Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.19 MB, 19 trang )
10
= const.
f (Hz)
Điện môi có cực:
•
•
Ở vùng tần số f < f0 : ε không phụ thuộc vào tần số ( do các phần tử lưỡng cực kịp xoay theo hướng điện trường). Ở vùng tần số f > f0 : ε giảm( do các phần tử lưỡng cực có quán tính, chúng
không kịp xoay theo hướng điện trường.
fo =
trong đó: T: nhiệt độ(0K)
η : độ nhớt động
r : bán kính nguyên tử
K = 1,38.10-23 (J/0K) hằng số Boltzmann
1
fo
3.6.2
f (Hz)
Nhiệt độ
hằng số điện môi được tính bằng công thức: ε = 1+
Điện môi không cực: khi nhiệt độ tăng có sự dãn nở nhiệt làm cho
khoảng cách giữa các phần tử tăng dẫn đến số phần tử trên một đơn vị
tích giảm => ε giảm.
thể
T
Điện môi có cực: khi nhiệt độ tăng có sự dãn nở nhiệt nên lực liên kết
các phần tử giảm nên sự xoay hướng của chúng dễ dàng hơn => ε tăng
giá trị nhiệt độ Tk nào đó thì đạt cực đại.
Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng thêm thì ε giảm xuống do nhiệt độ cao các
phần tử lưỡng cực chuyển động nhiệt tăng lên và cản trở sự xoay hướng
của chúng.
3.6.3
của
đến
T
TK
Áp suất
Hằng số điện môi được tính bằng công thức: ε = 1 + A.p (A: hằng số, p: áp suất).
Điện môi không cực: theo định luật Clausisius-Mosotti: khi áp suất tăng dẫn
đến mật độ phân tử tăng nên ε cũng tăng theo.
P
11
Điện môi có cực: khi áp suất tăng có nhiều phần tử lưỡng cực xoay theo hướng điện trường làm
cho ε tăng và đạt giá trị cực đại tại một giá trị pk nào đó.
Nếu áp suất tiếp tục tăng sẽ làm ε giảm do mật độ phân tử quá cao, làm cản trở sự xoay chuyển
của các phân tử.
P
PK
3.6.4
Độ ẩm
Khi độ ẩm tăng lên thì ε tăng rất nhanh.
Khi đó sẽ làm giảm tính chất khác của điện môi như: điện trở suất giảm, tổn hao điện môi tăng
lên.
3.6.5
Điện áp
Theo lý thuyết hằng số điện môi không phụ thuộc vào điện áp. Tuy nhiên, trên thực tế người ta
đo được hằng số điện môi ở điện áp cao có giá trị nhỏ hơn khi đo ở điện áp thấp.
4 Quan hệ giữa tan� và các yếu tố khác
4.1 Quan hệ giữa tan� và nhiệt độ
(1)
Điện môi trung tính hoặc có cực tính yếu
(2)
Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn nhỏ
(3) Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn cao
Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gây
nên.
Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng
phân cực gây nên. Ở miền tần số thấp, các phân tử lưỡng cực được định hướng hoàn toàn,
nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định hướng theo hướng điện
trường do vậy tổn thất điện môi giảm.
Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ
yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng phân cực, khi tần số quá cao
12
các phân tử không kịp định hướng nên tan� giảm.
4.2 Quan hệ giữa tan� và tần số điện trường
(1)
Điện môi trung tính hoặc có cực tính yếu
(2)
Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn nhỏ
(3)
Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn cao
Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gây
nên.
Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân
cực gây nên.
Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ yếu
do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu dòng phân cực. Khi ở tần số quá cao các phân
tử không kịp định hướng nên giảm.
4.3 Quan hệ giữa tan� và độ ẩm không khí
Khi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm φ%, sau một thời
gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ một lớp hơi nước
trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn khối và điện dẫn mặt của
vật liệu và làm tổn thất điện môi tăng khi φ% tăng.
Để hạn chế sự hấp thụ và hấp thụ nước vào vật liệu cách điện,
trong công nghệ chế tạo thiết bị điện thường dùng các biện pháp
sấy và tẩm bằng các loại vật liệu chống ẩm.
tg
13
B
A
Umin
U
4.4 Quan hệ giữa tan� và điện áp
Tại điểm A: Hình thành phóng điện hay vầng quang
Tại điểm B: Hình thành vật chất mới hay phá hủy cách điện
Điện môi cách điện tốt khi Umin càng cao.
