ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Bài giảng
VẬT LIỆU ĐIỆN
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Mã môn học: ELE309
Số tín chỉ: 02
Sử dụng cho năm học: 2014 - 2015
Biên soạn: ThS. NGUYỄN TIẾN DŨNG
Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương không trùng nhau là phân tử lưỡng
cực (cực tính).
Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l. Được tính
bằng tích số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương.
b. Liên kết ion:
Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na
+
+ Cl
-

Vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và
nhiệt độ nóng chảy tương đối cao.
c. Liên kết kim loại:
Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu
tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung. Lực hút giữa các
ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện
dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt
lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
d. Liên kết Vanđecvan:
Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 3
Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa,
mạng tinh thể không vững chắc. Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy
thấp như: Parapin
3. Phân loại vật liệu
a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:
Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng
các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác

2
, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, …
Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 (  1) và không phụ thuộc vào cường
độ từ trường ngoài. VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm
Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ
trường ngoài. Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng.
Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a),
và của vật rắn (b).
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 4
PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG
Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện
trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện
trường ), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ
ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng
với bản chất vật lý rất khác nhau. Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng
dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi.
Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết
hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực.
Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá
bằng hằng số điện môi  và góc tổn thất điện môi  (nếu quá trình phân cực kèm
theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên)
Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động
của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày
điện môi và theo bề mặt của nó. Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên
tính dẫn điện của điện môi.
Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho
điện môi nóng lên. Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện

’
ngược chiều với điện trường ngoài.
Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem
như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:
Q = C.U với C: Điện dung của tụ
U: Điện áp đặt vào tụ
Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q
0
+ Q’ (1.1)
Q
0
: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không.
Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi.
2. Hằng số điện môi
Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng
số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi”. Nó được dùng để
đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị.
00
0
0
Q
'Q
1
Q
QQ
Q
Q


 (1.2)

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 6
b. Phân cực ion nhanh
Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn
hồi của các ion liên kết. Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng. Thời gian xác lập phân
cực này: t  10
-13
s.

Hệ số phân cực:  = 4..
0
(a/2)
3
(1.6)
Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi
0E


c. Phân cực Lưỡng cực chậm
Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực. Các phân tử lưỡng cực ở
trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của
điện trường gây nên sự phân cực. Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng
được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng.
Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:
KT
m
lc
3
2
0

sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau.
g. Phân cực tự phát
Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch
tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt).
 của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện
trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 7
*) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ
các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ.

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi
Trong đó: U là điện áp nguồn.
Nhánh 1: Điện dung C
0
và điện tích Q
0
của tụ khi điện môi là chân không.
Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ 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 và phân cực cấu (kết cấu).
Nhánh 9: R
CĐ
là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi.
Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi.
1.3. HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN
1. Hằng số điện môi của điện môi khí
Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không
đáng kể và hằng số điện môi của chất khí  = 
2






TK
PN

(1.9)
Với
TK
P
N
.
 là mật độ phân tử, P (at), T(
0
K),  là hệ số phân cực
* Với điện môi khí trung tính:
Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  = 
e
=4..
0
R
0
3

Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng
lớn, hằng số điện môi càng lơn.
Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P),
tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2.




 (1.11)
*Với chất khí cực tính tồn tại hai cơ chế phân cực chính đó là cơ chế phân cực
điện tử nhanh (là chủ yếu), và cơ chế phân cực lưỡng cực chậm. Do vậy  = 
e
+
lc,

phương trình (1.8) 
0
2
2
0
00
.).(3
.

.
1)(1





TK
mP
TK
PN

nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số.

