng dụng của các vật liệu điện trong thực tế.
- Về kỹ năng:
+ Phân biệt được vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật từ;
+ Trình bày được đặc tính của các loại vật liệu điện.
+ Sử dụng thành thạo các loại vật liệu điện.
+ Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Có ý thức rèn luyện, vận dụng kiến thức đã học vào thực tế.
+ Tính chọn, thay thế vật liệu điện đúng yêu cầu kỹ thuật
8
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
MH 6520228.09.01; MH 6520226.09.01
MH 6520227.10.01; MH 6510305.15.01
Giới thiệu:
Vật liệu điện có vai trò rất to lớn trong công nghiệp điện. Để thấy rõ được
bản chất cách điện hay dẫn điện của các loại vật liệu, chúng ta cần hiểu những
khái niệm về cấu tạo của vật liệu cũng như sự hình thành các phần tử mang điện
trong vật liệu. Bên cạnh đó chúng ta cũng cần nắm rõ về nguồn gốc, cách phân
loại các loại vật liệu đó như thế nào để tiện lợi cho quá trình lựa chọn và sử
dụng sau này. Nội dung chương này nhằm trang bị cho học viên những kiến
thức cơ bản trên nhằm giúp cho học viên có những kiến thức cơ bản để học tập
những bài học sau có hiệu quả hơn.
Mục tiêu:
- Nhận dạng được các loại vật liệu điện.
- Phân loại chính xác các loại vật liệu điện dùng trong công nghiệp và dân
dụng.
- Có ý thức tìm tòi kiến thức mới
Nội dung chính:
1. Khái niệm vật liệu điện
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.
1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu điện
Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Mọi vật chất đều được cấu
tạo từ nguyên tử và phân tử theo mô hình nguyên tử của Bo.
Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p và
nơtron n) và các điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu là e) chuyển động
xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định.
Nguyên tử : Là phần nhỏ nhất của một phân tử có thể tham gia phản ứng hoá
học, nguyên tử gồm có hạt nhân và lớp vỏ điện tử hình 1.1
- Hạt nhân : gồm có các hạt Proton và Nơrton
- Vỏ hạt nhân gồm các electron chuyển động
9
Vỏ nguyên t ử
H ạt nhân
Hình 1.1. Cấu tạo nguyên tử
xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định. Tùy theo mức năng lượng mà
các điện tử được xếp thành lớp.
Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hòa về điện, tức là:
(+)hạt nhân = (-)e
Khối lượng của e rất nhỏ: me= 9,1 .10-31 (Kg)
qe = 1,601 . 10-19 (C)
Do điện tử có khối lượng rất nhỏ cho nên độ linh hoạt của tốc độ chuyển
động khá cao. Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ chuyển động của electron rất
cao. Nếu vì nguyên nhân nào đó một nguyên tử bị mất điện tử e thì nó trở thành
Ion (+), còn nếu nguyên tử nhận thêm e thì nó trở thành Ion (-).
Quá trình biến đổi 1 nguyên tử trung hòa trở thành điện tử tự do hay Ion (+)
được gọi là quá trình Ion hóa.
Để có khái niệm về năng lượng của điện tử xét trường hợp đơn giản của
nguyên tử Hydro, nguyên tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử e
(hình 1.2).
e
-
r
Hình 1.2. Mô hình nguyên tử H
Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân, thì
giữa hạt nhân và điện tử e có 2 lực:
2
q
Lực hút (lực hướng tâm): f1 =
(1.1)
r2
2
mv
r
và lực ly tâm:
f2 =
(1.2)
trong đó:
10
m - khối lượng của điện tử,
v - vận tốc dài của chuyển động tròn
2
q
Ở trạng thái trung hòa, hai lực này cân bằng: f1 = f2 hay mv2 =
(1.3)
(1.4)
r
Năng lượng của điện tử sẽ bằng:
We = T + U (Động năng T + Thế năng U)
2
2
q
mv
2
trong đó: T =
, U = - .
r
2
2
2
2
q
q
q
q
Vậy We = T + U = -
= -
hay We = -
r
2r
2r
2r
Biểu thức trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử đều tương ứng với một
mức năng lượng nhất định và để di chuyển nó tới quỹ đạo xa hơn phải cung cấp
năng lượng cho điện tử,... Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ
đạo chuyển động. Điện tử ngoài cùng có mức năng lượng thấp nhất do đó dễ bị
bứt ra và trở thành trạng thái tự do. Năng lượng cung cấp cho điện tử e để nó trở
thành trạng thái tự do gọi là năng lượng Ion hóa (Wi).