Ở vùng điện áp thấp (U < UA) tổn thất điện môi gần như ít phụ thuộc vào điện áp. Điện áp tăng cao (UA < U < UB) quá trình ion hóa diễn ra mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh. Khi điện áp quá cao (U > UB) thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp trên nó giảm đi,
do vậy tổn thất điện môi lại giảm.
5 Các phương pháp đo tổn hao điện môi
Đo hệ số tổn hao để đánh giá tình trạng (vận hành) của thiết bị điện. Sử dụng rộng rãi bởi các kỹ
sư bảo trì và trong thí nghiệm để đánh giá sự nguyên vẹn của các hệ thống cách điện.
5.1 Cầu đo Schering
Là loại cầu xoay chiều dùng để đo điện dung và đo tổn hao điện môi của cách điện trong các
thiết bị điện cao áp và tụ cao áp.
và là tụ điện và điện trở cần đo
là tụ điện tiêu chuẩn
là tụ điện biến thiên
là điện trở thuần
là biến trở
Ở điều kiện cân bằng: Z1.Z4 = Z2.Z3
Thay các giá trị Z1, Z2, Z3, Z4:
14
Cân bằng phần thực và phần ảo:
;
Từ giản đồ vectơ ta có thể tính hệ số tổn hao tan�
5.2 Cầu đo Wagner
Do cầu Schering có nhược điểm là nhạy cảm với các nhiễu do điện dung tản với đất, nên người
ta sử dụng cầu Wagner để khắc phục nó.
6 Tổn hao điện môi trong chất khí
Do hai nguyên nhân là ion hóa chất khí và điện dẫn.
6.1 Ion hóa chất khí
P=Ai.f.(U-Uo)3
Trong đó: A là hằng số đối với từng chất khí.
15
f là tần số điện áp đặt vào.
là điện áp chọc thủng (điện áp gây ion hóa chất khí).
Trị số phụ thuộc vào từng loại chất khí, nhiệt độ, áp suất làm việc. Ngoài ra còn phụ thuộc vào
mức độ đồng nhất điện trường. Cùng một giá trị điện áp đặt vào nhưng điện trường đều sẽ khó
gây ion hóa hơn so với điện trường không đều.
6.2 Điện dẫn
Tanδ=
Trong đó: ε là hằng số điện môi.
ρ là điện trở suất của khối điện môi.
Tổn hao điện môi trong chất khí ở cường độ điện trường nhỏ rất nhỏ (điện môi được xem như
điện môi lý tưởng).
Nguồn tổn hao điện môi do điện dẫn là chủ yếu vì sự xoay chuyển của các lưỡng cực khi phân
cực không gây tổn hao năng lượng nhưng nếu xét trên lưới điện cao thế thì ion hóa chất khí là
chủ yếu. Tất cả các chất khí có điện dẫn rất thấp.
Ở điện áp cao và trường không đồng nhất, khi cường độ điện trường ở vị trí khác nhau đạt giá trị
giới hạn, phân tử bị ion hóa. Vậy trong chất khí xuất hiện tổn hao do ion hóa.
Ion hóa chất khí hình thành ozon và khí NO2 để phá hủy các điện môi hữu cơ.
Trên đường dây tải điện cao thế, tổn thất do ion hóa không khí ở bề mặt dây dẫn (hiện tượng
vầng quang) làm giảm hiệu suất truyền tải.
Hiện tượng vầng quang là một dạng phóng điện cục bộ xuất hiện như một quầng sáng xanh mờ,
bao quanh các dây dẫn, đặc biệt trong màn đêm hoặc có thể nghe âm thanh như tiếng rít khi xảy
ra vầng quang.
Hiện tượng vầng quang xảy ra kèm theo:
– Vầng quang xảy ra cùng sự hình thành khí ozon và oxit NO 2. Hai chất khí này phản
ứng với hơi ẩm trong không khí tạo nên axit gây ăn mòn kim loại.
– Gây hư hỏng đối với cách điện trong ứng dụng cao áp hoặc trong thiết bị điện.
– Gây ra các cặn muội than mà điều này có thể gây nên hồ quang điện.
– Gây nhiễu đến sự truyền phát radio.
Để giảm hao tổn vầng quang cần giảm cường độ điện trường, tăng tiết diện dây dẫn hoặc phân
dây pha thành dây nhỏ nối với nhau tạo đường kính lớn.
Bên cạnh tác hại thì hiện tượng vầng quang cho ta biết đường dây truyến tải điện có sự hiện diện
của bụi bẩn, tạp chất để người vận hành biết và tiến hành vệ sinh đường dây.