Hình 1.3. Quan hệ giữa

của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số
Về trị số tuyệt đối TK

của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể
tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu).




v
TK
dT
d
TK











3




KT
m
N
e
332
1
2
0
0
(1.15)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 9
Quan hệ giữa  và nhiệt độ của chất lỏng lưỡng cực phức tạp hơn của chất
lỏng trung hoà. Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi rất ít. Sau đó tăng mạnh theo
đường dốc đứng đạt cực đại rồi giảm dần. Nhiệt độ mà
ở đó  tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt
giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả năng tự định
hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện môi.
Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển
động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng
theo chiều điện trường.
Bảng 1.2: Hằng số điện môi của 1 số điện môi lỏng
Tªn chÊt lángĐiện môi lỏng trung tính Điện môi lỏng cực tính yếu
Dầu biến áp Ben zen Tuluen

cực điện tử và ion nhanh. Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng.
Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy
ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có
giá trị dương.
Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion
không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn
có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp đặc trưng
bằng  không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn.

c. Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính
Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các
sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong Ngoài ra còn các chất nhựa
hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac ) và cả nước đá. Hằng số
điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào
giống ở các chất lỏng lưỡng cực.
Hình 1.5: Quan hệ

=f(t
0
) của sứ cách điện
Hình 1.4:

=f(t
0
), f
1
<f
2
<f
3

2
= 1
x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1
Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương
của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1   = 
1

1
+ 
2

2
(1.16b)
Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của
điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 
2
2
1
1
1







(1.16c)
Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln = 
1

rắn
Điện môi rắn trung tính Điện môi rắn cực tính
Parafin Lưu
huỳnh
Kim
cương
Nhựa
Fênolfoman
đêhit
Sáp Galovac Xenlulo
 (20
0
c,
50hz)
1,9 - 2,2 3,6 - 4 5,6-5,8

4,5 5,0 6,5
Tên ch
ất
rắn
ĐM rắn có kết cấu tinh thể Ion Điện môi rắn Xéc - nhét

Muối mỏ
(NaCl)
Cương
ngọc
(Al
2
O
3

2.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng
quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc
trong vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong
điện môi.
Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích
tự do làm xuất hiện các dòng điện rò

có trị số nhỏ.
*) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E,
điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy
dòng biến thiên theo thời gian và: i = i
rò
+i
pc
(2.1)
Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình
2.2
Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn
thành chỉ còn dòng điện rò chạy qua điện môi. Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong
suốt thời gian có điện áp.
Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất
lượng của vật liệu cách điện
Điện trở thật của điện môi R
cđ
tính như sau: R
CĐ
=


liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có:
v v
S
R
h
  (cm) (2.4)
(với: R
v
là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm
2
), h là
chiều dày khối mẫu (cm)). Điện dẫn suất khối
1

vv

(
-1
cm
-1
).
Hình 2.1

Hình 2.2

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 12
Về trị số điện trở suất mặt 
s
bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của

vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó
là những điện môi tốt. do nào đó quá trình ion
hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện môi khí
tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể.
Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được
thể hiện như hình vẽ 2.3
Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến
tính
Khi điện áp đạt giá trị U
1
các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực
và bị trung hoà trên các điện cực (dòng bão hoà).
Khi điện áp đạt giá trị U
2
(giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm
cho dòng trong chất khí lại tăng.
Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm
khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo
thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dòng tăng lên
theo hàm số mũ.
2.3. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG
Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của
chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện
môi lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của
các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo.
2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng.
Hình 2.3
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 13
Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện

) và hằng số điện môi (

) của một số điện môi lỏng
Chất lỏng Cấu tạo
Điện trở suất khối

v

(

cm) ở 20
0
C


Ben zen
Dầu biến thế
Dầu xăng
Trung hoà
10
13

- 10
14

10
12

- 10
15

Cực tính mạnh
10
6

- 10
7

10
6

- 10
7

10
5

- 10
6
22
33
82
2.3.2. Điện dẫn điện di
Được tạo nên bởi sự chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích
dưới tác dụng của điện trường bên ngoài
Điện môi lỏng chứa các tạp chất ở dạng keo, xơ, sợi, bụi bẩn, huyền phù lơ
lửng bên trong, do quá trình chuyển động nhiệt các tạp chất này ma sát với phân tử
điện môi và chúng bị nhiễm điện. Tùy theo () của tạp chất lớn hay nhỏ so với ()
của điện môi lỏng mà tạp chất có thể bị nhiễm điện tích dương hay âm.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 14