Để tách một điện tử trở thành trạng thái tự do thì phải cần một năng lượng
Wi We. Khi Wi We chỉ kích thích dao động trong một khoảng thời gian rất
ngắn, các nguyên tử sau đó lại trở về trạng thái ban đầu.
Năng lượng Ion hóa cung cấp cho nguyên tử có thể là năng lượng nhiệt,
năng lượng điện trường hoặc do va chạm, năng lượng tia tử ngoại, tia cực tím,
phóng xạ.
Ngược lại với quá trình Ion hóa là quá trình kết hợp:
Nguyên tử + e Ion (-).
Ion (+) + e nguyên tử, phân tử trung hòa.
1.3. Cấu tạo phân tử của vật liệu
Là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thải tự do nó mang đầy đủ các đặc
điểm, tính chất của chất đó, trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau bởi
liên kết hóa học.Vật chất được cấu tạo từ nguyên, phân tử hoặc ion theo các
dạng liên kết dưới đây:
1.3.1. Liên kết đồng hóa trị
Liên kết này đặc trưng bởi sự kiện là một số điện tử đã trở thành chung cho
các nguyên tử tham gia hình thành phân tử.
Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ: phân tử này gồm 2 nguyên tử clo và
như đã biết, nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp ngoài cùng
11
(điện tử hoá trị). Hai nguyên tử clo liên kết bền vững với nhau bằng cách sử
dụng chung hai điện tử như trên hình 1.3 . Lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên
tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia.
Cl Cl
Cl Cl
Phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hoặc cực tính. Phân tử clo
thuộc loại trung tính vì các trung tâm điện tích dương và điện tích dương trùng
nhau.
Axit clohydric HCl là ví dụ của phân tử cực tính. Các trung tâm điện tích
dương và âm cách nhau một khoảng và như vậy phân tử này được xem như một
lưỡng cực điện.
Tùy theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia các
phân tử ra làm hai loại
- Phân tử không phân cực là phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với
trọng tâm điện tích dương
- Phân tử phân cực là phân tử mà tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích
dương một khoảng l
Để đặc trưng cho sự phân cực người ta dùng mô men lưỡng cực
Pe = q.l
Trong đó: q: là điện tích
l: có chiều –q đến +q và có độ lớn bằng l( khoảng cách
giữa trọng tâm điện tích dương và trọng tâm điện tích âm)
1.3.2. Liên kết Ion
Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các Ion (+) và Ion(-). Liên kết
này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có tính chất khác
nhau.
Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa các kim loại và phi
kim để tạo thành muối, cụ thể là Halogen và kim loại kiềm gọi là muối Halogen
của kim loại kiềm.
Liên kết này khá bền vững. Do vậy nhiệt độ nóng chảy của các chất có liên
kết Ion rất cao
Ví dụ: Liên kết giữa Na và Cl trong muối NaCl là liên kết ion ( vì Na có 1
electron lớp ngoài cùng cho nên dễ nhường 1 electron tạo thành Na+, Cl có 7
12
electron ở lớp ngoài cùng cho nên dễ nhận 1 electron tạo thành Cl-, hai ion
này trái dấu sẽ hút nhau và tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm tnc
=8000C, tsôi <14500C.
1.3.3. Liên kết kim loại
Là liên kết trong các kim loại mà hạt
nhân ở các nút mạng tinh thể. Xung quanh
hạt nhân có các điện tử liên kết, ngoài ra
còn có các điện tử tự do. Do đó, kim loại có
tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
Hình 1.3. Mạng tinh thể cơ bản
của kim loại
Khi không kể đến chuyển động nhiệt thì các hạt (gồm nguyên tử, phân tử
hoặc ion) ở một vị trí xác định gọi là nút. Các nút được sắp xếp theo một trật tự
xác định hợp thành mạng tinh thể.
Dạng liên kết này giải thích được những tính chất đặc trưng của kim loại:
- Tính nguyên khối ( rắn): Lực hút giữa các ion âm và các điện tử tạo nên
tính nguyên khối, kim loại thường ở dạng mạng tinh thể.