16
7 Tổn hao điện môi trong chất lỏng
Trong chất lỏng tổn hao điện môi là do dòng điện dẫn. Nếu như trong chất lỏng không chứa tạp
chất là các phân tử lưỡng cực. Do diện dẫn của các chất lỏng trung tính rất bé, nên tổn hao điện
môi có trị số rất bé.
Chất lỏng có cực tùy theo điều kiện nhiệt độ và tần số ngoài tổn hao do dòng điện dẫn còn có tổn
hao do phân cực lưỡng cực gây nên. Nếu điện môi là cực tính mạnh thì tổn hao lớn, tổn hao này
phụ thuộc nhiều vào tần số và nhiệt độ.
Điện môi lỏng thường được sử dụng trong kỹ thuật là điện môi hợp chất của hai điên môi có cực
và không cực. Vì dụ: dầu nhựa thông, dầu thầu dầu, dầu xô vôn,…
Ở chất lỏng có cực, tổn hao điện môi phụ thuộc vào độ nhớt. Điện dẫn suất của chất lỏng loại
này thường khoảng 10-10 ÷ 10-11 Simen/m. Tổn hao điện môi ở chất lỏng có cực lớn hơn rất nhiều
tổn hao do điện dẫn. Loại tổn hao này được gọi là tổn hao lưỡng cực tích thoát.
Các phân tử lưỡng cực do có sự thay đổi của điện trường, chúng được quay trong môi trường có
độ nhớt, dẫn đến tổn hao năng lượng do tổn hao ma sát và gây tỏa nhiệt. Nếu như độ nhớt của
điện môi đủ lớn thì các phân tử không kịp định hướng theo điện trường và tổn hao lưỡng cực
thực tế biến mất, tổn hao điện môi trong trường này rất nhỏ. Nếu như độ nhớt nhỏ thì sự định
hướng theo điện trường sẽ xảy ra ít ma sát và tổn hao trong trường này cũng nhỏ. Ở độ nhớt
trung bình tổn hao lưỡng cực là đáng kể và một độ nhớt nào đó sẽ có giá trị cực đại.
Khi tăng tần số tanδ max sẽ dịch chuyển về cùng có nhiệt độ cao hơn. Tần số càng cao thì cần
thời gian tích thoát càng nhỏ cần thiết để tanδ max và để giảm thời gian tích thoát cần phải giảm
độ nhớt, hay cần tăng nhiệt độ. Giá trị cực tiểu tương ứng với độ nhớt rất nhỏ và sự định hướng
không có ma sát, tổn hao trong trường hợp này rất nhỏ. Khi nhiệt độ được tiếp tục tăng lên thì
tanδ cũng tăng, điều này được giải thích là tăng điện dẫn suất trong chất lỏng.
Tổn hao công suất P của phân cực lưỡng cực tích thoát trong điện môi tăng theo tần số cho tới
khi phân cực kịp định hướng theo điện trường. Khi tần số đủ lớn các phân tử lưỡng cực không
kịp định hướng, chúng trở nên bất động và vì thế tanδ lại giảm xuống và tổn hao quay lại giống
tổn hao một chiều.
Tổn hao lưỡng cực tích thoát ở điện môi lỏng có độ nhớt thấp ở tần số thấp không đáng kể và
chúng có thể nhỏ hơn tổn hao do dòng điện rò ngay cả khi độ nhớt có trị số bé. Do đó, chất lỏng
cực tính không thể sử dụng trong trường tần số cao.
8 Tổn hao điện môi trong chất rắn
Điện môi rắn có rất nhiều loại, đa dạng về cấu trúc và các thành phần, do đó trong điện môi rắn
có thể có tất cả các loại tổn hao điện môi. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu tổn hao điện môi
trong vật rắn, có thể chia chúng ra làm 4 nhóm cơ bản sau:
Tổn hao điện môi có cấu tạo phân tử.
Tổn hao điện môi có cấu tạo ion.
17
Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhet.
Tổn hao điện môi có cấu tạo không đồng nhất.
8.1 Tổn hao điện môi có cấu tạo phân tử
Tổn hao điện môi trong các điện môi có cấu tạo phân tử phụ thuộc vào loại phân tử.
Nếu trong điện môi có các phân tử trung tính và không có tạp chất thì tổn hao điện môi nhỏ
không đáng kể. Tổn hao điện môi của các vật liệu này do dòng điện rò gây nên; chúng được
dùng làm cách điện ở cả tần số thấp và cao. Trong loại điện môi này có: lưu huỳnh, parafin,
polietilen, politetrafloetilen; teflon-4, polistirol và các chất khác.