v
của điện môi rắn

xốp

Tên vật liệu
Điện trở suất khối

v
(

cm)
Độ ẩm tương đối
%=0%, t=20
o
C

%=70%, t=20
o
C

%=0%, t=100
o
C
Đá hoa
10
14

10

10
13

10
14
10
8

10
9
10
10

10
112.4.2. Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion.
Trong điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu
do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển
động nhiệt.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 15
Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất).
Ở nhiệt độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng.
Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường
tương đối thấp. Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng
xuất hiện dòng điện từ trong điện môi tinh thể. Dòng này sẽ tăng nhanh khi cường
độ điện trường tăng.
2.4.3. Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 16
Chương 3
TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản
ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi
nóng lên khi có điện trường tác động.
Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện môi chủ yếu do
dòng điện rò: P = R.I
2
(3.1)
Đối với điện áp xuay chiều tổn thất do cả dòng điện rò và dòng phân cực gây
nên

cos IUP  (3.2a)
Từ hình vẽ 3.1 ta thấy

tgCUtgIUIUIUP
CRtt
cos
2
 (3.2b)
Với


rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện
khối. Nếu dòng rò lớn thì tổn hao có giá trị đáng kể.



10.8,1
12
f
tg  (3.4)
Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và
tăng theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ:
t
e



.
11
0

(3.5)
Với 
0
là điện dẫn suất ở 25
0
C và P= 1 at,  - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (
0
C)
3.2.2. Tổn thất điện môi do phân cực.
Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện môi có cấu tạo lưỡng cực

: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá
4. Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi.
Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên
hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo
yêu cầu định trước các thuộc tính của nó. Do đặc điểm cấu tạo nên không có công
thức chung để tính tổn thất.
VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa không khí và
tạp chất ẩm
Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối
tiếp nhau. Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau. Trị số tg của
điện môi nhiều lớp khi đó có thể tính:
21
2112
CC
tgCtgC
tg


 (3.7)
3.3. SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI
3.3.1. Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ
Bất kỳ một khối điện môi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối
tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải khô
lý của các quá trình diễn ra trong điện môi. Nghĩa là công
suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất  không đổi.

I
Hình 3.2. Sơ đồ thay thế
và đồ thị véc tơ




nn
C
R
CR
U
U
tg 
(3.9)
*) Sơ đồ song song
Từ (3.2) và (3.3a) ta có:

tgCUP
stt

2
 (3.2d)
Với



1
ssC
R
CRI
I
tg 
(3.3b)
*) Cân bằng (3.8) với (3.2d) và (3.9) với (3.3b) ta có

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi.
Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho
các tính chất của điện môi thay đổi.
Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do
dòng điện rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo công thức sau:
t
t
eA
e
tg
.
0
.
0
0
.

.










(3.11)
Với





bd
bd
tg
(3.12)
Với 
bđ
– Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một
chiều),  - Thời gian tích thoát năng lượng, nó tăng
Hình 3.4: tg

=f(

)
Hình 3.3: tg

= f(t
0
)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 19
tuyến tính với thời gian và ngược lại. Do vậy tg =f(t
0
), khi  là hằng số có dạng
đường số (2) hình 3.3.
Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện môi do cả
dòng rò và dòng phân cực gây nên. tg=f(t

Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít
phụ thuộc vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao quá
trình ion hóa trong các chất khí nói chung và trong các
điện môi lỏng và rắn có chứa các bọt khí, sẽ phát triển
mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh. Khi điện áp quá
cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp
trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm. Mối
quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
3.5. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG CHẤT KHÍ
Các chất kh
y tưởng. Nguyên nhân gây nên tổn thất
điện môi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng
cực ít kèm theo năng lượng. Do vậy tg có thể xác định theo công thức (3.4)
Hình 3.5: tg

=f(

%)
Hình 3.6: tg

=f(U)
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 20
Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt
quá trị số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo công thức (3.6),
Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.
Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng
đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số
ion hoá.
3.5. TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG

thì tổn thất điện môi rất nhỏ. Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn. Chỉ
cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn
thất điện môi lên rất nhiều.
Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Bài giảng Vật liệu điện 21
Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ
thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ
Các chất cấu tạo tinh thể có các ion không ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại
chất kết tinh. Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất
điện môi.
Mulit trong sứ cách điện, khoáng siricon trong gốm chịu lửa
Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vô
cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn.
Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết
hợp của các ôxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ
tinh.
3.6.3. Tổn thất trong điện môi xec- nhét
Tổn thất điện môi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện môi này là có hiện tượng
phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất
định (điểm Quyri). Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng
mất.
Tổn thất trong điện môi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự
phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri.