- Tính dẻo: do sự dịch chuyển và trượt lên nhau của các ion.
- Do tồn tại các điện tử tự do nên kim loại thường có ánh kim, dẫn điện và
dẫn nhiệt cao.
1.3.4. Liên kết VanDecVan
Tương tự như liên kết kim loại nhưng là liên kết yếu, do vậy nhiệt độ nóng
chảy thấp (Ví dụ: paraphin).
2. Phân loại vật liệu điện
2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện
(điện môi ), bán dẫn và dẫn điện
2.1.1. 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 năng lượng
của chuyển động nhiệt vẫn không thể duy chuyển tới vùng tự do để tham gia vào
dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5
đến vài điện tử von ( eV).
2.1.2. Bán dẫn
13
Là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi
nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé
(W=0,5-1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở vùng
đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để
tham gia vào dòng điện dẫn.
2.1.3. Vật dẫn
Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên
vùng đầy (W < 0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do lớn, ở nhiệt độ
bình thường các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do
rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện từ này tham gia vào
dòng điện dẫn, chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt.
2.2 . Phân loại theo từ tính
Nguyên nhân chủ yếu của vật liệu gây nên từ tính là do các điện tích
chuyển động ngầm theo quĩ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Cụ thể hơn
đó là do sự quay của các điện tử xung quanh trục của chúng – spin điện đử và sự
quay theo quĩ đạo của các điện tử trong nguyên tử.
- Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên dòng điện cơ bản
mà nó được đặc trưng bởi mômen từ M. Mône từ M tính bằng tích của dòng
điện cơ bản với một diện tích S được giới hạn bởi đường viền cơ bản:
M = i.S
Chiều véc tơ M được xác định theo quy tắc vặn nút chai .
Hình 1.4 Biểu diễn chiều mômen từ
Mômen từ của vật thể là kết quả tổng hợp của tất cả các mômen từ cơ bản đã
nêu trên.
- Ngoài các mômen quĩ đạo đã nêu trên, các điện tử này còn quay xung
quanh các trục của nó, do đó còn tạo nên các mômen gọi là mômen Spin. Các
spin này đóng vai trò quan trọng trong việc từ hóa vật liệu sắt từ.
- Khi nhiệt độ dưới nhiệt độ curri, việc hình thành các dòng xoay chiều này
có thể nhìn thấy được bằng mắt thường, được gọi là vùng từ tính, vùng này trở
14
nên song song thẳng hàng cùng một hướng. Như vậy vật liệu sắt từ thể hiện chủ
yếu sự phân cực từ hóa tự phát khi không có các từ trường đặt bên ngoài.
- Qúa trình từ hóa của vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường ngoài dẫn
đến làm tăng những khu vực mà mômen từ của nó tạo góc nhỏ nhất với hướng
của từ trường, giảm kích cỡ các vùng khác và sắp xếp thẳng hàng các mômen từ
tính theo hướng từ trường bên ngoài. Sự bão hòa từ tính sẽ đạt được khi nào sự
tăng lên của khu vực dùng từ lại và mômen từ tính của tất cả các phần tinh thể
nhỏ nhất đựợc từ tính hóa tưh sinh trở thành cùng hướng theo hướng của từ
trường.
Hinh 1.5 Hướng từ hóa khó và dễ trong đơn tinh thể Sắt
- Khi từ hóa dọc theo cạnh hình khối, nó mở rộng theo hướng đường chéo,
nghĩa là co lại theo hướng từ hóa, hiện tượng đó gọi là hiện tường từ gião.
Hình 1.6 .Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ
1- Sắt đặc biệt tinh khiết
2- Sắt tinh khiết (99,98% Fe)
3- Sắt kỹ thuật tinh khiết (99,92%Fe)
4- Pecmanlôi (78%Ni)
15
5- S- Niken
6- Hợp kim Sắt- Niken (26%Ni)
Theo từ tính người ta phân vật liệu thành nghịc từ, thuận từ và dẫn từ.
2.2.1. Nghịch từ
Là những chất có độ từ thẩm < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ
trường bên ngoài . Loại này gồm có Hyđro, các khí hiếm, đa số các hợp chất
hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như : đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân...