Các điện môi có cấu tạo phân tử cực tính chủ yếu là các chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong
kỹ thuật. Loại này bao gồm các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, bìa cactong và các chất
khác, thủy tinh hữu cơ, poliamit, poliuretan, cao su, ebonit, bakelit và một loại vật liệu khác. Tất
cả các chất này có tổn hao lớn do phân cực lưỡng cực nhất là ở tần số vô tuyến. Cho nên chúng
không được dùng ở tần số cao.
Tổn hao điện môi trong các điện môi phân tử cực tính có liên quan tới tần số và nhiệt độ. Ở một
vài trị số nhiệt độ tổn hao điện môi có trị số cực đại và cực tiểu, sau đó tăng lên nhiều khi nhiệt
độ cao.
8.2 Tổn hao điện môi có cấu tạo ion
Trong các chất có cấu tạo tinh thể ion chặt chẽ khi không
có tạp chất tổn hao điện môi có trị số rất nhỏ. Ở nhiệt độ
tăng cao trong các chất này xuất hiện tổn thất do điện dẫn.
Loại này bao gồm nhiều hợp chất tinh thể vô cơ có ý nghĩa
rất lớn trong sản xuất gốm kỹ thuật điện hiện nay, ví dụ
corunđum( bột đá mài) nằm trong thành phần sứ cao tần.
Các tinh thể muối mỏ tinh khiết có tổn hao không đáng kể,
song chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ sẽ biến dạng mạng
lưới tinh thể và làm cho tổn hao điện môi tăng lên nhiều.
Các điện môi có cấu tạo tinh thể ion ràng buộc không chặt
chẽ bao gồm một loại chất tinh khiết, được đặc trưng bởi
hai loại phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi. Trong
các chất này có mulit là một thành phần của sứ cách điện,
oxit nhôm và khoáng xilicon nằm trong thành phần của
gốm chịu lửa và các chất khác nhau: gốm, sứ, thủy tinh…
Đa số các loại gốm điện lượng ion tham gia vào phân cực chậm không ngừng tăng lên theo nhiệt
độ. Do đó tan tăng lên không có giá trị cực đại khi nhiệt độ tăng.
Tổn hao điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion như thủy tinh cô cơ liên quan tới
hiện tượng phân cực và sự tồn tại dòng điện dẫn.
18
Khi nghiên cứu cơ chế tổn hao điện môi thủy tinh cần phân biệt:
Tổn hao điện môi ít phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng tỷ lệ thuận theo độ tăng của
tần số (tankhông phụ thuộc vào tần số).
Tổn hao tăng rõ rệt theo nhiệt độ, theo quy luật hàm số mũ và ít phụ thuộc vào tần
số (tan giảm khi tần số tăng).
Công nghệ gia công nung hoặc tôi gây ảnh hưởng rõ rệt đến
góc tổn hao điện môi của thủy tinh do cấu tạo của nó bị biến
đổi.
Nếu thủy tinh có dòng điện rò càng lớn thì độ tăng của góc tổn
hao điện môi sẽ thấy ở nhiệt độ càng thấp. Trên hình 3-12 cho
thấy sự biến thiên của góc tổn hao điện môi theo nhiệt độ đối
với thủy tinh có thành phần và điện dẫn khác nhau.
Yếu tố chủ yếu xác định tổn hao điện môi trong thủy tinh vô cơ
phụ thuộc vào cách kết hợp của các oxit chứa trong thủy tinh,
bởi vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo thủy tinh. Sự tồn tại
oxit kiềm (Na2O, K2O) trong thủy tinh khi không có oxit của
các kim loại nặng (BaO, PbO) làm tăng đáng kể tổn hao điện
môi của thủy tinh. Đưa oxit nặng vào làm giảm tg của thủy tinh kiềm.
8.3 Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhet
Tổn hao trong xecnhet cao hơn so với các điện môi khác là do có hiện tượng phân cực tự phát.
Sự phân cực này có đặc điểm là phụ thuộc vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở một nhiệt độ xác
định (điểm Quyri).
Ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri, thuộc tính điện môi xecnhet mất đi và phân cực tự phát cũng
mất. Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhet ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phát
và giảm đột ngột sau điểm Quyri.
Trên hình 3-13 cho thấy sự biến thiên của góc tổn hao điện môi và hắng số điện môi theo nhiệt
độ đối với hai điện môi gốm xecnhet có thành phần khác nhau và điểm Quyri khác nhau.
Hình 3-13. Quan hệ giữa hằng số điện môi và góc với nhiệt độ của điện môi xecnhet
1,2-Metatitanat bari BaO.TiO2 có các chất phụ thêm khác nhau
Vật lý 11 -Bài toán liên quan đến hằng số điện môi