3.6.4. Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất
Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó
chứa không ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm)
Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha. Trong thành phần của
gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín).
Tổn thất điện môi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha

đt
) hoặc độ bền điện của điện môi.
h
U
E
đt
đt
 (KV/mm) (4.1)
h là chiều dày điện môi (mm)
Vậy, độ bền điện chính là khả năng chịu đựng giá trị điện áp giới hạn trên một
milimét chiều dày mà điện môi chưa bị đánh thủng.
Khi tính toán để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp
định mức nào đó (U
đm
), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn.
đt
đm
E
U
.Kh  , (mm)
Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách
điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp,
điều kiện môi trường….
Đối với điện môi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm
và ion hoá quang. Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra
đột ngột, trong điện trường không đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có
hiện tượng vầng quang điện.
Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình
nhiệt và ion hoá. Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đánh
thủng chất lỏng là do sự tồn tại của tạp chất.

. (4.3)
với q- Điện tích, U

- Điện áp giáng trên đoạn đường chuyển động tự do của hạt
Nếu trong điện trường đồng nhất: U

= E.  (4.4)
Với: E- Cường độ điện trường, - Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện đã di
chuyển qua không gặp va chạm.=> W
bx
= q. E. (4.5)
Năng lượng này truyền cho các phân tử khí mà nó va chạm phải. Nếu năng
lượng đủ lớn thì phân tử bị ion hoá. Nếu năng lượng còn nhỏ, các phân tử khí chỉ bị
kích thích và khi trở về trạng thái ban đầu năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng
các photon.
Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hoá chất khí: W  W
i
(4.6)
W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, W
i
- Năng lượng ion hoá,
vác chất khí khác nhau thì W
i
cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev
*. Các dạng ion hoá trong chất khí
Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong quá trình ion hoá,
có thể có các dạng ion hoá sau:
a. Ion hoá va chạm:
Khi các phần tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ
chuyển cho nhau và có thể xảy ra ion hoá nếu:

- Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên.
- Cả hai quá trình trên
Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít
hay nhiều. Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có quá trình ion hoá được xác
định theo công thức:
i
WkT
2
3
W  (4.9)
Với T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí, k =1,38.10
-23
J/
0
K - hằng số Boltzman.
d. Ion hoá bề mặt:
Ba dạng ion hoá trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hoá bề mặt thì
xảy ra ngay trên bề mặt của các điện cực.
Muốn giải phóng điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cũng cần 1 năng lượng nhất
định gọi là "công thoát". Trị số công thoát này phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện
cực và trạng thái bề mặt của điện cực.
4.2.3. Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng
điện trong điện môi khí:
Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu
vực giữa 2 điện cực. Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi
mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng
Plazma nối liền giữa 2 điện cực.
Chúng ta xét quá trình ion hoá chất khí giữa
hai điện cực với nguồn điện áp một chiều như hình
4.1. Giả thiết rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại

e
) và ion dương (E
i
) gây nên (hình 4.1c). Chúng
làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d
Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được
tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này
đều có khả năng bức xạ phô tôn. Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện
trường E bên ngoài, do vậy dẽ dàng gây nên ion hoá phần khí tiếp theo tạo nên các
thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện. Mặt khác, do trường tăng cao làm
cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả
lại năng lượng dưới dạng các phô tôn. Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột
ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn.
Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng, nên trong
khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phô tôn dã vượt
trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc
cũng có khả năng giải thoát các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số
lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên.
Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời
được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ
trung hoà trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử.
Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông
liên tục giữa hai điẹn cực. Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các
điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình
thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu.
Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dòng”
hướng từ cực âm đến cực dương. Đồng thời hình thành dòng các điện tích dương
hướng ngược lại (gọi là dòng dương). Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật
độ điện tích lớn (khoảng 10
12