2.2.2. Thuận từ
Là những chất có độ từ thẩm >1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ
từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối sắt, các muối coban
và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.
2.2.3. Chất dẫn từ
Là các chất có >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại
này gồm có : sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng hợp kim crom và
mangan.
2.3. Phân loại theo trạng thái 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 cách phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện ?
3. Trình bày cách phân loại vật liệu theo từ tính ?
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:
Đánh giá về kiến thức: Tự luận
16
CHƯƠNG 2 : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
MH 6520228.09.02; MH 6520226.09.02
MH 6520227.10.02; MH 6510305.15.02
Giới thiệu :
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện.
Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong
các thiết bị điện và để cách ly các bộ phận có điện thế khác nhau. Một trong
những nhiệm vụ khác của vật liệu cách điện là giới hạn đường đi của dòng điện
trong mạch đã được sơ đồ quy định. Vì vậy chúng ta phải hiểu được bản chất
các hiện tượng về điện và nắm vững tính chất cơ lý hóa của điện môi cũng như
phân biệt được những vật liệu cách điện thường dùng và sử dụng chúng theo
đúng yêu cầu kỹ thuật.
Mục tiêu:
- Nhận dạng, phân loại chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công
nghiệp và dân dụng.
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện
thường dùng
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ
thể. Có ý thức rèn luyện và vận dụng vật liệu cách điện trong thực tế.
Nội dung chính :
1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
1.1. Khái niệm về vật liệu cách điện
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 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.
1.2. Phân loại vật liệu cách điện
1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý
17
Theo trạng thái vật lý, có:
Vật liệu cách điện thể khí,
Vật liệu cách điện thể lỏng,
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 phần 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.
1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần 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 phần 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.Tính chất của vật liệu cách điện
Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần 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 lão 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 cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách
điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách
điện.
18
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 =10-5 10-6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì
phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm 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.
2.1.1. 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.
a. Độ ẩm tuyệt đối:
Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí
(g/m3). Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua mmax (mmax
được gọi là độ ẩm bão hoà). Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi
nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương.
Quan hệ giữa độ ẩm bão hòa và nhiệt độ
mMax
90
80
70
60
50
40
30
20
10
t (0C)
-20
-10 0
10 20 30 40 50
Hình 2.1. Quan hệ giữa độ ẩm bào hoà mmax theo nhiệt độ
19
b. Độ ẩm tương đối, %
Độ ẩm tương đối là tỷ số:
m
% =
.100%
(2.1)
mmax
Ở trạng thái bão hòa của hơi nước trong không khí sẽ có % = 100%.
Thường các ẩm kế chỉ cho số liệu về độ ẩm tương đối % nên khi cần xác định
độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính theo công thức:
%.
mmax
100
m =
(2.2)
và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí (t) nên m = f( %, t).
Như vậy, từ các số liệu về độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí có
thể xấc định được độ ẩm tuyệt đối m (bằng cách tính toán, tra bảng số, đồ thị...).
Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí được qui định:
Áp suất p = 760 mmHg.
Nhiệt độ t = 200C.
Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m3 (độ ẩm tương đối % khoảng 60 70%).
Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn. Khí hậu Việt Nam thuộc
vùng khí hậu nhiệt đới. Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,70C,
nhiệt độ cực đại có thể đạt tới 42,80C. Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các
đặc điểm nổi bật của khí hậu nước ta. Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở
đồng bằng Bắc bộ là m = 24 26 g/m3, trong các tháng hè có thể lên tới 30
33g/m3 và trong các tháng mùa đông cũng tới mức 13 17g/m3.
2.1.2. 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 %
và nhiệt độ t (0C) thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu sẽ đạt tới
giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng (cb).
Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm (vật
liệu có độ ẩm ban đầu < cb) thì vật liệu sẽ bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm
trong không khí khiến cho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng cb như đường 1
trên hình 2.2 (vật liệu bị ngấm ẩm).
20
Tải về để xem bản đầy đủ
76 trang
27961
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu điện - Ngành/nghề: Điện tàu thủy, điện dân dụng, điện công nghiệp, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_vat_lieu_dien_nganhnghe_dien_tau_thuy_dien_dan_du.pdf
